毛管壓力曲線法與CT 掃描數字巖心技術的應用對比分析

鄭 欣

（中國石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司勘探開發研究院，上海 200120）

巖石微觀孔喉主要由喉道和孔隙組成，是影響儲層孔隙度、滲透率及滲流性的主要因素。常見的研究方法包括毛管壓力曲線法（由壓汞試驗得出）、圖像分析法（根據鑄體薄片、CT 掃描）、三維數字巖心重構法（各類數值模擬）等，從多個方面確定巖石微觀孔喉特征，并進行表征[1-4]。目前實驗室測定毛管壓力的方法主要有半滲透隔板法、壓汞法和離心機法等，其中壓汞法由于其快速、準確，是目前測定巖石毛管壓力的主要手段[5-8]。圖像分析法是通過儀器對巖心截面進行圖像采集、展示，通過人工或計算機觀察、描述樣品圖像的孔隙與喉道的大小和連通分布情況。該方法包括鑄體薄片法、SEM 掃描電鏡法和CT 掃描法等[9-12]。CT 機對巖心進行掃描，得到巖心的三維圖像[13]。國內將CT 掃描應用于油藏研究工作，利用CT 掃描研究巖心裂縫與巖石的孔隙度、礦物成分[14-15]?；贑T 掃描實驗的圖像分析法，其原理是X 射線穿透介質時，X 射線強度的衰減與介質的吸收能力和穿過的距離成正比，因此可以通過測量吸收系數來分析介質組成。利用CT 掃描數字巖心技術可以對巖心的特征進行定量分析。

西湖凹陷X 油田平湖組儲層一直缺乏數字巖心技術研究。本次研究對象為西湖凹陷X 油田平湖組儲層微觀孔喉，采用毛管壓力曲線法與CT 掃描數字巖心技術兩種方法表征，并對比分析該兩種方法，為油氣勘探開發人員精確表征微觀孔喉提供理論參考。

1 毛管壓力曲線法

巖石微觀孔喉的分布與組合控制儲層物性，毛管壓力曲線法，可以準確表征儲層的物性[2,16]。本次通過高壓壓汞實驗，參照石油天然氣行業標準《SY/T 5346—2005 巖石毛管壓力曲線的測定》，對X 油田巖樣進行毛管壓力曲線法分析，將高壓壓汞連續的進退汞飽和度與毛管壓力對應，分析、計算得到最大連通半徑、排驅壓力、中值壓力、中值半徑、殘余汞飽和度、退汞效率等壓汞特征參數。根據毛管壓力曲線法計算得到的排驅壓力、進退汞飽和度、中值半徑等參數，可以定量對比巖樣的儲層物性，排驅壓力較小、進汞飽和度較大、殘余汞飽和度較低的儲層物性較好，產能較高，采收率較高。但在實際評價中毛管壓力曲線的壓汞實驗所用巖心取樣費用昂貴，且不可實現對整個儲層段的分析。

X 油田平湖組砂巖的排驅壓力較低，兩塊實驗樣品的排驅壓力最小均為0.124 MPa，對應的最大連通半徑均為5.934 μm；兩塊巖樣的毛管壓力曲線在低壓區均存在平緩的水平段，占總進汞量的40%，表明此處的孔喉較發育[17]。2 395 m 巖樣飽和度中值0.585 MPa低于2 291.3 m 巖樣飽和度中值0.698 MPa，對應的中值半徑1.257 μm 卻高于2 291.3 m 巖樣的中值半徑1.054 μm，表明2 395 m 巖樣的孔滲性較好。2 395 m巖樣殘余汞飽和度（56.57%）高于2 291.3 巖樣殘余汞飽和度（39.81%），表明2 395 m 巖樣中的可動流體占比較低（表1、圖1）。

圖1 高壓壓汞實驗毛管壓力曲線Fig.1 Capillary pressure curve of high pressure mercury injection experiment

表1 高壓壓汞毛管力曲線特征參數Table 1 Characteristic parameters of high pressure mercury injection capillary pressure curve

根據公式Pc=0.735 /rc（Pc為毛管壓力，MPa；rc為毛管半徑，mm）可由樣品的毛管壓力曲線計算出孔喉半徑分布曲線，樣品的孔喉分布曲線大致可以分為三段。一段為孔喉半徑大于5 mm 的部分，這部分孔喉的汞飽和度極低，認為是樣品的麻皮效應引起的。二段為樣品的孔喉主體分布區域，其中2 395 m 巖樣的孔喉主體位于1.952～3.624 mm，占比（對應的進汞飽和度峰值）9.61%～14.61%；2 291.3 m 巖樣的孔喉主體為1.95 mm，占比11.21%。三段為孔喉主體以下的部分，對應的汞飽和度峰值小于6%，但累計汞飽和度較高（相對小孔隙占比較大）（圖2）。

圖2 高壓壓汞實驗孔喉分布直方圖Fig.2 Histogram of pore throat distribution in high pressure mercury injection experiment

2 基于CT 掃描數字巖心技術的圖像分析法

數字巖心技術對于巖心中孔喉特征定量刻畫，首先需要將灰度圖像轉換成二值圖像。數字巖心的內涵是二相體，用 0 代表孔喉，1 代表骨架。CT 掃描實驗獲得的圖像均為灰度介于[0, 255]的灰度圖像。因此，通過物理方法構建數字巖心選取合適的閾值可將灰度圖像轉換為二值圖像[18]。選取2 291.3 m 巖樣、2 395 m 巖樣2 塊巖心分別進行一次CT 14 μm CT 掃描實驗（表2）。

表2 CT 掃描數字巖心基本物性參數Table 2 Basic physical parameters of CT scanning digital core

通過2 次CT 掃描，得到2 mm 典型切片灰度圖像及局部區域放大圖，圖中黑色為粒間孔隙，偏灰色為巖石骨架，泛白色為高密度礦物（圖3(b)、圖3(e)）。分析2 291.3 m 巖樣粒度較細，2 395 m 巖樣粒度較粗。2 次CT 掃描圖中均可觀察到大量的粒間孔以及部分黏土礦物（通常黏土礦物密度較低，顏色偏深灰），重建的三維數字巖心與真實巖心的相似度高（圖3(c)、圖3(f)）。

基于CT 掃描的圖像資料，分別對2 291.3 m、2 395 m 巖樣進行了三維數字巖心重構（骨架和孔隙兩相數字巖心模型）?？紫犊臻g信息的提取采用最大球算法。最大球算法是以孔隙中心某一點為圓心，向四周射線狀伸展，以碰到的最大的巖石骨架顆粒為半徑做內切球，不同內切球相交疊合的部分就是喉道，通過這種方法刻畫描述的孔隙空間是目前國際流行的孔隙空間描述方法[19]?；谏鲜龇椒ǐ@得的孔隙度與實驗室物理實驗測得的孔隙度接近（誤差在±5%內），所構建的三維數字巖心與真實巖心的相似度較高。

三維數字巖心技術重構3D 巖心與孔隙空間分布。圖4(b)、圖4(e)中藍色為重構孔隙空間分布，圖4(c)、圖4(f)中彩色圖像為孔隙與所連接喉道的重構孔隙空間，圖4(g)中紅色為空間孔隙-喉道球棍模型。重構巖樣三維數字巖心的孔隙均呈網格狀分布，孔隙間連通性均較好。14 μm CT 掃描條件下， 2 291.3 m 巖樣的孔隙分布中藍色占絕大部分空間，明顯多于2 395 m巖樣，說明該巖樣的孔隙分選均質性更優。

數字巖心技術以3D 數學模型統計孔喉分布參數。分析孔喉直徑分布曲線形態都類似于單峰模式，孔隙直徑的單峰體積分數大于喉道直徑單峰體積分數。2 291.3 m 樣品的孔隙直徑分布于20～800 μm，其中主要孔隙直徑區間為60 ～200 μm，占比約70%。2 395 m 樣品的孔隙直徑分布于400～2 000 μm，其中主要孔隙直徑區間為800～1 200 μm，占比約58%（圖5）。

圖5 三維數字巖心孔喉分布直方圖Fig.5 3D digital core pore throat distribution histogram

3 毛管壓力曲線法與CT 掃描數字巖心技術對比分析

基于CT 掃描的數字巖心技術結果與基于高壓壓汞實驗毛管壓力曲線法的技術對比（2 291.3 m 巖樣），基于高壓壓汞實驗的毛管壓力曲線法測得數據精度較高，孔喉半徑范圍較廣（0.007～5.934 mm），但其無法區分喉道和孔隙，且僅能分析規則的巖樣；CT 掃描數字巖心技術可以直接掃描巖心，直觀地展現孔隙喉道的空間展布，并且可以定量區分孔隙直徑（400～2 000 μm）與喉道直徑（8～800 μm），但其精度較毛管壓力曲線法低。

兩種方法的結果對比來看，孔喉直徑分布曲線形狀趨勢相仿，為單峰狀，但數字巖心的孔隙、喉道直徑較小，僅為毛管壓力曲線法得到的孔喉直徑的1/2～1/4。數字巖心的孔隙、喉道直徑參數段范圍較窄且峰值較集中（峰值參數占比約50%），僅分布于100～4 800 μm；而通過毛管壓力曲線法所得孔喉直徑參數范圍為20～8 000 μm。造成不同的原因主要有以下三個方面：第一，數字巖心與真實巖心的孔喉半徑統計方法存在差異，數字巖心利用最大球法，建模得到數據為規則的球狀，實際的孔隙并非球狀，實際的喉道并非筆直的圓柱狀；第二，CT 掃描存在一定的2D 隨機性，較難測定每個孔隙直徑的最大值；第三，與真實巖心相比，重新構建的數字巖心模型設置的尺寸與CT 掃描的的尺度、層數、精度與實際巖樣仍有一定的差距（圖6）。

圖6 毛管壓力曲線法對比數字巖心技術孔喉直徑分布直方圖(14 μm)Fig.6 Comparison of pore throat diameter distribution histograms by capillary pressure curve method and digital core technology (14 μm)

4 兩種方法綜合應用實例

基于以上對比分析，將2 291.3 m 巖心巖樣的CT 掃描精度提高，進行CT 1 μm 精掃（圖7）。CT 1 μm 精掃巖心切片分辨率高于14 μm CT 掃描，同時，三維數字巖心重構的彩色孔隙空間占總矩形空間充滿度更高，且孔隙空間較（圖7(e)）14 μm CT 掃描的數字巖心的孔隙整體更大，紅色孔隙-喉道球棍模型充滿度也更高，并且較14 μm CT 掃描的數字巖心孔隙-喉道球棍模型多出大量小孔隙與小喉道充填于空間（圖7(f)）。CT 1 μm 精掃數字巖心技術結果與基于高壓壓汞實驗毛管壓力曲線法的效果對比（2 291.3 m巖樣），孔喉直徑分布曲線形狀趨勢相仿，為單峰狀，但數字巖心的孔隙、喉道直徑仍較小，僅為毛管壓力曲線法得到的孔喉直徑的1/2～3/4，但較14 μm CT掃描結果改進效果明顯，證明精細掃描可增加數字巖心技術的量化精度，得到更準確的孔喉直徑參數與更廣的參數范圍（圖8）。

圖8 毛管壓力曲線法對比數字巖心技術孔喉直徑分布直方圖(1 μm)Fig.8 Comparison of pore throat diameter distribution histograms by capillary pressure curve method and digital core technology (1 μm)

5 結論

毛管壓力曲線法通過高壓壓汞實驗得到進、退汞曲線，準確獲取最大連通半徑、排驅壓力、中值壓力、中值半徑、殘余汞飽和度、退汞效率等壓汞特征參數。CT 掃描數字巖心技術可進行三維數字巖心重構，從而真實地反應巖樣內部微觀孔喉結構，且構建的三維數字巖心與真實巖心的相似度高，結合最大球法與圖像處理方法，模擬計算數字巖心孔隙度與實驗室實測的孔隙度基本一致，做到了定量化、可視化巖石微觀孔喉表征。CT 掃描數字巖心技術與毛管壓力曲線法（高壓壓汞實驗）結果對比，孔喉半徑分布曲線形狀大致相似，但是重構的數字巖心模型設置的尺寸與CT 掃描的尺度、層數、精度與實際巖樣仍有一定的差距。隨著微米CT 向著納米CT 的發展，掃描精度大幅度提高，可以更好地表征納米級別的微觀巖心孔喉特征，并利用CT 掃描數字巖心技術彌補毛管壓力曲線法無法直觀展現孔隙喉道空間展布的缺陷。