儲層微觀孔隙結構表征研究進展

戚 楠

（中國石油集團測井有限公司華北分公司，河北任丘 062550）

1 儲層孔隙結構研究方法

儲層孔隙結構特征是影響儲層儲集性能及滲流能力的主要因素，孔隙結構精細評價也是儲層研究的關鍵。目前，儲層孔隙結構研究方法可歸納為兩類：（1）定量表征技術，包括壓汞法、氣體吸附法、核磁共振技術等；（2）定性表征技術，如鑄體薄片法、掃描電鏡法、聚焦離子束顯微鏡技術、微納米CT 等。不同表征技術的原理具有差別，各種方法各具特點（見圖1）。

1.1 儲層孔喉的定量評價

1.1.1 高壓壓汞法 壓汞法是利用當對巖石為非潤濕相流體的汞注入被抽空的巖石孔隙系統內，必須克服巖石孔隙喉道所造成的毛細管阻力。當某一注汞壓力與巖樣孔隙喉道的毛細管阻力達到平衡時，便可測得該注汞壓力及在該壓力條件下進入巖樣內的汞體積。根據Washburn 方程可以計算不同壓力下相應孔徑分布與孔體積大小。高壓壓汞法進汞壓力一般在200 MPa～400 MPa，最高可達414 MPa，理論上可分析的最小孔喉半徑下限為0.001 8 μm。該實驗測量時間較快，一般對致密儲層來說需要1 h～2 h。

然而，該實驗也存在諸多缺點：（1）實驗條件與實際油藏差別較大；（2）由于實驗進汞壓力較高，在實驗過程中可能會造成人工裂隙；（3）該實驗只能給出喉道半徑及對應的喉道控制的孔隙體積分布，并非是準確的喉道體積分布。

1.1.2 恒速壓汞法 恒速壓汞是指在對巖樣保持準靜態的進汞過程，進汞速度非常緩慢（通常為0.000 05 mL/min）。實驗的最大進汞壓力為6.2 MPa，對應的孔喉半徑為0.12 μm。恒速壓汞逼近于準靜態過程，不僅可通過進汞壓力的升降來獲取巖樣的微觀孔喉結構參數信息（見圖2），而且可以將孔隙與喉道區別開來，能夠直接獲得總體、孔隙和喉道毛管壓力曲線以及孔隙、喉道、孔喉半徑比的頻數分布數據以及孔隙和喉道的半徑分布曲線。然而，該實驗的缺點也不可避免：（1）實驗速度慢，完成一塊巖樣的實驗需要3 d～5 d，甚至更長；（2）測試的孔隙范圍有限，無法表征半徑小于0.12 μm 的小孔喉。

圖1 儲層孔隙表征技術綜合對比[1]Fig.1 Comprehensive comparison of reservoir pore characterization techniques[1]

圖2 恒速壓汞進汞過程示意[2]Fig.2 Schematic diagram of the constant-rate mercury injection process[2]

1.1.3 氣體吸附法 氣體吸附是基于孔隙表面對氣體的吸附作用和毛細管凝聚原理，通常采用N2或CO2作為吸附氣體，獲取樣品的等溫吸脫附曲線（見圖3）。然后通過不同的理論方法計算其比表面、孔容積和孔徑分布曲線。一般選擇BET 模型計算比表面積，以及BJH 模型計算孔容分布。

低溫N2吸附技術測試孔隙的有效半徑范圍為2 nm～200 nm，低溫CO2吸附技術主要研究小于2 nm的孔隙結構。但有學者認為N2吸附法在測量孔徑超過100 nm 孔隙時不夠準確[1]，與此同時，CO2吸附技術也有很大局限性，其主要針對小于2 nm 的微孔進行測定，但是泥頁巖儲層中孔隙小于2 nm 的部分所占儲集空間比例很小，因此其意義不大[3]。

1.1.4 核磁共振技術 核磁共振（NMR）技術是指利用核磁共振儀對巖樣進行檢測、實驗，并對所獲取的數據進行解釋及分析，其基本原理是原子核的運動在外加電磁波下會產生核磁共振現象[3]。由于致密儲層中不同組分和結構特征具有不同弛豫過程，觀測信號的強度也會發生變化，因此，可利用帶有核磁性的原子與外磁場的相互作用引起的共振現象進行孔喉結構的研究[4]。

運華云等[5]通過對比巖心的核磁共振T2分布與壓汞法得到的孔喉半徑之間的關系，發現二者具有良好的相關性，并建立了核磁共振T2值與孔喉半徑之間的換算方法。除了對儲層微觀孔喉半徑分布進行定量分析，核磁共振技術還可以進行二維或三維切片成像[6]。

1.2 儲層孔隙結構二維平面刻畫

1.2.1 鑄體薄片法 鑄體薄片法是將有色（紅色或藍色）液態膠在真空狀態或者加壓下注入巖石的孔隙內部，待液態膠凝固后磨制成巖石薄片。由于巖石中的孔隙被有色膠填充，故在顯微鏡下容易識別，可直接觀察巖心薄片中的孔隙與分布狀態、孔隙類型與發育程度、幾何形體等信息（見圖4）。

該方法的優點是能簡單直接觀察到孔喉的大小及形態。但是，它的缺點也較為突出，主要表現在三個方面：（1）當顯微鏡精度不高時觀察的孔喉級別有限；（2）該圖像只能反映孔喉的二維平面特征，不能觀測孔喉的三維形態以及定量獲得孔喉體積的大小；（3）人為因素較大，不同觀察者對孔喉的表征存在一定的差別。

1.2.2 掃描電鏡技術 掃描電鏡（SEM）是一種用于觀察物體表面結構的新型電子光學儀器，其精度很高，分辨率一般在幾個納米至幾十個納米[6]。掃描電鏡又可以具體分為普通掃描電鏡、環境掃描電鏡、場發射掃描電鏡，其中環境掃描電鏡（ESEM）的測量精度在1 nm，場發射掃描電鏡（FESEM）測量精度在0.5 nm～2 nm。除了對孔隙結構進行觀測，掃描電鏡技術可以對含水含油的樣品進行觀察，分析原始狀態下的油水微觀賦存狀態[1]。

圖3 吸附回線分類及孔隙類型Fig.3 Hysteeresis loops classification and pore types

圖4 準噶爾盆地烏二段儲集空間類型[7]Fig.4 Types of reservoir interspace in the Wuerhe formation in Jungar basin[7]

鄒才能等[8]利用場發射掃描電鏡對四川盆地志留系頁巖微觀孔隙結構進行了定量評價。張鵬飛等[9]應用掃描電鏡對頁巖微觀孔隙結構定量表征，對比分析不同類型孔徑分布模型差異，建立了2D-SEM 圖像定量表征頁巖孔徑分布方法。

1.3 儲層孔隙結構三維立體表征

1.3.1 聚焦離子-電子雙束顯微鏡技術（FIB-SEM） 聚焦離子-電子雙束顯微鏡技術（FIB-SEM）是聚焦離子束（FIB）技術和掃描電鏡（SEM）成像技術的結合。該技術可針對致密儲層進行精細到納米級的三維重構，深入了解致密儲層內部的微觀孔隙結構。但此技術在樣品制作時會損壞樣品表面，且成像范圍小[10]。

Curtis 等[11]于2010 年在對頁巖微納米級孔隙結構特征研究中利用了FIB-SEM 技術分析手段，先用聚焦離子束（FIB）對頁巖進行10 nm 厚度的切片，接著用電子掃描顯微鏡（SEM）對頁巖進行觀察，最后在計算機中對所觀察到的結果進行了三維重構（見圖5）。

圖5 FIB 連續切割過程[11]Fig.5 FIB continuous cutting process[11]

1.3.2 微納米CT 掃描技術 CT 掃描技術是儲層三維孔隙表征的重要技術，原理是利用X 射線對巖石樣品進行無損探測，可在不損壞樣品的情況下，快速、準確、直觀地表征孔隙喉道在三維空間中的形態分布，對致密砂巖、頁巖等致密儲層孔隙的數量、大小以及連通性進行定量表征，并進行虛擬成像[6，10]。

鄒才能等[8]利用場發射掃描電子顯微鏡與Nano-CT 技術對四川盆地古生界頁巖進行了研究，并提出納米級孔是致密儲層連通性儲集空間的主體（見圖6）。白斌等[4]對鄂爾多斯盆地上三疊統延長組致密砂巖微觀儲層樣品進行了微納米CT 掃描實驗，在微納米尺度上研究了致密砂巖樣品的孔喉、形態和連通性。

2 儲層全孔徑分布的聯合表征

圖6 四川盆地古生界頁巖樣品復雜孔隙三維重構圖像[8]Fig.6 3D pore reconstruction images in mudstone,Sichuan basin[8]

目前用于儲層孔隙結構表征的技術很多，但每種技術方法都有其局限性，即利用單一的技術往往難以全面認識儲層的孔隙結構，為了更加全面表征儲層的孔徑分布，許多學者進行了深入研究，多采用聯合多種技術進行儲層表征的方法。

針對非常規儲層全孔徑分布特征，主要技術如下：（1）聯合高壓壓汞和恒速壓汞法[12]；（2）結合氣體吸附技術與壓汞技術[13-15]；（3）結合核磁共振和壓汞技術[16，17]；（4）結合核磁共振、壓汞以及氮氣吸附技術[18]。

然而，盡管這些方法在表征儲層孔隙結構方面可能更加全面，但目前聯合表征方法的主體研究思路是簡單數據之間的機械拼接，不同學者的區別在于拼接點的選擇，有的采用兩者的交點作為分割點，有的根據變化趨勢判斷，這種方法本質上不能稱之為多種測試手段的真正融合，而目前也沒有更好的或普遍接受的方法[19]。

3 需注意的問題及未來發展方向

綜上所述，盡管目前非常規儲層微觀孔隙結構表征技術眾多，但其在定性描述和定量分析方面仍存在許多問題，需進一步探討。

3.1 表征的精度與尺度難以得兼

盡管目前的儲層表征技術已經具有很高的分辨率，但是分辨率越高的情況下樣品的尺寸就會很小。對于非均質性較強的致密儲層，僅僅通過小范圍的測定難以全面地描述整個儲層。如何利用小尺度微觀孔隙結構的測試拓展到宏觀尺度上的儲層孔隙結構的刻畫將是需要思考的問題。

3.2 全孔徑聯合表征

盡管目前出現了不同的全孔徑聯合表征方法，但主要基于不同實驗結果的機械拼接，在測試數據重疊部分通常會出現矛盾。孔隙結構聯合表征仍需在各種測試技術的實驗原理和精度的分析對比上進行突破，探索儲層孔隙結構表征多技術一體化。

3.3 結合人工智能發展數字巖心技術

對于孔喉特征復雜且不規則的非常規儲層，依靠數字巖心技術進行孔隙結構的三維重構時，圖像的處理及算法的選擇上人為影響因素較大，結合人工智能去改進建模方法和技術是未來重要的發展方向。

4 結論

（1）目前已有眾多的儲層微觀孔隙結構表征技術，不同技術各具特色。壓汞、氣體吸附和核磁共振技術可以對非常規儲層孔隙結構進行定量表征。鑄體薄片及掃描電鏡技術可以刻畫儲層孔隙結構二維平面特征，聚焦離子-電子雙束顯微鏡技術和微納米CT 技術可以對儲層孔隙結構進行三維立體表征。

（2）綜合多種表征技術的全孔徑聯合表征技術可以相對全面地反映非常規儲層的孔徑分布。但目前不同的全孔徑聯合表征方法還存在一系列問題。同時，如何克服表征的精度與尺度難以得兼的問題，以及加快發展通過人工智能更加科學、合理的進行孔隙結構的三維重構是未來重要的發展方向。