致密砂巖儲(chǔ)層微觀孔喉結(jié)構(gòu)表征方法綜述

米 悅，陳朝兵，王江濤

(西安石油大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710018)

隨著石油業(yè)的發(fā)展與勘探開發(fā)技術(shù)的提高，非常規(guī)油氣已成為油氣勘探的新熱點(diǎn)，而作為非常規(guī)油氣中的一種，致密砂巖油氣也受到了廣泛的關(guān)注。“致密”作為此類致密儲(chǔ)層的基本特征，從微觀方面來看，表現(xiàn)為孔喉結(jié)構(gòu)不同于常規(guī)儲(chǔ)層，具有異常細(xì)小、復(fù)雜的特征[1]。一般來說，致密砂巖儲(chǔ)層致密且非均質(zhì)性強(qiáng)，發(fā)育微米級(jí)和納米～亞微米級(jí)(1 μm 以下)孔喉[2]。這種微小孔喉是導(dǎo)致致密油氣藏低孔低滲的主要原因，孔喉結(jié)構(gòu)一定程度上也制約著致密儲(chǔ)層的有效性。因此，孔喉結(jié)構(gòu)的精細(xì)表征是高效開發(fā)致密砂巖油氣的關(guān)鍵技術(shù)之一。

1 致密砂巖微觀孔喉結(jié)構(gòu)研究方法

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者將環(huán)境掃描電鏡、核磁共振、微納米CT、聚焦離子束顯微鏡、高壓壓汞及恒速壓汞等高精度實(shí)驗(yàn)技術(shù)于常規(guī)測(cè)試技術(shù)相結(jié)合，對(duì)國(guó)內(nèi)外含油氣盆地進(jìn)行了大量的微觀孔喉結(jié)構(gòu)的研究，實(shí)現(xiàn)了對(duì)微觀孔喉從定性到定量化表征。其主要集中于孔喉形態(tài)、大小、類型、連通性以及各微觀尺度的試驗(yàn)技術(shù)的整合方面。當(dāng)前對(duì)微觀孔喉結(jié)構(gòu)的表征方法較多，按其特點(diǎn)可分為數(shù)據(jù)分析技術(shù)和圖像分析技術(shù)[6]。

1.1 數(shù)據(jù)分析技術(shù)

數(shù)據(jù)分析技術(shù)，是在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)微觀孔喉進(jìn)行定量表征的技術(shù)。主要包含：壓汞技術(shù)、低溫氮吸附技術(shù)、氮吸附～常規(guī)壓汞聯(lián)測(cè)技術(shù)以及核磁共振技術(shù)等。此類技術(shù)的核心在于通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來定量表征微觀孔喉，例如孔喉的體積、孔徑的分布、微觀非均質(zhì)性等，不同技術(shù)對(duì)于孔徑的限制不同。

1.1.1 壓汞技術(shù)

壓汞法是研究孔隙結(jié)構(gòu)的常規(guī)方法，它測(cè)量的孔隙半徑分布范圍主要在10納米～10微米之間，應(yīng)用廣泛，可分析不同喉道控制的孔隙體積并給出亞尼性能中喉道的分布特征。目前常用壓汞技術(shù)有：恒速壓汞技術(shù)、常規(guī)壓汞技術(shù)和高壓壓汞技術(shù)。

恒速壓汞技術(shù)，是以非常低的進(jìn)汞速度將汞注入巖石孔隙中，然后依據(jù)進(jìn)汞壓力的漲跌情況獲取孔隙結(jié)構(gòu)信息的技術(shù)[3]。與常規(guī)壓汞技術(shù)不同，恒速壓汞是準(zhǔn)靜態(tài)過程，運(yùn)用此技術(shù)可更準(zhǔn)確地模擬出流體在孔喉中的滲流過程，進(jìn)而測(cè)量出孔隙與喉道的大小與分布狀況并精確統(tǒng)計(jì)出孔隙的個(gè)數(shù)。其優(yōu)點(diǎn)是由于恒速壓汞的壓力是相對(duì)恒定的，可實(shí)現(xiàn)孔隙與喉道的分開表征，缺點(diǎn)則是由于進(jìn)汞壓力相對(duì)較小，無法進(jìn)入微小孔隙中，因此在表征全尺度范圍孔喉分布情況方面存在缺陷。

高壓壓汞技術(shù)，即在常規(guī)壓汞技術(shù)的基礎(chǔ)上加大進(jìn)汞壓力，此方法可測(cè)試出巖樣中孔喉的分選、大小、連通性及滲流能力等參數(shù),可測(cè)量的喉道半徑小[9]。但此技術(shù)存在缺陷：由于進(jìn)汞壓力過高(最高可達(dá)414 MPa)，在試驗(yàn)過程中極易造成巖樣的破壞，且在測(cè)量大孔隙時(shí)存在丟失信息的現(xiàn)象[10]。

1.1.2 低溫氮吸附技術(shù)

N2吸附技術(shù)，顧名思義是利用N2可吸附在固體表面的特性，測(cè)量液氮在不同壓力狀態(tài)下在孔喉中的吸附狀態(tài)，然后按照不同的孔隙模型計(jì)算，最終得到孔喉分布及大小的一種表征方法。其原理是毛細(xì)冷凝現(xiàn)象與體積的等效交換，就是將被測(cè)孔喉中的充氮量等效為孔喉的體積[7]。此方法測(cè)試孔隙的有效范圍為1～50 nm。優(yōu)點(diǎn)是適用于中、小孔隙測(cè)量，尤其是納米級(jí)孔隙，如粘土礦物吸附孔。缺點(diǎn)則是存在測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)、測(cè)試點(diǎn)較少的問題，同時(shí)由于氮?dú)夥肿釉谂c其自身直徑相當(dāng)?shù)目紫秲?nèi)特性復(fù)雜，受多種因素影響，故而吸附量不能完全代表巖樣孔喉的大小，導(dǎo)致測(cè)量精度不高。

1.1.3 N2吸附～常規(guī)壓汞聯(lián)測(cè)技術(shù)

N2吸附～常規(guī)壓汞聯(lián)測(cè)技術(shù)是將壓汞技術(shù)與低溫氮吸附技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)行綜合換算與銜接，對(duì)比兩種方法測(cè)得的孔徑分布圖并對(duì)其重疊部分進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，結(jié)合大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)將二者的孔隙分布連接起來，最終得到致密砂巖儲(chǔ)層孔徑分布模型，優(yōu)點(diǎn)是可以較全面地分析儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)，避免了測(cè)量范圍過窄的不足。

1.1.4 核磁共振技術(shù)

核磁共振技術(shù)在石油行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用，通常是用H原子核的自旋運(yùn)動(dòng)和共振原理來測(cè)量巖石的孔喉結(jié)構(gòu)[4]。測(cè)量方法是先將巖心用模擬地層水飽和,而后將不同孔隙或喉道內(nèi)的H原子信號(hào)疊加，形成核磁共振信號(hào)，最后通過數(shù)學(xué)模擬的方法得到核磁共振T2分布，所得到的T2分布即反應(yīng)了巖石的孔喉結(jié)構(gòu)[5]。此技術(shù)雖可以之謎儲(chǔ)層微觀孔喉結(jié)構(gòu)進(jìn)行無損檢測(cè)，但目前還存在一定局限性，比如易受到巖心中磁性物質(zhì)、溫度等的干擾進(jìn)而對(duì)結(jié)果產(chǎn)生一定程度的影響；目前還沒有辦法直接從T2分布圖得到孔喉分布的直觀結(jié)論，必須要結(jié)合其他分析技術(shù)進(jìn)行綜合研究才能最終達(dá)到研究孔喉的目的。

1.2 圖像分析技術(shù)

1.2.1 二維圖像表征技術(shù)

二維圖像表征技術(shù)主要包含普通薄片、環(huán)境掃描電鏡、場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡、Maps 圖像拼接技術(shù)及礦物分析識(shí)別系統(tǒng)。常用的環(huán)境掃描電鏡技術(shù)與普通顯微鏡原理基本相同，但樣品室不同，工作中的環(huán)境掃描電鏡的樣品室有三種方式：低真空、高真空和環(huán)境。優(yōu)點(diǎn)是分辨率較高，能夠?qū)χ旅苌皫r內(nèi)的填隙物形態(tài)、孔喉大小、分布、連通性等特征進(jìn)行測(cè)量、照相，達(dá)到半定量-定量表征。礦物分析識(shí)別系統(tǒng)也是目前較為先進(jìn)的二維圖像孔隙分析技術(shù)，根據(jù)電子衍射形成的特征X射線能量判斷所測(cè)物體中的元素種類，將所得結(jié)果與數(shù)據(jù)庫(kù)中礦物結(jié)合對(duì)比，最終得出礦物分布信息，同時(shí)可以直觀觀察到孔喉的分布特征。Maps 圖像拼接技術(shù)是利用Helios 650雙束電鏡在選定的區(qū)域掃描出大量的同樣大小的超高分辨率的小圖像，而后將這些小圖像進(jìn)行拼接，最終形成一張超大面積、超高分辨率的二位背散射電子圖像，其最高分辨率可達(dá)10納米。這項(xiàng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)納米～微米級(jí)多尺度孔喉的連續(xù)定量表征，對(duì)研究致密砂巖微觀非均質(zhì)性和認(rèn)識(shí)致密儲(chǔ)層微觀孔喉結(jié)構(gòu)具有重要意義。

1.2.2 三維數(shù)字巖心技術(shù)

數(shù)字巖心技術(shù)是指利用計(jì)算機(jī)對(duì)巖心孔喉結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬的技術(shù)。此方法可以在不破壞真實(shí)巖心的情況下，模擬和構(gòu)建出孔喉的大小及空間分布形態(tài)。目前進(jìn)行三維巖心數(shù)字建模時(shí)，通常有兩種方法[8]:

(1)物理實(shí)驗(yàn)法，用聚焦離子束掃描電鏡或微納米 CT 掃描儀獲取巖心樣本的二維圖像，再對(duì)所得的二維圖像進(jìn)行三維重構(gòu)，最終得到數(shù)字巖心。

(2)數(shù)值重建法，通過對(duì)巖心掃描圖像等資料的分析，提取出微觀孔喉信息，再通過數(shù)值算法得到數(shù)字巖心。

優(yōu)點(diǎn)：CT 掃描法更快速、無損、大范圍地成像，操作也更加便捷；聚焦離子束掃描電鏡可以識(shí)別巖心樣本中納米級(jí)的微小孔隙。

缺點(diǎn)：CT 掃描法受分辨率制約無法識(shí)別65 nm以下的孔隙，且CT 掃描法與聚焦離子束掃描電鏡均存在測(cè)樣成本較高的問題。

2 致密砂巖微觀孔喉結(jié)構(gòu)表征現(xiàn)狀及建議

當(dāng)前，在致密砂巖微觀孔喉結(jié)構(gòu)表征方面方法較多，但由于各種方法的原理不同，導(dǎo)致在研究中會(huì)出現(xiàn)一定的局限性。

(1)各種不同的方法，由于原理及手法不同，對(duì)精確度和控制范圍有差距，比如：恒速壓汞法的測(cè)量尺度是納米-微米級(jí)，聚焦離子束掃描電鏡法只能測(cè)量納米級(jí)的。各種方法在分析測(cè)試過程中，都容易受到外在因素的影響，因此目前還沒有一種方法可以精確表征出孔喉地真實(shí)特征。

(2)數(shù)據(jù)分析法在表征微觀孔喉特征時(shí)，可以反應(yīng)孔喉的分布、大小和微觀非均質(zhì)性；圖像分析技術(shù)可研究孔喉類型、分布及連通性、原油的賦存狀態(tài)、干酪根成熟度、聚油下限、礦物的嵌布特征和滲流模擬。

(3)數(shù)據(jù)分析法在測(cè)試成本上總體上低于圖像分析法，適用于進(jìn)行大量的樣本分析測(cè)試，但是圖像分析法可以對(duì)樣本的孔喉結(jié)構(gòu)進(jìn)行較為全面的表征。且由于各種方法均存在一定程度的局限，所以在實(shí)際研究時(shí)需要選擇合適的方法，并將數(shù)據(jù)分析與圖像分析有效結(jié)合，才可以更加全面、準(zhǔn)確地表征孔喉結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)語

隨著近年來致密油氣的深入研究，學(xué)者們對(duì)作為油氣勘探中熱點(diǎn)的微觀孔喉結(jié)構(gòu)有了更深一步的研究，對(duì)其分析也有了更多技術(shù)依托。本文本著拋磚引玉及共同進(jìn)步的目的，經(jīng)大量的文獻(xiàn)調(diào)研，系統(tǒng)的向同業(yè)者們介紹了致密砂巖微觀孔喉結(jié)構(gòu)表征方法。希望能對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的研究有所有幫助，文中如有不當(dāng)之處請(qǐng)批評(píng)指正。