低渗储层微观孔隙结构研究进展

栗亮，栗文，仇文博



低渗储层微观孔隙结构研究进展

栗亮1，栗文2，仇文博3

（1. 中国石油大学（华东）地球科学与技术学院， 山东 青岛 266580； 2. 长安大学， 陕西 西安 710064； 3. 长庆油田分公司第十一采油厂， 甘肃 庆阳 745000）

低渗储层微观非均质性强，微观孔隙结构高精度表征成为低渗油藏开发的难点。近年来，国内低渗储层微观孔隙结构的表征技术开始从定性向定量、二维向三维转变，出现了恒速压汞、核磁共振等定量表征技术和X-CT、FIB-SEM等三维重构技术。理论方面也有孔隙结构模拟和分形学的发展。在阅读大量文献的基础上，指出国内低渗储层微观孔隙结构高精度表征处于起步阶段，定量测试和三维重构技术应用还不广泛，孔隙结构模拟和分形理论研究还不深入，有限样品点测试结果难以延伸到整个储层微观孔隙结构的预测。未来低渗储层微观孔隙结构的精细表征主要在于定性和定量相结合、数字岩心和孔隙结构模拟相结合、恒速压汞技术和分形理论相结合等多种理论方法综合应用。

低渗储层；微观孔隙结构；定量测试技术；三维重构技术；研究进展

在我国陆上原油探明储量中，低渗油藏占有很大的比例，随着勘探开发技术的不断进步，低渗储层研究取得了长足的发展［1-3］。储层微观孔隙结构直接控制着储层的储集和渗流能力，是低渗油藏开发的关键［4,5］。低渗储层微观孔隙结构研究的核心在于测试技术精度上的突破，其孔喉大小主要为微纳米级别，传统的孔隙结构研究方法的核心在于测测试技术精度上的突破，其孔喉大小主要为微纳米级别，传统的孔隙结构研究方法如物性分析、铸体薄片观察和高压压汞测试等已经无法满足油藏开发的精度需要，高精度孔隙结构表征技术的出现才能更好的与低渗油藏的开发相适应。近年来，低渗储层微观孔隙结构的表征技术开始从定性向定量、二维向三维转变，理论方面也出现了孔隙结构模拟和分形方面的发展。这些技术和理论的革新，极大地推动了低渗储层微观孔隙结构的精细表征，对低渗油藏后期开发具有重要的指导意义。

1 低渗储层微观孔隙结构表征技术研究进展

1.1 低渗储层微观孔隙结构定量测试技术

1.1.1 恒速压汞技术

研究表明，喉道特征是低渗储层渗流性质的决定性因素，常规压汞技术只能求取孔喉分布的模糊信息，且同一毛管压力曲线具有多解性，其研究精度达不到低渗储层喉道表征的需求。近年来出现的恒速压汞技术是一种精度较高的储层微观孔隙结构测试技术，该技术以非常低的进汞速度来实现准静态的进汞过程，依据进汞压力的涨跌来获取孔喉信息，可以同时定量测定孔隙和喉道动态参数，更适用于孔喉结构微观非均质性强的低渗储层特征分析［6,7］。

1989年Yuan首次在孔隙测定仪APEX （Apparatus for Pore Examination）上实现了恒速压汞试验［8］。国内学者近年来开始利用恒速压汞技术研究低渗储层微观孔喉特征，并取得突破性进展。于俊波等（2006）利用恒速压汞技术对扶杨低渗储层的微观孔隙结构进行了分析，发现喉道半径细小是低渗储层渗透率低的本质原因［9］。时宇等（2009）利用恒速压汞技术对低渗储层微观孔隙结构进行了分形研究，指出低渗储层喉道分布具有分形特征，且分形维数与储层非均质性成正相关［10］。高永利等（2011）利用恒速压汞技术对鄂尔多斯盆地低渗砂岩样品孔隙结构进行了定量评价，指出低渗砂岩孔道与渗透率之间相关性差，喉道大小及其分布是影响孔隙结构的微观非均质的关键因素［11］。但是，目前国内采用的美国的恒速压汞仪ASPE-730型，最高测试压力只有6.2MPa，限制了该技术在特低-超低渗储层中的应用，未来研究应该注重于提升该技术的测试压力，进而提高技术的精度，扩大使用的范围。

1.1.2 核磁共振技术

核磁共振技术（NMR）是一种定量表征岩心孔隙结构的新技术，与传统的岩心测试技术相比，具有快速测量、样品无损害、内在分辨率高和能获取流体参数等优点，已成为研究低渗储层微观孔隙结构特征的重要手段［12,13］。自1960年第一台核磁共振仪的出现，核磁共振技术开始在石油行业推广，并取得良好效果。目前核磁共振技术在国内石油地质方面的研究正处于一个热潮，特别是在低渗油藏的开发方面。Yakov（2001）、运华云（2002）、刘堂宴（2003）、何雨丹（2005）和李艳（2008）等分别利用核磁共振T2谱研究了不同地区储层岩石微观孔隙结构的特征，并取得了显著的成效［14-18］。王学武等（2010）对大庆油田低渗储层砂岩样品进行了核磁共振测试，建立了核磁共振T2分布与低渗岩芯孔隙分布的对应关系。由此方法获取的岩芯中值半径和分选系数与常规压汞结果都非常接近，证明了该方法在低渗储层微观孔喉结构研究中的可靠性[19]。王为民（2001）、崔连训（2012）和郑可（2013）等先后利用核磁共振技术对国内三种不同岩性的典型低渗储层岩样进行了大规模的可动流体测试，系统分析和比较了不同低渗储层内可动流体的赋存状态、分布规律和影响因素，指出可动流体参数是低渗油藏开发潜力的重要评价参数之一［20-22］。王振华等（2014）在鄂尔多斯盆地低渗砂岩分析中，对核磁共振岩心分析技术在低渗储层中的预测精度和影响因素展开了讨论，并通过实验指出核磁共振岩心分析技术适用于低渗储层微观孔喉特征的定量研究，相比常规的岩心测试技术，其精度更高，系统误差更小，但在渗透率参数预测方面存在较大误差［23］。

目前国内对于储层微观孔喉结构的研究主要集中在定性描述方面，定量研究不足。恒速压汞技术和核磁共振技术由于其测试精度较高，将会成为未来低渗储层微观孔隙结构定量研究中的两大重要手段。但两种方法得到的孔隙结构参数各有一定的局限性，如恒速压汞技术无法测量孤立孔隙，核磁共振技术还没有成熟的解释模型，对参数依赖性强等不足。在研究过程中，只有将这两种定量研究方法和定性研究手段相结合才能取得较好的应用效果，储层孔隙结构的研究也在朝着定性与定量相结合，多方法综合应用的方向发展。

1.2 低渗储层微观孔隙结构三维重构技术

1.2.1 X-CT扫描技术

常规的扫描电镜只能观测二维微观孔喉特征，具有一定的局限性。近年来发展起来的X-CT 扫描技术（X射线断层三维扫描技术），使低渗储层微观孔喉三维成像成为可能［24,25］。X-CT扫描技术可实现岩心无损害、高分辨率三维成像，其分辨率可达到微纳米级别，并可以获取任意方向微纳米级别二维CT切片图像，还能实时检测孔喉中流体的渗流状态，适用于孔喉微观非均质性强的低渗储层微观特征研究。澳大利亚学者Knackstedt等（2004）依托数字岩心实验室，利用Micro-CT技术对孔隙空间成像进行了拓展研究，并取得一定的成果［26］。Guillaume等（2016）利用X-CT扫描技术对成岩作用改造后的低渗储层微观孔喉结构进行了测试，并通过与其他测试技术的比较，证明了该技术重构三维微观孔喉结构的可行性［27］。受设备和技术的限制，X-CT扫描技术目前在我国还处于起步阶段，国内学者孙卫（2006）、苏娜（2011）、薛华庆（2015）等先后利用了Micro-CT和Nano-CT装置对低渗储层微观孔喉三维空间展布特征进行了研究，取得了阶段性成果［28-30］。但在国内，目前还没有将Micro-CT和Nano-CT技术相结合应用到储层微观孔喉表征上。以X-CT扫描技术为基础的数字岩心三维孔隙结构模拟技术结合数学和计算机等学科综合应用，未来将会成为低渗储层微观孔隙结构定量研究的一大热点。

1.2.2 FIB-SEM技术

FIB-SEM显微技术（聚焦离子—电子双束显微技术）结合了聚焦离子束技术和扫描电子显微镜成像技术［31］。其既具备聚焦离子束在微纳米级别岩样上的切割研磨功能，又具有扫描电子束的微纳米级别的敏锐观察分析能力，适用于微观孔喉细小的低渗储层研究。FIB-SEM显微技术利用镓离子束对岩样进行连续性切割，同时在电子束下成像，分辨率极高，能够真实重构低渗储层微观三维孔隙结构，且不受人造孔隙干扰。国外学者Curtis（2012）、Milliken（2013）等利用了FIB-SEM技术对页岩储层微观孔隙结构进行了观察和三维重构，获取了大量定性和定量的高精度孔喉特征信息，证实了FIB-SEM技术对储层微观孔隙结构研究的可靠性［32,33］。该技术在国内还处于起步阶段，国内只有少数学者运用该技术对页岩储层微观孔喉结构进行三维重构，取得了一定的认识，也有人提出“FIB-SEM-Ar”三束显微镜的概念，其用途有待探讨［34］。尽管FIB-SEM技术成像精度更高，但在测试过程中研磨掉了岩样，不适用于样品中流体的检测。随着国内油气勘探重心由常规转向非常规，未来FIB-SEM技术将会越来越多的应用在储层微观孔喉结构的表征上。

2 低渗储层微观孔隙结构理论研究进展

随着储层微观孔隙结构表征技术精度的不断提升，储层微观孔隙结构理论研究也取得显著性突破，主要体现在孔隙结构模拟和孔隙结构描述理论两个方面。

在孔隙结构模拟方面，主要是建立了一些类型的孔喉网络模型和模拟方法，但对于低渗储层微观孔隙结构的模拟研究很少，特别是对能表征低渗储层“甜点”中的裂缝和溶洞等非均质性较强的孔喉特征网络模型研究非常薄弱。低渗储层微观非均质性强，对其孔隙结构正确的模拟是建立在高精度岩心数字模型的基础之上的。目前以数字岩心为基础建立的真实拓扑孔隙网络模型与真实岩心符合率很高，未来以微纳米级别的数字岩心技术有望在低渗储层微观孔隙结构模拟方面广泛应用。

在孔隙结构描述理论方面，主要是分形几何理论的发展。自分形几何理论出现以来，国外学者Katz（1985）和Juan（2001）等先后通过实验证明了储层微观孔隙结构具有分形特征，且根据分形维数可以定量表征储层微观非均质性［35,36］。国内方面在中高渗储层微观孔隙结构分形研究方面已经有了较深入的了解，但对于低渗储层的分形特征研究还涉及较少，只有少数学者有所涉及。景贵成等（2005）研究了大庆油田天然低渗岩心的分形特征，指出沉积条件的变化是导致低渗储层分形维数变化的本质原因［37］。蒲秀刚等（2005）提出了反映低渗储层储集和渗流能力的评价新参数—“喉道分形综合指数”（ITF）［38］。文慧俭（2007）在大庆油田选取有代表性的低渗储层岩石样品进行了压汞试验和分形研究，指出低渗储层微观孔隙结构为多分形结构，且不同孔径范围具有不同的分形维数，并比较了在利用含水饱和度和水银饱和度条件下同一岩心所求得分形维数的差别，为利用分形维数定量预测渗透率提供了理论依据［39］。李留仁（2004）、张宸恺（2007）和张宪国（2013）等先后利用低渗储层分形特征并结合储层微观测试技术，定量的评价了低渗储层微观孔隙结构的非均质性，指出分形维数与微观非均质性成正相关［40-42］。低渗储层微观孔隙结构分形研究的基础是高精度的孔喉测试技术，因此可以将恒速压汞技术应用到低渗储层微观孔隙结构分形研究，这是未来低渗储层孔喉研究的一个新趋势。

3 存在的问题

随着低渗油藏的大规模勘探开发，其微观孔隙结构研究主要表现出以下几个方面的问题：

（1）传统的定性表征技术和定量表征技术结合不够紧密。受设备条件限制，国内低渗储层微观孔隙结构表征仍以传统的表征技术如铸体薄片、扫描电镜和常规压汞等为主，定量研究不足，测试精度达不到低渗储层微观孔喉表征的需求，与国内低渗油藏开发实际结合不够。

（2）国内在低渗储层三维孔隙结构重构技术这一领域研究还非常薄弱。近年来，只有少数学者利用X-CT扫描技术和FIB-SEM技术对低渗储层微观孔隙结构进行了三维重构，未来以高精度三维孔隙结构图像与计算机、数学和地质统计学等学科综合研究的数字岩心技术将是低渗储层微观孔隙结构表征的新方向。

（3）低渗储层微观孔隙结构理论研究还不深入。国内对于中高渗储层微观孔隙结构模拟理论和分形学理论研究比较深入，但很少涉及低渗储层。特别是低渗储层微观孔隙结构网络模型的渗流模拟研究缺少系统的理论框架，有待进一步的加强。

（4）测试点范围小，给非均质性强的低渗储层孔喉结构预测带来难点。我国陆相低渗储层微观非均质性强，仅通过单点测试很难全面分析整个储层，如何通过小范围的样品点测试结果延伸到整个储层的孔隙结构刻画是一个研究难点。

4 结论

（1）低渗储层微观孔隙结构的表征技术主要是从定性向定量、二维向三维转变，近年来出现的精度较高的定量测试技术主要有恒速压汞和核磁共振技术，三维重构技术主要有X-CT和FIB-SEM技术。理论方面主要有孔隙结构模拟和分形理论的发展。

（2）国内低渗储层微观孔隙结构高精度的表征还处于起步阶段，定量测试技术和三维重构技术应用还不广泛，孔隙结构模拟和分形理论研究还不深入，如何利用小范围样品点测试结果延伸到整个储层的微观孔隙结构预测是迫切需要解决的问题。

（3）国内未来低渗储层微观孔隙结构的精细表征主要在于定性描述和定量测试相结合、数字岩心技术和孔隙结构模拟理论相结合、恒速压汞技术和分形理论相结合等多种理论方法综合应用。

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Research Progress of Micro-pore Structures in Low-permeability Reservoirs

1,23

（1. China University of Petroleum (East China), Shandong Qingdao 266580，China；2. Chang'an University, Shaanxi Xi'an 710064，China；3. No.11 Oil Production Plant of Changqing Oilfield Company, Gansu Qingyang 745000，China）

Since low-permeability reservoir possesses typical anisotropism at the micro level, high precision characterization of micro-pore structure has been the difficulty in low-permeability reservoir development. In recent years, domestic characterization techniques towards micro-pore structures in low-permeability reservoirs have transformed from qualitative analysis to quantitative analysis, from dimensional analysis to three dimension analysis. Rate-controlled Mercury Penetration and NMR (Nuclear Magnetic Resonance) as well as X-CT, FIB-SEM have appeared. From theoretical view, there is also development in micro-pore structure simulation and fractal theory. On the basis of referring to lots of literature, it's pointed out that the research about high precision characterization of micro-pore structure in domestic low-permeability reservoir is in initial stage, quantitative measurement and three-dimensional reconstruction technique are not widely used. Similarly, another phenomenon is lack of intensive research on micro-pore structure simulation and fractal theory. Test results of limited sample points cannot be used as the basis to predict the total micro-pore structure in low-permeability reservoir. In the future, fine characterizations of micro-pore structures in low-permeability reservoirs are embodied in integrated application of various theoretical approaches, such as incorporating qualitative analysis into quantitative analysis, incorporating digital core into micro-pore structure simulation, as well as combining Rate-controlled Mercury Penetration with fractal theory.

Low-permeability reservoir;Micro-pore structure;Quantitative testing technique;Three-dimension reconstruction technique;Research progress

TE 122

A

1671-0460（2017）08-1622-04

国家科技重大专项“复杂油藏剩余油分布预测研究”基金项目，项目号：2011ZX05009-003。

2016-07-01

栗亮（1992-），男，甘肃省庆阳市人，硕士，研究方向：油气藏开发地质。E-mail：798931067@qq.com。