毛管压力曲线法与CT 扫描数字岩心技术的应用对比分析

郑 欣

（中国石油化工股份有限公司上海海洋油气分公司勘探开发研究院，上海 200120）

岩石微观孔喉主要由喉道和孔隙组成，是影响储层孔隙度、渗透率及渗流性的主要因素。常见的研究方法包括毛管压力曲线法（由压汞试验得出）、图像分析法（根据铸体薄片、CT 扫描）、三维数字岩心重构法（各类数值模拟）等，从多个方面确定岩石微观孔喉特征，并进行表征[1-4]。目前实验室测定毛管压力的方法主要有半渗透隔板法、压汞法和离心机法等，其中压汞法由于其快速、准确，是目前测定岩石毛管压力的主要手段[5-8]。图像分析法是通过仪器对岩心截面进行图像采集、展示，通过人工或计算机观察、描述样品图像的孔隙与喉道的大小和连通分布情况。该方法包括铸体薄片法、SEM 扫描电镜法和CT 扫描法等[9-12]。CT 机对岩心进行扫描，得到岩心的三维图像[13]。国内将CT 扫描应用于油藏研究工作，利用CT 扫描研究岩心裂缝与岩石的孔隙度、矿物成分[14-15]。基于CT 扫描实验的图像分析法，其原理是X 射线穿透介质时，X 射线强度的衰减与介质的吸收能力和穿过的距离成正比，因此可以通过测量吸收系数来分析介质组成。利用CT 扫描数字岩心技术可以对岩心的特征进行定量分析。

西湖凹陷X 油田平湖组储层一直缺乏数字岩心技术研究。本次研究对象为西湖凹陷X 油田平湖组储层微观孔喉，采用毛管压力曲线法与CT 扫描数字岩心技术两种方法表征，并对比分析该两种方法，为油气勘探开发人员精确表征微观孔喉提供理论参考。

1 毛管压力曲线法

岩石微观孔喉的分布与组合控制储层物性，毛管压力曲线法，可以准确表征储层的物性[2,16]。本次通过高压压汞实验，参照石油天然气行业标准《SY/T 5346—2005 岩石毛管压力曲线的测定》，对X 油田岩样进行毛管压力曲线法分析，将高压压汞连续的进退汞饱和度与毛管压力对应，分析、计算得到最大连通半径、排驱压力、中值压力、中值半径、残余汞饱和度、退汞效率等压汞特征参数。根据毛管压力曲线法计算得到的排驱压力、进退汞饱和度、中值半径等参数，可以定量对比岩样的储层物性，排驱压力较小、进汞饱和度较大、残余汞饱和度较低的储层物性较好，产能较高，采收率较高。但在实际评价中毛管压力曲线的压汞实验所用岩心取样费用昂贵，且不可实现对整个储层段的分析。

X 油田平湖组砂岩的排驱压力较低，两块实验样品的排驱压力最小均为0.124 MPa，对应的最大连通半径均为5.934 μm；两块岩样的毛管压力曲线在低压区均存在平缓的水平段，占总进汞量的40%，表明此处的孔喉较发育[17]。2 395 m 岩样饱和度中值0.585 MPa低于2 291.3 m 岩样饱和度中值0.698 MPa，对应的中值半径1.257 μm 却高于2 291.3 m 岩样的中值半径1.054 μm，表明2 395 m 岩样的孔渗性较好。2 395 m岩样残余汞饱和度（56.57%）高于2 291.3 岩样残余汞饱和度（39.81%），表明2 395 m 岩样中的可动流体占比较低（表1、图1）。

图1 高压压汞实验毛管压力曲线Fig.1 Capillary pressure curve of high pressure mercury injection experiment

表1 高压压汞毛管力曲线特征参数Table 1 Characteristic parameters of high pressure mercury injection capillary pressure curve

根据公式Pc=0.735 /rc（Pc为毛管压力，MPa；rc为毛管半径，mm）可由样品的毛管压力曲线计算出孔喉半径分布曲线，样品的孔喉分布曲线大致可以分为三段。一段为孔喉半径大于5 mm 的部分，这部分孔喉的汞饱和度极低，认为是样品的麻皮效应引起的。二段为样品的孔喉主体分布区域，其中2 395 m 岩样的孔喉主体位于1.952～3.624 mm，占比（对应的进汞饱和度峰值）9.61%～14.61%；2 291.3 m 岩样的孔喉主体为1.95 mm，占比11.21%。三段为孔喉主体以下的部分，对应的汞饱和度峰值小于6%，但累计汞饱和度较高（相对小孔隙占比较大）（图2）。

图2 高压压汞实验孔喉分布直方图Fig.2 Histogram of pore throat distribution in high pressure mercury injection experiment

2 基于CT 扫描数字岩心技术的图像分析法

数字岩心技术对于岩心中孔喉特征定量刻画，首先需要将灰度图像转换成二值图像。数字岩心的内涵是二相体，用 0 代表孔喉，1 代表骨架。CT 扫描实验获得的图像均为灰度介于[0, 255]的灰度图像。因此，通过物理方法构建数字岩心选取合适的阈值可将灰度图像转换为二值图像[18]。选取2 291.3 m 岩样、2 395 m 岩样2 块岩心分别进行一次CT 14 μm CT 扫描实验（表2）。

表2 CT 扫描数字岩心基本物性参数Table 2 Basic physical parameters of CT scanning digital core

通过2 次CT 扫描，得到2 mm 典型切片灰度图像及局部区域放大图，图中黑色为粒间孔隙，偏灰色为岩石骨架，泛白色为高密度矿物（图3(b)、图3(e)）。分析2 291.3 m 岩样粒度较细，2 395 m 岩样粒度较粗。2 次CT 扫描图中均可观察到大量的粒间孔以及部分黏土矿物（通常黏土矿物密度较低，颜色偏深灰），重建的三维数字岩心与真实岩心的相似度高（图3(c)、图3(f)）。

基于CT 扫描的图像资料，分别对2 291.3 m、2 395 m 岩样进行了三维数字岩心重构（骨架和孔隙两相数字岩心模型）。孔隙空间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点为圆心，向四周射线状伸展，以碰到的最大的岩石骨架颗粒为半径做内切球，不同内切球相交叠合的部分就是喉道，通过这种方法刻画描述的孔隙空间是目前国际流行的孔隙空间描述方法[19]。基于上述方法获得的孔隙度与实验室物理实验测得的孔隙度接近（误差在±5%内），所构建的三维数字岩心与真实岩心的相似度较高。

三维数字岩心技术重构3D 岩心与孔隙空间分布。图4(b)、图4(e)中蓝色为重构孔隙空间分布，图4(c)、图4(f)中彩色图像为孔隙与所连接喉道的重构孔隙空间，图4(g)中红色为空间孔隙-喉道球棍模型。重构岩样三维数字岩心的孔隙均呈网格状分布，孔隙间连通性均较好。14 μm CT 扫描条件下， 2 291.3 m 岩样的孔隙分布中蓝色占绝大部分空间，明显多于2 395 m岩样，说明该岩样的孔隙分选均质性更优。

数字岩心技术以3D 数学模型统计孔喉分布参数。分析孔喉直径分布曲线形态都类似于单峰模式，孔隙直径的单峰体积分数大于喉道直径单峰体积分数。2 291.3 m 样品的孔隙直径分布于20～800 μm，其中主要孔隙直径区间为60 ～200 μm，占比约70%。2 395 m 样品的孔隙直径分布于400～2 000 μm，其中主要孔隙直径区间为800～1 200 μm，占比约58%（图5）。

图5 三维数字岩心孔喉分布直方图Fig.5 3D digital core pore throat distribution histogram

3 毛管压力曲线法与CT 扫描数字岩心技术对比分析

基于CT 扫描的数字岩心技术结果与基于高压压汞实验毛管压力曲线法的技术对比（2 291.3 m 岩样），基于高压压汞实验的毛管压力曲线法测得数据精度较高，孔喉半径范围较广（0.007～5.934 mm），但其无法区分喉道和孔隙，且仅能分析规则的岩样；CT 扫描数字岩心技术可以直接扫描岩心，直观地展现孔隙喉道的空间展布，并且可以定量区分孔隙直径（400～2 000 μm）与喉道直径（8～800 μm），但其精度较毛管压力曲线法低。

两种方法的结果对比来看，孔喉直径分布曲线形状趋势相仿，为单峰状，但数字岩心的孔隙、喉道直径较小，仅为毛管压力曲线法得到的孔喉直径的1/2～1/4。数字岩心的孔隙、喉道直径参数段范围较窄且峰值较集中（峰值参数占比约50%），仅分布于100～4 800 μm；而通过毛管压力曲线法所得孔喉直径参数范围为20～8 000 μm。造成不同的原因主要有以下三个方面：第一，数字岩心与真实岩心的孔喉半径统计方法存在差异，数字岩心利用最大球法，建模得到数据为规则的球状，实际的孔隙并非球状，实际的喉道并非笔直的圆柱状；第二，CT 扫描存在一定的2D 随机性，较难测定每个孔隙直径的最大值；第三，与真实岩心相比，重新构建的数字岩心模型设置的尺寸与CT 扫描的的尺度、层数、精度与实际岩样仍有一定的差距（图6）。

图6 毛管压力曲线法对比数字岩心技术孔喉直径分布直方图(14 μm)Fig.6 Comparison of pore throat diameter distribution histograms by capillary pressure curve method and digital core technology (14 μm)

4 两种方法综合应用实例

基于以上对比分析，将2 291.3 m 岩心岩样的CT 扫描精度提高，进行CT 1 μm 精扫（图7）。CT 1 μm 精扫岩心切片分辨率高于14 μm CT 扫描，同时，三维数字岩心重构的彩色孔隙空间占总矩形空间充满度更高，且孔隙空间较（图7(e)）14 μm CT 扫描的数字岩心的孔隙整体更大，红色孔隙-喉道球棍模型充满度也更高，并且较14 μm CT 扫描的数字岩心孔隙-喉道球棍模型多出大量小孔隙与小喉道充填于空间（图7(f)）。CT 1 μm 精扫数字岩心技术结果与基于高压压汞实验毛管压力曲线法的效果对比（2 291.3 m岩样），孔喉直径分布曲线形状趋势相仿，为单峰状，但数字岩心的孔隙、喉道直径仍较小，仅为毛管压力曲线法得到的孔喉直径的1/2～3/4，但较14 μm CT扫描结果改进效果明显，证明精细扫描可增加数字岩心技术的量化精度，得到更准确的孔喉直径参数与更广的参数范围（图8）。

图8 毛管压力曲线法对比数字岩心技术孔喉直径分布直方图(1 μm)Fig.8 Comparison of pore throat diameter distribution histograms by capillary pressure curve method and digital core technology (1 μm)

5 结论

毛管压力曲线法通过高压压汞实验得到进、退汞曲线，准确获取最大连通半径、排驱压力、中值压力、中值半径、残余汞饱和度、退汞效率等压汞特征参数。CT 扫描数字岩心技术可进行三维数字岩心重构，从而真实地反应岩样内部微观孔喉结构，且构建的三维数字岩心与真实岩心的相似度高，结合最大球法与图像处理方法，模拟计算数字岩心孔隙度与实验室实测的孔隙度基本一致，做到了定量化、可视化岩石微观孔喉表征。CT 扫描数字岩心技术与毛管压力曲线法（高压压汞实验）结果对比，孔喉半径分布曲线形状大致相似，但是重构的数字岩心模型设置的尺寸与CT 扫描的尺度、层数、精度与实际岩样仍有一定的差距。随着微米CT 向着纳米CT 的发展，扫描精度大幅度提高，可以更好地表征纳米级别的微观岩心孔喉特征，并利用CT 扫描数字岩心技术弥补毛管压力曲线法无法直观展现孔隙喉道空间展布的缺陷。