CT技術(shù)在致密砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用——以鄂爾多斯盆地延長組長7段為例

尤源，牛小兵，李廷艷，楊孝，淡衛(wèi)東

（1.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室，西安710018；2.中國石油長慶油田分公司a.勘探開發(fā)研究院；b.油藏評(píng)價(jià)處，西安710018）

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CT技術(shù)在致密砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用——以鄂爾多斯盆地延長組長7段為例

尤源1，2a，牛小兵1，2a，李廷艷1，2a，楊孝2b，淡衛(wèi)東1，2a

（1.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室，西安710018；2.中國石油長慶油田分公司a.勘探開發(fā)研究院；b.油藏評(píng)價(jià)處，西安710018）

摘要：為揭示致密砂巖復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)特征，應(yīng)用高分辨率CT技術(shù),對鄂爾多斯盆地延長組長7段致密砂巖樣品開展了定量研究。利用CT閾值差異識(shí)別樣品中的孔隙和喉道，從而獲得致密砂巖高精度二維及三維孔喉圖像；應(yīng)用數(shù)字巖心方法建立致密砂巖孔隙網(wǎng)絡(luò)模型，并根據(jù)模型中的定量參數(shù)分析，獲得孔隙及喉道的半徑分布及其對儲(chǔ)集空間的貢獻(xiàn)率、孔喉連通性等特征，實(shí)現(xiàn)了長7段致密砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征定量表征：長7段致密砂巖微米級(jí)孔喉連續(xù)分布；半徑大于2 μm的孔隙是長7段致密砂巖的主要儲(chǔ)集空間；孔隙、喉道間具有一定的連通性，配位數(shù)主要為1～ 3.應(yīng)用高分辨率CT技術(shù)可定量表征致密砂巖孔隙結(jié)構(gòu)特征。

關(guān)鍵詞：鄂爾多斯盆地；延長組；致密砂巖；孔隙；喉道；CT技術(shù)

鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)延長組長7段發(fā)育典型的致密砂巖儲(chǔ)集層，勘探開發(fā)實(shí)踐證明，油氣在這種致密砂巖中也能聚集成藏，并能形成規(guī)模巨大且具有勘探潛力的油氣資源[1-2]，這引起了人們對致密砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)的普遍關(guān)注[3-4]。近年來，致密砂巖孔隙測試方法取得了很大進(jìn)步：核磁共振、恒速壓汞技術(shù)開始廣泛應(yīng)用于致密砂巖可動(dòng)流體賦存特征及孔喉匹配關(guān)系研究[5-6]；場發(fā)射掃描電鏡和雙束電鏡（FIBSEM）技術(shù)[3]，使致密砂巖孔喉圖像識(shí)別精度最高達(dá)到0.1 nm；通過礦物自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了礦物精確識(shí)別與孔隙成因分析[7]；應(yīng)用CT技術(shù)開展了巖石孔喉三維重構(gòu)及孔隙中流體動(dòng)態(tài)分布研究[8-9]。CT技術(shù)可在不破壞樣品的條件下對內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，依據(jù)掃描數(shù)據(jù)體可對孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行二維及三維數(shù)字重構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)數(shù)字巖心模擬分析，因而，在致密砂巖及頁巖前期研究中被大量應(yīng)用[10]。隨著CT掃描分辨率不斷提高及數(shù)字巖心模擬的日趨成熟，應(yīng)用高分辨率CT技術(shù)（微米級(jí)）進(jìn)行致密砂巖孔喉定量表征已經(jīng)成為可能[11]。本文應(yīng)用高分辨率CT技術(shù)對鄂爾多斯盆地長7段致密砂巖樣品進(jìn)行測試，通過二維及三維重構(gòu)，獲得致密砂巖高精度孔喉圖像；應(yīng)用數(shù)字巖心技術(shù)提取孔隙網(wǎng)絡(luò)模型，定量計(jì)算孔喉的尺度、組合關(guān)系、連通程度以及對儲(chǔ)集能力的貢獻(xiàn)等特征，以期對鄂爾多斯盆地致密砂巖儲(chǔ)集層或同類型致密儲(chǔ)集層研究有所借鑒。

1　CT技術(shù)測試方法及流程

1.1高分辨率CT技術(shù)概況

在工業(yè)CT基礎(chǔ)上發(fā)展形成了應(yīng)用于巖石結(jié)構(gòu)及孔隙特征研究的高分辨率CT技術(shù)，主要利用錐形X射線穿透物體，通過不同倍數(shù)的物鏡放大圖像，由360°旋轉(zhuǎn)所得到的大量X射線衰減圖像重構(gòu)出三維立體模型，實(shí)現(xiàn)CT顯微鏡的功能。本文采用的微米CT測試儀器為Xradia公司產(chǎn)的MicroXCT-200型微米CT掃描儀，其掃描分辨率為0.5～35.0 μm，可以對致密砂巖樣品中的微米級(jí)孔隙進(jìn)行識(shí)別和研究。

1.2孔隙識(shí)別及孔隙網(wǎng)絡(luò)模型建立

（1）孔隙識(shí)別及孔隙圖像獲取使用高分辨率CT掃描儀對致密砂巖樣品進(jìn)行掃描，獲得CT值三維數(shù)據(jù)體。用圖像處理軟件處理成CT值灰度圖像，并截取樣品二維切片及三維圖像。根據(jù)孔隙中流體和巖石顆粒CT值具有顯著差異的原理，通過對CT閾值進(jìn)行合理界定，識(shí)別出巖石顆粒及孔隙，進(jìn)而用軟件對孔喉進(jìn)行分割提取，獲得孔喉的二維及三維分布圖像。

（2）孔隙網(wǎng)絡(luò)模型的建立在致密砂巖樣品高分辨率CT掃描數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，采用“最大球法”原理[12]對孔隙和喉道進(jìn)行識(shí)別，建立致密砂巖樣品孔隙網(wǎng)絡(luò)模型[13-15]，并對該模型各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.3樣品及測試流程

測試樣品取自鄂爾多斯盆地伊陜斜坡構(gòu)造區(qū)的Y4井長7段油層，埋深2 061.47—2 061.64 m.巖性為粉砂巖，實(shí)測孔隙度為11.9%，滲透率為0.16 mD.首先，對樣品（直徑25 mm）進(jìn)行整體低精度掃描，掃描分辨率為26.8 μm；然后，選取樣品上具有代表性的部位分別切割出5mm，2mm和1mm尺寸的小樣品進(jìn)行精細(xì)掃描，掃描分辨率分別是2.79 μm，1.13 μm和0.52 μm；最后，選取最佳掃描結(jié)果進(jìn)行重構(gòu)，處理獲得二維及三維圖像，提取孔隙并構(gòu)建孔隙網(wǎng)絡(luò)模型，依據(jù)模型參數(shù)，對樣品孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量分析。

2　結(jié)果與討論

2.1致密砂巖樣品的微觀孔隙圖像

（1）二維圖像在樣品CT掃描二維切片圖像中（圖1），灰度圖像不同顏色反映CT值的差異，CT值越大，顏色越偏向白色；CT值越小，顏色越偏向黑色。根據(jù)孔隙識(shí)別的基本原理，可以直觀判斷巖石中礦物或孔隙：灰色及白色主要為巖石骨架顆粒，黑色部分主要為孔隙。在數(shù)據(jù)處理時(shí)，可根據(jù)CT閾值及變化梯度確定孔隙分割標(biāo)準(zhǔn)，據(jù)此從灰度圖中定量提取孔隙。通過樣品低精度整體掃描發(fā)現(xiàn)，樣品內(nèi)部相對均質(zhì)，無明顯裂縫，一些礦物具有成層分布特征，分辨率為26.8μm掃描精度下可見孔隙不多（圖1a）。隨著掃描精度逐漸提高，致密砂巖樣品中的孔隙和喉道識(shí)別效果越來越好，在圖像中可以見到殘余粒間孔隙、溶蝕孔隙形態(tài)及孔隙在成巖過程中被充填、膠結(jié)的現(xiàn)象（圖1b，圖1c，圖1d）。其中，采用直徑25 mm樣品（分辨率為26.8 μm），得到的圖像達(dá)不到致密砂巖孔喉識(shí)別要求；而直徑為1 mm的樣品（分辨率0.52 μm）測試條件接近儀器的極限，測試周期長且得到的圖像具有重影。對比各圖，直徑為2 mm的樣品（分辨率為1.13 μm）綜合測試效果較好，可以實(shí)現(xiàn)致密砂巖的精細(xì)表征。另外，在2 mm的尺度范圍內(nèi)，致密砂巖孔隙發(fā)育相對均勻，能涵蓋孔喉的代表性特征，故直徑2 mm的樣品可以作為致密砂巖的表征性單元[16]。

圖1　研究區(qū)長7段致密砂巖樣品不同分辨率CT掃描二維切片

（2）三維圖像以直徑2 mm的致密砂巖樣品（分辨率1.13 μm）精細(xì)掃描數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)構(gòu)建三維圖像（圖2）。可看出，樣品微米級(jí)孔隙較為發(fā)育?？稍谌我夥较蛏蠈θS圖像進(jìn)行切片，分析致密砂巖孔喉的形態(tài)和分布特征，為準(zhǔn)確表征喉道提供依據(jù)。

2.2孔隙網(wǎng)絡(luò)模型的建立

以上述方法建立致密砂巖孔隙網(wǎng)絡(luò)模型（圖3）。用軟件可放大觀察每個(gè)孔隙、喉道的連接關(guān)系，結(jié)合灰度圖像可判識(shí)孔喉。觀察發(fā)現(xiàn)，由眾多微米級(jí)孔隙、喉道構(gòu)成的孔隙網(wǎng)絡(luò)，成為儲(chǔ)集空間和流動(dòng)通道。經(jīng)核驗(yàn)，孔隙網(wǎng)絡(luò)模型與CT三維孔喉分布完全匹配，且孔隙網(wǎng)絡(luò)模型可信度高。根據(jù)孔隙網(wǎng)絡(luò)模型可獲得致密砂巖樣品孔隙數(shù)量、喉道數(shù)量、每個(gè)孔隙和喉道的半徑及體積、每個(gè)孔隙與喉道間的連通關(guān)系、孔隙配位數(shù)等孔隙結(jié)構(gòu)信息。例如：在體積為1.44 m3的立方體單元中共識(shí)別出孔隙23 135個(gè)，最大半徑30.60 μm，最小半徑0.12 μm，平均半徑4.12 μm；識(shí)別出27 584個(gè)喉道，最大半徑24.50 μm，最小半徑0.45 μm，平均半徑3.51 μm；孔隙配位數(shù)為0～24.00，平均2.36，孤立孔隙1 412個(gè)。

圖2　研究區(qū)長7段致密砂巖樣品重構(gòu)三維圖像

圖3　研究區(qū)長7段致密砂巖樣品孔隙網(wǎng)絡(luò)模型

2.3孔隙和喉道的分布特征

（1）數(shù)量分布將樣品中所有的孔隙和喉道按照半徑分區(qū)，對不同半徑區(qū)間的孔隙和喉道數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到不同半徑孔隙、喉道的分布頻率。由圖4可看出，致密砂巖樣品呈現(xiàn)出多尺度孔喉連續(xù)分布的特征，半徑為2～4 μm的孔隙占41.69%；半徑為2～4 μm的喉道占47.20%；致密砂巖喉道半徑比孔隙半徑整體偏小，但其主要分布區(qū)間相差并不顯著，這是因?yàn)椋诳紫毒W(wǎng)絡(luò)建模中，對孔隙和喉道的界定是根據(jù)其原始定義進(jìn)行的[17]，這與壓汞方法得到的等效喉道半徑不同。

圖4　研究區(qū)長7段致密砂巖樣品孔隙、喉道半徑分布頻率

（2）體積分布依據(jù)孔隙網(wǎng)絡(luò)模型得到每個(gè)孔隙和喉道的體積，據(jù)此定量統(tǒng)計(jì)分析不同半徑孔隙或喉道對總孔隙或喉道體積所貢獻(xiàn)的比例，得到致密砂巖樣品孔隙和喉道體積構(gòu)成圖（圖5）。

圖5　研究區(qū)長7段致密砂巖樣品孔隙、喉道體積構(gòu)成

分析認(rèn)為，不同半徑孔隙對儲(chǔ)集空間貢獻(xiàn)率不同，其中半徑大于2 μm孔隙的體積貢獻(xiàn)比例超過98.00%（圖5a），與圖4對比可知，半徑小于2 μm的孔隙雖然數(shù)量超過了15.00%，但對儲(chǔ)集空間的貢獻(xiàn)率僅1.83%.對喉道的分析也顯示相似的認(rèn)識(shí)（圖5b）。綜合分析，致密砂巖雖然發(fā)育多尺度孔隙，并且其中半徑小于2 μm的孔隙數(shù)量眾多，但對儲(chǔ)集空間的貢獻(xiàn)并不占主導(dǎo)，半徑大于2 μm的孔隙構(gòu)成致密砂巖的主要儲(chǔ)集空間。因此，在致密砂巖孔隙研究過程中，對微、納米孔隙的存在及其貢獻(xiàn)率應(yīng)做客觀評(píng)價(jià)。

2.4孔隙和喉道的連通性

對孔隙網(wǎng)絡(luò)模型獲得的致密砂巖孔隙配位數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并與典型的Berea砂巖進(jìn)行對比（表1）[18]。由表1可看出，研究區(qū)長7段致密砂巖樣品配位數(shù)主要為1～3，即大多數(shù)孔隙連接1～3個(gè)喉道，具有一定的連通性。但與標(biāo)準(zhǔn)的Berea砂巖相比，研究區(qū)致密砂巖孔隙配位數(shù)整體偏低，尤其是配位數(shù)為0的孤立孔隙偏多。

表1　研究區(qū)長7段致密砂巖樣品與Berea砂巖配位數(shù)對比

3　結(jié)論和認(rèn)識(shí)

（1）應(yīng)用高分辨率CT技術(shù)可獲得致密砂巖樣品高精度二維及三維圖像，并在建立孔隙網(wǎng)絡(luò)模型基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)致密砂巖孔隙結(jié)構(gòu)定量表征。

（2）研究區(qū)長7段致密砂巖具有多尺度孔喉連續(xù)分布特征，數(shù)量最多的孔隙和喉道半徑為2～4 μm.半徑小于2 μm的孔隙比例雖然超過15.00%，但對儲(chǔ)集空間的貢獻(xiàn)率較低，半徑大于2 μm的孔隙構(gòu)成致密砂巖主要的儲(chǔ)集空間；孔隙和喉道形成復(fù)雜的孔隙網(wǎng)絡(luò)通道，配位數(shù)主要為1～3，連通性較Berea砂巖差。

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（編輯顧新元）

Application of CT Scanning System to Study of Micro?Pore Structure of Tight Sandstone:A Case Study of Chang?7 Member of Yanchang Formation in Ordos Basin

YOU Yuan1,2a,NIU Xiaobing1,2a,LI Tingyan1,2a,YANG Xiao2b,DAN Weidong1,2a

(1.National EngineeringLaboratory for Exploration and Development of Low?Permeability Oil&Gas Fields,Xi’an,Shaanxi 710018,China; 2.PetroChinaChangqingOilfield Company,a.Research Institute of Exploration and Development, b.Department of Reservoir Evaluation,Xi’an,Shaanxi 710018,China)

Abstract:In order to reveal the complicated pore structure characterisitcs of tight sandstone,this paper made a quantitative study of the tight sandstone sample from the Chang?7 member of Yanchang formation in Ordos basin by high?resolution CT scanning system,obtained the high?accuracy 2D and 3D pore throad images of it by using CT threshold differences,developed the tigh sandstone pore network model using digital core method,and conducted quantitative parameter statistics and analysis from this model,obtaining the radius distribution of pores and throats and their contributions and pore throat connectivity characterisitcs to the tight sandstone storage spaces,hence realizing the quantitative characterization of micro?pore structures of the tight sandstone.The results show that the tight sandstone of Chang?7 mem?ber of Yanchang formation in Ordos basin is characterized by continued distribution of micron pore throats,different contributions of differ?ent radius pores to the storage spaces,of which the pores with radius over 2 μm are the main storage spaces of it,and a certain connectivity between pores and throats,with coordination number from 1 to 3.

Keywords:Ordos basin;Yanchangformation;tight sandstone;pore;throat;CT scanningsystem

作者簡介：尤源（1982-），男，寧夏鹽池人，工程師，博士，低滲透油田開發(fā)，（Tel）029-86591924（E-mail）youy_cq@petrochina.com.cn

基金項(xiàng)目：國家973項(xiàng)目（2014CB239003）；國家自然科學(xué)基金（41390451）

收稿日期：2015-08-04

修訂日期：2016-01-21

文章編號(hào)：1001-3873（2016）02-0227-04

DOI：10.7657/XJPG20160219

中圖分類號(hào)：TE112.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A