致密油孔隙結(jié)構(gòu)表征方法
——以川中致密油儲層巖心為例

冷振鵬，楊勝建，呂偉峰，馬德勝，劉慶杰，賈寧洪

（1.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2.北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京 100871；3.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）能源學(xué)院，北京 100083）

致密油孔隙結(jié)構(gòu)表征方法
——以川中致密油儲層巖心為例

冷振鵬1，2，楊勝建1，3，呂偉峰1，馬德勝1，劉慶杰1，賈寧洪1

（1.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2.北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京 100871；3.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）能源學(xué)院，北京 100083）

致密油孔隙結(jié)構(gòu)表征是該類儲層評價(jià)的核心，直接制約其規(guī)模開發(fā)。由于傳統(tǒng)方法的局限性，文中運(yùn)用醫(yī)用CT、場發(fā)射掃描電鏡、微米CT和納米CT 4種技術(shù)相結(jié)合的方法，從毫米級、微米級和納米級3個(gè)尺度綜合描述致密油孔隙結(jié)構(gòu)。以川中致密油巖心為例進(jìn)行研究，結(jié)果表明，川中致密油儲層具有多尺度多類型孔隙連續(xù)分布的特征?；卺t(yī)用CT掃描分析，儲層連通性較差，孔隙空間分布也極度分散，其孔隙度主要分布范圍在0.5%以下；在SEM圖像上，觀察到大量的微米級粒間殘余孔道和納米級粒內(nèi)溶蝕孔道，但孔隙網(wǎng)絡(luò)重建表明，基質(zhì)孔道在微納尺度的連通性都很差；除基質(zhì)孔道外，在滲透率較高的巖心SEM圖像中觀察到粒間縫和方解石顆粒解理縫2類微裂縫，其存在能較好地改善儲層連通性。實(shí)驗(yàn)分析認(rèn)為，在孔隙結(jié)構(gòu)表征中，開展微米級孔道和微裂縫的基礎(chǔ)研究是致密油規(guī)?？碧介_發(fā)的關(guān)鍵。

致密油；孔隙度頻率分布；孔隙網(wǎng)絡(luò)；微裂縫

隨著全球油氣消耗持續(xù)增加和連續(xù)性油氣聚集、納米孔隙等理論的提出［1-3］，以及水平井、體積壓裂等技術(shù)的進(jìn)步［4-5］，非常規(guī)油氣資源逐漸成為人們關(guān)注的對象［6］。近年來，致密油成為繼頁巖氣之后全球非常規(guī)油氣勘探開發(fā)的又一現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域。大量研究表明，致密油

引用格式：冷振鵬，楊勝建，呂偉峰，等.致密油孔隙結(jié)構(gòu)表征方法：以川中致密油儲層巖心為例［J］.斷塊油氣田，2016，23（2）：161-165. LENG Zhenpeng，YANG Shengjian，LYU Weifeng，et al.Pore structure characterization for tight oil reservoirs：taking Chuanzhong tight oil reservoir cores as examples［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2016，23（2）：161-165.儲層孔隙結(jié)構(gòu)特征及由其影響的油氣在孔隙空間的賦存機(jī)制和滲流規(guī)律是影響致密油高效開發(fā)的關(guān)鍵［7-9］。

由于常規(guī)孔隙測試技術(shù)的局限性，本文采用醫(yī)用CT、場發(fā)射掃描電鏡、微米CT和納米CT等4種新型孔隙測試技術(shù)相結(jié)合的分析方法，對川中致密油儲層巖心從毫米級、微米級和納米級3個(gè)尺度開展致密油孔隙結(jié)構(gòu)研究，旨在揭示川中致密油儲層的微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征，為致密油勘探開發(fā)提供理論依據(jù)。

1　致密油孔隙結(jié)構(gòu)表征方法

1.1新型孔隙測試技術(shù)原理及特點(diǎn)

致密油儲層孔隙度和滲透率都很低，其儲層特征與常規(guī)低滲透儲層之間存在顯著差異，尤其在微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征方面。由于異常致密和結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)，利用鑄體薄片和壓汞等方法只能觀測到少量微孔隙，采用常規(guī)孔隙測試技術(shù)進(jìn)行表征難度很大［10］。

早在20世紀(jì)80年代，醫(yī)用CT掃描技術(shù)就被引入巖心分析領(lǐng)域，目前已廣泛應(yīng)用于巖心非均質(zhì)性表征、孔隙度測量、飽和度測量和巖心流動實(shí)驗(yàn)研究等多個(gè)方面［11］。其基本原理是：醫(yī)用CT機(jī)內(nèi)X射線管產(chǎn)生的X射線束從各個(gè)方向沿著巖心的某斷層面進(jìn)行穿透，通過探測X射線束的能量衰減，可構(gòu)建巖心在各個(gè)方向的能量守恒方程，求解線性方程組即可獲取該斷層面各體積微元的X射線衰減系數(shù)，并構(gòu)成相應(yīng)的數(shù)字矩陣；采用清水的衰減系數(shù)進(jìn)行無量綱變換，將其轉(zhuǎn)換成CT值，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換，可以在屏幕上顯示，重建的CT圖像中，每個(gè)像素點(diǎn)對應(yīng)前面的體積微元，同時(shí)，其衰減系數(shù)通過CT值反映。醫(yī)用CT可以對標(biāo)準(zhǔn)巖心（直徑25.40 mm、直徑38.10 mm以及全直徑）進(jìn)行掃描，掃描圖像的分辨率通常能達(dá)到毫米級。由于巖石與空氣的CT值存在明顯差別，因此，該方法可直接識別出毫米級的縫洞。在多數(shù)情況下，常采用孔隙度測量技術(shù)對巖心毫米級孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步分析。對比干巖心和完全飽和某種流體的巖心CT掃描圖像及數(shù)據(jù)，可以得到巖心的孔隙度分布；統(tǒng)計(jì)各個(gè)像素點(diǎn)的孔隙度，可繪出巖心孔隙度頻率分布曲線。以此為基礎(chǔ)，可分析巖心的孔隙度主要分布區(qū)域［12］。

作為一種有效的微觀形貌觀察手段，場發(fā)射掃描電鏡廣泛應(yīng)用于生物學(xué)、醫(yī)學(xué)和金屬材料等領(lǐng)域。該技術(shù)具有超高的分辨率，最高通常能達(dá)到幾納米，還可對分析區(qū)域進(jìn)行多種比例的縮放，實(shí)現(xiàn)在多個(gè)尺度下的觀測分析。場發(fā)射掃描電鏡的基本原理是：電子束被加速聚焦在巖心樣品表面，接收并分析電子束與巖樣碰撞形成的二次散射電子，即可形成高分辨率的二維黑白圖像。雖然該技術(shù)針對的是長寬各幾厘米的二維巖樣表面，但其掃描成像富有立體感，可直接觀察凹凸不平表面的細(xì)微結(jié)構(gòu)。利用場發(fā)射掃描電鏡技術(shù)，可直接觀測各種類型孔道及微裂縫的大小及分布情況［12-14］，同時(shí)結(jié)合研究區(qū)塊的地質(zhì)沉積背景，可推測孔道成因。

與醫(yī)用CT類似，微米CT和納米CT同為非破壞性的成像技術(shù)，即可以在不破壞巖心的情況下清楚了解其內(nèi)部的細(xì)微結(jié)構(gòu)。微米CT和納米CT的掃描成像原理與醫(yī)用CT類似，其差別主要體現(xiàn)在掃描對象和圖像分辨率2個(gè)方面。微米CT的掃描對象通常是幾毫米的巖心柱塞，其圖像分辨率通常能達(dá)到微米級；納米CT一般針對的是幾十微米的巖心柱塞，其分辨率可達(dá)納米級。

由于有較高的分辨率，在微米CT和納米CT掃描圖像上可直接識別出微米、納米孔道，因而，常采用重建孔隙網(wǎng)絡(luò)的方法，深入分析巖心在微米級和納米級的孔隙結(jié)構(gòu)特征。在孔隙網(wǎng)絡(luò)重建過程中，首先，基于二維掃描切片對巖心選定分析區(qū)域進(jìn)行三維重建，之后設(shè)置灰度閾值實(shí)現(xiàn)圖像分割，對提取出的孔道利用最大球法進(jìn)行填充；其次，分析各個(gè)球體之間的隸屬關(guān)系，并以此為依據(jù)，將孔道中充填的球體簡化為孔隙和喉道（見圖1），從而辨別孔隙和喉道，進(jìn)而可以統(tǒng)計(jì)出分析區(qū)域內(nèi)的孔喉數(shù)量，并根據(jù)平均配位數(shù)信息分析區(qū)域的連通性［15］。

圖1　網(wǎng)絡(luò)重建孔喉辨別過程示意

1.2巖心測試流程

利用川中致密油儲層2塊巖心，建立致密油孔隙結(jié)構(gòu)表征方法。首先對待分析巖心進(jìn)行鉆切磨平等前期準(zhǔn)備工作，測試巖心孔滲基礎(chǔ)參數(shù)（見表1）；利用醫(yī)用CT對2塊巖心進(jìn)行掃描，獲取2塊巖心的孔隙度分布信息，也對巖心的非均質(zhì)性有一個(gè)全面認(rèn)識；根據(jù)醫(yī)用CT的掃描結(jié)果，選取均質(zhì)性較好的區(qū)域作進(jìn)一步分析；利用場發(fā)射掃描電鏡對選定區(qū)域表面進(jìn)行精細(xì)掃描，得到各尺度的二維圖像，分析各尺度下孔道的類型、尺寸、分布和成因等；在均質(zhì)性較好區(qū)域中鉆取直徑2.00 mm柱塞，利用微米CT進(jìn)行掃描測試，重建孔隙網(wǎng)絡(luò)分析微米級下巖心的孔隙結(jié)構(gòu)特征；對于微米孔道不明顯的巖心，在上述2.00 mm柱塞基礎(chǔ)上繼續(xù)鉆取直徑65 μm柱塞，利用納米CT進(jìn)行掃描測試，并采用同樣的方法分析納米級下巖心的孔隙結(jié)構(gòu)特征。具體測試方法說明見表2。

表1　川中致密油儲層測試巖心基本參數(shù)

表2　分析巖心測試方法說明

2　川中致密油孔隙結(jié)構(gòu)表征

2.1測試巖心毫米級孔隙結(jié)構(gòu)表征

川中致密油儲層2塊巖心的孔隙度和滲透率都很低，圖2為巖心醫(yī)用CT掃描的三維重建圖像，由于致密油孔道極其微小，在醫(yī)用CT掃描圖像上未直接觀察到毫米級孔道。

圖2　醫(yī)用CT掃描巖心三維重建圖像

在醫(yī)用CT掃描圖像上，高灰度值（亮色）區(qū)域一般反映高密度區(qū)，通常對應(yīng)巖心的骨架部分，與之對應(yīng)，低灰度值（暗色）區(qū)域反映低密度區(qū)，一定程度上對應(yīng)巖心的孔隙部分?；谝陨戏治隹梢缘贸觯号钊R103巖心和蓬萊123巖心的連通性都較差，孔隙空間分布也極度分散；相比較而言，蓬萊103巖心的孔隙空間分布相對成片，其連通性較蓬萊123巖心要好，這一點(diǎn)與巖心滲透率的測試結(jié)果相吻合。

采用孔隙度測量技術(shù)對2塊巖心作進(jìn)一步分析，巖心孔隙度頻率分布如圖3所示。由圖中可知，2塊巖心中孔隙度為0.5%以下的分布頻率均占到40%左右，說明川中致密油孔隙度主要分布范圍在0.5%以下。

圖3　巖心孔隙度頻率分布

2.2測試巖心的微米級及納米級孔隙結(jié)構(gòu)表征

通過微米CT對蓬萊103巖心上鉆取的毫米級柱塞進(jìn)行掃描，利用數(shù)字巖心技術(shù)重建孔隙網(wǎng)絡(luò)（見圖4）。

圖4　微米CT掃描蓬萊103巖心孔隙網(wǎng)絡(luò)重建

經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，蓬萊103巖心選定分析區(qū)域內(nèi)共有11 397個(gè)孔隙和18 808個(gè)喉道，平均配位數(shù)不到2，存在大量孤立孔隙，推斷蓬萊103巖心基質(zhì)部分在微米級尺度上連通性很差。采用同樣的方法對蓬萊123巖心進(jìn)行分析，共統(tǒng)計(jì)出3 692個(gè)孔隙和5 439個(gè)喉道，孔喉數(shù)量較前者大幅減少，其基質(zhì)連通性同樣很差。結(jié)合微米級的SEM圖像（見圖5），在蓬萊123巖心中未觀察到成片的微米級孔道，而在蓬萊103巖心中觀測到成一定規(guī)模的微米級孔道。由圖5a可知，蓬萊103巖心中分布并發(fā)育1~6 μm的孔道，可判斷此類型孔道主要是粒間孔道，結(jié)合地質(zhì)沉積背景，推斷其形成很可能是壓實(shí)作用不足而導(dǎo)致的粒間殘留。

圖5　巖心微米尺度SEM圖像

由于蓬萊123巖心的微米級孔道并不明顯，通過納米CT掃描并結(jié)合孔隙網(wǎng)絡(luò)重建對其重點(diǎn)分析，選定區(qū)域內(nèi)共統(tǒng)計(jì)出19 027個(gè)孔隙和33 546個(gè)喉道，平均配位數(shù)依舊不到2，故蓬萊123巖心基質(zhì)部分在納米級尺度的連通性依舊很差。將SEM圖像繼續(xù)放大，在蓬萊103巖心中觀察到從納米級尺度至微米級尺度的孔道，其尺寸為500~2 000 nm，在蓬萊123巖心中觀察到納米級尺度的孔道，其尺寸為300~800 nm（見圖6）。針對其中的納米級孔道進(jìn)行分析，可判斷其主要是粒內(nèi)孔道。結(jié)合地質(zhì)沉積背景，推斷其很可能是后期溶蝕作用形成的粒內(nèi)溶孔。

圖6　巖心納米尺度SEM圖像

2.3測試巖心微裂縫特征描述

拓寬SEM圖像分析范圍，在滲透率較高的蓬萊103巖心中發(fā)現(xiàn)2種類型的微裂縫（見圖7）。

圖7　蓬萊103巖心中的微裂縫SEM圖像

通過觀察可判斷圖7a中被綠色標(biāo)記出的主要是粒間微裂縫，此類微裂縫的張開寬度能達(dá)到1～3 μm，其長度可達(dá)10～60 μm；結(jié)合沉積過程中各種地質(zhì)作用分析，推斷此類微裂縫為顆粒初期點(diǎn)接觸方式在壓實(shí)作用下轉(zhuǎn)變?yōu)榫€面接觸方式而形成。分析圖7b的礦物組成可知，其中含有豐富的方解石，從而判斷圖中標(biāo)記出的微裂縫為方解石顆粒解理縫，其張開寬度與前者一致，長度相對較長，一般可達(dá)50～100 μm；結(jié)合方解石的特點(diǎn)，推斷此類微裂縫可能是方解石顆粒在各類地質(zhì)構(gòu)造作用過程中產(chǎn)生剪切錯(cuò)動而形成。

3　川中致密油儲層孔隙結(jié)構(gòu)分析

綜合上述對2塊川中致密油巖心孔隙結(jié)構(gòu)的表征，基本可以確定川中致密油儲層具有多尺度多類型孔隙連續(xù)分布的特征。基于醫(yī)用CT掃描的毫米級圖像分析表明，川中致密油儲層連通性較差，孔隙空間分布也極度分散，孔隙度的主要分布范圍在0.5%以下。運(yùn)用高分辨率的場發(fā)射掃描電鏡技術(shù)，大量的微米級粒間殘余孔道和納米級粒內(nèi)溶蝕孔道被發(fā)現(xiàn)，再次驗(yàn)證了納米孔隙理論，證明川中致密油儲層具有儲集空間，同時(shí)，考慮到川中致密油儲層擁有與烴源巖近鄰的特點(diǎn)，其完全具備油氣成藏條件。但也應(yīng)該認(rèn)識到，川中致密油基質(zhì)孔道在微米級和納米級尺度的連通性都很差，其中還未考慮部分納米孔道并不一定可作為有效的滲流通道。除基質(zhì)部分孔道外，在滲透率較高的巖心SEM圖像中觀察到粒間縫和方解石顆粒解理縫2類微裂縫，其存在較好地改善基質(zhì)孔道的連通性。

因此，在儲層評價(jià)中，基質(zhì)孔道應(yīng)著重關(guān)注微米級孔道的貢獻(xiàn)，同時(shí)還應(yīng)重視微裂縫系統(tǒng)在改善儲層連通性方面的作用。在川中致密油勘探開發(fā)實(shí)踐中，需特別重視儲層經(jīng)歷的各類成巖作用和地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動，尤其關(guān)注壓實(shí)作用不強(qiáng)烈易形成微米級殘余粒間孔道的區(qū)域，同時(shí)對各類地質(zhì)作用如何影響微裂縫的形成及分布發(fā)育進(jìn)行研究，總結(jié)其分布規(guī)律。綜合以上認(rèn)識，進(jìn)而可預(yù)測適合致密油規(guī)模開發(fā)的甜點(diǎn)位置。

4　結(jié)論

1）采用4種新型孔隙測試技術(shù)相結(jié)合的方法開展致密油巖心孔隙結(jié)構(gòu)表征研究，建立了一套毫米級、微米級和納米級3個(gè)尺度全面描述孔隙結(jié)構(gòu)特征的方法。相比常規(guī)方法，新方法將宏觀和微觀分析相結(jié)合，表征尺度更加精細(xì)，定量研究更多樣、準(zhǔn)確，能較好地滿足致密油儲層研究中多尺度測試的需求。

2）川中致密油儲層連通性較差，孔隙空間分布也極度分散，其孔隙度主要在0.5%以下，表現(xiàn)出從納米級到微米級多尺度、多類型孔隙連續(xù)分布的特征。

3）川中致密油儲層孔隙結(jié)構(gòu)分析表明，存在儲集空間及與烴源巖近鄰兩大因素決定其具備油氣成藏條件。此外，應(yīng)重視基質(zhì)部分微米級孔道貢獻(xiàn)和微裂縫系統(tǒng)在改善連通性方面的作用，并以此為基礎(chǔ)開展對應(yīng)研究，從而指導(dǎo)預(yù)測適合致密油規(guī)模開發(fā)的有利區(qū)域。

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（編輯李宗華）

Pore structure characterization for tight oil reservoirs：taking Chuanzhong tight oil reservoir cores as examples

LENG Zhenpeng1，2，YANG Shengjian1，3，LYU Weifeng1，MA Desheng1，LIU Qingjie1，JIA Ninghong1
（1.Research Institute of Petroleum Exploration&Development，PetroChina，Beijing 100083，China；2.School of Earth and Space Sciences，Peking University，Beijing 100871，China；3.School of Energy Resources，China University of Geosciences，Beijing 100083，China）

Pore structure characterization is an essential issue for tight oil evaluation，which holds the key to its efficient development.Due to the limitations of traditional methods，a novel analysis procedure combining medical CT，F(xiàn)ESEM，Micro-CT and Nano-CT is proposed to characterize tight oil pore structure in this paper on millimeter scale，micrometer scale and nanometer scale.Taking Chuanzhong tight oil reservoir cores as examples，these cores have multi-type and multi-scale continuous pore distribution.Based on the medical CT analysis，the porosity connectivity is poor and its space is of extremely fragmented distribution with the main range from 0 to 0.5%.The SEM images show two main types of pores，the residual intergranular pore on micrometer scale and the dissolved intra-granular pore on nanometer scale，but poor scale network reconstructions show that the matrix connectivity is very poor both on micrometer scale and nanometer scale.Apart from the matrix pore，two kinds of micro-fractures，the intergranular micro-fracture and the calcite particle cleavage micro-fracture，are identified in some areas of the high permeability core，which can improve the connectivity.It can be summarized from the experimental analysis that tight oil pore structure characterization for micro-pore and micro-fracture needs to be focused further，which is the key to its efficient exploration and development.

tight oil；porosity histogram；pore scale network；micro-fracture

中國石油天然氣集團(tuán)公司科研項(xiàng)目“油氣開發(fā)新技術(shù)、新方法研究”（2014A-1003）

TE122.2+3；P618.130.2+1

A

10.6056/dkyqt201602006

2015-09-23；改回日期：2016-01-19。

冷振鵬，男，1989年生，中國石油勘探開發(fā)研究院與北京大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生，主要研究方向?yàn)橛蛯游锢砼c滲流力學(xué)。E-mail：lengzp1989@163.com。