致密砂岩储层微观孔喉结构表征方法综述

米 悦，陈朝兵，王江涛

(西安石油大学 地球科学与工程学院，陕西 西安 710018)

随着石油业的发展与勘探开发技术的提高，非常规油气已成为油气勘探的新热点，而作为非常规油气中的一种，致密砂岩油气也受到了广泛的关注。“致密”作为此类致密储层的基本特征，从微观方面来看，表现为孔喉结构不同于常规储层，具有异常细小、复杂的特征[1]。一般来说，致密砂岩储层致密且非均质性强，发育微米级和纳米～亚微米级(1 μm 以下)孔喉[2]。这种微小孔喉是导致致密油气藏低孔低渗的主要原因，孔喉结构一定程度上也制约着致密储层的有效性。因此，孔喉结构的精细表征是高效开发致密砂岩油气的关键技术之一。

1 致密砂岩微观孔喉结构研究方法

目前国内外学者将环境扫描电镜、核磁共振、微纳米CT、聚焦离子束显微镜、高压压汞及恒速压汞等高精度实验技术于常规测试技术相结合，对国内外含油气盆地进行了大量的微观孔喉结构的研究，实现了对微观孔喉从定性到定量化表征。其主要集中于孔喉形态、大小、类型、连通性以及各微观尺度的试验技术的整合方面。当前对微观孔喉结构的表征方法较多，按其特点可分为数据分析技术和图像分析技术[6]。

1.1 数据分析技术

数据分析技术，是在实验数据分析的基础上，对微观孔喉进行定量表征的技术。主要包含：压汞技术、低温氮吸附技术、氮吸附～常规压汞联测技术以及核磁共振技术等。此类技术的核心在于通过实验数据来定量表征微观孔喉，例如孔喉的体积、孔径的分布、微观非均质性等，不同技术对于孔径的限制不同。

1.1.1 压汞技术

压汞法是研究孔隙结构的常规方法，它测量的孔隙半径分布范围主要在10纳米～10微米之间，应用广泛，可分析不同喉道控制的孔隙体积并给出亚尼性能中喉道的分布特征。目前常用压汞技术有：恒速压汞技术、常规压汞技术和高压压汞技术。

恒速压汞技术，是以非常低的进汞速度将汞注入岩石孔隙中，然后依据进汞压力的涨跌情况获取孔隙结构信息的技术[3]。与常规压汞技术不同，恒速压汞是准静态过程，运用此技术可更准确地模拟出流体在孔喉中的渗流过程，进而测量出孔隙与喉道的大小与分布状况并精确统计出孔隙的个数。其优点是由于恒速压汞的压力是相对恒定的，可实现孔隙与喉道的分开表征，缺点则是由于进汞压力相对较小，无法进入微小孔隙中，因此在表征全尺度范围孔喉分布情况方面存在缺陷。

高压压汞技术，即在常规压汞技术的基础上加大进汞压力，此方法可测试出岩样中孔喉的分选、大小、连通性及渗流能力等参数,可测量的喉道半径小[9]。但此技术存在缺陷：由于进汞压力过高(最高可达414 MPa)，在试验过程中极易造成岩样的破坏，且在测量大孔隙时存在丢失信息的现象[10]。

1.1.2 低温氮吸附技术

N2吸附技术，顾名思义是利用N2可吸附在固体表面的特性，测量液氮在不同压力状态下在孔喉中的吸附状态，然后按照不同的孔隙模型计算，最终得到孔喉分布及大小的一种表征方法。其原理是毛细冷凝现象与体积的等效交换，就是将被测孔喉中的充氮量等效为孔喉的体积[7]。此方法测试孔隙的有效范围为1～50 nm。优点是适用于中、小孔隙测量，尤其是纳米级孔隙，如粘土矿物吸附孔。缺点则是存在测试时间较长、测试点较少的问题，同时由于氮气分子在与其自身直径相当的孔隙内特性复杂，受多种因素影响，故而吸附量不能完全代表岩样孔喉的大小，导致测量精度不高。

1.1.3 N2吸附～常规压汞联测技术

N2吸附～常规压汞联测技术是将压汞技术与低温氮吸附技术相结合，进行综合换算与衔接，对比两种方法测得的孔径分布图并对其重叠部分进行数学分析，结合大量的实验数据将二者的孔隙分布连接起来，最终得到致密砂岩储层孔径分布模型，优点是可以较全面地分析储层的孔隙结构，避免了测量范围过窄的不足。

1.1.4 核磁共振技术

核磁共振技术在石油行业中有着广泛的应用，通常是用H原子核的自旋运动和共振原理来测量岩石的孔喉结构[4]。测量方法是先将岩心用模拟地层水饱和,而后将不同孔隙或喉道内的H原子信号叠加，形成核磁共振信号，最后通过数学模拟的方法得到核磁共振T2分布，所得到的T2分布即反应了岩石的孔喉结构[5]。此技术虽可以之谜储层微观孔喉结构进行无损检测，但目前还存在一定局限性，比如易受到岩心中磁性物质、温度等的干扰进而对结果产生一定程度的影响；目前还没有办法直接从T2分布图得到孔喉分布的直观结论，必须要结合其他分析技术进行综合研究才能最终达到研究孔喉的目的。

1.2 图像分析技术

1.2.1 二维图像表征技术

二维图像表征技术主要包含普通薄片、环境扫描电镜、场发射扫描电镜、Maps 图像拼接技术及矿物分析识别系统。常用的环境扫描电镜技术与普通显微镜原理基本相同，但样品室不同，工作中的环境扫描电镜的样品室有三种方式：低真空、高真空和环境。优点是分辨率较高，能够对致密砂岩内的填隙物形态、孔喉大小、分布、连通性等特征进行测量、照相，达到半定量-定量表征。矿物分析识别系统也是目前较为先进的二维图像孔隙分析技术，根据电子衍射形成的特征X射线能量判断所测物体中的元素种类，将所得结果与数据库中矿物结合对比，最终得出矿物分布信息，同时可以直观观察到孔喉的分布特征。Maps 图像拼接技术是利用Helios 650双束电镜在选定的区域扫描出大量的同样大小的超高分辨率的小图像，而后将这些小图像进行拼接，最终形成一张超大面积、超高分辨率的二位背散射电子图像，其最高分辨率可达10纳米。这项技术可以实现纳米～微米级多尺度孔喉的连续定量表征，对研究致密砂岩微观非均质性和认识致密储层微观孔喉结构具有重要意义。

1.2.2 三维数字岩心技术

数字岩心技术是指利用计算机对岩心孔喉结构进行模拟的技术。此方法可以在不破坏真实岩心的情况下，模拟和构建出孔喉的大小及空间分布形态。目前进行三维岩心数字建模时，通常有两种方法[8]:

(1)物理实验法，用聚焦离子束扫描电镜或微纳米 CT 扫描仪获取岩心样本的二维图像，再对所得的二维图像进行三维重构，最终得到数字岩心。

(2)数值重建法，通过对岩心扫描图像等资料的分析，提取出微观孔喉信息，再通过数值算法得到数字岩心。

优点：CT 扫描法更快速、无损、大范围地成像，操作也更加便捷；聚焦离子束扫描电镜可以识别岩心样本中纳米级的微小孔隙。

缺点：CT 扫描法受分辨率制约无法识别65 nm以下的孔隙，且CT 扫描法与聚焦离子束扫描电镜均存在测样成本较高的问题。

2 致密砂岩微观孔喉结构表征现状及建议

当前，在致密砂岩微观孔喉结构表征方面方法较多，但由于各种方法的原理不同，导致在研究中会出现一定的局限性。

(1)各种不同的方法，由于原理及手法不同，对精确度和控制范围有差距，比如：恒速压汞法的测量尺度是纳米-微米级，聚焦离子束扫描电镜法只能测量纳米级的。各种方法在分析测试过程中，都容易受到外在因素的影响，因此目前还没有一种方法可以精确表征出孔喉地真实特征。

(2)数据分析法在表征微观孔喉特征时，可以反应孔喉的分布、大小和微观非均质性；图像分析技术可研究孔喉类型、分布及连通性、原油的赋存状态、干酪根成熟度、聚油下限、矿物的嵌布特征和渗流模拟。

(3)数据分析法在测试成本上总体上低于图像分析法，适用于进行大量的样本分析测试，但是图像分析法可以对样本的孔喉结构进行较为全面的表征。且由于各种方法均存在一定程度的局限，所以在实际研究时需要选择合适的方法，并将数据分析与图像分析有效结合，才可以更加全面、准确地表征孔喉结构。

3 结语

随着近年来致密油气的深入研究，学者们对作为油气勘探中热点的微观孔喉结构有了更深一步的研究，对其分析也有了更多技术依托。本文本着抛砖引玉及共同进步的目的，经大量的文献调研，系统的向同业者们介绍了致密砂岩微观孔喉结构表征方法。希望能对相关领域的研究有所有帮助，文中如有不当之处请批评指正。