储层岩石微观孔隙结构研究方法与理论综述.pdf

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第25卷第5期岩性油气藏Vo1．25No．52013年l0月LITHOL0GICRESERVOIRSOct．2013文章编号：1673—8926(2013)05—0123—06储层岩石微观孔隙结构研究方法与理论综述郝乐伟，王琪，唐俊(1．中国科学院油气资源研究重点实验室，甘肃兰州730000；2．中国科学院大学，北京100049；3．内蒙古科技大学数理与生物工程学院，内蒙古包头014010)摘要：储层的微观孔隙结构直接影响着储层的储集与渗流能力，因此，研究储层的微观孔隙结构特征有利于对储层进行合理的分类评价，进而查明储层的分布规律，提高油气产能及油气采收率。在调研大量相关文献的基础上。对储层微观孔隙结构成因、实验方法、理论研究进展和综合评价等方面进行了系统的总结和阐述．并对国内储层微观孔隙结构研究中存在的主要问题进行了分析．指出国内微观孔隙结构的研究主要以传统的研究方法为主．存在与国内地质实际结合不够及定量化研究不足等问题。关键词：油气储层；孔隙结构；三维孔隙结构模型；分形理论中图分类号：TE122．2文献标志码：AResearchprogressofreservoirmicroscopicporestructureHAOLewei，WANGQi，TANGJun'。'(1．KeyLaboratoryofPetroleumResourcesResearch，ChineseAcademyofSciences，Lanzhou730000，China；2．UniversityofChineseAcademyofSciences，Beijing100049，China；3．SchoolofMathematics，PhysicsandBiologicalEngineering，InnerMongoliaUniversityofScienceandTechnology，Baotou014010，China)Abstract：Reservoirmicroscopicporestructuredirectlyaffectsthereservoirstorageandpermeability，SOtheresearchonreservoirmicroscopicporestructurecharacteristicscanhelptocarryoutreasonableclassificationevaluationofreservoir，andfindoutreservoirdistributionlaw，improvetheproductivityandrecoveryratioofoilandgas．Basedonalargenumberofrelevantliteratures，thispapersummarizedandexpoundedtheorigin，testmethods，theoryresearchprogressandcomprehensiveevaluationofreservoirmicroscopicporestructure，analyzedthemainexistingproblemsintheresearchofdomesticreservoirmicroscopicporestructure，andpointedoutthattheresearchofthedomesticmicrostructureismainlybasedontraditionalmethods，havingtheproblemofinsuficientcombinationwithdomesticactualgeologicalconditionandlackofquantitativeresearch．Keywords：oilandgasreservoir；porestructure；three—dimensionalporestructuremodel；fractaltheory0引言石所具有的孔隙和喉道的几何形状、大小、分布及其相互连通关系。孑L隙反映了岩石的储集能力，而大量的勘探开发实践表明，储层岩石的微观孑L喉道的形状、大小则控制了孔隙的储集和渗流能隙结构直接影响着储层的储集与渗流能力，并最终力[2-3]。孔隙结构的非均质性造成开发过程中相继决定着油气藏产能的差异分布⋯。孔隙结构是指岩出现了许多亟待解决的问题，如注水压力高、含水收稿日期：2013—02—21；修回日期：2013—03—28基金项目：中国科学院西部行动计划项目“准噶尔盆地东部低熟气资源潜力与有利勘探区预测”(编号：KZCX2一XB3—12)及中国科学院油气资源研究重点实验室开放基金项目“致密砂岩L隙结构分形研究”(编号：KFJJ2013—01)联合资助。作者简介：郝乐伟(1985一)，男，博士，助理研究员，主要从事储层沉积学与储层地球化学方面的研究。地址：(730000)甘肃省兰州市东岗西路382号中国科学院兰州地质所。E—mail：haolewei66@163．tom l24岩性油气藏第25卷第5期上升快、启动压力大等．这些问题都在不同程度上2储层微观孔隙结构研究方法影响着油田的开发效果另外．储层岩石孔隙结构随着科技的进步，储层微观孑L隙结构的研究手参数是储层评价的重要指标，如何客观地确定这些段从最初的简单物性分析向先进的实验测试发展，参数，是很多石油学家一直致力解决的问题，因此，其研究理论及方法也逐渐呈现出多学科交叉的特加强储层微观结构的研究，对于油气的勘探开发，尤点，涉及地质、化学、数学和物理等学科。研究方法其是致密储层的勘探开发具有十分重要的现实和主要包括毛管压力曲线法、核磁共振法、扫描电镜战略意义。笔者在调研大量相关文献的基础上，对法、CT(ComputedTomography)扫描法、三维重构法储层微观孔隙结构成因、实验方法、理论研究进展和测井方法等，这些分析方法能够从不同角度对储和综合评价等方面进行了系统的总结和阐述。层的微观孔隙结构特征进行表征。1储层微观孔隙结构成因及影响因素2．1毛管压力曲线法研究岩石孑L隙结构最常用的方法是通过测定国内外的研究表明，储层物性是构造格局、沉积毛管压力来定量确定孑L隙和喉道的特征。实验室测环境和成岩作用共同控制的结果。由于沉积和成岩定毛管压力的方法主要有半渗透隔板法、压汞法和的共同作用，造成储集层中孑L隙类型多样、孔隙结构复杂及非均质性强l4]。沉积作用对碎屑岩矿物成离心机法等．其中压汞法由于其快速、准确，可以定分、结构、分选、磨圆和杂基含量等都有明显的控制性、半定量地研究储层的孔隙结构，从毛管曲线上作用，而这些因素又对储层物性具有不同程度的影获取能够反映孔喉大小、连通性和渗流能力的参数，响。随着埋藏深度的增加，成岩作用不断对储层进因而是目前测定岩石毛管乐力的主要手段。1921行改造，致使储层的微观孑L隙结构更加复杂化。其年．Washburn建议利用实验室内的压汞实验来确定中溶蚀作用对孔喉起到建设性作用，而压实作用和岩石的孑L隙大小及分布，而后，经过学者们研究，对胶结作用则对孑L喉起破坏性作用。如作为孔隙衬里压汞法不断完善，使其成为研究储层孔隙结构极其的绿泥石，由于它的存在，使砂岩喉道变小，因而白重要的方法之一l7_。生绿泥石在保护砂岩孔隙的同时也会改变砂岩的在我国，从20世纪70年代开始对储层的毛管孔隙结构|5。另外，寿建峰等通过研究塔里木、准乐力进行大量研究，其中，罗蛰潭等l1。。在国内较早噶尔、吐哈、松辽、开鲁等盆地和东濮凹陷砂岩孔隙开展了相关的研究工作，但随着一些复杂油气田的的发育和保存规律．从本质上揭示了孔喉变化的影开发。常规压汞技术已不能满足生产的需要，而恒响因素，其研究表明地温场、地质年代和盆地沉降速压汞技术在实验进程上实现了对喉道数量的测方式对砂岩孔隙的演化和保存有制约作用，地温梯量．从而克服了常规压汞方法的不足。恒速压汞的度每增加1℃，砂岩孔隙度平均减小约7％；地质年原理是以非常低的进汞速度维持准静态进汞过程，代每增加1Ma，砂岩孔隙度降低0．009％~0．018％，该过程如图1(a)所示。当汞进入到喉道l时，压力地层超压最大可保存5％～7％的孔隙度。上升．突破后，压力突然下降，汞进入孑L隙，此过程均流郫辇次序；V4：—腔室卜卜连接体积连接体积(a)孔隙群落以及汞前缘突破每个结构的示意图(b)压力变化过程图1恒速压汞测试原理图[]Fig．1Principleofconstant—ratemercuryinjectionexperiment对应于陶1(b)中的第一个压力降落0(1)；之后汞将进入下一个次级喉道，产生第二个次级压力降落 l26岩性油气藏第25卷第5期技术条件所限．我国在这一基础性研究领域还处于术．对岩石微观孔隙结构进行了研究，并对构造方起步阶段，国内只有少数学者能够获取真实岩心的法不断进行改进，如肖飞等E26]、刘迪仁等和何宗三维CT图像，为此部分学者转向基于薄片分析的斌等运用rr’几何均值拟合法和伪毛管压力曲线图像重建法的研究l】。转换法连续、定量地表征了储层孑L隙结构。基于薄片分析的图像重建法只需要极少量岩石3储层微观孔隙结构研究理论切片的扫描图像，其获取较为方便且比较经济。该方法首先是对选取的岩石切片进行扫描并获得扫孔隙结构理论研究方面的进展主要体现在2描图像，再利用不同的数学方法对岩石三维孔隙网个方面．一方面是孔隙结构模拟理论的进展，另一络进行模拟．达到观察岩石立体孔隙结构的目的[19]0方面是孔隙结构描述理论的进展。Fatt(2o在1956年应用一种二维孔隙网络模型来模3．1孔隙结构模拟理论拟实际岩心，利用该模型Fatt对网络的毛管压力、相在孔隙结构模拟方面，前人建立了一些计算机对渗透率等储层参数进行了研究。随着不断发展的网络模型及模拟方法，并相继提出通过建立毛细管计算机及图像分析技术被应用NTL隙网络建模中，模型、基于过程模型、随机堆积模型、孑L隙网络模型三维数字岩心的建立逐渐得以实现。Quiblier¨2¨在以及统计模型来描述孔隙结构[29-30]。根据所建模型1984年发展了Joshi提出的随机法——高斯场法，并的拓扑性质，可将模型分为两大类，即规则拓扑孔隙用其建立了三维数字岩心。1997年Hazlett[提出了网络模型和真实拓扑孔隙网络模型。Fatt[驯在1956另外一种随机法——模拟退火法，该方法较高斯场年引人了具有规则拓扑结构的孔隙网络模型，由初法的优势在于．在建立数字岩心时，它将更多反映期仅允许单相流体存在的圆柱形毛细管来表征孔岩石的信息考虑进来，从而使所建立的模型与真实喉，发展到后期学者们提出的可解释两相、多相流的多孑L介质更加接近。然而，随机法所建立的岩心及润湿性影响等问题的其他形状的孑L喉，如球形、星数字模型有时与真实岩石在传导性质方面有很大形及正方形等[31-32]。网络模型中孑L喉尺寸的赋值方差异，无法描述大范围内孑L隙空间的传导性。Oren法也由最初的随机法，发展到利用更加符合地质实等l2，在2002年提出了过程法用于解决上述问题，并际的分布函数来表征，如对数正态分布、Rayleigh分应用这种方法重建了砂岩的数字模型，该模型可以布及威布尔概率分布等]。较好地重现真实岩石的几何性质和传导性质。采用规则网络模型已经能够对单相、两相、多2．4测井方法相流动规律及润湿性的影响等问题进行计算机模实验室储层孔隙结构测量方法价格昂贵，测量拟，然而该模型对孔喉的表征过于简化，这与真实周期长，且岩石孔隙结构研究往往容易受到样品尺岩心中错综复杂的孑L隙结构相比完全失去了真实寸的限制，很难与储层宏观参数建立关系，并开展区性，所以，规则拓扑孑L隙网络模型在渗流理论研究域储层预测，而测井资料具有“纵向上”和“面上”的中有很大的局限性。相比而言．以真实岩心为基础优势，这为研究区域储层岩石孑L隙结构开辟了新的建立的孔隙网络模型的拓扑结构与真实岩心的拓途径。研究储层岩石孔隙结构特征的测井资料主要扑结构更加接近，较规则网络模型有较大改进建包括核磁共振测井、电阻率测井和声波测井等资料。立此类模型的方法有多种，包括多向扫描法、居中蔺景龙等选用自然电位、自然伽马及声波时差等轴线法及最大球体法等[34]。真实拓扑孔隙网络模型7条常规测井曲线，通过建立样本模式，统一刻度，以真实多孑L介质的三维图像为基础提取，其孔隙空并进行归一化处理，建立了神经网络模型对某段地间的拓扑性质几乎完全等价于真实情形，这类模型层孑L隙结构类型的鉴别。核磁共振测井技术具有测对开展渗流理论基础研究意义较大[35]量精度高、信息丰富以及对孔隙结构和孔隙流体反3．2孔隙结构描述理论映灵敏等特点，为测井解释研究孑L隙结构提供了另关于孔隙结构描述理论，目前研究较多的是孔一种有效方法。Yakov等E25]于2001年提出横向弛隙结构的分形几何描述理论和方法。分形(Fracta1)豫时间和毛管压力之间的转换关系．为利用核磁共理论是20世纪70年代法国数学家Mandelbrot提振测井资料研究岩石的孔隙结构提供了理论和方出的，用来解释自然界中那些不规则、不稳定和具法上的支持。国内学者先后利用核磁共振T：谱技有高度复杂结构的现象，可以得到显著的效果，这 2013年郝乐伟等：储层岩石微观孔隙结构研究方法与理论综述127为研究多孔材料的结构和性能提供了一种新的行5结束语之有效的手段。国内外已有众多学者进行了深入的低渗透储层的勘探开发日益成为主流，致密储研究根据在三维欧式空间中孔隙结构的分形维数层的微观孔隙结构更趋复杂，传统的以压汞分析技是介于2～3的分数，可对储层的非均质性、孔喉分术结合铸体薄片及扫描电镜镜下观察已不能满足布及孔隙表面的粗糙程度等进行分析。Katz等在生产需要。而以CT扫描为基础的三维孔隙结构模1985年较早地研究了储层孑L隙结构的分形特征，发拟技术定会成为研究储层孑L隙结构的发展方向。另现砂岩的孑L隙空间在一定的长度范围内具有分形外，与数学、计算机等学科的结合。将使孑L隙结构评性质。国内李克文l3和屈世显[3较早地介绍了分形价从定性描述向半定量、定量描述发展。目前，我国几何学在石油地质学领域的应用，并对储层孔隙度储层孑L隙微观研究中尚存在一些问题，可以归纳为的分形特性进行了相关研究；随后贺承祖等根据分形理论，推导出了孔隙结构特征参数的分形几何以下几个方面：公式；此后师永民等]对储层孑L隙结构参数的分形(1)受设备和技术条件所限，我国在三维孔隙表征进行了进一步的研究与应用。结构模型重构技术这一基础性研究领域还比较薄弱，国内的实验手段仍以压汞、铸体薄片及扫描电4储层微观孔隙结构评价镜为主，而三维模型重构技术应用于储层微观评价对岩石孔隙结构进行研究的最终目的是对储中还较少层的非均质性进行评价。近几十年来，不少学者利(2)鉴于储层微观孑L隙结构的复杂性，要建立用某些孔隙结构特征参数来评价储层微观孔隙结反映真实岩心的重建算法仍然是重要的课题。随着构，其中在对中、高渗透储层进行评价时，常常用渗计算机技术的发展，这一问题有望得以解决，但由透率、孔隙度、中值半径及产能等几个重要参数来于我国的陆相储层非均质性比较严重，进一步发展表征[41]。但对于低渗透储层，因其渗透率低，流体流能够描述裂缝、溶洞等非均质储层孔隙结构特征的动过程中存在非线性和启动压力梯度，并受到液一网络模型尚有待进一步加强。固界面的影响．所以，用上述参数难以对其进行有(3)微观孔隙结构特征的研究正朝着多种技术效评价。杨正明等[42]以产能、储层有效厚度、喉道半方法综合应用的方向发展，而其发展趋势将使孑L隙径、可动流体比率、启动压力梯度和有效驱动因子模型更加逼真和精细，并由定性向半定量、定量化等6个参数作为低渗透油田储量综合评价指标。万发展。但对特低渗透储层开发过程中，微观孔隙结永清等[43利用最大进汞梯度峰值。结合起始排驱压构(包括微裂缝)特征及油水微观渗流机理的研究力和岩心孔隙度等参数，作为评价致密砂岩孑L隙结还缺少系统认识，需要进一步深入探讨。构的重要指标，克服了用压汞参数不能有效表征致密砂岩微观结构的困难，建立了一套适合吐哈盆地参考文献：致密砂岩孔隙结构评价的新方法，取得了较好的评[1]杨正明，姜汉桥，李树铁，等．低渗气藏微观孔隙结构特征参数价效果。研究——以苏里格和迪那低渗气藏为例[J]．石油天然气学报另外。鉴于致密砂岩储层的特点及其复杂的孔(江汉石油学院学报)，2007，29(6)：108—119．[2]李长政，孙卫，任大忠，等．华庆地区长8储层微观孔隙结构特隙结构．国内外不少学者通过数学地质手段对该类征研究[J]．岩性油气藏，2012，24(4)：19—23．储层的微观结构进行了评价，如唐海发等利用R[3]李彦婧，高潮，邓杰，等．东一韩地区延长组长2油层组储层孔型主因子分析对表征储层物性、孔隙结构的13个参隙结构特征[J]．岩性油气藏，2012，24(1)：52—56．数进行优选，确定孑L隙度、渗透率、主要流动喉道半[41张龙海，周灿灿．刘国强，等．孑L隙结构对低孔低渗储集层电性及径、最大孔隙半径及排驱压力等5个参数作为储层测井解释评价的影响[J]．石油勘探与开发，2006，33(6)：671—676．分类评价的指标，并利用Q型聚类分析将储层微观[5]兰叶芳，黄思静，吕杰．储层砂岩中自生绿泥石对孔隙结构的影孔隙结构划分为3种基本类型及4种亚类：李海燕响——来自鄂尔多斯盆地上三叠统延长组的研究结果[J]．地等_45以压汞法测定的孔喉参数作为样本。应用聚类质通报，2011，30(1)：134—140．分析和Bayes判别分析方法，选取7种宏观和微观[6]寿建峰，朱国华．砂岩储层孔隙保存的定量预测研究[J]．地质科非均质参数，在建立4类微观孑L隙结构判别函数的学，1998，32(2)：244—250．基础上，对储层进行了微观孔隙结构识别。[7]PurcellWR．Capillarypressures-Theirme~urementusingmercury 128岩性油气藏第25卷第5期andthecalculationofpermeabilitytherefrom[J1．JournalofPetro·[26]肖飞，宗斌，周静萍．核磁共振测井连续表征储层孔隙结构方leumTechnology，1949，1(2)：39—48．法研究[J]．石油天然气学报(江汉石油学院学报)，2012，34(2)：[8]ThomeerJHM．Introductionofaporegeometricalfactordefinedby93—97．thecapillarypressureCurve[J]．JournalofPetroleumTechnology，[27j刘迪仁，殷秋丽，袁继煌，等．稠油储层核磁共振测井观测模式1960，12(3)：73—77．选择及其应用[J]．岩性油气藏，2012，24(2)：7-10．[9]WardlawNC，TaylorRP．Mercurycapillarypressurecurvesand[28]何宗斌，倪静，伍东，等．根据双TE测井确定含烃饱和度[J]．theinterpretationofporestructureandcapillarybehaviorinreser-岩性油气藏，2007，19(3)：89—92．voirrocks[J]．BuletinofCanadianPetroleumGeology，1976，24(2)：[29]NicholsonD．PetropoulosJH．Capillarymodelsforporousmedia．225—262．V．Flowprope~iesofrandomnetworkswithvariousradiusdistri—[1O]罗蛰潭，王允诚．油气储集层的孔隙结构[M]．北京：科学技术butions[J]．JournalofPhysicsD：AppliedPhysics，1975，8(12)：出版社，1986：80—137．1430—1440．方少仙，侯方浩．石油天然气储层地质学[M]．东营：中国石油[3O]YiotisAG，StubosAK，BoudouvisAG，eta1．Pore．networkmode．大学出版社，2006：240—241．1ingofisothermaldryinginporousmedia[J]．TransportPorousMed，[12]张绍槐，罗平亚．保护储集层技术[M]．北京：石油工业出版社，2005，58(1／2)：63—86．1993：53—56．[31]梅文荣，邓传光．颗粒运移的计算机模拟[J]．西南石油学院学[13]张昌明．李联伍．X—CT技术在储层研究中的应用[M]．北京：报，1994，16(1)：82—87．石油工业出版社．1996：6-20．[32]LopezX，ValvatnePH，BluntMJ．Predictivenetworkmodeling[14]姚军，赵秀才，衣艳静，等．数字岩心技术现状及展望[J]．油气ofsingle—phasenon—newtonianflowinporousmedia[J]．Journalof地质与采收率，2005，12(6)：52—54．ColloidandInterfaceScience，2003，264(1)：256—265．[15]CoenenJ，TchouparovaE，JingX．Measurementparametersand[33]侯健．李振泉，关继腾，等．基于三维网络模型的水驱油微观渗resolutionaspectsofmicroX—raytomographyforadvancedcore流机理研究[J]．力学学报，2005，37(6)：783—787．analysis[C]．ProceedingsofInternationalSymposiumoftheSociety[34]ProdanovicM，LindquistWB，SerightRS．PorousstructureandofCoreAnalysts，AbuDhabi，2004：256—261．fluidpartitioninginpolyethylenecoresfrom3DX—-raymicrotomo—-[16]TariqF，HaswellR，LeePD，eta1．Characterizationofhierarchica1graphicimaging[J1．JournalofColloidandInterfaceScience，2006，porestructuresinceramicsusingmultiscaletomography[J]．Acta298：282—297Materialia，2011，59：2109—2120．[35]黄丰．卢德唐，王磊，等．多孔介质3维孔隙空间的隐式曲面造[17]KnackstedtMA，AresCH，LimayeA，eta1．Di西talcorelaboratory：型方法[J]．中国图象图形学报，2007，12(5)：899—904．Propertiesofreservoircorederivedfrom3Dimages[R]．SPE87009，[36]KatzAJ，ThompsonAH．Fractalsandstonepores：Implicationsfor2004：1—14．conductivityandporeFormation[J]．PhysicalReviewLetters，1985，[18]李建胜．王东．康天合．基于显微CT试验的岩石孔隙结构算法54(12)：1325-1328．研究[J]．岩土工程学报，2010，32(11)：1703—1708．[37]李克文，秦同洛．分维几何及其在石油T业中的应用[J]．石油[19]DalFerr0N．DelmasP，DuwigC．eta1．CouplingX-raymicroto-勘探与开发，1990，17(5)：109一l】4．mographyandmercuryintrusionporosimetrytoquantifyaggregate[38]屈世显，张建华．分形与分维及在地球物理学中的应用[J]．西structuresofacambisolunderdiferentfertilisationtreatments安石油学院学报，1991，6(2)：8—13．[J]．SoilandTillageResearch，2012，119：13-21．[39]贺承祖，华明琪．储层孔隙结构的分形几何描述[J]．石油与天[20]FattI．ThenetworkmodelofporousmediaI．Capillarypressure然气地质，1998，19(1)：15—23．characteristics[J]_TransactionsofAIME，1956，207(1)：144—159．[40]师永民，张玉广，何勇，等．利用毛管压力曲线分形分维方法研[21]QuiblierJA．Anewthree—dimensionalmodelingtechniquefor究流动单元[J]．地学前缘，2006，13(3)：129—134．studyingporousmedia[J]．JournalofColloidandInterfaceScience，[41]王尤富，凌建军．低渗透砂岩储层岩石孔隙结构特征参数研究1984，98(1)：84—102．[J]．特种油气藏，1999，6(4)：25—39．[22]HazlettRD．Statisticalcharacterizationandstochasticmodeling[42]杨正明．张英芝，郝明强，等．低渗透油田储层综合评价方法ofporenetworksinrelationtofluidflow[J]．MathematicalGeology，[J]．石油学报，2006，27(2)：64—67．1997，29(4)：801—822．[43]万永清．吐哈盆地致密砂岩微观孔隙结构评价方法研究[J]．吐[23]OrenPE，BakkeS．Processbasedreconstructionofsandstonesand哈油气，2011，16(2)：101—105．predictionsoftransportproperties[J]．TransportinPorousMedia，[44]唐海发，彭仕宓，赵彦超．大牛地气田盒2+3段致密砂岩储层2002，46(2／3)：3l1-343．微观孔隙结构特征及其分类评价[J]．矿物岩石，2006，26(3)：[24]蔺景龙．聂晶，李鹏举，等．基于BP神经网络的储层微L隙结lO7—113．构类型预测[J]．测井技术，2009，33(4)：355—359．[45]李海燕，岳大力，张秀娟．苏里格气田低渗透储层微观孔隙结[25]YakovV，WinLS．Apracticalapproachtoobtainprimarydrainage构特征及其分类评价方法[J]．地学前缘，2012，19(2)，133—140．capillarypressurecurvesfromNMRcoreandlogdata[J]．Petro—physics，2001，42(4)：334—343．(本文编辑：于惠宇)