储层岩石微观孔隙结构研究方法与理论综述

第25卷第5期2013年10月

文章编号：1673-8926（2013）05-0123-06

岩性油气藏

LITHOLOGIC RESERVOIRS

Vol.25No.5Oct. 2013

储层岩石微观孔隙结构研究方法与理论综述

郝乐伟1，王

琪1，唐

俊1，2，3

（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：A

Research progress of reservoir microscopic pore structure

HAO Lewei 1，WANG Qi 1，TANG Jun 1，2，3

（1. Key Laboratory of Petroleum Resources Research ，Chinese Academy of Sciences ，Lanzhou 730000，China ；

2. University of Chinese Academy of Sciences ，Beijing 100049，China ；3. School of Mathematics ，Physics and Biological Engineering ，Inner Mongolia University of Science and Technology ，Baotou 014010，China ）

Abstract ：Reservoir microscopic pore structure directly affects the reservoir storage and permeability, so the research on reservoir microscopic pore structure characteristics can help to carry out reasonable classification evaluation of reservoir, and find out reservoir distribution law , improve the productivity and recovery ratio of oil and gas. Based on a large number of relevant literatures, this paper summarized and expounded the origin, test methods, theory research progress and comprehensive evaluation of reservoir microscopic pore structure, analyzed the main existing problems in the research of domestic reservoir microscopic pore structure, and pointed out that the research of the domestic micro structure is mainly based on traditional methods, having the problem of insufficient combination with domestic actual geological condition and lack of quantitative research.

Key words ：oil and gas reservoir ；pore structure ；three -dimensional pore structure model ；fractal theory

0引言

大量的勘探开发实践表明，储层岩石的微观孔

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。孔隙反映了岩石的储集能力，而喉道的形状、大小则控制了孔隙的储集和渗流能力［2-3］。孔隙结构的非均质性造成开发过程中相继出现了许多亟待解决的问题，如注水压力高、含水

隙结构直接影响着储层的储集与渗流能力，并最终决定着油气藏产能的差异分布［1］。孔隙结构是指岩

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-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“致密砂岩孔隙结构分形研究”（编号：KFJJ2013-01）联合资助。

作者简介：郝乐伟（1985-），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 ：[email protected]

124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影响着油田的开发效果。另外，储层岩石孔隙结构参数是储层评价的重要指标，如何客观地确定这些参数，是很多石油学家一直致力解决的问题，因此，加强储层微观结构的研究，对于油气的勘探开发，尤其是致密储层的勘探开发具有十分重要的现实和战略意义。笔者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。

2储层微观孔隙结构研究方法

随着科技的进步，储层微观孔隙结构的研究手

段从最初的简单物性分析向先进的实验测试发展，其研究理论及方法也逐渐呈现出多学科交叉的特点，涉及地质、化学、数学和物理等学科。研究方法主要包括毛管压力曲线法、核磁共振法、扫描电镜法、CT （Computed Tomography ）扫描法、三维重构法和测井方法等，这些分析方法能够从不同角度对储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

国内外的研究表明，储层物性是构造格局、沉积环境和成岩作用共同控制的结果。由于沉积和成岩的共同作用，造成储集层中孔隙类型多样、孔隙结构复杂及非均质性强［4］。沉积作用对碎屑岩矿物成分、结构、分选、磨圆和杂基含量等都有明显的控制作用，而这些因素又对储层物性具有不同程度的影响。随着埋藏深度的增加，成岩作用不断对储层进行改造，致使储层的微观孔隙结构更加复杂化。其中溶蚀作用对孔喉起到建设性作用，而压实作用和胶结作用则对孔喉起破坏性作用。如作为孔隙衬里的绿泥石，由于它的存在，使砂岩喉道变小，因而自生绿泥石在保护砂岩孔隙的同时也会改变砂岩的孔隙结构［5］。另外，寿建峰等［6］通过研究塔里木、准噶尔、吐哈、松辽、开鲁等盆地和东濮凹陷砂岩孔隙的发育和保存规律，从本质上揭示了孔喉变化的影响因素，其研究表明地温场、地质年代和盆地沉降方式对砂岩孔隙的演化和保存有制约作用，地温梯度每增加1℃，砂岩孔隙度平均减小约7%；地质年代每增加1Ma ，砂岩孔隙度降低0.009%～0.018%，地层超压最大可保存5%～7%的孔隙度。

2. 1毛管压力曲线法

研究岩石孔隙结构最常用的方法是通过测定

毛管压力来定量确定孔隙和喉道的特征。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，可以定性、半定量地研究储层的孔隙结构，从毛管曲线上获取能够反映孔喉大小、连通性和渗流能力的参数，因而是目前测定岩石毛管压力的主要手段［3］。1921年，Washbum 建议利用实验室内的压汞实验来确定岩石的孔隙大小及分布，而后，经过学者们研究，对压汞法不断完善，使其成为研究储层孔隙结构极其重要的方法之一［7-9］。

在我国，从20世纪70年代开始对储层的毛管压力进行大量研究，其中，罗蛰潭等［10］在国内较早开展了相关的研究工作，但随着一些复杂油气田的开发，常规压汞技术已不能满足生产的需要，而恒速压汞技术在实验进程上实现了对喉道数量的测量，从而克服了常规压汞方法的不足。恒速压汞的原理是以非常低的进汞速度维持准静态进汞过程，该过程如图1（a ）所示。当汞进入到喉道1时，压力上升，突破后，压力突然下降，汞进入孔隙，此过程

再均流

O （1）

子均流

O （4）

O （3）

再均流

（喉道）

214

3

O （2）

O=压降次序

V1腔室

V2V3V4

连接体积连接体积（b ）压力变化过程

（a ）孔隙群落以及汞前缘突破每个结构的示意图

图1恒速压汞测试原理图［1］

Fig. 1Principle of constant -rate mercury injection experiment

对应于图1（b ）中的第一个压力降落O （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

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125

O （2），以下渐次将主喉道所控制的所有次级孔室填

满；主喉道半径由突破点的压力确定，孔隙的大小由进汞体积确定，这样喉道的大小以及数量就可在进汞压力曲线上得到明确的反映。

点的X 线吸收系数值，再经图像显示器将不同的数据以不同的灰度等级显示出来，这样该断面的孔隙结构就可以清晰地显示在监视器上［13］。岩心CT 扫描能够提供岩石孔喉分布、连通性以及物性参数等。

无论铸体薄片法还是扫描电镜法都需要对岩心进行必要的加工，这在一定程度上破坏了岩心的内部结构和外部形态，并且这2种方法观测的视野较窄小，只能观测薄片上的孔隙结构，而CT 扫描法在对岩心无损伤的条件下，能够快速观测整块岩心内部的结构状况，但其缺点是测量方法复杂，且费用较高。

2. 2图像分析法

图像分析法是通过仪器设备对岩心截面进行

图像采集，然后观察样品中孔隙及喉道的大小、连通及分布情况。目前该方法主要包括铸体薄片法、扫描电镜法和CT 扫描法。

（1）铸体薄片法

铸体薄片法是将带色的有机玻璃或环氧树脂注入岩石的孔隙裂缝中，待树脂凝固后，再将岩心切片放在显微镜下观察［11］，用以研究岩心薄片中的面孔率、孔喉类型、连通性、孔喉配位数以及碎屑组分等。由于该方法简单易行，成本低廉，是目前图像分析法中最常用的方法。

（2）扫描电镜法

扫描电镜的原理是由电子枪发射出电子束，经加速偏转后，在样品表面聚焦成极细的电子束，该电子束对样品表面进行扫描，电子与样品相互作用，激发出各种信号，这些信号被处理后在荧光屏上成像［12］。扫描电镜下的矿物具有图像立体、分辨率高及景深大等特点，可以对样品中微孔隙和喉道的立体形态及连通性、孔喉配置关系、黏土矿物类型及其赋存形态等进行分析。

（3）CT 扫描法

2. 3三维孔隙结构模拟法

获得整体岩样的三维孔隙结构模型是孔隙结

构研究的难点，无论压汞法、铸体薄片法，还是扫描电镜法都难以实现［14］。目前建立三维孔隙结构模型的方法有3类：切片组合法、X 射线成像法和基于薄片分析的图像重建法［14］。切片组合法需要花费很长时间来制备大量的岩心切片，且很难获得具有代表性的非均质岩石的体积图像，因而极少被采用。X 射线成像法需借助X 射线微观成像仪Micro-CT ，提供高分辨率的3D 图像，其分辨率可达到孔隙级，是一项无损伤真3D 成像技术［15］。此项技术多见于材料方面的应用，如Tariq 等［16］在2011年利用Micro-

CT 技术，得到了陶瓷在不同温度下烧结的三维孔隙

结构图像。在较高温度下的样品孔隙较小，具有更多的碟状孔隙结构［图2（a ）］，而在较低温度下的样品具有较大的孔隙，并且孔隙之间具有更好的连通性［图2（b ）］。2004年，澳大利亚国立大学数字岩心实验室使用自制的Micro-CT 系统进行了孔隙空间成像的拓展研究，并取得了一定成果［17］。受设备和

CT ，即电子计算机断层扫描，它是利用X 线束

与灵敏度极高的探测器一同围绕岩心作断面扫描，每次扫描过程中由探测器接收穿过岩心的衰减X 线信息，经电子计算机高速计算后，得出该层面各

04μm

（a ）

04μm

（b ）

图2多孔介质Micro-CT 图像［16］

Fig. 2Micro -CT image of pore structure of porous material

126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起步阶段，国内只有少数学者能够获取真实岩心的三维CT 图像，为此部分学者转向基于薄片分析的图像重建法的研究［18］。

基于薄片分析的图像重建法只需要极少量岩石切片的扫描图像，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描图像，再利用不同的数学方法对岩石三维孔隙网络进行模拟，达到观察岩石立体孔隙结构的目的［19］。

术，对岩石微观孔隙结构进行了研究，并对构造方法不断进行改进，如肖飞等［26］、刘迪仁等［27］和何宗斌等［28］运用T 2几何均值拟合法和伪毛管压力曲线转换法连续、定量地表征了储层孔隙结构。

3储层微观孔隙结构研究理论

孔隙结构理论研究方面的进展主要体现在2

个方面，一方面是孔隙结构模拟理论的进展，另一方面是孔隙结构描述理论的进展。

Fatt ［20］在1956年应用一种二维孔隙网络模型来模

拟实际岩心，利用该模型Fatt 对网络的毛管压力、相对渗透率等储层参数进行了研究。随着不断发展的计算机及图像分析技术被应用到孔隙网络建模中，三维数字岩心的建立逐渐得以实现。Quiblier ［21］在——高斯场法，并1984年发展了Joshi 提出的随机法—

用其建立了三维数字岩心。1997年Hazlett ［22］提出了另外一种随机法———模拟退火法，该方法较高斯场法的优势在于，在建立数字岩心时，它将更多反映岩石的信息考虑进来，从而使所建立的模型与真实的多孔介质更加接近。然而，随机法所建立的岩心数字模型有时与真实岩石在传导性质方面有很大差异，无法描述大范围内孔隙空间的传导性。Oren 等［23］在2002年提出了过程法用于解决上述问题，并应用这种方法重建了砂岩的数字模型，该模型可以较好地重现真实岩石的几何性质和传导性质。

3. 1孔隙结构模拟理论

在孔隙结构模拟方面，前人建立了一些计算机

网络模型及模拟方法，并相继提出通过建立毛细管模型、基于过程模型、随机堆积模型、孔隙网络模型以及统计模型来描述孔隙结构［29-30］。根据所建模型的拓扑性质，可将模型分为两大类，即规则拓扑孔隙网络模型和真实拓扑孔隙网络模型。Fatt ［20］在1956年引入了具有规则拓扑结构的孔隙网络模型，由初期仅允许单相流体存在的圆柱形毛细管来表征孔喉，发展到后期学者们提出的可解释两相、多相流及润湿性影响等问题的其他形状的孔喉，如球形、星形及正方形等［31-32］。网络模型中孔喉尺寸的赋值方法也由最初的随机法，发展到利用更加符合地质实际的分布函数来表征，如对数正态分布、Rayleigh 分布及威布尔概率分布等［33］。

采用规则网络模型已经能够对单相、两相、多相流动规律及润湿性的影响等问题进行计算机模拟，然而该模型对孔喉的表征过于简化，这与真实岩心中错综复杂的孔隙结构相比完全失去了真实性，所以，规则拓扑孔隙网络模型在渗流理论研究中有很大的局限性。相比而言，以真实岩心为基础建立的孔隙网络模型的拓扑结构与真实岩心的拓扑结构更加接近，较规则网络模型有较大改进。建立此类模型的方法有多种，包括多向扫描法、居中轴线法及最大球体法等［34］。真实拓扑孔隙网络模型以真实多孔介质的三维图像为基础提取，其孔隙空间的拓扑性质几乎完全等价于真实情形，这类模型对开展渗流理论基础研究意义较大［35］。

2. 4测井方法

实验室储层孔隙结构测量方法价格昂贵，测量

周期长，且岩石孔隙结构研究往往容易受到样品尺寸的限制，很难与储层宏观参数建立关系，并开展区域储层预测，而测井资料具有“纵向上”和“面上”的优势，这为研究区域储层岩石孔隙结构开辟了新的途径。研究储层岩石孔隙结构特征的测井资料主要包括核磁共振测井、电阻率测井和声波测井等资料。蔺景龙等［24］选用自然电位、自然伽马及声波时差等

7条常规测井曲线，通过建立样本模式，统一刻度，

并进行归一化处理，建立了神经网络模型对某段地层孔隙结构类型的鉴别。核磁共振测井技术具有测量精度高、信息丰富以及对孔隙结构和孔隙流体反映灵敏等特点，为测井解释研究孔隙结构提供了另一种有效方法。Yakov 等［25］于2001年提出横向弛豫时间和毛管压力之间的转换关系，为利用核磁共振测井资料研究岩石的孔隙结构提供了理论和方法上的支持。国内学者先后利用核磁共振T 2谱技

3. 2孔隙结构描述理论

关于孔隙结构描述理论，目前研究较多的是孔

隙结构的分形几何描述理论和方法。分形（Fractal ）理论是20世纪70年代法国数学家Mandelbrot 提出的，用来解释自然界中那些不规则、不稳定和具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之有效的手段。国内外已有众多学者进行了深入的研究。根据在三维欧式空间中孔隙结构的分形维数是介于2～3的分数，可对储层的非均质性、孔喉分布及孔隙表面的粗糙程度等进行分析。Katz 等［36］在

5结束语

低渗透储层的勘探开发日益成为主流，致密储

层的微观孔隙结构更趋复杂，传统的以压汞分析技术结合铸体薄片及扫描电镜镜下观察已不能满足生产需要，而以CT 扫描为基础的三维孔隙结构模拟技术定会成为研究储层孔隙结构的发展方向。另外，与数学、计算机等学科的结合，将使孔隙结构评价从定性描述向半定量、定量描述发展。目前，我国储层孔隙微观研究中尚存在一些问题，可以归纳为以下几个方面：

（1）受设备和技术条件所限，我国在三维孔隙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、铸体薄片及扫描电镜为主，而三维模型重构技术应用于储层微观评价中还较少。

（2）鉴于储层微观孔隙结构的复杂性，要建立反映真实岩心的重建算法仍然是重要的课题。随着计算机技术的发展，这一问题有望得以解决，但由于我国的陆相储层非均质性比较严重，进一步发展能够描述裂缝、溶洞等非均质储层孔隙结构特征的网络模型尚有待进一步加强。

（3）微观孔隙结构特征的研究正朝着多种技术方法综合应用的方向发展，而其发展趋势将使孔隙模型更加逼真和精细，并由定性向半定量、定量化发展。但对特低渗透储层开发过程中，微观孔隙结构（包括微裂缝）特征及油水微观渗流机理的研究还缺少系统认识，需要进一步深入探讨。

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现砂岩的孔隙空间在一定的长度范围内具有分形性质。国内李克文［37］和屈世显［38］较早地介绍了分形几何学在石油地质学领域的应用，并对储层孔隙度的分形特性进行了相关研究；随后贺承祖等［39］根据分形理论，推导出了孔隙结构特征参数的分形几何公式；此后师永民等［40］对储层孔隙结构参数的分形表征进行了进一步的研究与应用。

4储层微观孔隙结构评价

对岩石孔隙结构进行研究的最终目的是对储

层的非均质性进行评价。近几十年来，不少学者利用某些孔隙结构特征参数来评价储层微观孔隙结构，其中在对中、高渗透储层进行评价时，常常用渗透率、孔隙度、中值半径及产能等几个重要参数来表征

［41］

。但对于低渗透储层，因其渗透率低，流体流

动过程中存在非线性和启动压力梯度，并受到液-固界面的影响，所以，用上述参数难以对其进行有效评价。杨正明等［42］以产能、储层有效厚度、喉道半径、可动流体比率、启动压力梯度和有效驱动因子等6个参数作为低渗透油田储量综合评价指标。万永清等［43］利用最大进汞梯度峰值，结合起始排驱压力和岩心孔隙度等参数，作为评价致密砂岩孔隙结构的重要指标，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致密砂岩孔隙结构评价的新方法，取得了较好的评价效果。

另外，鉴于致密砂岩储层的特点及其复杂的孔隙结构，国内外不少学者通过数学地质手段对该类储层的微观结构进行了评价，如唐海发等［44］利用R 型主因子分析对表征储层物性、孔隙结构的13个参数进行优选，确定孔隙度、渗透率、主要流动喉道半径、最大孔隙半径及排驱压力等5个参数作为储层分类评价的指标，并利用Q 型聚类分析将储层微观孔隙结构划分为3种基本类型及4种亚类；李海燕等［45］以压汞法测定的孔喉参数作为样本，应用聚类分析和Bayes 判别分析方法，选取7种宏观和微观非均质参数，在建立4类微观孔隙结构判别函数的基础上，对储层进行了微观孔隙结构识别。

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（本文编辑：于惠宇）