储层岩石微观孔隙结构的实验和理论研究

扫描探针显微术（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ， ＳＰＭ） 是 上 世 纪 八 十 年代中期发展起来的区别于以往显微手段 （ 包括扫描电子显微镜） 的
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○科教前沿○
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２００８ 年 第 ２７ 期
显微方法， 具有高至原子、分子的分辨能力。其工作原理是利用尖锐针 尖与表面原子分子的相互作用， 即当针尖与试样表面接近至纳米尺度 时形成各种相互作用物理局域场， 通过检测该场物理量而获得样品表 面形貌。ＳＰＭ 已成为表面微观结构、性能、状态的观察和分析以及相应 操控的重要手段， 是纳米科技的重要组成部分。如果将以扫描隧道显 微镜和原子力显微镜为代表的扫描探针显微术应用到储层岩石微观
（ ４） 三维孔隙结构成像 三维孔隙结构在微米或亚微米分辨尺度 上快速成像技术的研究。目前用同步辐射、Ｘ－ ＣＴ 和激光共聚焦等三维 成像技术只能达到几微米分辨， 不能满足微观孔隙结构评价的要求， 因此， 需要开发新的实验手段和方法。
这些问题的解决， 用目前现有的仪器和方法都有一定都困难， 因 此 需 要 先 进 的 仪 器 、实 验 方 法 和 理 论 去 实 现 。
【关键词】储层岩石； 微观孔隙结构； 扫描探针显微术
大量的勘探开发实践表明， 储层岩石的微观孔隙结构直接影响着 储层的储集渗流能力， 并最终决定着油气藏产能的差异分布。不同类 型的储层具有不同的微观孔隙结构特征， 储层岩石孔隙结构参数、含 油气性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 努 力 解 决 的 问 题 。储 层 岩 石 的 微 观 孔 隙 结 构 不 仅 对 油 气 储 量，而且对油气井的产能和最终采收率都有影响。详细研究储层的微 观孔隙结构特征， 有利于对储层进行合理的分类评价， 有助于查明储 层的分布规律， 从而为油气藏的勘探开发提供科学的理论依据。在油 气田开发后期， 储层的渗流能力的强弱直接受微观孔隙结构特征及其 分布规律的影响， 因此， 确定储层内部微观孔隙结构的特征及分布对 了解剩余油形成机理， 查明剩余油分布规律具有极为重要的意义。
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２００８ 年 第 ２７ 期
储层岩石微观孔隙结构的实验和理论研究
张雁 （ 大庆石油学院地球科学学院 黑龙江 大庆 １６３３１８）
【摘 要】储层岩石的微观孔隙结构直接影响着储层的储集渗流能力， 并最终决定油气藏产能分布的差异。因此， 对其详细地研究， 探寻各 种储层岩石的微观孔隙结构的特点及其分布规律， 从而为油气藏的勘探、开发及准确确定注水开发油田不同开发阶段剩余油分布提供科学的 依据， 具有重要的研究意义。本文介绍了实验上和理论上研究储层岩石微观孔隙结构的方法及进展， 并且对其研究的发展趋势和用纳米科技关 键仪器－ 扫描探针显微镜表征储层岩石微观孔隙结构进行了展望。
孔隙结构的表征上 ， 凭 借 其 超 高 分 辨 能 力 、无 损 、直 接 的 观 测 的 特 点 ， 对于建立新的储层岩石孔隙结构评价体系， 客观评价储层的非均质性 特征及其含油气性， 指导下一步油气勘探与开发， 应具有现实的指导 意 义 。科
● 【参 考 文 献 】 ［ １］ 马明福，方世虎，张煜，等．东营凹陷广利油田纯化镇组低渗透储层微观孔隙结 构特征［Ｊ］．石油大学学报（自然科学版），２００１，２５（４）：１０－ １２． ［ ２］ ＰＩＴＴＭＡＮ Ｅ Ｄ．Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｏｆ ｐｏｒｏｓｉｔｙ ａｎｄ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｔｏ ｖａｒｉｏｕｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｄｅｒｉｖｅｄ ｆｒｏｍ ｍｅｒｃｕｒｙ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ － ｃａｐｉｌｌａｒｙ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｕｒｖｅｓ ｆｏｒ ｓａｎｄｓｔｏｎｅ ［Ｊ］．ＡＡＰＧ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ，１９９２，７６（２）：１９１－ １９８． ［ ３］ 王为民，郭和坤，叶朝辉．利用核磁共振可动流体评价低渗透油田开发潜力［Ｊ］． 石油学报，２００１，２２（６）：４０－ ４４． ［ ４］ 陈孟晋，刘锐娥，孙粉锦，等．鄂尔多斯盆地西北部上古生界碎屑岩储层的孔隙 结构特征初探［Ｊ］．沉积学报，２００２，２０（４）：６３９－ ６４３． ［ ５］ ＢＡＲＡＫＡ－ ＬＯＫＭＡＮＥ Ｓ，ＴＥＵＴＳＣＨ Ｇ，ＭＡＩＮ Ｉ Ｇ．Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｏｐｅｎ ａｎｄ ｓｅａｌｅｄ ｆｒａｃｔｕｒｅｓ ｏｎ ｆｌｕｉｄ ｆｌｏｗ ａｎｄ ｗａｔｅｒ ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｓａｎｄｓｔｏｎｅ ｃｏｒｅｓ ｕｓｉｎｇ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｉｍａｇｉｎｇ［Ｊ］． Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，２００１，１４７（２）：２６３－ ２７１． ［ ６］ ＪＯＨＡＮＳＥＮ Ｔ Ａ，ＤＲＯＴＴＮＩＮＧ Ａ， ＬＥＣＯＭＴＥ Ｉ， ｅｔ ａｌ． Ａｎ ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｒｏｃｋ ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ ｓｅｉｓｍｉｃ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆ ｆｌｕｉｄ ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔｓ ［Ｊ］． Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌ Ｐｒｏｓｐｅｃｔｉｎｇ，２００２，５０（２）：１１９－ １３７． ［ ７］ 李存贵，徐守余．长期注水开发油藏的孔隙结构变化规律［Ｊ］．石油勘探与开发， ２００３，３０（２）：９４－ ９６． ［ ８］ 吴 文 祥，刘 洋．聚 合 物 驱 后 岩 心 孔 隙 结 构 变 化 特 性 研 究［Ｊ］．油 田 化 学，２００２，１９
１．岩石孔隙结构特征的描述方法
孔隙结 构 是 岩 石 所 具 有 的 孔 隙 和 喉 道 的 几 何 形 状 、大 小 、分 布 及 其相互连通关系的总和。孔隙反映了岩石对流体的储集能力， 而喉道 的 形 状 、大 小 、孔 喉 比 则 控 制 了 孔 隙 对 流 体 的 储 集 和 渗 透 能 力 。由 于 不 同沉积相的水动力条件不同， 导致砂体的粒度、分选、组成以及发育程 度的差异性， 加之后期成岩作用对沉积物原始孔隙改造强烈， 因此， 微 观 孔 隙 结 构 具 有 复 杂 多 样 性 。 尤 其 对 于 孔 渗 性 差 、非 均 质 性 强 的 储 层 而言， 详细研究微观孔隙结构特征一方面有利于经济有效地开发低渗 透油气资源， 另一方面在开发后期的油气挖潜工作中， 有助于查明剩 余油分布规律， 设计提高采收率方案。因此该项研究对石油工业乃至 整个国民经济的发展均具有重要意义。这项工作中， 由于储层岩石孔 隙极其微小和结构的变化， 很大一部分流体在渗流过程中被毛管力和 粘滞力所束缚不能参与流动， 因此客观评价低渗透油田和驱后油田储 层的微观孔隙结构特征， 研究微观孔隙结构对油气分布的影响具有极 为 现 实 的 意 义 。目 前 评 价 工 作 主 要 集 中 在 利 用 勘 探 开 发 资 料 的 实 验 和 理论模拟两个方面。
１．１ 储层微观孔隙结构实验分析 常规岩石孔隙结构特征的描述 方法主要包括： 测井资料现场评价法和室内实验方法。室内实验方法 是目前最主要， 也是应用最广泛的描述和评价岩石孔隙结构特征的方 法， 主要包括： 毛管压力曲线法（半渗透隔板法、压汞法和离心机法等）、 铸体薄片法、扫描电镜法、Ｘ－ ＣＴ 扫描法及核磁共振法等。
（ ２） 利用微观孔隙结构分布特性解释储层反常现象 例如水驱油 效率与渗透率之间不存在密切关系，甚至出现驱油效率与渗透率呈反 比关系的现象。到目前为止，这些由实验发现的反常现象还没有得到 合理的解释。
（ ３） 储层岩石分形维度的பைடு நூலகம்究 岩石孔隙的分维值是岩石孔隙结 构的一个重要的独立参数， 它与岩石的渗透率有复杂的关系， 需要进 一步深入研究。
性， 是造成注入水波及效率不高、水驱油效率较低的主要原因［１２］。 １．２ 储层微 观 孔 隙 结 构 理 论 解 释－ 分 形 特 征 储 层 岩 石 的 孔 隙 空
间具有良好的分形特征， 孔隙结构的分形维数可以定量描述孔隙结构 的复杂程度和非均质性。应用分形几何的原理， 对低渗透储层岩石的 孔隙结构进行研究， 可以建立毛管压力和孔隙大小概率密度分布的分 形 几 何 模 型 。并 根 据 毛 管 压 力 曲 线 资 料 计 算 孔 隙 结 构 的 分 形 维 数 和 孔 径大小概率密度分布。计算结果表明， 用该方法研究孔隙结构不仅简 单易行， 而且精度很高［１３］。另外， 利用分形理论可以模拟各种岩石毛管 压力曲线， 从而解释岩石之间物性的不同［１４］。用岩样孔喉分布 的 分 形 维数能更合理地描述多孔介质微观孔喉分布的非均质性［１５］。Ｋｒｏｈｎ 提 出小尺度的孔隙体积具有分形特征， 并受孔隙间矿物和胶结物生长控 制， 研究微观孔隙分形特征可用来表征成岩过程中岩石表面蚀变和改 性的程度［１６］。同时结合扫描电镜和小角中子散射（ Ｓｍａｌｌ－ Ａｎｇｌｅ Ｎｅｕｔｒｏｎ
。
Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ， ＳＡＮＳ） 可以确定岩石微观孔隙在 １０Ａ ～５０ μｍ 范围内 是 分 形的 ［１７］。并且这种分形的维度随着岩石的种类不同而发生从 ２．８～２．３ 的变化［１８］。对于砂岩来讲， 分形的维度应介于 ２ 与 ３ 之间。当其接近于 ２ 时， 砂岩储集性能极好； 而接近于 ３ 时， 砂岩储集性能极差［１９］。大量的 研究表明， 利用分形理论进行储层岩石微观孔隙结构的表征， 与目前 不同开发阶段实际效果基本吻合， 因此这种方法可以作为评价储层油 气藏孔隙结构及储集性的一个主要手段。
传统的压汞资料分析表明， 中孔细喉结构主要发育在水下分支河 道及滩坝砂体中； 低孔细喉结构主要发育在前缘席状砂及扇三角洲前 缘滑塌浊积砂体中［１］。而通过对压汞曲线进行重新变换， 以汞饱和度除 以压力为纵坐标，汞饱和度为横坐标，绘制成图，会发现峰点，所对应的 孔 喉 半 径 称 为 峰 点 孔 喉 半 径，该 值 对 油 气 圈 闭 具 有 重 要 意 义 ［２］。而 先 进 的核磁共振实验 结 果 表 明 ， 微 裂 缝 发 育 程 度 、粘 土 充 填 孔 隙 程 度 及 原 生孔隙发育程度等微观孔隙结构特征是低渗透油田可动流体的主要 影响因素［３］。而在某些地区， 次生孔隙发育带也是天然气高产富集带［４］。 同时利用这项技术， 可以实时观察渗透和高渗透沉积岩的渗流情况［５］。 而这种微观的流体在油气混合地带的运动是极其不能忽视的， 否则会 得 出 错 误 的 储 层 评 价 结 论［６］。 经 过 长 期 注 水 开 发 的 储 集 层 的 孔 隙 结 构 将发生改变， 注水冲刷使微观喉道特征变好，退汞效率增高， 因此随着 冲刷的不断进行，会使大孔隙越来越大，对小孔隙影响则不明显。喉道 分 选 性 对 驱 油 效 率 影 响 机 理 较 为 复 杂 。总 体 上 储 层 驱 油 效 率 随 储 集 物 性的变好而增加［９］。但是驱油效率并不总是和渗透率呈正相关关系， 它 还 受 储 层 孔 喉 分 布 和 孔 喉 结 构 非 均 质 性 的 影 响［１０］。扫 描 电 镜 可 用 于 研 究 孔 隙 和 喉 道 的 立 体 形 态 及 配 置 关 系［１１］， 可 以 证 实 储 层 低 孔 、低 渗 并 不是造成注水开发效果差的主要原因， 而较强的微观孔隙结构非均质