羅順社,魏煒(長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,湖北 武漢 430100)
魏新善,趙會濤,劉曉鵬 中國石油長慶油田勘探開發(fā)研究院
長慶油田低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室,陜西 西安710021
致密砂巖儲層通常是指覆壓基質(zhì)滲透率小于或等于0.1mD 的砂巖儲層[1,2],目前已成為我國油氣勘探開發(fā)的重點領(lǐng)域。勘探開發(fā)實踐表明,致密砂巖氣資源量大但開采難度也相對較大,進行儲層微觀結(jié)構(gòu)精細表征是有效開發(fā)這類油氣層的關(guān)鍵技術(shù)之一[3~5]。
致密砂巖儲層巖性致密、儲層非均質(zhì)性強,發(fā)育微米級和納米-亞微米級(1μm 以下)兩大孔喉體系。微米級孔喉體系是致密砂巖儲層主要儲集空間,一般利用光學(xué)顯微鏡等方法進行研究,其微觀結(jié)構(gòu)表征方法比較成熟。根據(jù)材料學(xué)定義,亞微米級尺度是指0.1~1μm 范圍,納米級尺度是指1~100nm。納米材料[6~8]是在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料,這大約相當(dāng)于10~100個原子緊密排列在一起的尺度,其中有50%或以上的粒子直徑在1~100nm 之間。納米級孔喉和納米油氣是近幾年提出的概念[9,10],因其理論的先進和分析方法的獨特受到了廣泛關(guān)注[11,12]。筆者認(rèn)為,任何油氣儲層都或多或少存在納米級孔喉,但只有納米級孔喉在儲層孔喉體系中占據(jù)一定量值以后才能稱其為納米級孔喉儲層,這一量值學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界還在進行討論和試驗。筆者借用納米-亞微米材料定義,認(rèn)為致密砂巖儲層中納米-亞微米級孔喉達到50%以上,且孔喉直徑在1μm 以下者為納米-亞微米級孔喉儲層。
致密砂巖微觀結(jié)構(gòu)表征技術(shù)按其特點可劃分為圖像表征技術(shù)、非圖像表征技術(shù)、數(shù)字巖心技術(shù)等3類。以蘇里格氣田致密砂巖儲層為例,結(jié)合目前先進的測試分析技術(shù)手段,討論致密砂巖儲層微觀結(jié)構(gòu)的表征技術(shù)和發(fā)展趨勢。
1)偏光顯微鏡觀察法 偏光顯微鏡的基本原理是將普通可見光改變?yōu)槠窆?,利用礦物折射光學(xué)特性進行研究和確定樣品結(jié)構(gòu)。光學(xué)顯微鏡極限分辨率為0.2μm,因此,普通偏光顯微鏡只能觀察識別微米級及部分亞微米級孔隙結(jié)構(gòu)。圖1是蘇里格氣田盒八段儲層普通偏光顯微鏡下照片,微米級孔隙(圖1中的a)半徑為40μm,喉道半徑為15μm,晶間孔(圖1中的b)大部分為微米級孔喉,也有顯微鏡下不易識別的納米-亞微米級孔喉。研究表明[13,14],蘇里格氣田Ⅰ類儲層(滲透率一般大于1mD)喉道半徑平均值大于1μm,因此,蘇里格氣田目前的致密砂巖優(yōu)質(zhì)儲層發(fā)育微米級孔喉系統(tǒng)。
2)激光掃描共聚焦顯微鏡觀察法 激光掃描共聚焦顯微鏡屬于光學(xué)顯微鏡,采用激光掃描方式進行逐點、逐行、逐面快速掃描獲得三維圖像,可以進行孔喉三維成像、結(jié)構(gòu)重建。由于激光束的波長較短,光束很細,所以共焦激光掃描顯微鏡有較高的分辨力,放大倍數(shù)可達10000 倍,極限分辨率為0.15μm,一般最小觀察喉道半徑約為2μm,分辨率比普通光學(xué)顯微鏡高出1.4倍左右[15~17]。圖2是蘇里格氣田盒八段致密砂巖儲層孔隙及喉道的激光共聚焦掃描三維圖像,從圖中可以清晰地觀察孔隙與喉道大小及的匹配關(guān)系(1∶3或1∶4)。
圖1 S172井盒八段3623.30m 處儲層薄片觀察
圖2 S27井盒八段致密砂巖孔隙及喉道的激光共聚焦掃描三維圖像
3)微米CT 技術(shù) 微米CT 技術(shù)是從1895年倫琴發(fā)現(xiàn)X 射線以來在此方面的最大突破,是計算機技術(shù)和X 射線技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物[18]。CT 技術(shù)早先應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷,現(xiàn)今已延伸到石油工業(yè)。作為一種對巖樣無損傷、無改變的三維巖石成像技術(shù),利用X 射線從多個方向穿透物體斷面進行掃描,探測物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu),對透過物體的X 射線強度進行調(diào)整和數(shù)模轉(zhuǎn)換,得出與X 射線有關(guān)的CT 值。其核心是投影數(shù)據(jù)重建灰度圖像[18,19],將孔隙結(jié)構(gòu)進行三維重建,對微觀孔隙結(jié)構(gòu)及孔隙內(nèi)流體的分布作定性描述。微米CT 技術(shù)掃描分辨率最高可達1μm,針對同一個樣品,利用CT 掃描和相應(yīng)的軟件處理,可得到孔隙喉道半徑統(tǒng)計、孔隙度、滲透率等多種數(shù)據(jù),效率較高,同時對樣品外觀要求低[20,21]。
1)掃描電子顯微鏡觀察法 掃描電子顯微鏡的原理是在高真空環(huán)境下以一束極細的電子束從各個角度掃描樣品,在樣品表面激發(fā)出次級電子,收集放大次級電子等信息,顯示出與電子束同步的掃描圖像。單幀圖像具有很大景深,但屬于二維圖像,通過立體技術(shù)可實現(xiàn)三維成像。其與光學(xué)顯微鏡成像原理基本一致,但是有3點不同:用電子束代替了可見光,對樣品的損傷與污染程度較?。挥秒姶磐哥R代替了光學(xué)透鏡;用熒光屏將肉眼不可見電子束成像。用掃描電子顯微鏡來觀察樣品表面及其斷面立體形貌,分辨率高、圖像立體感強、放大倍率范圍廣,從5~200000倍連續(xù)可調(diào),不用經(jīng)常對焦,探測厚度達1μm,目前掃描電鏡的極限分辨率0.8~20nm[22]。
圖3 S14-03-21井盒八段儲層場發(fā)射掃描電鏡圖像
2)場發(fā)射掃描電子顯微鏡 1990年德國卡爾蔡司公司推出了世界第一臺場發(fā)射掃描電子顯微鏡[22]。隨后日立公司推出冷場發(fā)射掃描電鏡,冷場單色性好,適合做表面形貌觀測,分辨率在1nm 左右;Amray 公司生產(chǎn)的熱場發(fā)射掃描電鏡,電子束穩(wěn)定,束流大,分辨率在3nm 左右[22]。場發(fā)射掃描電鏡在真空條件下進行,觀察前需要對樣品進行真空金屬鍍膜導(dǎo)電處理。圖3是蘇里格氣田高分辨率冷場發(fā)射掃描電鏡圖像,圖中納米級孔縫發(fā)育,孔徑范圍在10~100nm 左右,且連通性較好。
3)原子力顯微鏡觀察法 原子力顯微鏡是在掃描隧道顯微鏡的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,都是基于量子力學(xué)理論中的隧道效應(yīng),通過極細的檢測探針與樣品表明頂端原子之間微弱的相互作用力,來分析固體樣品表面的形貌,是當(dāng)前發(fā)展最快的一種掃描探針顯微鏡。其成像的本質(zhì)就是測量表面每個像素點的高低,描繪出立體形貌,每個像素Z方向的數(shù)據(jù)必須是精確的,否則形貌不準(zhǔn)確。不同于電子顯微鏡只能提供二維圖像,原子力顯微鏡提供真正的三維表面圖,儀器不需要抽真空,樣品不需要噴鍍金屬膜,觀察時不損傷樣品,在真空環(huán)境下的橫向分辨率達0.15nm,縱向分辨率達0.05nm,極限分辨率0.1nm。但其成像范圍太小,速度慢,受探頭的影響太大,要求樣品非常平坦,樣品制備很難[23~25]。
4)納米CT 掃描 設(shè)備主體包括UltraXRM-L200立體X 射線顯微鏡、牛津微觀制樣系統(tǒng)與Avizo軟件,可實現(xiàn)巖石原始狀態(tài)無損三維成像,確定致密砂巖儲層納米-亞微米孔喉分布、大小、連通性等,并對任意斷層虛擬成像展示[26,27]。但目前所謂的納米CT 掃描,盡管極限分辨率可達200nm,主要還是亞微米和微米級孔喉分析與識別。
5)聚焦離子束成像技術(shù) 是利用聚焦離子束作為照射源,分辨率可達100nm,可以進行孔喉三維成像。
1)恒速壓汞技術(shù) Yuan 和Swanson 在孔隙測定儀APEX(apparatus for pore examination)上首先開展恒速壓汞試驗[28]。恒速壓汞技術(shù)以非常低的進汞速度(0.00005ml/mim)將 汞 注 入 巖 石孔隙體積內(nèi),根據(jù)進汞壓力的漲跌來獲取孔隙結(jié)構(gòu)信息。汞進入孔隙空間受喉道控制,依次由一個喉道進入下一個喉道。在準(zhǔn)靜態(tài)過程中,當(dāng)汞突破喉道限制進入孔隙的瞬間,汞會在孔隙空間內(nèi)以極快的速度重新分布,而產(chǎn)生一個壓力降落,之后壓力回升直至把整個孔隙充滿,接著又進入下一個喉道[28~32]。恒速壓汞能直接測量出喉道和孔隙的分布,最小可測試喉道半徑約為0.1μm,并分別給出相應(yīng)的毛細管壓力曲線,區(qū)分巖樣之間孔隙結(jié)構(gòu)上的差異性(圖4)。圖中所提供的喉道、孔隙、孔喉比等詳細信息較好地反映了流體滲流過程中動態(tài)的孔喉配套發(fā)育特征,更適用于孔喉性質(zhì)差異較大的致密砂巖儲層。與常規(guī)壓汞相比,恒速壓汞的最高進汞壓力遠低于常規(guī)壓汞的最高進汞壓力,故最小喉道半徑較高,其他的異同點見表1。而在試驗中,汞若無法壓入微孔,面臨著加壓可能會將巖樣壓碎的風(fēng)險,這也是恒速壓汞技術(shù)待解決的問題[33~35]。
2)核磁共振技術(shù) 1946年,美國哈佛大學(xué)的Purcell和斯坦福大學(xué)的Bloch等人最早提出核磁共振原理[36]。在石油工業(yè)中的核磁共振技術(shù)是利用氫原子核自旋運動和共振原理[36,37]。如果將巖心完全用模擬地層水飽和,核磁共振測量的信號是由不同大小孔隙內(nèi)H 原子的信號的疊加,通過數(shù)學(xué)擬合得到核磁共振T2分布,此分布反映了巖石孔隙結(jié)構(gòu)、孔隙大小及分布。孔隙中水的賦存狀態(tài)為束縛水和可動水,運用離心試驗獲得的T2截止值將T2譜分成兩部分,凡小于T2截止值的所有T2分布累加為束縛水孔隙體積,而大于T2截止值的所有T2分布累加為可動水孔隙體積[38~40]。
圖4 恒速壓汞測試曲線
表1 恒速壓汞與常規(guī)壓汞的異同
圖5是蘇里格致密砂巖核磁共振譜圖,呈單峰對稱型,大孔隙組分對應(yīng)較大的T2值,小孔隙組分對應(yīng)較小的T2值,T2截止值大約為17ms。在T2截止值右邊為可動流體部分,孔徑大于2.55μm;左邊為束縛流體部分,孔徑小于2.55μm。經(jīng)計算得出核磁孔隙度為7.88%,可動孔隙度為4.03%,可動流體飽和度為51.2%,束縛流體飽和度為48.8%。
作為一項間接測量技術(shù),核磁共振方法具有一定的局限性,還需要結(jié)合其他手段進行研究。比如目前無法從T2譜上直接得出孔喉分布的準(zhǔn)確結(jié)論,但是將T2譜與毛細管壓力曲線相結(jié)合,對兩者的關(guān)系及相互轉(zhuǎn)化進行研究,可以對孔喉大小進行評價。
1)高壓壓汞技術(shù) Purcell在1949年將壓汞技術(shù)應(yīng)用于石油工業(yè),1976年Wardlawet用壓汞技術(shù)研究孔隙結(jié)構(gòu)[41]。目前,壓汞技術(shù)已成為研究儲層微米級孔喉體系最廣泛的方法之一。對于致密砂巖儲層,由于孔喉較小,一般需采取較高的進汞壓力,可以獲取納米-亞微米級孔喉。蘇里格致密砂巖儲層在進汞壓力達到200MPa時,可獲得3.7μm 的喉道半徑值。
2)氣體吸附法和核磁共振技術(shù) 氣體吸附法和核磁共振技術(shù)也可間接獲得納米級孔喉值,由于是通過參數(shù)計算獲得孔喉大小,不同的人所使用的參數(shù)及計算公式不同得到的結(jié)果差異較大,因此目前還處于探索研究階段。
圖5 核磁共振T2譜(S14-0-9井盒八段3530.49~3530.59m 處)
致密砂巖儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜,基于高精度孔隙結(jié)構(gòu)三維圖像與計算機技術(shù)相結(jié)合形成的三維數(shù)字巖心技術(shù)是一種有效的表征技術(shù)和試驗?zāi)M技術(shù)(圖6)。它是以掃描電鏡與CT 掃描等提供的巖石三維微觀結(jié)構(gòu)信息,結(jié)合多種數(shù)值算法,對巖石結(jié)構(gòu)進行計算機模擬重建,以反映巖石真實孔隙空間,具有超高分辨率和三維可視化展示等特點[42,43]。隨著高性能計算機的普及,原有數(shù)值算法的優(yōu)化和新的算法的產(chǎn)生,精確定量地描述巖石的三維孔隙空間,然后結(jié)合功能強大的計算程序模擬各種巖石屬性參數(shù),可以開展物性等參數(shù)定量評價及氣水兩相流動模擬。
致密砂巖儲層微觀結(jié)構(gòu)一般發(fā)育微米級和納米-亞微米級兩大孔喉體系,非均質(zhì)性強,由于微觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和設(shè)備精密度,目前沒有一種技術(shù)能夠?qū)ξ⒂^結(jié)構(gòu)進行精確的表征[44,45]。筆者通過對國內(nèi)外已有成果分析,認(rèn)為其發(fā)展趨勢表現(xiàn)為:一是分析儀器和圖像分辨率的不斷提高,精細描述孔喉的形態(tài)分布,由微米級向亞微米-納米級發(fā)展,降低分析測試成本,達到普及工業(yè)化應(yīng)用;二是計算機技術(shù)與孔隙圖像分析技術(shù)相結(jié)合,借助計算機實現(xiàn)對微觀結(jié)構(gòu)的三維重建和模擬;三是先進技術(shù)和常規(guī)分析手段相結(jié)合,多種分析測試和計算方法綜合應(yīng)用[46]。致密砂巖儲層微觀結(jié)構(gòu)表征技術(shù)的進一步發(fā)展將為其滲流場重建及滲流機理的研究提供基礎(chǔ)和依據(jù)[47,48]。
圖6 QT2井山一段致密砂巖孔喉三維圖像(孔隙度為6.54%,滲透率為0.54mD)
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