劉廣峰 ，王連鶴，孫仲博，王俊濤，姜帆

1 中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249

2 中國(guó)石油大學(xué)(北京)氣體能源開(kāi)發(fā)與利用教育部工程研究中心，北京102249

3 中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田公司油氣工藝研究院，西安 710018

0 引言

隨著油氣消費(fèi)量的持續(xù)增加，致密砂巖儲(chǔ)層的開(kāi)發(fā)受到了越來(lái)越多的重視。致密砂巖基質(zhì)的儲(chǔ)滲空間包括孔隙和喉道兩部分，以殘余粒間孔、溶蝕孔等形式存在的孔隙是主要的儲(chǔ)油氣空間，貢獻(xiàn)了巖石主要的孔隙度；喉道是孔隙間連通的渠道，決定了巖石的滲透率[1-2]?？紫杜c喉道的類(lèi)型、大小分布、連通性等孔喉結(jié)構(gòu)特征是影響儲(chǔ)層儲(chǔ)存和滲流能力的關(guān)鍵，直接決定著致密砂巖油氣的滲流規(guī)律和開(kāi)發(fā)效果[3]?？缀斫Y(jié)構(gòu)已逐漸成為致密砂巖儲(chǔ)層研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)，并在研究方法、成果認(rèn)識(shí)等方面取得較大進(jìn)展[4-7]。

在大量文獻(xiàn)調(diào)研的基礎(chǔ)上，本文總結(jié)了適用于致密砂巖儲(chǔ)層納—微米級(jí)孔喉結(jié)構(gòu)確定技術(shù)，闡述了不同技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件，分析了當(dāng)下主流的致密砂巖儲(chǔ)層孔喉結(jié)構(gòu)表征方法，探析了致密砂巖動(dòng)態(tài)孔喉結(jié)構(gòu)、降低可動(dòng)喉道下限提高采收率兩方面的發(fā)展趨勢(shì)。本研究有助于全面了解致密砂巖孔喉結(jié)構(gòu)的研究方法、成果及趨勢(shì)，今后開(kāi)展相關(guān)的研究可為致密砂巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)、滲流機(jī)理、開(kāi)發(fā)方式及提高采收率研究提供參考。

1 孔喉結(jié)構(gòu)測(cè)試技術(shù)

致密砂巖儲(chǔ)層孔隙與喉道識(shí)別技術(shù)及相應(yīng)的特點(diǎn)列示于表1，根據(jù)原理可分為圖像分析和數(shù)據(jù)反演2種類(lèi)型。圖像型技術(shù)是通過(guò)儀器設(shè)備對(duì)巖心截面進(jìn)行圖像采集，然后基于圖像分析孔喉特征，主要包括鑄體薄片、掃描電子顯微鏡、場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡、聚焦離子束掃描電鏡和X-CT掃描等技術(shù)。反演型技術(shù)則通過(guò)間接手段來(lái)推導(dǎo)孔喉結(jié)構(gòu)屬性，主要包括高壓壓汞、恒速壓汞、氣體吸附/脫附和核磁共振等技術(shù)[8-9]。多通過(guò)巖石樣品的毛管壓力、T2弛豫時(shí)間等信息推演孔喉分布信息[10-11]。圖像與數(shù)據(jù)型技術(shù)的結(jié)合使用可以高精度、多尺度、多維度獲取致密砂巖孔喉結(jié)構(gòu)信息，為致密砂巖儲(chǔ)層物性評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

表1 致密砂巖儲(chǔ)層孔隙與喉道識(shí)別技術(shù)及特點(diǎn)[12-15]Table 1 Recognition technology and corresponding characteristics for pore and throat in tight sandstone formations[12-15]

1.1 圖像型技術(shù)

(1)鑄體薄片技術(shù)

巖石鑄體薄片是將染色樹(shù)脂或液態(tài)膠在真空下灌注到巖石的孔喉空間中，在一定的溫度和壓力下使樹(shù)脂或液態(tài)膠固結(jié)，然后磨制成巖石薄片，并在偏光顯微鏡下觀察孔隙及喉道特征。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是孔喉空間被染色的樹(shù)脂或液態(tài)膠所灌注，能夠方便直接地觀察真實(shí)形貌及含量、類(lèi)型及大小分布[16]。但經(jīng)過(guò)洗油和灌注，粒間一些細(xì)小松散的黏土雜基可能會(huì)運(yùn)移，影響對(duì)部分孔隙喉道的認(rèn)識(shí)，應(yīng)結(jié)合其他測(cè)試技術(shù)，綜合分析填隙物和孔隙喉道特征。

(2)掃描電子顯微鏡技術(shù)

掃描電鏡的原理是聚焦電子束在巖樣表面逐點(diǎn)掃描時(shí)，會(huì)產(chǎn)生背散射電子、二次電子、X射線、俄歇電子和透射電子等反應(yīng)信號(hào)，二次電子、背散射電子對(duì)試樣表面形貌變化敏感，可作為顯像管的調(diào)制信號(hào)，得到形貌襯度像[17-18]。相比偏光顯微鏡，掃描電鏡下的礦物具有圖像立體、分辨率高和景深大等特點(diǎn)，不但可以對(duì)樣品中微孔隙和喉道的立體形態(tài)、連通性、孔喉配置關(guān)系、黏土礦物類(lèi)型及其賦存形態(tài)等進(jìn)行分析，還可以通過(guò)調(diào)整樣品的傾斜角度，獲取一系列不同傾斜角度下巖石表面微觀圖像，再經(jīng)圖像處理技術(shù)獲得巖石表面的三維立體圖像。掃描前，需在巖石表面蒸鍍金屬膜，以防聚焦電子束產(chǎn)生的電流在巖石表面積累，產(chǎn)生的充電放電效應(yīng)影響電子信號(hào)的傳遞，但蒸鍍的金屬導(dǎo)電膜會(huì)影響孔喉的形貌特征。

(3)場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡技術(shù)

場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡成像原理與掃描電鏡相似，具有分辨率更高的優(yōu)勢(shì)(分辨率在0.5 nm左右)，同時(shí)兼?zhèn)鋻呙桦婄R景深長(zhǎng)和細(xì)節(jié)豐富等特點(diǎn)[19]，可以對(duì)納米孔喉系統(tǒng)進(jìn)行顯微形貌表征，可以定性、定量測(cè)量微觀區(qū)域內(nèi)巖心的化學(xué)成分。該技術(shù)需用氬離子拋光技術(shù)對(duì)巖樣進(jìn)行預(yù)處理，以預(yù)防樣品磨制過(guò)程中的次生孔隙對(duì)觀察結(jié)果的影響。針對(duì)巖石等不導(dǎo)電樣品，樣品室可以采用低真空模式，低真空的氣體在電子束作用下會(huì)產(chǎn)生電離，正離子最終與帶負(fù)電的樣品表面中和，在一定程度上緩解了充電放電效應(yīng)。此外，還可以通過(guò)縮短每點(diǎn)掃描駐留時(shí)間以及混合一定比例的背散射電子像來(lái)避免荷電現(xiàn)象，從而無(wú)需對(duì)巖石樣品蒸鍍導(dǎo)電膜。

(4)聚焦離子束掃描電鏡技術(shù)

聚焦離子束掃描電鏡技術(shù)耦合了聚焦離子束(FIB)和聚焦電子束(SEM)，F(xiàn)IB是利用透鏡將離子束聚焦成極小的尺寸，對(duì)巖石觀測(cè)區(qū)進(jìn)行高精度顯微加工[20]。真空系統(tǒng)中，在離子柱頂端加上激發(fā)電場(chǎng)和牽引電場(chǎng)以導(dǎo)出離子束，經(jīng)靜電透鏡聚焦后通過(guò)限束孔，再用質(zhì)量分析器篩選出所需離子種類(lèi)，最后通過(guò)八極偏轉(zhuǎn)裝置及電磁透鏡將離子束聚焦在樣品上進(jìn)行掃描轟擊，產(chǎn)生的二次電子和離子被收集成像。相比只能提供二維圖像的傳統(tǒng)掃描電鏡，F(xiàn)IB-SEM雙束系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)納米級(jí)微觀孔喉系統(tǒng)進(jìn)行3D重構(gòu)和孔喉結(jié)構(gòu)的可視立體化表征。

(5)X-CT掃描技術(shù)

X-CT掃描是指X射線電子計(jì)算機(jī)斷層掃描，該技術(shù)利用X射線束與靈敏度極高的探測(cè)器一同圍繞巖心作斷面掃描，由探測(cè)器接收穿過(guò)巖心的衰減X射線信息，經(jīng)計(jì)算得出該層面各點(diǎn)的X射線吸收系數(shù)值，不同的數(shù)據(jù)以不同的灰度等級(jí)顯示，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)孔隙結(jié)構(gòu)的重現(xiàn)[21]。巖心CT掃描無(wú)需對(duì)巖心進(jìn)行復(fù)雜的加工，保持了巖心的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部形態(tài)，能夠快速觀測(cè)巖石孔喉分布、連通性以及孔隙度等物性參數(shù)。

由于圖像型分析技術(shù)無(wú)法同時(shí)滿足多尺度與高精度要求，若追求較高的精度與分辨率，所觀測(cè)的巖石樣品視域范圍便十分有限，故圖像型分析技術(shù)仍處于定性觀察或簡(jiǎn)單測(cè)量的水平，定量表征誤差較大。如何兼具高分辨率與大視域范圍是致密砂巖孔喉結(jié)構(gòu)圖像型分析技術(shù)的發(fā)展方向。

1.2 反演型技術(shù)

(1)高壓壓汞技術(shù)

高壓壓汞是將復(fù)雜的孔喉系統(tǒng)看作是一系列相互連通的圓柱型毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)汞(非潤(rùn)濕相)注入多孔樣品時(shí)，毛細(xì)管力成為進(jìn)汞阻力，因此需要一個(gè)注入壓力來(lái)克服毛細(xì)管力。目前，高壓壓汞最高注入壓力可達(dá)414 MPa，可得到以進(jìn)汞飽和度和毛管力為橫縱坐標(biāo)的進(jìn)汞曲線，根據(jù)Washiburn方程，每個(gè)進(jìn)汞壓力均對(duì)應(yīng)一個(gè)相應(yīng)大小的毛管阻力和喉道半徑，而進(jìn)汞量則表示喉道所連接的孔喉體積[22-24]。同時(shí)，退汞毛管壓力曲線可用于分析巖石表面潤(rùn)濕性、研究孔隙介質(zhì)中的驅(qū)油機(jī)理和采收率等[25]。但高壓壓汞受孔隙屏蔽作用，只能給出某一級(jí)別喉道所控制的孔喉體積，無(wú)法區(qū)分喉道與孔隙。

(2)恒速壓汞技術(shù)

與高壓壓汞中控制進(jìn)汞壓力不同，恒速壓汞以恒定不變的極小速率向巖心中注入汞，監(jiān)測(cè)毛管壓力與進(jìn)汞量。當(dāng)汞從直徑較大的孔隙中進(jìn)入喉道時(shí)會(huì)憋壓，毛管壓力上升；當(dāng)汞由喉道進(jìn)入孔隙中，毛管壓力則會(huì)突然降低。通過(guò)記錄毛管壓力與進(jìn)汞體積得到波動(dòng)信息，可區(qū)分孔隙與喉道。恒速壓汞技術(shù)可直接提供孔隙半徑分布、喉道半徑分布、孔喉比分布等參數(shù)，為研究多孔介質(zhì)孔喉結(jié)構(gòu)特征提供豐富的信息[26]。但是由于壓力傳感器的局限性，現(xiàn)有的恒速壓汞儀最大進(jìn)汞壓力約為7 MPa，孔喉測(cè)試范圍有限[27]。

(3)氣體吸附/脫附技術(shù)

多孔介質(zhì)對(duì)氣體具有吸附性，吸附量是溫度、壓力的函數(shù)。氣體吸附/脫附技術(shù)通過(guò)控制溫度監(jiān)測(cè)吸附量與壓力的關(guān)系反演多孔介質(zhì)孔喉結(jié)構(gòu)特征[28]。氣體吸附時(shí)首先在孔壁形成薄吸附層，氣體壓力增大導(dǎo)致吸附層增厚，局部形成凸鏡狀，最終液相接觸。脫附時(shí)，從已形成的球形彎月面開(kāi)始，凝聚液全部氣化，脫附等溫線垂直下降，即孔發(fā)生凝聚時(shí)的相對(duì)壓力比發(fā)生蒸發(fā)時(shí)的相對(duì)壓力要大，進(jìn)而會(huì)形成吸附回線。根據(jù)吸附/脫附曲線可以將致密砂巖孔隙分為筒型孔、錐型孔、平板裂隙孔、墨水瓶型孔及狹縫孔等類(lèi)型。針對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層，基于吸附/脫附實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，常通過(guò)BET方程可計(jì)算比表面積，結(jié)合BJH理論可計(jì)算0.35～200 nm的孔喉分布。但由于氣體吸附非均質(zhì)性的影響，通常認(rèn)為氮?dú)馕郊夹g(shù)在測(cè)量孔徑超過(guò)100 nm孔喉時(shí)不夠準(zhǔn)確[29]。

(4)核磁共振技術(shù)

核磁共振原理是自旋的質(zhì)子在恒定磁場(chǎng)下會(huì)產(chǎn)生能級(jí)分裂現(xiàn)象，在射頻磁場(chǎng)作用下處于低能級(jí)的會(huì)躍遷至高能級(jí)，同時(shí)發(fā)生共振效應(yīng)和聚相效應(yīng)。撤去射頻磁場(chǎng)后質(zhì)子從共振聚相恢復(fù)到初始狀態(tài)所需的時(shí)間叫弛豫時(shí)間。弛豫時(shí)間與巖心中所含流體孔隙的比表面及流體擴(kuò)散有關(guān)，通過(guò)測(cè)量質(zhì)子的弛豫時(shí)間，便可獲得豐富的油層物理定量信息。在較小的致密孔喉體系中，表面弛豫是主要的弛豫機(jī)制，常忽略擴(kuò)散弛豫的影響。然而在較大的孔隙中，忽略擴(kuò)散弛豫機(jī)制會(huì)造成一定的誤差。此外，核磁共振技術(shù)測(cè)量結(jié)果易受磁場(chǎng)環(huán)境、流體性質(zhì)及巖心中順磁物質(zhì)等因素影響[30]。

對(duì)于經(jīng)歷了復(fù)雜沉積成巖作用的致密砂巖儲(chǔ)層，孔喉呈多尺度發(fā)育，由于不同測(cè)試技術(shù)主體測(cè)量范圍有限，單一測(cè)試技術(shù)難以精準(zhǔn)測(cè)量包括微米級(jí)、亞微米級(jí)和納米級(jí)全尺度孔喉分布，可協(xié)同利用多種測(cè)試技術(shù)以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。結(jié)合核磁共振偽毛管壓力曲線和恒速壓汞曲線對(duì)致密砂巖的完整孔喉結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，偽毛管壓力曲線所得到的孔喉分布減去毛管壓力曲線所得的喉道分布，可得全孔徑的孔隙分布，從而加深對(duì)致密砂巖儲(chǔ)集層孔隙和喉道組合關(guān)系以及孔喉連通性的認(rèn)識(shí)[31]。

2 孔喉結(jié)構(gòu)表征方法

通過(guò)對(duì)孔喉結(jié)構(gòu)的定量評(píng)價(jià)和表征，可以量化儲(chǔ)層孔隙度、滲透率、飽和度等儲(chǔ)層性質(zhì)或相互關(guān)系?？缀斫Y(jié)構(gòu)表征的主要內(nèi)容包括孔隙與喉道大小的分布、孔喉分形特征、孔喉網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及孔喉連通性。

2.1 孔隙與喉道大小分布

孔隙與喉道大小分布對(duì)油氣充注、成藏及開(kāi)發(fā)有著重要的影響，是決定油氣水復(fù)雜賦存關(guān)系的重要因素，是儲(chǔ)量預(yù)測(cè)、產(chǎn)能評(píng)價(jià)的重要參考因素[31-32]。孔隙大小分布表征為特定孔隙半徑所貢獻(xiàn)的孔隙體積含量與孔隙半徑的關(guān)系曲線，而喉道大小分布一般表示為特定喉道半徑所連通的孔隙、喉道總體積與喉道半徑的關(guān)系曲線[33-34]。根據(jù)前述孔喉結(jié)構(gòu)測(cè)試技術(shù)的特點(diǎn)，孔喉大小分布需要綜合不同的測(cè)試方法獲得的結(jié)果進(jìn)行協(xié)同表征[35]。目前代表性的致密砂巖孔喉大小分布表征方法包括：① 氣體吸附/脫附曲線與毛管壓力曲線協(xié)同表征，基于BJH法修正的Kelvin方程和Washburn方程，反演致密砂巖全孔徑分布特征[36]；② 核磁共振曲線與高壓壓汞毛管壓力曲線協(xié)同表征，引入核磁共振橫向弛豫時(shí)間與毛管壓力的轉(zhuǎn)換系數(shù)C，得到核磁共振偽毛管壓力曲線，對(duì)比分析全尺度孔喉分布特征[37]；③ 核磁共振偽毛管壓力曲線、毛管壓力曲線及氮?dú)馕角€協(xié)同表征，利用低溫氮?dú)馕角€獲取微孔、中孔分布，利用高壓壓汞毛管壓力曲線獲取大孔分布，根據(jù)核磁共振及離心實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)全尺寸孔喉半徑分布數(shù)據(jù)進(jìn)行校核和校正，獲取全孔徑的孔喉分布[38]。

2.2 孔喉結(jié)構(gòu)分形表征

致密砂巖儲(chǔ)層孔喉系統(tǒng)具有納米級(jí)到微米級(jí)的多尺度分布特征。采用歐式空間理論以及拓?fù)鋵W(xué)理論雖然大大簡(jiǎn)化了幾何特征，但失去了孔喉結(jié)構(gòu)本質(zhì)的自然屬性。Mandelbrot創(chuàng)立的分形幾何是對(duì)沒(méi)有特征長(zhǎng)度，但具有自相似性的圖形、構(gòu)造及現(xiàn)象的總稱，可以利用分形維數(shù)來(lái)定量的描述孔喉結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，廣泛應(yīng)用于油氣勘探開(kāi)發(fā)以及油氣資源評(píng)價(jià)領(lǐng)域[39]。結(jié)合Washburn方程，利用分形理論可研究致密砂巖儲(chǔ)層油水相滲、致密油滲析特征[40]；基于X-CT掃描技術(shù)可分析各掃描斷面分形維數(shù)，定量研究2D、3D孔隙空間分形維數(shù)與致密砂巖物性參數(shù)之間的關(guān)系[41]。

分形理論原理以典型Sierpinski地毯為例，將邊長(zhǎng)為1的正方形等分為邊長(zhǎng)1/3的9個(gè)小正方形，再去掉中心的1個(gè)小正方形，保留剩下的8個(gè)小正方形，重復(fù)迭代n次(圖1)，這樣就形成了一個(gè)分形幾何圖形。此時(shí)，共形成了8n個(gè)小正方形，小正方形的邊長(zhǎng)為(1/3)n。具有分形特征的圖形可表示為N(λλ)=－D，λ表示最小元素的尺度，N(λ)表示單位為λ的元素個(gè)數(shù)；D為該圖形的分維數(shù)。求對(duì)數(shù)可得將Sierpinski分 形 圖 形 的λ=(1/3)n、N(λ)=8n代 入 可 得D=1.893。圖形的分形維數(shù)與圖形的迭代次數(shù)n無(wú)關(guān)，即分形體的形態(tài)、復(fù)雜程度及不規(guī)則性不會(huì)因其放大或縮小而發(fā)生變化。

圖1 自相似性Sierpinski分形圖形[45]Fig.1 Self-similarity Sierpinski fractal graph[45]

分形體的分形特征由分形維數(shù)表征。巖石微觀孔隙結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)是在2～3，越接近于2，說(shuō)明孔隙結(jié)構(gòu)越規(guī)則，孔隙表面越光滑[42]。目前，針對(duì)巖石微觀孔隙結(jié)構(gòu)的分形分析主要有P-A(周長(zhǎng)—面積)分形分析方法和N-S(數(shù)目—大小)分形分析方法。P-A模型即所謂的“島弧模型”，最早由Mandelbrot(1982)提出，他將具有標(biāo)度不變性的不規(guī)則二維變形幾何體的周長(zhǎng)與面積綜合考慮，適用于計(jì)算巖心二維復(fù)雜斷面[43]。N-S模型是利用覆蓋法測(cè)量分維空間的最基本方法之一，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。利用不同尺度的盒子單元對(duì)孔隙空間進(jìn)行拓?fù)涮畛?，則拓?fù)渌眯》胶械臄?shù)量與尺度之間存在冪函數(shù)關(guān)系，利用該冪函數(shù)關(guān)系反應(yīng)孔隙空間分形維數(shù)及分形特征。

在對(duì)孔喉結(jié)構(gòu)進(jìn)行分形分析時(shí)，孔喉半徑為丈量尺度λ，該尺度可丈量的孔喉體積為N(λ)，則孔喉結(jié)構(gòu)中孔徑大于λ的孔隙數(shù)目N(λ)與λ的關(guān)系為表示最大孔喉半徑，a為與形狀相關(guān)的常數(shù)[44](例如孔隙為立方體時(shí)，a=1；孔隙為球體時(shí)，a=4π/3)。對(duì)于致密砂巖儲(chǔ)層，標(biāo)度不變性往往只存在一定的標(biāo)度范圍內(nèi)，進(jìn)而在不同的標(biāo)度下呈現(xiàn)不同的分形維數(shù)。圖2為利用核磁共振測(cè)得的鄂爾多斯盆地長(zhǎng)7段致密砂巖油藏不同孔隙類(lèi)型的分形維數(shù)特征曲線，T2與Sv分別代表橫向弛豫時(shí)間和大于該橫向弛豫時(shí)間的孔隙累計(jì)體積。由圖可知，從微孔到大孔分形維數(shù)逐漸增大，這表明隨著孔隙尺寸從微孔到大孔，孔隙結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜和不均勻[42]。

圖2 鄂爾多斯盆地長(zhǎng)7致密砂巖儲(chǔ)層分形特征[46]Fig.2 Fractal characteristics of Chang 7 member in tight sandstone formation, Ordos Basin[46]

2.3 孔喉網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)表征

通過(guò)建立數(shù)字巖心并提取微觀孔喉拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)近似描述巖心的孔喉網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層滲流仿真和模擬搭建了數(shù)字平臺(tái)?？缀砭W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)表征主要包括數(shù)字巖心的構(gòu)建和孔喉拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的提取2個(gè)方面。

(1)數(shù)字巖心構(gòu)建。三維數(shù)字巖心技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)，將巖心微觀結(jié)構(gòu)以圖像或數(shù)據(jù)的形式刻畫(huà)出來(lái)。數(shù)字巖心建模方法可分為物理實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)值重建方法2大類(lèi)。物理實(shí)驗(yàn)方法是借助微納米CT掃描和聚集離子束—掃描電鏡等高精度實(shí)驗(yàn)儀器，直接獲取巖心不同截面的二維圖像，之后采用一定的數(shù)學(xué)方法對(duì)大量二維圖像進(jìn)行三維重建得到三維數(shù)字巖心。數(shù)值重建方法是借助巖心二維圖像等少量資料，通過(guò)圖像處理技術(shù)得到建模信息，之后采用重建算法建立三維數(shù)字巖心，包括隨機(jī)模擬法(模擬退火方法、高斯隨機(jī)場(chǎng)方法、順序指示模擬法、多點(diǎn)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)方法、馬爾科夫鏈蒙特卡羅方法)和過(guò)程法[47]。

(2)孔喉拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提取。對(duì)孔喉網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的提取首先要對(duì)三維數(shù)字巖心進(jìn)行閾值分割，再基于特定的算法將二值化數(shù)字圖像進(jìn)行處理，提取包含原始巖心孔隙分布特征以及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)化孔喉網(wǎng)絡(luò)模型，圖3為提取流程示意圖?？缀硗?fù)浣Y(jié)構(gòu)的提取算法主要包括最大球算法和居中軸線法。① 最大球算法：在三維數(shù)字巖心的孔隙空間的每個(gè)體素中找到最大內(nèi)接球顆粒，周?chē)芍丿B相鄰的較小球體，形成一個(gè)充滿整個(gè)孔隙空間的最大球簇。其中把較大的球體定義主球體，半徑較小的球體定義為仆球體。若1個(gè)球體屬于2個(gè)最大球簇，這個(gè)公共的最大球則被認(rèn)為是喉道。最大球算法可定量模擬計(jì)算孔隙半徑、喉道半徑、孔喉比、形狀因子、配位數(shù)等孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)。② 居中軸線法：以幾何拓?fù)鋵W(xué)為基礎(chǔ)，將孔隙空間中心位置體素相連接所形成的三維骨架。該算法無(wú)法描述孔隙空間的形狀等幾何特征，但可以反映孔隙的分布情況和連通狀況、喉道長(zhǎng)度及孔喉半徑等信息，并且具有抗噪能力強(qiáng)、運(yùn)行速度快的優(yōu)點(diǎn)，產(chǎn)生的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能較好代表巖心的延展性。

圖3 致密砂巖孔喉網(wǎng)絡(luò)提取流程示意圖[48]Fig.3 Extraction process of pore and throat network in tight sandstone formation[48]

2.4 孔喉連通性表征

孔喉連通性是研究孔喉結(jié)構(gòu)的重要部分，它是衡量其潛在滲透率和采收率的一項(xiàng)重要指標(biāo)。目前，主要通過(guò)配位數(shù)、網(wǎng)絡(luò)連通熵和比歐拉示性數(shù)來(lái)定量表征孔喉連通性。

配位數(shù)是指每個(gè)孔隙所連通的喉道個(gè)數(shù)，常用CT掃描技術(shù)、FIB-SEM等技術(shù)獲取巖心的孔喉結(jié)構(gòu)三維圖像信息，根據(jù)灰度值范圍的選取，基于儲(chǔ)層巖心的孔隙度獲取最佳閾值，通過(guò)Data Viewer等圖像處理軟件，對(duì)巖心孔隙配位數(shù)進(jìn)行逐個(gè)統(tǒng)計(jì)。通過(guò)建立不同配位數(shù)的孔喉網(wǎng)絡(luò)模型，并進(jìn)行模擬流動(dòng)實(shí)驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn)，毛管半徑和孔隙度不變，滲流能力隨配位數(shù)的增加而提高[49]。然而，由于配位數(shù)只能有效地評(píng)估單個(gè)孔隙的連通能力，故只能在一定程度上反映連通性和滲流效果。

熵用來(lái)描述和研究自然界中廣泛存在的運(yùn)動(dòng)形式轉(zhuǎn)化的不可逆性，是系統(tǒng)混亂度的量度，被廣泛應(yīng)用于社會(huì)科學(xué)、控制理論、數(shù)論和概率論中[50]。在石油地質(zhì)學(xué)中，由于孔隙網(wǎng)絡(luò)空間為無(wú)標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)，各孔隙節(jié)點(diǎn)的配位數(shù)分布頻率呈現(xiàn)冪律分布，故可利用網(wǎng)絡(luò)連通熵E表征復(fù)雜孔隙網(wǎng)絡(luò)空間的連通性與異質(zhì)性[51]。熵的計(jì)算方法為，其中，為網(wǎng)絡(luò)空間中任意一節(jié)點(diǎn)，N為節(jié)點(diǎn)總數(shù)，di為節(jié)點(diǎn)配位數(shù)。，為連通穩(wěn)定熵，連通穩(wěn)定熵的值在0至1之間，R值越大，則空間的連通穩(wěn)定性越強(qiáng)。

在拓?fù)鋵W(xué)中，比歐拉示性數(shù)可表征圖形的連通性。利用圖4所示簡(jiǎn)潔的比歐拉示性分布曲線，即可包含復(fù)雜二、三維復(fù)雜多孔介質(zhì)的連通性信息。圖4列示的三塊巖心，比歐拉示性數(shù)隨著孔喉半徑的不斷增大，達(dá)最高值后開(kāi)始逐步下降，最終趨近于零。巖心B261、Z362、L132的比歐拉示性數(shù)變化范圍變小，達(dá)到最高點(diǎn)后下降趨勢(shì)變緩，說(shuō)明隨著孔喉半徑的增大，巖心孔隙連通性變化逐步變小，微觀孔喉結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性變?nèi)?。B261號(hào)巖心比歐拉示性數(shù)變化范圍大，達(dá)到最高點(diǎn)后下降很快，表明微觀孔喉結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性較強(qiáng)，物性較差[42]。圖5為三塊樣品經(jīng)CT掃描后的三維孔喉拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，相比Z362號(hào)巖心，L132號(hào)巖心孔隙配位數(shù)整體偏低，孤立孔喉發(fā)育較多，連通性較差，但孔喉整體較為粗大，滲透率較高；B261號(hào)巖心配位數(shù)整體偏大、喉道數(shù)量較多，但整體孔喉較為細(xì)小，且多發(fā)育簇狀孤立孔喉，滲透率較低[52]。整體來(lái)看，連通性分布曲線與三維孔喉拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖對(duì)應(yīng)較好，連通性分布曲線峰值越高，巖石整體配位數(shù)越大，連通性越好；連通性分布曲線越靠右，臨界比歐拉示性數(shù)越大，連通的孔喉半徑越大。

圖4 鄂爾多斯盆地長(zhǎng)7段致密砂巖儲(chǔ)層比歐拉示性數(shù)曲線(改自文獻(xiàn)[52-53])Fig.4 Specific Euler curves of Chang 7 member in tight sandstone formation, Ordos Basin (Revised from [52-53])

圖5 鄂爾多斯盆地陜北地區(qū)長(zhǎng)7段致密砂巖油儲(chǔ)層孔喉網(wǎng)絡(luò)模型[53]Fig.5 Pore and throat network model of Chang 7 member in tight sandstone formation, Ordos Basin[53]

3 研究展望

隨著致密砂巖儲(chǔ)層大規(guī)模開(kāi)發(fā)的持續(xù)推進(jìn)，孔喉結(jié)構(gòu)對(duì)油氣水滲流和油氣藏開(kāi)發(fā)效果的影響日益引起關(guān)注，并呈現(xiàn)出以下兩方面的研究趨勢(shì)：① 基于油氣藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中流體壓力的持續(xù)降低，關(guān)注細(xì)小復(fù)雜孔喉系統(tǒng)的逐漸收縮，研究孔喉結(jié)構(gòu)依賴流體壓力的動(dòng)態(tài)變化；② 基于孔喉結(jié)構(gòu)對(duì)致密儲(chǔ)層滲流能力及油氣動(dòng)用的控制作用，關(guān)注可動(dòng)喉道半徑的變化規(guī)律，研究降低可動(dòng)喉道下限的提高采收率方法。

3.1 孔喉結(jié)構(gòu)的變化特征

致密砂巖孔喉結(jié)構(gòu)的變化是伴隨油氣開(kāi)發(fā)和孔喉系統(tǒng)壓力降低的必然結(jié)果，勢(shì)必顯著影響流體滲流特征與儲(chǔ)層開(kāi)發(fā)效果。

滲透率應(yīng)力敏感性的本質(zhì)是孔喉結(jié)構(gòu)的變化和喉道的形變，尤其是致密儲(chǔ)層中的孔喉形變影響更為顯著[54-55]。2018年，提出了致密砂巖動(dòng)態(tài)孔喉結(jié)構(gòu)的概念，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段評(píng)價(jià)了致密砂巖油氣藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中孔喉結(jié)構(gòu)的變化特征[2,56]。圖6a為蘇東致密砂巖氣藏不同有效應(yīng)力下的喉道分布曲線，圖6b為不同孔喉結(jié)構(gòu)巖心在不同有效應(yīng)力下的滲透率變化曲線。隨著孔隙壓力降低和有效應(yīng)力增加，最大喉道半徑減小到0.9420 μm，微喉道孔隙度占比由94.47%增加到96.51%，中喉道孔隙度降低0.84%，滲透率損失89.29%；巖石滲透率初始損失較大，隨后變化較為平緩；初始滲透率越低，隨著有效應(yīng)力的增加，滲透率損失越大[57]。圖6c、圖6d分別為鄂爾多斯盆地長(zhǎng)7致密油藏水驅(qū)前后的孔隙與喉道分布曲線，可以看出，驅(qū)替實(shí)驗(yàn)后孔隙尺寸分布幾乎沒(méi)有變化，但大喉道分布頻率減少，而相應(yīng)的小喉道分布頻率有所增加，整體上喉道尺寸收縮[2]。

圖6 孔喉結(jié)構(gòu)變化特征及對(duì)物性的影響[2,56]Fig.6 The variation characteristics of pore-throat structure and its influence on reservoir properties[2,56]

目前，主要通過(guò)改變巖心圍壓進(jìn)行滲透率敏感性實(shí)驗(yàn)來(lái)開(kāi)展應(yīng)力變化的影響研究。研究結(jié)果表明，骨架礦物、填隙物成分是影響應(yīng)力敏感性的重要因素[58]。對(duì)于致密砂巖巖石骨架，應(yīng)力敏感性主要體現(xiàn)在骨架不同礦物成分的力學(xué)穩(wěn)定性，石英和長(zhǎng)石顆粒含量越大，力學(xué)性質(zhì)越穩(wěn)定，應(yīng)力敏感性越弱；隨著巖屑含量(尤其是片巖、千枚巖和板巖等變質(zhì)巖屑含量)的增加，力學(xué)穩(wěn)定性變差，應(yīng)力敏感性增強(qiáng)。對(duì)于填隙物，其組合類(lèi)型及產(chǎn)狀是影響應(yīng)力敏感性的重要因素。相比伊利石，高嶺石及硅質(zhì)含量越高，應(yīng)力敏感性越弱。綠泥石會(huì)以襯邊狀或包殼狀垂直于壁面發(fā)育，增強(qiáng)力學(xué)穩(wěn)定性，應(yīng)力敏感性較弱[59]。

后續(xù)的研究，應(yīng)著重于孔喉系統(tǒng)微觀變化的定量表征?？稍诶^續(xù)完善開(kāi)發(fā)過(guò)程中致密砂巖儲(chǔ)層孔喉結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化機(jī)制的基礎(chǔ)上，模擬不同礦物及粒度組成的巖石骨架在應(yīng)力變化下的微觀形變規(guī)律。其中，巖石礦物、粒度及骨架拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以利用微—納米CT掃描及數(shù)字巖心技術(shù)識(shí)別并構(gòu)建；致密巖心骨架微形變模式及規(guī)律可以通過(guò)開(kāi)展相應(yīng)的微觀力學(xué)性質(zhì)、巖石宏觀力學(xué)性質(zhì)分析實(shí)驗(yàn)及彈塑性形變理論實(shí)現(xiàn)；最后，結(jié)合有限單元法，在獲取三維巖石骨架系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，建立巖石骨架微形變數(shù)值模型，模擬巖石骨架在應(yīng)力變化下的應(yīng)力場(chǎng)及位移場(chǎng)等，以獲取三維孔喉結(jié)構(gòu)變化特征[60-62]。在耦合滲流方面，可基于建立的動(dòng)態(tài)數(shù)字孔喉系統(tǒng)，結(jié)合格子玻爾茲曼SC-LBGK模型中的D3Q19網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，基于流體平衡態(tài)矢量分布數(shù)值模型函數(shù)、離散速度和權(quán)重系數(shù)值配置，開(kāi)展流動(dòng)仿真模擬，建立依賴孔喉系統(tǒng)流體壓力變化流固耦合模型[63]。進(jìn)而，形成系統(tǒng)化的四維三相滲流數(shù)值模型，為動(dòng)態(tài)孔喉結(jié)構(gòu)及相應(yīng)滲流理論研究奠定理論基礎(chǔ)，對(duì)于完善致密砂巖儲(chǔ)層的評(píng)價(jià)與開(kāi)發(fā)理論將有重要意義。

3.2 降低可動(dòng)喉道半徑的提高采收率方法

致密砂巖儲(chǔ)層開(kāi)發(fā)的難點(diǎn)在于細(xì)小喉道及其所連通的孔隙難以有效動(dòng)用，降低可動(dòng)喉道半徑是致密油氣提高采收率的必經(jīng)之路?？蓜?dòng)喉道半徑定義為在以水、表面活性劑、泡沫、CO2、空氣等為驅(qū)替介質(zhì)的條件下，流體能夠克服毛管力流動(dòng)的最小喉道半徑[64]。在致密砂巖儲(chǔ)層復(fù)雜細(xì)小的孔喉系統(tǒng)中，可通過(guò)降低流體的界面張力或潤(rùn)濕性調(diào)節(jié)降低可動(dòng)喉道半徑。

圖7a對(duì)比了鄂爾多斯盆地長(zhǎng)7層由水驅(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)楸砻婊钚詣﹦?qū)時(shí)，原油與驅(qū)替劑間的界面張力由29.4 mN/m降低為5.56×10-2mN/m，可動(dòng)喉道半徑相應(yīng)由33.0 nm降為19.0 nm，連通的孔隙體積由75.40%上升為84.03%，具有較好的提高采收率潛力。相似的，相對(duì)于氮?dú)怛?qū)，由于空氣中的氧與原油發(fā)生氧化反應(yīng)導(dǎo)致的油氣間界面張力的下降，可動(dòng)喉道半徑相應(yīng)由35.2 nm降為15.9 nm，連通的孔隙體積由69.58%上升為79.83%(圖7b)。同時(shí)，致密氣藏中，防水鎖劑的注入也是通過(guò)降低氣水界面張力和毛管力，緩解氣井井筒周?chē)鷩?yán)重的水鎖現(xiàn)象。

圖7 不同驅(qū)替介質(zhì)下喉道半徑動(dòng)用下限[56,65]Fig.7 The cutoff values of movable throat radius with different displacement agents[56,65]

圖8為鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組某段致密砂巖滲吸效果曲線。圖8a、b為不同界面張力下自發(fā)滲吸及動(dòng)態(tài)滲吸對(duì)滲吸采收率的影響。對(duì)于自發(fā)滲吸，隨著界面張力的增大，采收率先增加再減小，當(dāng)界面張力為8.45 mN/m時(shí)，滲吸采收率達(dá)到37.89%的最高值，提高了10.8%；對(duì)于動(dòng)態(tài)滲吸，界面張力對(duì)大孔隙滲吸采收率影響顯著，在2.25 mN/m時(shí)采收率達(dá)到27.83%的最大值。從不同類(lèi)型滲吸作用對(duì)采油效果影響T2分布圖(圖8c)可以看出，自發(fā)滲吸對(duì)微孔的換油效果較好，動(dòng)態(tài)滲吸及表面活性劑主要影響中孔和大孔的采收率。實(shí)驗(yàn)表明，在自發(fā)滲吸和動(dòng)態(tài)滲吸的綜合作用下，實(shí)驗(yàn)采收率可達(dá)到47.18%。

圖8 致密砂巖滲吸作用對(duì)采收率的影響[67]Fig.8 Influence of imbibition on recovery in tight sandstone cores[67]

目前，在實(shí)驗(yàn)室條件下，采用水驅(qū)、表面活性劑驅(qū)、氮?dú)怛?qū)、空氣驅(qū)及滲吸作用等手段已將致密砂巖油儲(chǔ)層巖心尺度的采收率提高到50%左右。然而，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)效果并不理想，采收率僅為2%～8%[66]。今后工作重點(diǎn)一方面繼續(xù)開(kāi)展致密油藏提高采收率基礎(chǔ)科學(xué)研究，深化邊界層相關(guān)的參數(shù)如范德華力、靜電力、空間位形力以及與流體相關(guān)的表面張力、黏性力等相關(guān)的諸多微觀作用力對(duì)邊界層的影響機(jī)制研究；另一方面，需將實(shí)驗(yàn)室內(nèi)研究成果推廣到實(shí)際油藏中，提升驅(qū)替介質(zhì)在儲(chǔ)層中的擴(kuò)散、對(duì)流及儲(chǔ)層改造的工藝技術(shù)研究，形成完善的提高采收率設(shè)計(jì)方案。

4 結(jié)論

(1)致密砂巖儲(chǔ)層孔喉結(jié)構(gòu)主要有圖像型和反演型2類(lèi)10余種識(shí)別技術(shù)，具有不同的識(shí)別效果。圖像型技術(shù)可以通過(guò)二、三維圖像對(duì)致密砂巖孔喉結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)刻畫(huà)，未來(lái)需解決高分辨率與視域范圍受限的矛盾；反演型技術(shù)可以通過(guò)間接數(shù)值測(cè)定對(duì)致密砂巖孔喉結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量分析，應(yīng)注重協(xié)同利用多種測(cè)試技術(shù)實(shí)現(xiàn)全尺度孔隙及喉道定量表征。

(2)致密砂巖儲(chǔ)層孔喉結(jié)構(gòu)特征主要包括孔喉大小分布、孔喉拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、孔喉結(jié)構(gòu)分形特征和連通性。目前常采用高壓與恒速壓汞、核磁共振等實(shí)驗(yàn)手段確定孔喉的大小分布，通過(guò)微納米CT掃描、聚集離子束—掃描電鏡等手段結(jié)合最大球算法和居中軸線法提取孔喉網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；分形維數(shù)主要采用P-A模型和N-S模型將微觀孔喉結(jié)構(gòu)與宏觀巖石物性參數(shù)聯(lián)系起來(lái)，能有效表征孔喉結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度和非均質(zhì)性；連通性通常表征為配位數(shù)、熵及比歐拉示性數(shù)。

(3)隨著致密砂巖儲(chǔ)層開(kāi)發(fā)過(guò)程中孔隙壓力降低，孔喉結(jié)構(gòu)變化表現(xiàn)為較強(qiáng)的應(yīng)力敏感性。現(xiàn)已通過(guò)測(cè)試動(dòng)態(tài)孔隙度、動(dòng)態(tài)滲透率及動(dòng)態(tài)變化的T2譜，初步定量表征了孔喉結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。由于不同礦物及粒度組成的巖石骨架力學(xué)穩(wěn)定性不同，未來(lái)可結(jié)合X-CT測(cè)試技術(shù)、有限元等方法建立孔喉結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特征的數(shù)值模型。

(4)致密砂巖儲(chǔ)層大量存在的小喉道及其所連通的孔隙難以動(dòng)用是提高致密儲(chǔ)層采收率的瓶頸?，F(xiàn)已基于調(diào)節(jié)流體界面張力、改善潤(rùn)濕性及提高流度等原理開(kāi)展了表面活性劑驅(qū)、CO2驅(qū)、空氣驅(qū)及滲吸作用等室內(nèi)研究，有效降低了可動(dòng)喉道半徑下限。今后重點(diǎn)加強(qiáng)室內(nèi)理論研究成果的技術(shù)性轉(zhuǎn)化與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)致密儲(chǔ)層實(shí)際開(kāi)發(fā)過(guò)程中的可動(dòng)喉道半徑的降低。