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国外 致密 油储层 微观 孔隙 结构 研究 及其 鄂尔多斯 盆地
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石油科技论坛 · 2013 年第 1 期技术创新国外致密油储层微观孔隙结构研究及其对鄂尔多斯盆地的启示 *摘   要 : 致密油储层微观孔隙结构是致密油储层研究的重点和难点, 也是制约致密油勘探、 开发的关键问题, 主要表现在 : 致密油储层微观孔隙结构表征难、 分类评价难、 预测难, 并且孔隙结构与油气赋存和渗流的关系复杂等。 国外在致密油储层微观孔隙结构研究方面取得了一些进展 : 发现了纳米孔喉储集类型并研究了其成因 ; 逐级深入, 形成了微观尺度分析测试系列方法 ; 发展了数字岩心技术 ; 定量分析了矿物成分及其在微观渗流中的作用 ; 有效识别和表征了微裂缝 ; 对比分析了储层中各类孔隙及流体分子的尺度。 根据国外的经验, 探讨了鄂尔多斯盆地致密油储层微观孔隙结构研究的思路和方法, 指出要在致密油储层微观孔隙结构测试手段上有所突破 ; 要证实致密油储层中纳米级孔隙的存在与否及其贡献 ; 要揭示致密油储层中孔隙和喉道的配置关系 ; 要认识致密油储层中微裂缝发育及分布规律 ; 要探讨致密油储层改造及储层保护的手段。关键词 : 鄂尔多斯盆地 致密油 孔隙结构 纳米孔隙 数字岩心 1 , 2  牛小兵 1 , 2  辛红刚 1 , 2  冯胜斌 1 , 2  宋 娟 1 , 2  毛振华 1 , 2  张丹丹 1 , 基金项目 : 中国石油天然气股份有限公司重大科技专项 “鄂尔多斯盆地致密油勘探开发关键技术研究” (编号 : 2011第一作者简介 : 尤源, 1982 年生, 工程师, 2010年毕业于中国石油大学 (北京) 油气田开发工程专业, 获博士学位, 主要从事低渗透油田开发及储层评价工作。 非常规油气资源越来越受到重视 [1, 2]。 致密油是非常规油气资源中比较现实的部分, 也是未来油气增储上产的重要接替资源。因此, 致密油的研究和开发近年来受到广泛关注 [3, 4]。致密油的储层特征, 尤其是微观孔隙结构与常规低渗透储层有显著的差异, 给勘探和开发工作带来了一系列难题。 致密油储层微观孔隙结构特征与油气赋存规律、 成藏模式、 渗流机理、 储层保护等关系密切 [4]。 因此, 开展致密油储层微观孔隙结构特征研究, 对于发现有利勘探目标, 有效开展储层评价, 实施储层改造及储层保护, 实现致密油有效动用具有重大意义。国外在致密油储层微观孔隙结构研究方面起步较早, 做了大量研究工作, 研发了多种微观测试技术和方法, 获得了诸多发现, 并形成了新的理论体系。 这些成果有效助推了致密油的勘探开发, 目前已经成功开发了 5~ 7]多个致密油气藏。国内致密油资源丰富, 但相关研究才刚刚起步,在其储层微观孔隙结构研究方面目前仍沿用常规的测试手段和方法, 对于先进的测试技术方法仅处于探索之中, 难以满足致密油研究的需要 [8]。 因此, 借鉴国外的研究思路和技术方法, 筛选适合我国致密油研究的技术系列和攻关方向是十分必要的。1 致密油储层的基本特征及孔隙结构研究的难点致密油是指以吸附或游离状态赋存于富有机质且渗透率极低的暗色页岩、 泥质粉砂岩和砂岩夹层系统中的自生自储、 连续分布的石油聚集 [9]。 致密油储层在矿物组分、 成岩演化、 储层微观孔隙结构等方面都具有明显不同于常规储层及一般低渗透储层的特殊性。 这些特殊性影响储层的储集性能及流体在其中的分布和运移状态。122013 年第 1 期 · 石油科技论坛尤 源 等 : 国外致密油储层微观孔隙结构研究及其对鄂尔多斯盆地的启示以我国鄂尔多斯盆地致密油为例, 其储层有如下基本特征 :( 1) 碎屑粒度细, 泥质含量高。鄂尔多斯盆地致密油储层主要为深湖和半深湖重力流沉积砂体 [10]。 统计表明, 盆地内长 7 致密油储层中砂含量仅为 细砂比例高达 泥含量达到 沉积因素决定了构成致密油储层的原生储集空间较小。( 2) 填隙物总量高, 主要为伊利石等黏土矿物。鄂尔多斯盆地长 7 其中以伊利石和铁白云石为主, 类型多样, 成因复杂。 伊利石等黏土矿物的广泛存在, 一方面充填了原生孔隙并使储层胶结致密, 另一方面黏土矿物及其中的有机质中发育大量微孔隙, 也提供了一定的储集空间。 这些黏土矿物对储层改造及注水开发影响较大。( 3) 储层物性差, 具有相对高孔低渗特征。统计数据表明, 盆地内长 7 层致密油储层平均孔隙度为 平均渗透率为 致密油储层平均孔隙度与一般低渗透储层差距不大, 而渗透率则差距很大。 这主要是由于致密油储层喉道细小, 喉道控制着储层的渗流能力。( 4) 孔喉结构复杂, 孔喉中值半径小, 排驱压力大。压汞测试结果表明, 盆地内长 7 致密油储层喉道中值半径为 排驱压力达到 光共聚焦测试表明, 致密油储层孔隙具有一定网络连通性, 核磁共振测试表明致密油储层中的流体具有可动性 (图 1)。图 1 盆地长 7 致密油储层激光共聚焦及核磁共振测试结果综合以上分析可以看出, 致密油储层比较特殊,微观孔隙结构研究既是关键也是难点。 难点主要表现在以下几个方面 :( 1) 微观孔隙结构表征难。致密油赋存于页岩、 泥质粉砂岩等致密的非常规储集空间中, 这些储集空间中存在各类微孔隙, 构成致密油储层的主要储集空间类型。 这些微孔隙的微观形态、 连通性等都影响油气在其中的分布和赋存状态。 要明确致密油储层微观孔隙结构需要深入微观尺度开展研究, 研发高精度、 微尺度测试技术, 建立定量表征参数, 描述和评价微孔隙。 此外, 喉道是控制渗流的关键, 在研究过程中需要特别关注喉道的作用, 难度比较大。( 2) 孔隙结构分类评价难。致密油储层中孔隙类型多样, 具有常规的粒间孔、晶间孔、 溶蚀微孔, 也有黏土矿物及有机质中的纳米孔。 不同的孔隙类型及特征对于储层的储、 渗性能影响很大。 因此, 在储层评价中, 需要对孔隙分类, 明确致密油储层孔隙类型及主要孔隙所占的比重。 影响孔隙结构的因素很多, 孔隙结构分类和评价需要有效的评价参数, 充分反映致密油储层的基本特征, 并能区分出致密油储层的差异。 此外, 考虑致密油储层中流体的渗流特征, 还需要确定参与渗流的孔隙结构参数界限。( 3) 孔隙结构对油气赋存及渗流的影响规律复杂。致密油储层近源, 油气充注过程中, 储层微观孔隙结构特征对充注效果影响较大。 孔喉细小, 毛细管力强, 油气聚集和运移的主导力发生变化, 油、 气、 水分布规律与常规储层有较大差异。 孔喉结构决定不同13石油科技论坛 · 2013 年第 1 期技术创新孔隙之间的沟通状态和配置关系, 进而影响流体传质机制和成藏后油气调整。 致密油储层中流体可动性与孔隙结构关系密切。 研究、 表征致密油储层中流体的可动性, 需要有效的技术方法, 并确定可动流体的孔喉下限。 可见, 油气赋存状态、 渗流规律及驱动机制与储层微观孔隙结构特征密切相关, 它们影响油气生产规律和最终开发的可行性。( 4) 微观孔隙结构预测难。储层预测对于寻找有利勘探目标、 确定部署方向至关重要。 其中, 微观孔隙结构的预测非常重要, 但难度较大。 需要建立孔隙结构特征与沉积、 成岩和成藏模式间的关系。 反过来, 致密油储层微观孔隙结构特征对于定量评价致密油储层的成岩作用、 恢复孔隙演化历史、 建立成藏模式也具有重要意义。 因此, 微观孔隙结构的准确表征及科学预测对于确定有利区分布、 快速发现勘探目标意义重大。综合以上分析, 开展致密油储层微观孔隙结构研究, 需要采用不同于常规储层研究的新思路和新的技术手段, 获取真实、 准确、 科学的规律认识, 指导致密油的勘探和开发。2 国外致密油储层微观孔隙结构研究进展国外较早注意到致密油储层微观孔隙结构的特殊性和重要性, 做了大量有益的研究尝试。 开发了精度高、 直观而形象的测试、 表征方法 ; 深入微细尺度开展研究, 从不同视角观察及定量评价致密油储层的微观孔隙结构 ; 利用理论模型开展了致密油储层中流体的渗流规律研究等, 取得了诸多新认识。 这些新认识有效地指导了人们认识致密油储层, 探索致密油储层中油气开发的有效方法。2 . 1  发现了纳米孔喉储集类型并研究了其成因由于页岩油气的开发引起了人们对页岩孔隙结构的浓厚兴趣, 很多人致力于这方面的研究。 . 1]在研究中发现, 在 岩中大量分布着纳米级的孔隙 (图 2)。 他们在研究中使用了场发射扫描电镜观察微孔隙, 通过 氩离子抛光技术) 在平整矿物表面聚焦成像。 在研究中观察到了如下 3 种主要的孔隙类型 :( 1) 晶内孔。 这些晶内孔大多数存在于有机物颗粒中, 具有不规则的形状特征, 尺度在 ( 5~ 750) × 10平均在 100× 10采用扫描电镜图像计数统计方法得到有机质颗粒中的纳米孔隙度达到 ( 2) 粒间孔。 有机质颗粒内的粒间孔及有机质颗粒间的粒间孔, 一般发育在平行层状及小束状富有机质的薄层中。( 3) 纳米孔隙。 在细粒的基质部位发现有纳米孔隙, 也在黄铁矿团粒中发现有微米到纳米级晶间孔, 但这种孔隙不多见。 研究认为, 这些有机质中的纳米孔隙是 岩中的主要孔隙类型, 且大部分纳米孔隙和有机质颗粒有关。 研究还表明, 在有机质中发育的大量纳米孔隙与有机质的热成熟度直接相关, 并认为大部分纳米孔隙形成于生烃过程中有机质的热压缩。页岩中流体的流动主要通过有机质层构成的渗透层。级深入微观测试尺度以往孔隙结构研究常用的测试方法, 如薄片鉴定, 分析尺度一般在毫米级别 ; 通过常规的扫描电镜技术和普通的 描可以实现微米级别的微观孔隙结构特征的分析。 扫描电镜侧重表面形态的观察, 而描可以深入到样品内部, 在不破坏样品的前提下实现内部孔隙结构特征的观察和定量描述。 在 描图 2 美国 岩中的纳米孔隙 (引自 2009)(a) 硅化化石碎片, 包含大量粒内微孔 ; (b) 黄铁矿球粒包含晶间微米孔和纳米孔 ; (c) 无机颗粒周边环绕的纳米孔 ; (d) 无机基质中的纳米孔( a) ( b)( c) ( d)颗粒10µm 1µ00第 1 期 · 石油科技论坛过程中, 通过对样品进行切片扫描和空间三维图像反演, 得到样品在三维空间中的孔隙结构特征。 随着测试技术的进步, 观察的尺度逐级深入到纳米尺度空间。 通过特殊的制样技术和扫描电镜相结合, 可以观察到纳米级别的孔隙微观特征, 如 2](离子束聚焦—扫描电镜)。 通过高精度的 13, 14]也可以实现纳米级别的微观孔隙观察和测试。 建立不同尺度的微观测试方法, 使人们根据研究对象和目的选用合适的测试技术, 实现微观级别的观察和描述, 从而获得全新的认识。展了数字岩心技术数字岩心技术是基于现代微观测试技术及计算机模拟技术的进步, 通过不同的微观测试手段, 获取真实致密油储层的孔隙结构和颗粒构型 [15]。 通过计算机模拟技术, 在三维空间建立代表孔隙结构的数据体,并通过三维影像技术将这种数据体展示出来, 获得直观的孔隙微观模型影像。 这些微观测试手段包括 : 高倍光学显微镜、 扫描电镜和纳米 16, 17]。 此外,建立的数字岩心模型可以结合微尺度的 N — S 方程及孔隙渗流模型构建数字孔隙网络模型 (图 3)。 应用建立的孔隙网络模型, 对储层进行孔隙建模、 物性表征,并开展单相和多相渗流研究。 在国外, 数字岩心已经发展成为一种非常实用的微观孔隙结构和渗流研究工具。 在致密油藏和致密气藏的研究中已经被普遍采用, 对致密油气藏的有效开发提供了有益的指导。析了矿物成分及其在微观渗流中的作用将扫描电镜和 X 射线能谱分析相结合, 可以分析矿物成分及矿物在孔隙网络中的分布特征, 从而探讨各种矿物对渗流路径的贡献。 这种技术主要基于使用 “自动矿物及岩石分析系统” ( [18]来定量分析原位矿物。 该技术包括一个集成了多光源 X 射线元素检测仪、 脉冲处理技术的扫描电镜 ( 背散射电子 ( 能量散射 ( X 射线谱产生数字矿物结构图, 在岩心表面进行扫描, 获得矿物的定量分析结果。 通过矿物的化学组成可以精确地确定出矿物的种类。 在扫描过程中, 样品被切割成许多小区域, 每个小的区域独自检测, 然后拼接起来形成扫描区域的矿物分布图 (图 4)。在分析每个区域时, 应用电光源, 在定义的分辨率条件下进行矿物分布图的扫描, 并可以计算矿物, 估算微孔隙度。 通过这项技术可以研究各类矿物对微观孔隙结构的影响及其在渗流路径中的作用。别和表征微裂缝致密储层中微裂缝广泛发育, 这些微裂缝对于储层中流体的渗流起着关键作用。 因此, 准确地表征微裂缝, 考察微裂缝对于储层物性的影响显得十分重要。 国外可以通过微米 别岩心中的微裂缝 [19]建立三维模型, 表征裂缝特征, 并通过模型计算储层基质和裂缝的物性参数 (图 5)。 在不损坏岩心的基础上获得微裂缝的发育状况, 在岩心剖面上建立微裂缝的分布规律, 并预测这些微裂缝对储层特征的影响。比储层中各类孔隙及流体分子尺度随着致密砂岩油气及页岩油气的勘探和开发, 石油地质学家和工程师们越来越关注致密储层中的流体储存和流动。 在这种致密储层中, 浮力已经不是油气分布的主要控制力。 生产实践中致密储层里油气生产的增加, 使得以往被认为是非储层的致密砂岩及页岩图 3 数字岩心技术建立的孔隙网络模型(引自姚军、 赵秀才, 2010 )图 4 致密砂岩矿物分布图(引自 , 2010 )尤 源 等 : 国外致密油储层微观孔隙结构研究及其对鄂尔多斯盆地的启示15石油科技论坛 · 2013 年第 1 期技术创新图 5 致密砂岩中的微裂缝及物性预测图(引自 , 2010 )开始受到关注, 储层和非储层的界限越来越模糊。. 人 [20]统计对比了常规储层、 致密砂岩储层和页岩中孔隙尺度的分布特征。 利用以往公开发表的数据建立了各类储层及非储层中微观孔喉尺度分布图 (图 6)。通过对比研究得出, 储层中的孔隙尺度从微米级别到纳米级别连续分布。 孔喉尺寸的分布范围大概是 : 常规储层中的孔喉一般大于 2µm, 在致密砂岩气储层中孔喉尺度大概为 2µm; 在页岩中孔喉尺度大概为 这些孔喉尺度的连续分布对于预测和研究石油在致密岩石中的赋存状态, 揭示细粒页岩中流体的流动有重要的理论意义。 通过图 6 还可以看出来, 烃类分子尺度远小于致密砂岩及页岩中的孔隙尺度, 在致密储层中油气赋存及流动都具有可能性, 这就为致密油的有效开发提供了科学依据。3 获得的启示及今后的研究思路通过以上介绍可知, 微观孔隙结构是致密油储层的核心特征, 是分析致密油赋存状态、 成藏机理、 渗流特征的基础, 也是全面评价、 预测致密油分布的理论依据。 深入研究致密油储层微观孔隙结构是全面了解致密油储层特征的关键, 也是致密油有效动用的前提。 根据鄂尔多斯盆地致密油储层的实际情况, 并参照国外的研究认识, 认为今后应着重从以下几方面对致密油储层微观孔隙结构进行研究。在致密油储层微观孔隙结构测试手段上有所突破要应用高精度的微观测试新技术, 如纳米 场发射扫描电镜、 核磁共振、 激光共聚焦、 能谱分析等技术开展研究。 只有通过这些测试手段, 才能获得细致的微观孔隙结构信息, 然后尝试建立相应的表征参数, 科学、 准确地反映致密油储层的微观孔隙结构特征。 同时, 注意根据研究目的组合各类测试技术, 实现测试结果的关联解释及相互支撑。 在研究中也要注意将常规测试同特殊测试技术结合, 建立二者的联系, 扩展特殊测试技术获得的认识成果。证实致密油储层中纳米级孔隙的存在与否及其贡献详细研究致密油储层中的孔隙类型, 尤其关注纳米级孔隙。 鄂尔多斯盆地致密油储层中存在大量的微孔隙, 已有研究发现了纳米孔隙的存在, 但是纳米级孔隙在致密油储层各类孔隙中所占的份额, 与其他各类孔隙之间的关系及其发挥的作用并未得到全面认识。 此外, 纳米级孔隙的形态、 成因和分布范围有待详细开展研究。 比较可行的方法是通过粒子束抛光处理结合场发射扫描电镜开展研究, 发现鄂尔多斯盆地致密油储层中的纳米级孔隙, 展示其形态, 探讨成因。了解纳米级孔隙中油气的赋存状态、 充注机制, 将有利于理解致密油的成藏机理, 预测致密油发育的有利地区, 探讨致密油开发的有效方法。揭示致密油储层中孔隙和喉道的配置关系前期研究表明, 致密油储层中喉道细小, 是控制162013 年第 1 期 · 石油科技论坛图 6 各种岩石粒度、 孔喉尺寸及分子尺寸分布图 (引自 2009)渗流的关键因素。 致密油储层具有高孔低渗的特征,储存的油气受渗流能力限制不能有效开采, 给开发带来了一系列问题。 因此, 在研究中精细描述和深入分析孔隙和喉道, 尤其是喉道的作用, 开展定量研究, 获取准确的表征参数, 从而全面揭示致密油储层微孔隙网络及喉道的作用。 恒速压汞技术是可行的技术方法,但是受测试压力限制及测试喉道平均结果的影响, 对探讨和直观了解孔隙网络仍然效果有限。 在这种情况下, 借鉴国外纳米 描、 粒子束聚焦—扫描电镜等分析方法及在此基础上建立的数字岩心模型是一个可行且潜力巨大的方法。 此外, 通过数字岩心模型, 对全面认识孔隙网络特征、 掌握对渗流的控制条件、 认识微小空间中流体的渗流规律都有重要的意义。认识致密油储层中微裂缝发育及分布规律显然, 微裂缝在致密油储层中扮演着重要的角色。 微裂缝的发育特征、 分布范围、 形成机制及对流体渗流的影响需要准确地评估。 定量描述致密油储层中裂缝的分布和开启状态对于认识致密油储层中流体的流通情况具有重要意义。 在这方面探索运用 描技术定量展示和反映微裂缝具有很大优势。 目前, 微米 经能够很好地识别微裂缝, 并在空间三维上展示和描述微裂缝的发育状况、 分布特征。 探索在实际的地应力条件下微裂缝的开启状态对渗流的贡献也是十分重要的。探讨致密油储层改造及储层保护的手段自然条件下, 致密油储层不具备工业开采能力,采用适当的储层改造措施是有效动用的途径。 在鄂尔多斯盆地采用大型水力压裂可以实现缝网的连通, 从而创造有利的流通条件, 动用致密储层中的油气。 在储层改造过程中, 准确地认识储层微观孔隙结构特征是筛选储层改造方式、 优选改造参数的必要条件。 另外, 由于致密油的特殊孔隙结构及微小喉道的制约作用, 在钻探及开发过程中始终要做好储层保护工作。有效开展储层保护, 需要全面了解致密油储层孔隙喉道配置关系。 总之, 在储层改造中更好地创造条件, 沟通主要的储集空间, 最大限度地增加储层的连通程度, 并在改造措施过程中不至于破坏储层、 影响储层是重要的技术问题。 这些技术的突破都有待于对致密储层的微观孔隙结构深入的认识。4 结论( 1) 微观孔隙结构特征是致密油储层研究的重要内容, 深入研究储层微观孔隙结构特征对全面认识致尤 源 等 : 国外致密油储层微观孔隙结构研究及其对鄂尔多斯盆地的启示17石油科技论坛 · 2013 年第 1 期技术创新密油并准确预测、 有效开发具有重要意义。( 2) 国外在致密油储层微观孔隙结构研究方面应用了纳米 场发射扫描电镜、 原位矿物分析等新的测试手段, 在纳米级孔隙描述、 微观尺度测试、 数字岩心分析、 矿物成分及作用定量描述等方面取得较大进展。( 3) 鄂尔多斯盆地致密油储层具有碎屑粒度细、填隙物含量高、 储层物性较差、 微孔隙发育、 孔喉结构复杂的特征, 对其进行研究需要突破常规, 采用新的技术手段, 在研究过程中需要特别重视纳米孔隙及形成的孔隙网络、 孔隙喉道的配置、 微裂缝的分布和预测等, 揭示致密油成因及储层渗流机理。【参考文献】[1]李玉喜 ,张金川 J]2011,(3):612]胡文瑞 现状、 问题及解决方案 [J]2012,31(6):13]邹才能 ,张光亚 ,陶士振 ,等 重大发现及非常规石油地质 [J]2010,37(2):1294]邹才能 ,朱如凯 ,吴松涛 ,等 特征、 机理及展望 —— 以中国致密油和致密气为例 [J]2012,33(2):1735] S, . 010.[6], , R . of 7]A of 478.[8]赵万金 ,李海亮 ,杨午阳 J]2012,17(4):369]林森虎 ,邹才能 ,袁选俊 ,等 J]2011,23(4):2510] 邹才能 ,赵政璋 ,杨华 ,等 — 以鄂尔多斯盆地为例 [J]2009,27(6):106511] L, R, R, et of of of 2009,(79):84812] , , , et at of 23009.[13] , U, K, et in a to to EM 011,78:24314] , , , et 2011. of a 15] 姚军 ,赵秀才 M]石油工业出版社 ,2010.[16] H, , , et D 2005,46(4):26017] , , P. 2008,35:118] R, A, , et of 000.[19] , , , et 3D 2010.[20] N. in 009,(3):329收稿日期 : 20128 2013 年第 1 期is an of is of in in it 007. s to be in of in of up on of is to of to to in to , , o. is in of of a in on -- at in of of of of of s , , , , , , (. e
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