CN112362553B - 一种致密砂岩微观孔隙结构表征方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种致密砂岩微观孔隙结构表征方法，首先，将铸体薄片划分为不同的孔隙单元，提取每一单元中孔隙的图片并统计每个孔隙的面积及周长，计算对应孔隙的形状因子，并基于不同形状的孔隙半径计算公式计算出对应的孔隙半径。然后，结合铸体薄片中的孔隙分布和恒速压汞进汞曲线的特征，同时，将高压压汞获取的喉道分布与修正后恒速压汞喉道分布相结合获取了岩心完整的喉道分布。最后，基于铸体薄片获取的形状因子分布分别提出了孔隙形状分布稳定及孔隙形状分布差异较大时岩心的孔隙半径及其分布表征方法。本发明摒弃了现有的各种微观孔隙结构表征方法的不足，获取的致密岩石完整的孔隙和喉道大小及其分布的数据更加精确。

Description

一种致密砂岩微观孔隙结构表征方法

技术领域

本发明涉及非常规油气勘探技术领域，具体涉及一种致密砂岩微观孔隙结构表征方法。

背景技术

致密油是继页岩之后全球非常规油气勘探开发领域的又一大热点，已然成为我国未来重要的能源接替之一。在致密储层勘探与开发过程中，与中、高渗储层存在明显区别的是致密储层岩石颗粒细小、孔隙度和渗透率低，成岩过程中受压实作用较强，微观孔隙结构复杂，孔喉多以微纳米级为主。准确表征致密储层岩石的微观孔喉结构，弄清致密储层孔隙和喉道大小及其分布对致密储层高效开发具有十分重要的现实意义。

目前，常用的储层孔喉结构表征方法有定性和定量两个方面，针对致密储层，常用的代表性技术手段有铸体薄片、恒压压汞、恒速压汞和核磁共振。所有这些表征方法中，铸体薄片可以直接用于观察致密油储层孔喉结构，在提供直观认识的同时经过后续图像处理也可提取岩心中的相关孔喉结构信息。恒压压汞通过恒定的压力向样品中注入汞并获取毛管压力曲线，再结合Washburn方程计算获取孔喉半径分布；恒速压汞以恒定的、极低的速度注入岩心，进汞过程逼近于准静态过程，通过分析进汞过程中压力曲线的变化，可同时获得孔隙和喉道的变化特征，进而分别得到孔隙、喉道的毛细管曲线，再结合Washburn方程可以计算获取孔隙半径分布和喉道半径分布。核磁共振技术是利用氢原子核自身的磁性及其与外加磁场相互作用的原理，通过测量地层岩石孔隙流体中氢核的核磁共振弛豫信号的幅度和弛豫速率来探测地层孔隙结构的一种技术，在探测岩石孔隙中饱和含氢流体时，氢原子核弛豫信号的幅度与地层的孔隙度成正比，其弛豫速率或弛豫时间T₂与孔隙大小和流体性质有关。

但是，目前这些测试方法存在以下不足：

(1)铸体薄片虽能直观的观测孔隙的大小及其连通情况，但反映的信息是二维信息，和三维空间中岩心的孔隙大小及其分布存在一定的误差。

(2)在恒速压汞实验的最初进汞阶段,进汞量的增加是由于非润湿相的汞在岩样粗糙表面的坑凹处的贴和引起的虚假进汞体积。随着压力的逐渐增大,坑凹被汞占满,此时汞还并没有真正进入孔喉***，压力也没有达到排驱压力。但在进汞量中,如把这一部分的空腔体积累计到总孔喉***的进汞量中,会造成进汞饱和度数值偏大,这一现象称为麻皮效应。受麻皮效应存在的影响，使汞饱和度偏大，所绘制的毛管曲线存在失真现象，所表征的孔隙大小及其分布存在较大的误差；此外，恒速压汞最大注汞压力为1000Psi(6.9MPa)，反映的孔喉半径的下限为0.12μm，对于0.12μm以下的孔喉无法进行表征。

(3)高压压汞给出的孔喉信息虽主要反映的是喉道分布，但其中仍叠加有部分半径较小的孔隙分布，因此获取的喉道信息并不完整。

(4)此外，在常规恒速压汞和高压压汞数据处理中，将孔隙等效为球体并利用Washburn公式计算出相应的等效球体半径，用以表征岩石孔隙大小及分布，但是这对于经历了强烈压实和胶结作用、孔隙形状不规则的致密储层砂岩是不适用的，将造成计算值偏大。

(5)核磁共振技术可以获取完整的孔喉信息，但是不能直接获取孔喉半径分布。同时，将核磁共振T₂弛豫时间转化为孔喉分布时，普遍将岩心孔隙形状视为定值，未考虑岩心孔隙形状差异较大时其孔隙半径的表征方法。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种致密砂岩微观孔隙结构表征方法,摒弃了现有的各种微观孔隙结构表征方法的不足，获取的致密砂岩储层全孔隙和喉道大小及其分布结果更加精确。

本发明采用下述的技术方案：

一种致密砂岩微观孔隙结构表征方法，包括以下步骤：

S1、选取一块致密砂岩储层的圆柱形岩心，并进行洗油和烘干，测量岩心的孔隙度和渗透率后，将岩心切割成四段；

S2、对第Ⅰ段岩心进行铸体薄片实验：将铸体薄片图像划分成不同孔隙单元，计算每个孔隙的形状因子，基于形状因子的大小判断孔隙形状，并将孔隙形状按形状分类，根据孔隙形状及不同孔隙形状的面积与其内切圆半径的关系，计算出对应孔隙形状的内切圆半径和等效半径，并绘制半径及其频率分布直方图；

S3、对第Ⅱ段岩心进行恒速压汞实验，获取修正后的恒速压汞喉道分布；

S4、对第Ⅲ段岩心进行高压压汞测试，基于高压压汞实验获取岩心完整的喉道半径及其分布；

S5、获取岩心完整的孔隙半径及其分布。

优选的，步骤S2中，所述形状因子的计算公式为：

式中，G为形状因子，无量纲；A为孔隙的截面积，μm²；P为孔隙的周长，μm。

优选的，步骤S2中，所述对应孔隙形状的内切圆半径的计算公式为：

三角形：

四边形：

五边形：

不规则多边形：R_等效＝0.5L (5)

式中，A为空隙的截面积，μm²，L为孔隙长度，μm。

优选的，步骤S3中，所述获取修正后的恒速压汞喉道分布包括以下步骤：

S31、对第Ⅱ段岩心进行恒速压汞实验，获取注汞压力与注汞体积曲线；利用步骤S2中基于铸体薄片获取的孔隙半径及其分布计算出极值压力区间，并从恒速压汞注汞压力和注汞体积曲线中选出对应数据段；

S32、将曲线处理成“M”形曲线段，从曲线段中识别出孔隙和喉道对应的压力值和体积值，并绘制出修正后的孔隙毛管压力曲线、喉道毛管压力曲线和总毛管压力曲线；

S33、计算得到修正后的毛管压力曲线、孔隙、喉道半径及其分布。

优选的，所述极值压力区间的计算公式为：

所述修正后的毛管压力曲线、孔隙、喉道半径的计算公式为：

式中，R_max为基于铸体薄片获取的孔隙半径的最大值，μm；P_lb为恒速压汞曲线的注汞压力的下限值，MPa；R_min为基于铸体薄片获取的孔隙半径的最小值，μm；P_up为恒速压汞曲线上注汞压力的上限值，MPa；R_cp为恒速压汞修正后的孔隙半径，μm；P_cp为修正后的孔隙毛管压力，MPa；R_ct为恒速压汞修正后的喉道半径，μm；P_ct为喉道毛管压力，MPa。

优选的，步骤S4包括以下步骤：

S41、对第Ⅲ段岩样进行高压压汞测试，获取基于高压压汞实验的孔喉半径分布；

S42、将修正后的恒速压汞喉道半径及其分布与高压压汞获取的孔喉半径及其分布绘制在同一坐标系下；

将0.12μm之前的数据选高压压汞孔喉半径及其分布，0.12μm之后的数据选择修正后的恒速压汞喉道半径及其分布；

将两个数据归一化处理后重新绘制在直角坐标系下得到岩样完整的喉道半径及其分布。

优选的，步骤S5中，所述获取岩心完整的孔隙半径及其分布包括以下步骤：

S51、对第Ⅳ段岩心饱和水，测量完全饱和水状态下的核磁共振T₂谱曲线；

S52、基于步骤S2获取的孔隙形状因子及其分布判断岩心的孔隙形状分布是否稳定。

本发明的有益效果是：

1、本发明首先将铸体薄片划分为多个孔隙单元，通过获取每一个孔隙的面积、周长和长度，通过孔隙的形状因子将孔隙划分为规则的三边形、四边形、五边形和不规则多边形，根据孔隙形状的差异推导了对应孔隙的内切圆半径和等效半径的计算表达式，获取了基于铸薄片完整的孔隙大小和分别。

2、其次，将铸体薄片获取的孔隙半径分布与恒速压汞相结合，选取了恒速压汞合理的曲线区间，消除了由于麻皮效应所造成的误差，获取了修正后的孔隙和喉道大小及其分布。同时，将高压压汞获取的喉道分布与修正后恒速压汞喉道分布相结合获取了岩心完整的喉道分布。

3、最后，基于铸体薄片获取的形状因子分布提出了孔隙形状分布稳定及孔隙形状分布差异较大时岩心的孔隙半径及其分布的表征方法。本发明摒弃了现有的各种微观孔隙结构表征方法的不足，获取的致密岩石完整的孔隙和喉道大小及其分布的数据更加精确。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。

图1为本发明完全饱和水时的T2谱曲线示意图；

图2为本发明基于铸体薄片统计的孔隙形状分布示意图；

图3为本发明基于铸体薄片获取的孔隙大小及其分布示意图；

图4为本发明修正前后恒速压汞孔隙大小及其分布对比图示意图；

图5为本发明修正前后恒速压汞喉道大小及其分布示意图；

图6为本发明高压压汞喉道大小及其分布示意图；

图7为本发明完整的喉道分布示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1至图7所示，一种致密砂岩微观孔隙结构表征方法，包括以下步骤：

S1、选取一块致密砂岩储层的圆柱形岩心，并进行洗油和烘干，测量岩心的孔隙度和渗透率后，将岩心切割成四段；

S2、对第Ⅰ段岩心进行铸体薄片实验：将铸体薄片图像划分成不同孔隙单元，使用高倍显微镜拍摄每一单元中所有孔隙的图片；利用ImageJ软件提取相应的孔隙轮廓、孔隙大小(孔隙截面积)A、孔隙周长P和孔隙长度L；利用以下公式计算每个孔隙的形状因子：

式中，G为形状因子，无量纲；A为孔隙的截面积，μm²；P为孔隙的周长，μm。

如表1、表2所示，基于形状因子的大小判断孔隙形状，并将孔隙形状按形状分类，根据孔隙形状及不同孔隙形状的面积与其内切圆半径的关系，计算出对应孔隙形状的内切圆半径和等效半径，并绘制半径及其频率分布直方图；

形状类型	所占比例
		三边形	26％
四边形	63％
		五边形	3％
圆形	8％

表1孔隙形状分类统计表

表2内切圆半径分布统计表

所述对应孔隙形状的内切圆半径的计算公式为：

三角形：

四边形：

五边形：

不规则多边形：R_等效＝0.5L (5)

式中，A为空隙的截面积，μm²，L为孔隙长度，μm。

S3、对第Ⅱ段岩心进行恒速压汞实验，获取修正后的恒速压汞喉道分布；

S31、对第Ⅱ段岩心进行恒速压汞实验，记录实验过程中的注汞压力与注汞体积，利用步骤S2中基于铸体薄片获取的孔隙半径及其分布计算出极值压力区间，并从恒速压汞注汞压力和注汞体积曲线中选出对应数据段；

式中，R_max为基于铸体薄片获取的孔隙半径的最大值，μm；P_lb为恒速压汞曲线的注汞压力的下限值，MPa；R_min为基于铸体薄片获取的孔隙半径的最小值，μm；P_up为恒速压汞曲线上注汞压力的上限值，MPa；

S32、根据恒速压汞实验原理，剔除曲线中的异常点，将曲线处理成“一升一降”的“M”形曲线段，并利用冒泡排序的算法从“M”形曲线段中识别出孔隙和喉道对应的压力值和体积值，并绘制出修正后的孔隙毛管压力曲线、喉道毛管压力曲线和总毛管压力曲线。

S33、计算以下公式计算得到修正后的毛管压力曲线、孔隙、喉道半径及其分布：

R_cp为恒速压汞修正后的孔隙半径，μm；P_cp为修正后的孔隙毛管压力，MPa；R_ct为恒速压汞修正后的喉道半径，μm；P_ct为喉道毛管压力，MPa。

S4、对第Ⅲ段岩心进行高压压汞测试，基于高压压汞实验获取岩心完整的喉道半径及其分布；

S41、按国家标准GB/T 29171-2012《岩石毛管压力曲线的测定》对第Ⅲ段岩样进行高压压汞测试，并获取基于高压压汞实验获取的孔喉半径分布；

S42、将修正后的恒速压汞喉道半径及其分布与高压压汞获取的孔喉半径及其分布绘制在同一坐标系下；以0.12μm为界，0.12μm之前的数据选高压压汞孔喉半径及其分布，0.12μm之后的数据选择修正后的恒速压汞喉道半径及其分布；最后，将两个数据归一化处理后重新绘制在直角坐标系下得到岩样完整的喉道半径及其分布。

S5、获取岩心完整的孔隙半径及其分布。

S51、测量第Ⅳ段岩心的干重，将岩心抽真空至133Pa，在20MPa的压力下加压饱和模拟地层水48小时后，测量饱和岩心的重量，计算岩心的有效孔隙度，当岩样的有效孔隙度与气测孔隙度的相对误差小于2％时，即满足公式8时，岩样饱和完成，否则重复上述步骤重新饱和直至岩心完全饱和；测量完全饱和水状态下的核磁共振T₂谱曲线。

S5.2基于S2获取的孔隙形状因子及其分布判断岩心的孔隙形状分布是否稳定(即岩心中的孔隙形状主要以某一种形状为主)；

S521、当岩心中某一种形状的孔隙分布数量占比在60％以上时，认定为稳定：将步骤S3中获取的修正后恒速压汞孔隙大小及分布和核磁共振T₂谱曲线相结合，将孔隙最大值与核磁共振T₂时间的最大值相对应，并以修正后的恒速压汞孔隙分布和核磁共振T₂谱曲线形状为参考，利用公式9获取核磁共振T₂时间与孔喉半径间的转换系数，从而将核磁共振T₂谱转换为对应的孔喉分布曲线。

T₂＝CR_NMR (9)

式中，C为转换系数，ms/μm；T₂为核磁共振T₂时间，ms；R_NMR为核磁共振转换后孔喉半径，μm；

根据转换后的核磁共振孔喉分布曲线，绘制孔喉累计分布曲线；同时，将步骤S4中获取的完整喉道分布绘制成累计分布曲线，将两条累计分布曲线绘制在同一坐标系下，并将两条累计分布曲线相减并重新绘制后即获得岩心的完整的孔隙大小及分布。

当岩心中的孔隙的形状分布差异较大时(即，没有一种形状的孔隙数量占比超过60％)：

第一、将步骤S4中获取的完整喉道分布和核磁共振T₂谱曲线绘制在同一坐标系下；根据公式10中T₂时间与孔喉半径间的函数关系，利用核磁共振T₂谱曲线左锋标定获取弛豫率(其中的形状因子为2，喉道形状主要以长圆柱形为主)，并将核磁共振T₂谱曲线转化为孔喉分布曲线；

式中，ρ₂为表面弛豫率，μm/ms；F_s为孔隙形状因子(长圆柱形为2、球形为3)；R_NMR为核磁共振转换后孔喉半径，μm；

第二、根据转换后的核磁共振孔喉分布曲线，同样绘制累计孔喉分布曲线和累计喉道分布曲线，并将两条累计分布曲线相减并重新采样后获取长圆柱形的孔隙大小及其分布；

第三、根据长圆柱形和球形形状因子的比值(2/3)，将其长圆柱形孔隙大小及其分布转化为等效球体孔隙大小及其分布；

第四、根据不同截面形状下内切球与等效球体间的关系(公式11-13)分别获取不同形状下内切球半径及其分布，并基于步骤S2获取的孔隙形状因子及其分布，利用加权平均的方法获取岩心平均孔隙半径R_EB及其分布。

三角形：

四边形：

五边形：

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种致密砂岩微观孔隙结构表征方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、选取一块致密砂岩储层的圆柱形岩心，并进行洗油和烘干，测量岩心的孔隙度和渗透率后，将岩心切割成四段；

S2、对第Ⅰ段岩心进行铸体薄片实验：将铸体薄片图像划分成不同孔隙单元，计算每个孔隙的形状因子，基于形状因子的大小判断孔隙形状，并将孔隙形状按形状分类，根据孔隙形状及不同孔隙形状的面积与其内切圆半径的关系，计算出对应孔隙形状的内切圆半径和等效半径，并绘制半径及其频率分布直方图；

S3、对第Ⅱ段岩心进行恒速压汞实验，获取修正后的恒速压汞喉道分布；

S4、对第Ⅲ段岩心进行高压压汞测试，基于高压压汞实验获取岩心完整的喉道半径及其分布；

S5、获取岩心完整的孔隙半径及其分布。

2.根据权利要求1所述的一种致密砂岩微观孔隙结构表征方法，其特征在于，步骤S2中，所述形状因子的计算公式为：

式中，G为形状因子，无量纲；A为孔隙的截面积，μm²；P为孔隙的周长，μm。

3.根据权利要求2所述的一种致密砂岩微观孔隙结构表征方法，其特征在于，步骤S2中，所述对应孔隙形状的内切圆半径的计算公式为：

三角形：

四边形：

五边形：

不规则多边形：R_等效＝0.5L (5)

式中，A为空隙的截面积，μm²，L为孔隙长度，μm。

4.根据权利要求1所述的一种致密砂岩微观孔隙结构表征方法，其特征在于，步骤S3中，所述获取修正后的恒速压汞喉道分布包括以下步骤：

S31、对第Ⅱ段岩心进行恒速压汞实验，获取注汞压力与注汞体积曲线；利用步骤S2中基于铸体薄片获取的孔隙半径及其分布计算出极值压力区间，并从恒速压汞注汞压力和注汞体积曲线中选出对应数据段；

S32、将曲线处理成“M”形曲线段，从曲线段中识别出孔隙和喉道对应的压力值和体积值，并绘制出修正后的孔隙毛管压力曲线、喉道毛管压力曲线和总毛管压力曲线；

S33、计算得到修正后的毛管压力曲线、孔隙、喉道半径及其分布。

5.根据权利要求4所述的一种致密砂岩微观孔隙结构表征方法，其特征在于，所述极值压力区间的计算公式为：

所述修正后的毛管压力曲线、孔隙、喉道半径的计算公式为：

式中，R_max为基于铸体薄片获取的孔隙半径的最大值，μm；P_lb为恒速压汞曲线的注汞压力的下限值，MPa；R_min为基于铸体薄片获取的孔隙半径的最小值，μm；P_up为恒速压汞曲线上注汞压力的上限值，MPa；R_cp为恒速压汞修正后的孔隙半径，μm；P_cp为修正后的孔隙毛管压力，MPa；R_ct为恒速压汞修正后的喉道半径，μm；P_ct为喉道毛管压力，MPa。

6.根据权利要求1所述的一种致密砂岩微观孔隙结构表征方法，其特征在于，步骤S4包括以下步骤：

S41、对第Ⅲ段岩样进行高压压汞测试，获取基于高压压汞实验的孔喉半径分布；

S42、将修正后的恒速压汞喉道半径及其分布与高压压汞获取的孔喉半径及其分布绘制在同一坐标系下；

将0.12μm之前的数据选高压压汞孔喉半径及其分布，0.12μm之后的数据选择修正后的恒速压汞喉道半径及其分布；

将两个数据归一化处理后重新绘制在直角坐标系下得到岩样完整的喉道半径及其分布。

7.根据权利要求1所述的一种致密砂岩微观孔隙结构表征方法，其特征在于，步骤S5中，所述获取岩心完整的孔隙半径及其分布包括以下步骤：

S51、对第Ⅳ段岩心饱和水，测量完全饱和水状态下的核磁共振T₂谱曲线；

S52、基于步骤S2获取的孔隙形状因子及其分布判断岩心的孔隙形状分布是否稳定。

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