非常規(guī)儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)表征技術(shù)及進(jìn)展

汪 賀 ，師永民 ，徐大衛(wèi) ，陳 旋 ，李拉毛才旦

（1.北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京100871；2.北京大學(xué)石油與天然氣研究中心，北京100871；3.密蘇里科技大學(xué)石油工程學(xué)院，密蘇里州65401；4.中國石油吐哈油田分公司勘探開發(fā)研究院，新疆哈密839000；5.中國石油青海油田分公司采氣一廠，青海格爾木816000）

隨著非常規(guī)油氣資源的勘探與開發(fā)，儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間粒級(jí)逐漸向更小級(jí)別發(fā)展，非常規(guī)儲(chǔ)層成為當(dāng)前油氣資源開發(fā)的重中之重。非常規(guī)儲(chǔ)層物性較差，一般孔隙度小于10%，滲透率小于0.1 mD，孔喉直徑一般小于1 μm，主體孔隙為微納米孔，孔喉結(jié)構(gòu)復(fù)雜［1］。儲(chǔ)層巖石的孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)儲(chǔ)層物性、油氣儲(chǔ)集能力以及油氣開發(fā)影響重大，因此對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)的研究是目前非常規(guī)油氣開發(fā)研究的重點(diǎn)［2］。

非常規(guī)儲(chǔ)層主體孔隙為微納米級(jí)別，且類型多樣。針對(duì)非常規(guī)儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)類型的劃分，許多學(xué)者從孔隙大小和產(chǎn)狀2方面進(jìn)行了研究，國際理論化學(xué)與應(yīng)用化學(xué)學(xué)會(huì)將孔徑分為微孔（孔徑小于2 nm）、中孔（孔徑為2～50 nm）和大孔（孔徑大于50 nm）［3］。LOUCKS在 2012 年提出的孔徑分類方案，將孔隙分為大孔（孔徑大于4 mm）、中孔（孔徑為62.5 μm～4 mm）、微孔（孔徑為1～62.5 μm）、納米孔（孔徑為1 nm～1 μm）和埃米孔（孔徑小于1 nm）共5類［4］。不同類型非常規(guī)儲(chǔ)層孔徑分布各不相同，致密油儲(chǔ)層的孔徑一般為500～900 nm，致密砂巖氣儲(chǔ)層的孔徑為40～700 nm，致密灰?guī)r油儲(chǔ)層的孔徑為40～500 nm，頁巖油儲(chǔ)層的孔徑為30～400 nm，頁巖氣儲(chǔ)層的孔徑大多為5～200 nm［5］。常規(guī)儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)表征技術(shù)難以滿足非常規(guī)儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)表征需要，亟待完善更高精度的儲(chǔ)層表征技術(shù)。

目前對(duì)非常規(guī)儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的研究，主要包括孔喉大小、形態(tài)、分布、連通性和油氣賦存狀態(tài)等方面。對(duì)于孔喉大小和形態(tài)的研究，鄒才能等利用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡技術(shù)分別對(duì)海相頁巖、陸相泥頁巖和致密砂巖等非常規(guī)儲(chǔ)層的孔喉形態(tài)進(jìn)行研究［1-2］；焦堃等利用原子力顯微鏡技術(shù)對(duì)泥頁巖納米孔隙的形貌進(jìn)行觀察［6-7］；陳尚斌等利用氮?dú)馕降葦?shù)值測(cè)定實(shí)驗(yàn)技術(shù)對(duì)四川盆地龍馬溪組頁巖儲(chǔ)層納米孔隙特征進(jìn)行定量表征［8-9］。對(duì)于儲(chǔ)層孔喉數(shù)量和連通性的研究，SOK等多位學(xué)者利用微納米CT等三維重構(gòu)技術(shù)對(duì)碳酸鹽巖、頁巖和致密砂巖儲(chǔ)層進(jìn)行數(shù)值模擬表征［10-12］。對(duì)于油氣賦存狀態(tài)，XI等應(yīng)用環(huán)境掃描電鏡技術(shù)對(duì)儲(chǔ)層樣品的含油性進(jìn)行觀測(cè)［13］。

各種表征技術(shù)在原理、精度和適用對(duì)象上具有較大差異，且每種技術(shù)只適用于針對(duì)特定孔徑范圍內(nèi)部分孔隙結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的研究，具有一定局限性，在應(yīng)用時(shí)易出現(xiàn)表征技術(shù)和表征對(duì)象不匹配的問題；單一表征技術(shù)無法準(zhǔn)確全面地針對(duì)儲(chǔ)層的整個(gè)孔隙空間結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行研究［14］。為此，筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合非常規(guī)儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，首先根據(jù)不同表征技術(shù)的原理，將現(xiàn)有常用孔隙結(jié)構(gòu)表征技術(shù)從定性和定量2個(gè)方面進(jìn)行劃分，再將定性表征技術(shù)從二維圖像掃描技術(shù)和三維重構(gòu)模擬技術(shù)2個(gè)方面進(jìn)行細(xì)分，針對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)定量表征技術(shù)從不同孔隙結(jié)構(gòu)尺度下的定量表征技術(shù)和目前研究熱點(diǎn)的全孔徑聯(lián)合表征技術(shù)2個(gè)方面展開討論。根據(jù)每種表征技術(shù)的原理，對(duì)其精度、特點(diǎn)和適用性進(jìn)行總結(jié)，并探討目前研究中仍需解決的問題和未來可能的發(fā)展方向，以期完善非常規(guī)儲(chǔ)層的表征技術(shù)體系。

1 孔隙結(jié)構(gòu)定性表征

目前非常規(guī)儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)定性表征技術(shù)基于二維平面圖像觀察掃描和三維空間儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)重構(gòu)模擬2個(gè)方面，實(shí)現(xiàn)了對(duì)孔喉的形態(tài)、大小、分布、連通性、油水賦存狀態(tài)和巖石潤(rùn)濕性的初步表征，并逐步提高表征精度，細(xì)化表征功能。

1.1 二維圖像掃描技術(shù)

基于圖像觀察的孔隙結(jié)構(gòu)二維觀測(cè)技術(shù)主要包括光學(xué)顯微鏡技術(shù)、掃描電鏡技術(shù)、場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡技術(shù)、環(huán)境掃描電鏡技術(shù)以及原子力顯微鏡技術(shù)，主要針對(duì)巖石骨架與孔隙的接觸關(guān)系、孔喉半徑分布以及孔隙中油水賦存狀態(tài)等進(jìn)行研究。

1.1.1 掃描電鏡技術(shù)

光學(xué)顯微鏡技術(shù)可以對(duì)薄片的儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，但分辨率較低，主要適用于中孔和大孔的研究，并不能滿足非常規(guī)儲(chǔ)層微納米孔隙的觀察。掃描電鏡技術(shù)的出現(xiàn)大大提高了分辨率，將測(cè)量精度提升至6 nm左右。掃描電鏡利用高能電子束與樣品表面的相互作用，得到二次電子、背散射電子等一系列不同類型信號(hào)變化的信息，主要用于孔隙表面形貌的觀察，目前已成為儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)定性表征的常用方法［15］，結(jié)合元素能譜分析技術(shù)可對(duì)礦物成分進(jìn)行識(shí)別，同時(shí)還可以通過面孔率求取孔喉平均半徑［16］。掃描電鏡礦物定量評(píng)價(jià)技術(shù)是在掃描電鏡和能譜分析基礎(chǔ)上建立的一套礦物定量分析系統(tǒng)，可較為快速準(zhǔn)確地對(duì)礦物進(jìn)行分析鑒定，滿足了儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)定量表征的需求。隨著儲(chǔ)層研究對(duì)表征技術(shù)分辨率要求的進(jìn)一步提升，場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡技術(shù)與環(huán)境掃描電鏡技術(shù)在普通掃描電鏡技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高了分辨率，可達(dá)到0.5～2 nm，更適用于致密砂巖儲(chǔ)層的結(jié)構(gòu)表征［17］。相比于普通掃描電鏡技術(shù)在樣品處理時(shí)需洗油鍍導(dǎo)電膜，環(huán)境掃描電鏡技術(shù)可以對(duì)自然狀態(tài)下含水含油的樣品進(jìn)行觀察，分析原始狀態(tài)下的孔隙結(jié)構(gòu)及油水賦存狀態(tài)，并可結(jié)合能譜資料對(duì)流體性質(zhì)進(jìn)行研究，對(duì)樣品含油性及動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行觀測(cè)［13］，使儲(chǔ)層油水賦存狀態(tài)更加直觀。

目前環(huán)境掃描電鏡技術(shù)已成為儲(chǔ)層含油性檢測(cè)的主要手段。對(duì)三塘湖盆地某區(qū)條湖組未洗油樣品在環(huán)境掃描電鏡下進(jìn)行觀察，細(xì)致刻畫樣品的孔隙結(jié)構(gòu)及流體賦存狀態(tài)。該樣品為晶屑玻屑凝灰?guī)r，于鏡下可觀察到大量納米級(jí)凝灰質(zhì)粒間微孔（圖1a）、微米級(jí)長(zhǎng)石粒內(nèi)溶孔發(fā)育（圖1b，1c）。研究區(qū)條湖組火山巖儲(chǔ)層的儲(chǔ)集空間以粒間微孔和溶蝕孔隙為主。為確定孔隙中的流體性質(zhì)，結(jié)合能譜資料進(jìn)行分析，對(duì)圖1b孔隙中流體區(qū)域進(jìn)行能譜測(cè)試，研究區(qū)域元素主要組成為碳、氧和少量的硫（圖2），判斷該處流體為剩余油，主要賦存于直徑約為50 μm的溶蝕孔中。

圖1 三塘湖盆地某區(qū)條湖組環(huán)境掃描電鏡分析結(jié)果Fig.1 Environmental scanning electron microscopy（ESEM）analysis results of Tiaohu Formation in a certain area of Santanghu Basin

圖2 三塘湖盆地某區(qū)條湖組能譜分析結(jié)果Fig.2 Energy spectrum analysis results of Tiaohu Formation in a certain area of Santanghu Basin

1.1.2 原子力顯微鏡技術(shù)

隨著對(duì)非常規(guī)油氣研究的不斷深入，頁巖油氣的勘探開發(fā)對(duì)更高精度研究設(shè)備的需求促使圖像表征技術(shù)不斷創(chuàng)新，原子力顯微鏡技術(shù)的出現(xiàn)使分辨率在掃描電鏡技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升至0.1 nm。原子力顯微鏡技術(shù)是一種掃描探針技術(shù)，早期多用于生物領(lǐng)域的研究，可通過對(duì)力敏感元件測(cè)量樣品之間的相互作用進(jìn)行檢測(cè)，得到樣品表面的形貌結(jié)構(gòu)特征。該技術(shù)通過對(duì)微弱力十分敏感的懸梁臂一端固定，用另一端的膠體探針接近樣品發(fā)生相互作用，其斥力使懸梁臂發(fā)生微小形變。借助光學(xué)杠桿原理將懸梁臂的小位移轉(zhuǎn)化為探針位移，從而獲得樣品表面形貌結(jié)構(gòu)信息以及粗糙度信息［18］。

目前，原子力顯微鏡技術(shù)在頁巖的孔隙特征表征方面應(yīng)用較多［7，19-20］，主要用于頁巖儲(chǔ)層中孔徑為2～50 nm孔隙的觀察［7］，以及進(jìn)行頁巖儲(chǔ)氣能力的研究。一般來說，對(duì)于測(cè)試表面粗糙程度較低的頁巖樣品，其比表面積較小，氣體吸附能力較差；表面粗糙程度較高的頁巖樣品的比表面積較大，可以提供較多的氣體吸附空間［7，20］。此外，目前原子力顯微鏡技術(shù)也多用于儲(chǔ)層潤(rùn)濕性的研究，AFM探針可直接用于測(cè)量?jī)?chǔ)層巖石表面油水膜的厚度以及材料與液膜之間的作用力［21-22］，可對(duì)固體表面的粗糙度進(jìn)行表征，從而用于研究固體表面潤(rùn)濕性的改變［23］。

原子力顯微鏡技術(shù)具有諸多優(yōu)點(diǎn)。例如其在應(yīng)用時(shí)不需對(duì)材料進(jìn)行預(yù)處理，且可在對(duì)樣品無損傷的條件下，直接對(duì)納米級(jí)孔隙的表面形貌和孔喉進(jìn)行成像；原子力顯微鏡技術(shù)還可以提供儲(chǔ)層表面的三維圖像，對(duì)儲(chǔ)層孔隙進(jìn)行全方位表征。但該技術(shù)的主要缺點(diǎn)為成像范圍較局限、成像速度較慢，且測(cè)量結(jié)果受探頭的影響較大［24］。

1.2 三維重構(gòu)技術(shù)

隨著非常規(guī)儲(chǔ)層表征要求的不斷提高，儲(chǔ)層表征技術(shù)從二維平面表征逐漸向三維空間表征發(fā)展。激光掃描共聚焦顯微鏡技術(shù)和CT掃描技術(shù)等依次出現(xiàn)，可以對(duì)儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)及空間關(guān)系進(jìn)行表征。

1.2.1 激光掃描共聚焦顯微鏡技術(shù)

激光掃描共聚焦顯微鏡技術(shù)結(jié)合激光掃描技術(shù)、共軛聚焦技術(shù)、顯微鏡技術(shù)以及計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)，通過激光對(duì)樣品進(jìn)行快速連續(xù)分層掃描，利用三維重建技術(shù)，將分層掃描成果進(jìn)行立體結(jié)構(gòu)分析插值，從而進(jìn)行三維立體成像。激光掃描共聚焦顯微鏡技術(shù)對(duì)制樣要求低，穿透力強(qiáng)，分辨率可達(dá)0.1 μm，可在對(duì)樣品無損傷條件下較為清晰直觀地表征儲(chǔ)層的孔喉結(jié)構(gòu)與空間關(guān)系，從而分析儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)性質(zhì)［25-27］；且可利用烴類的熒光特性，較為清晰地觀測(cè)儲(chǔ)層中的油氣賦存狀態(tài)以及油氣分布的孔隙結(jié)構(gòu)特征［26］。姚涇利等利用激光掃描共聚焦顯微鏡技術(shù)對(duì)鄂爾多斯延長(zhǎng)組致密砂巖進(jìn)行孔隙結(jié)構(gòu)和有機(jī)質(zhì)分布研究［25］。蘇奧等提出利用激光掃描共聚焦顯微鏡技術(shù)建立巖石薄片的三維模型，進(jìn)而求取三維平均孔喉直徑和孔隙度的方法，該技術(shù)對(duì)于非均質(zhì)性較強(qiáng)的非常規(guī)儲(chǔ)層更為適用［26］。此外，激光掃描共聚焦顯微鏡技術(shù)在古生物化石和流體包裹體研究等方面也有著廣泛應(yīng)用。

1.2.2 微納米CT掃描技術(shù)

CT掃描技術(shù)自20世紀(jì)60年代誕生以來，從醫(yī)學(xué)領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，近年來也用于儲(chǔ)層的微觀表征，可實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)層中孔隙和流體的直接觀察。不同于激光共聚焦顯微鏡技術(shù)的分層掃描重建，CT掃描技術(shù)主要通過X射線直接對(duì)物體進(jìn)行三維掃描可視化成像。根據(jù)分辨率的不同，CT掃描技術(shù)可分為宏觀CT掃描技術(shù)、微米CT掃描技術(shù)和納米CT掃描技術(shù)。微米CT掃描技術(shù)和納米CT掃描技術(shù)多用于微納米孔隙形貌、大小、連通性以及空間分布的觀察，主要用于非常規(guī)儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)研究；其中，納米CT掃描技術(shù)目前的測(cè)量精度可達(dá)到50 nm。微納米CT掃描技術(shù)可在不損壞樣品的情況下，更快速、準(zhǔn)確、直觀地表征孔隙喉道在三維空間中的形態(tài)分布，對(duì)孔隙的數(shù)量、大小以及連通性進(jìn)行定量表征，并對(duì)任意斷層進(jìn)行虛擬成像。

微納米CT掃描技術(shù)在非常規(guī)儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，眾多學(xué)者應(yīng)用該技術(shù)分別對(duì)不同類型非常規(guī)儲(chǔ)層進(jìn)行微觀孔隙結(jié)構(gòu)表征和非均質(zhì)性研究［28-30］。此外，基于CT掃描技術(shù)的三維重構(gòu)技術(shù)優(yōu)化也是目前研究的重點(diǎn)。鄭劍鋒等對(duì)微納米CT掃描數(shù)據(jù)的三維重構(gòu)技術(shù)和孔喉結(jié)構(gòu)提取方法進(jìn)行了研究［30-32］，通過CT掃描技術(shù)建立準(zhǔn)確的三維數(shù)字巖心模型是對(duì)儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征的基礎(chǔ)，對(duì)掃描得到的巖心二維灰度圖像基于實(shí)測(cè)孔隙度等參數(shù)選取合理閾值，進(jìn)行二值化處理［12］，并對(duì)二值化圖像進(jìn)行體積元分析，重建形成孔隙和基質(zhì)的三維模型?？紫毒W(wǎng)絡(luò)模型的提取和孔喉結(jié)構(gòu)參數(shù)的定量計(jì)算也是基于微納米CT掃描技術(shù)進(jìn)行儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)表征的關(guān)鍵部分，最大球算法目前應(yīng)用較為廣泛［32-35］。最大球算法通過在三維數(shù)字巖心的孔隙中選點(diǎn)作為球心，向四周擴(kuò)展為孔隙空間中的最大球體，周圍可重疊相鄰的較小球體，形成一個(gè)充滿整個(gè)孔隙空間的最大球多簇；若1個(gè)球體屬于2個(gè)最大球多簇，這個(gè)公共的最大球則被認(rèn)為是喉道（圖3）。通過該方法對(duì)三維數(shù)字巖心模型進(jìn)行分割校正，則可區(qū)分孔隙、喉道及其連通關(guān)系，進(jìn)而對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行較為準(zhǔn)確的提取，對(duì)孔隙的大小、形狀因子和孔喉比等參數(shù)進(jìn)行定量表征。

圖3 最大球多簇中的孔隙和喉道示意（據(jù)文獻(xiàn)［36］修改）Fig.3 Illustration of pores and throats in multitufts of the largest sphere（Modified according to reference［36］）

除了最大球算法，鄭劍鋒等利用e-core軟件，通過雙相燃燒法確定孔隙和基質(zhì)相態(tài)的中軸及與邊界的距離［30］，基于最大距離嵌入球體代表孔隙、最小距離嵌入圓柱體代表喉道，進(jìn)行孔喉提取，建立網(wǎng)絡(luò)模型，并進(jìn)行孔喉半徑和連通關(guān)系等參數(shù)計(jì)算。

2 孔隙結(jié)構(gòu)定量表征

基礎(chǔ)的非常規(guī)儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)定量表征技術(shù)大多針對(duì)特定尺度內(nèi)的儲(chǔ)層孔喉進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，以通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值測(cè)定為主。為實(shí)現(xiàn)全孔徑范圍內(nèi)的孔隙結(jié)構(gòu)表征，全孔徑聯(lián)合表征技術(shù)已成為目前研究的熱點(diǎn)。

2.1 不同孔隙結(jié)構(gòu)尺度下的定量表征技術(shù)

目前用于非常規(guī)儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)定量研究的表征技術(shù)主要基于間接數(shù)值的測(cè)定，有壓汞技術(shù)、核磁共振技術(shù)和氣體吸附技術(shù)等，不同表征技術(shù)的主要研究?jī)?nèi)容與表征尺度各不相同。

2.1.1 壓汞及核磁共振技術(shù)

壓汞技術(shù)可分為常規(guī)壓汞技術(shù)和恒速壓汞技術(shù)，多用于儲(chǔ)層孔喉特征和滲流能力的表征。常規(guī)壓汞技術(shù)是在一定的壓力下，記錄進(jìn)汞量，測(cè)定巖石孔隙結(jié)構(gòu)的技術(shù)［37］；其孔徑測(cè)試范圍較廣，但對(duì)半徑小于50 nm的孔喉以及成巖作用較強(qiáng)的次生孔隙結(jié)構(gòu)的測(cè)量則存在誤差［38］。恒速壓汞技術(shù)在非常規(guī)儲(chǔ)層研究中的應(yīng)用較多，可根據(jù)注汞壓力的變化對(duì)孔隙和喉道進(jìn)行區(qū)分，從而定量反映孔隙喉道的大小、數(shù)量及配置關(guān)系等儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)特征［39］，但一般無法測(cè)量直徑小于0.12 μm的孔喉［38］。

核磁共振技術(shù)目前在非常規(guī)儲(chǔ)層研究方面的應(yīng)用主要有核磁譜研究以及切片成像［40-42］。核磁共振技術(shù)通過測(cè)量孔隙中含氫流體的弛豫特征，得到弛豫時(shí)間T2分布圖譜，從而精確地反映非常規(guī)儲(chǔ)層孔隙的大小、分布、連通性以及流體的賦存特征［11，43］。核磁共振技術(shù)的應(yīng)用可以大規(guī)模地針對(duì)致密油儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行解釋評(píng)價(jià)［44］。巖心核磁共振圖像還可用于直觀地反映儲(chǔ)層孔隙和流體的分布特征以及裂縫走向等信息［45］，但其測(cè)量結(jié)果易受測(cè)試環(huán)境、流體性質(zhì)等多種因素影響［46-47］。

2.1.2 氣體吸附技術(shù)

氣體吸附技術(shù)目前多應(yīng)用于非常規(guī)儲(chǔ)層尤其是頁巖儲(chǔ)層納米級(jí)孔隙的研究，利用吸附-脫附曲線對(duì)孔隙類型、孔徑分布、比表面積及孔體積等參數(shù)進(jìn)行研究，包括氮?dú)馕郊夹g(shù)和二氧化碳吸附技術(shù)；氮?dú)馕郊夹g(shù)更為常用，測(cè)量范圍約為1～200 nm［48］。氮?dú)馕郊夹g(shù)基于孔隙表面對(duì)氣體的吸附作用和毛細(xì)管凝聚原理，放置巖樣于液氮溫度下，一部分氮?dú)庠趲r樣孔隙表面被冷凝吸附，氮?dú)馕綄雍穸入S著相對(duì)壓力的逐漸升高而不斷增厚，當(dāng)相對(duì)壓力與孔徑相應(yīng)壓力匹配時(shí)發(fā)生毛細(xì)管凝聚現(xiàn)象，可獲得不同壓力下樣品對(duì)氮?dú)獾奈搅恳约拔?脫附等溫線，從而對(duì)孔隙分布、體積和比表面積進(jìn)行計(jì)算。

頁巖排烴過程和分子動(dòng)力學(xué)的研究成果表明，納米級(jí)孔隙對(duì)頁巖儲(chǔ)層的物理化學(xué)性質(zhì)及甲烷氣體的吸附和流動(dòng)性具有顯著影響［49］。對(duì)于非常規(guī)氣藏，納米級(jí)孔隙的結(jié)構(gòu)特征至關(guān)重要。利用氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)，可以對(duì)頁巖氣儲(chǔ)層納米級(jí)孔隙的大小、分布、形態(tài)等孔隙結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析，進(jìn)而對(duì)其吸附能力及油氣成藏意義進(jìn)行探究［50-53］。利用氮?dú)馕郊夹g(shù)可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)曲線的形態(tài)類型對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品的比表面積和孔徑分布等孔隙結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行判斷［54-55］。但氮?dú)馕郊夹g(shù)不適用于高溫高壓條件下測(cè)量，對(duì)于比表面積較小的巖石樣品存在較大的測(cè)量誤差，通常認(rèn)為氮?dú)馕郊夹g(shù)在測(cè)量孔徑超過100 nm孔隙時(shí)不夠準(zhǔn)確［56］。

2.2 全孔徑聯(lián)合表征技術(shù)

目前用于非常規(guī)儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)表征的技術(shù)共有十余種，其中高壓壓汞、恒速壓汞、核磁共振以及氣體吸附等技術(shù)可以對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量研究，但各種表征技術(shù)的測(cè)試范圍不同，適用的孔隙尺度也存在差異（圖4）。單一的技術(shù)難以全面認(rèn)識(shí)非常規(guī)儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)，為了全面反映非常規(guī)儲(chǔ)層的孔徑分布，全孔徑聯(lián)合表征技術(shù)是未來非常規(guī)儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)研究的重要發(fā)展方向。

目前，中外學(xué)者針對(duì)非常規(guī)儲(chǔ)層全孔徑分布特征，聯(lián)合多種技術(shù)進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)研究，主要技術(shù)如下：①將氣體吸附技術(shù)與壓汞技術(shù)相結(jié)合，測(cè)定頁巖全孔徑分布特征。田華等針對(duì)不同表征技術(shù)的優(yōu)勢(shì)范圍，通過二氧化碳吸附、氮?dú)馕胶透邏簤汗瘜?shí)驗(yàn)分別得到川東南地區(qū)龍馬溪組頁巖和北美頁巖儲(chǔ)層微孔（孔徑小于2 nm）、中孔（孔徑為2～50 nm）和大孔（孔徑大于50 nm）的孔隙分布特征，從而研究孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)頁巖含氣性的控制作用［57-59］。②結(jié)合核磁共振技術(shù)和恒速壓汞技術(shù)對(duì)致密砂巖的完整孔喉結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。XIAO等將核磁共振技術(shù)得到的全孔隙分布減去恒速壓汞技術(shù)得到的喉道分布，可得到全孔徑的孔隙分布，對(duì)孔喉連通性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)［60］。③運(yùn)用核磁共振技術(shù)與高壓壓汞技術(shù)對(duì)比分析全孔徑孔隙特征。WANG等運(yùn)用核磁共振技術(shù)與壓汞技術(shù)對(duì)比，引入橫向弛豫時(shí)間與孔喉半徑的轉(zhuǎn)換系數(shù)，對(duì)核磁共振進(jìn)行T2譜與孔徑分布的轉(zhuǎn)換，得到核磁共振孔隙分布，進(jìn)而對(duì)比高壓壓汞技術(shù)分析全孔徑孔隙特征［61-63］。④結(jié)合核磁共振、高壓壓汞以及氮?dú)馕降燃夹g(shù)，測(cè)定非常規(guī)儲(chǔ)層的完整孔徑分布［64］。在核磁轉(zhuǎn)換孔徑分布與高壓壓汞技術(shù)的基礎(chǔ)上，郭思祺等加入氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行疊合，以檢驗(yàn)核磁轉(zhuǎn)換的精度［65］。由圖5可知：轉(zhuǎn)換后的核磁共振T2譜曲線與高壓壓汞技術(shù)獲得的孔徑分布以及氮?dú)馕郊夹g(shù)得到的結(jié)果基本一致，孔徑分布范圍和峰值區(qū)間基本重合，說明轉(zhuǎn)換后的核磁共振T2譜曲線可以有效地反映非常規(guī)儲(chǔ)層孔徑分布特征。HINAI等將高壓壓汞技術(shù)、氮?dú)馕郊夹g(shù)以及核磁共振技術(shù)得到的納米至微米級(jí)孔隙分布結(jié)合起來，可以克服單一技術(shù)的局限性，完全覆蓋頁巖氣的孔隙度范圍，并利用聚焦離子束掃描電鏡技術(shù)等定性表征技術(shù)對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)解釋進(jìn)行驗(yàn)證［64］。

圖4 非常規(guī)儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)表征技術(shù)（據(jù)文獻(xiàn)［14］修改）Fig.4 Unconventional reservoir pore structure characterization techniques（Modified according to reference［14］）

圖5 轉(zhuǎn)化后的核磁共振技術(shù)、壓汞技術(shù)和氮?dú)馕郊夹g(shù)得到孔徑分布（據(jù)文獻(xiàn)［65］修改）Fig.5 Pore size distributions obtained by converted NMR，nitrogen adsorption and mercury injection（Modified according to reference［65］）

3 技術(shù)局限性及下步發(fā)展方向

非常規(guī)儲(chǔ)層微觀孔隙結(jié)構(gòu)表征技術(shù)眾多，但其在定性描述和定量分析2方面的表征仍存在許多問題，需進(jìn)一步探討。

孔隙結(jié)構(gòu)的定性表征需要更高精度的觀測(cè)技術(shù)和測(cè)試手段。目前對(duì)于非常規(guī)儲(chǔ)層納米孔隙的研究，仍處于掃描定性觀察或簡(jiǎn)單測(cè)量的水平，其表征結(jié)果仍存在較大誤差，觀測(cè)儀器分辨率的提升和全方位的定量參數(shù)測(cè)量是下一步孔隙結(jié)構(gòu)表征技術(shù)的發(fā)展方向。

目前儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)的圖像觀測(cè)技術(shù)仍存在高分辨率與大視域范圍難以得兼的問題。光學(xué)顯微鏡技術(shù)、掃描電鏡技術(shù)等可對(duì)較大視域范圍進(jìn)行觀測(cè)，但分辨率較低。高精度技術(shù)如環(huán)境掃描電鏡技術(shù)、原子力顯微鏡技術(shù)和微納米CT掃描技術(shù)由于數(shù)據(jù)量過大，皆存在觀察范圍小、樣品代表性差，且花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)、成本高等問題。結(jié)合高分辨率與大視域的優(yōu)勢(shì)仍是未來儲(chǔ)層定性表征技術(shù)的重中之重。

對(duì)于三維重構(gòu)技術(shù)中孔隙網(wǎng)絡(luò)建模技術(shù)的改進(jìn)，目前已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)激光共聚焦顯微鏡分層掃描圖像的插值三維處理，也可以實(shí)現(xiàn)基于CT掃描技術(shù)的孔喉提取和參數(shù)計(jì)算。但對(duì)于孔喉特征復(fù)雜且不規(guī)則的非常規(guī)儲(chǔ)層，圖像二值化處理在閾值選擇中的人為因素影響較大，目前應(yīng)用較多的最大球算法仍存在分割誤差較大、孔喉定位不準(zhǔn)確等問題?？紫毒W(wǎng)絡(luò)建模方法的進(jìn)一步更新改進(jìn)是非常規(guī)儲(chǔ)層表征技術(shù)未來的重要發(fā)展方向。

孔隙結(jié)構(gòu)定量表征技術(shù)的主要發(fā)展方向在于全孔徑聯(lián)合表征。全孔徑聯(lián)合表征主要基于不同定量實(shí)驗(yàn)結(jié)果的機(jī)械拼接，在測(cè)試數(shù)據(jù)重疊部分通常會(huì)出現(xiàn)矛盾?？紫督Y(jié)構(gòu)聯(lián)合表征仍需在各種測(cè)試技術(shù)的實(shí)驗(yàn)原理和精度的分析對(duì)比上進(jìn)行突破，以尋求能夠?qū)⒏鞣N技術(shù)串聯(lián)在一起的參數(shù)量，從而對(duì)誤差進(jìn)行校正。

4 結(jié)論

針對(duì)各種非常規(guī)儲(chǔ)層微觀孔隙結(jié)構(gòu)表征技術(shù)的研究結(jié)果表明，各種表征技術(shù)具有不同的特點(diǎn)。掃描電鏡技術(shù)和原子力顯微鏡技術(shù)可以通過圖像觀察對(duì)非常規(guī)儲(chǔ)層的二維平面進(jìn)行細(xì)致刻畫，激光共聚焦顯微鏡技術(shù)和微納米CT技術(shù)可以對(duì)非常規(guī)儲(chǔ)層三維孔隙結(jié)構(gòu)及空間關(guān)系進(jìn)行模擬表征，壓汞技術(shù)、核磁共振技術(shù)和氣體吸附技術(shù)可以通過間接數(shù)值測(cè)定對(duì)非常規(guī)儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量分析，綜合多種表征技術(shù)的全孔徑聯(lián)合表征技術(shù)可以相對(duì)全面地反映非常規(guī)儲(chǔ)層的孔徑分布。

隨著非常規(guī)油氣的發(fā)展，針對(duì)非常規(guī)儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的研究逐漸深入，研究尺度逐步減小，表征技術(shù)向更高精度的方向發(fā)展，觀察對(duì)象從大孔、中孔到微納米孔，研究范圍從二維平面掃描到三維空間模擬，表征區(qū)域從特定尺度范圍到全孔徑，功能上從單一技術(shù)到定性、定量結(jié)合的多種技術(shù)聯(lián)合表征。非常規(guī)儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)表征技術(shù)的進(jìn)步，拓寬了儲(chǔ)層微觀領(lǐng)域的現(xiàn)有認(rèn)知，促進(jìn)了非常規(guī)儲(chǔ)層地質(zhì)理論的進(jìn)步，揭示了非常規(guī)油氣的富集規(guī)律，對(duì)非常規(guī)油氣勘探意義重大。

目前已形成針對(duì)不同孔隙尺度的表征技術(shù)體系，基本滿足非常規(guī)儲(chǔ)層評(píng)價(jià)需求。但由于不同技術(shù)表征范圍的差異，目前的儲(chǔ)層表征仍存在局部與整體、微觀與宏觀尺度上的融合問題。因此，結(jié)合高精度和大尺度微觀孔隙結(jié)構(gòu)表征技術(shù)實(shí)現(xiàn)更加連續(xù)完整的儲(chǔ)層表征，以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)實(shí)際更準(zhǔn)確地指導(dǎo)，是今后非常規(guī)儲(chǔ)層研究的發(fā)展趨勢(shì)。