砂岩孔隙结构研究现状

Research Status of Sandstone Pore Structure

摘要: 本文综述了砂岩孔隙结构在非常规油气资源勘探与开发中的重要性，并探讨了不同评估方法的适用性。文章首先强调了砂岩孔隙结构对油气储存和流动特性的影响，以及其对提高采收率和优化勘探开发策略的关键作用。接着，文章介绍了间接测定法(如压汞法、半透膜法、离心法)、直接观测法(如铸体薄片法、扫描电子显微镜、计算机断层扫描)和测井资料评价方法(如电阻率法、核磁共振法、声波时差法)等技术，并分析了它们的优势与局限性。最后，文章得出结论，砂岩孔隙结构的研究对油气资源的有效开发至关重要，有助于保障能源安全、推动技术进步、保护环境以及实现社会经济的可持续发展。随着技术的发展，未来有望进一步提升油气资源的开采效率，实现资源的充分利用，为全球能源的持续发展贡献力量。

Abstract: This article reviews the importance of sandstone pore structure in the exploration and development of unconventional oil and gas resources and discusses the applicability of different evaluation methods. The article first emphasizes the impact of sandstone pore structure on the storage and flow characteristics of oil and gas, as well as its key role in improving recovery rates and optimizing exploration and development strategies. It then introduces indirect measurement techniques (such as mercury injection, semi-permeable membrane, and centrifugation methods), direct observation methods (such as thin section casting, scanning electron microscopy, and computed tomography), and logging data evaluation methods (such as resistivity, nuclear magnetic resonance, and sonic time difference methods), and analyzes their advantages and limitations. Finally, the article concludes that the study of sandstone pore structure is crucial for the effective development of oil and gas resources, contributing to energy security, technological progress, environmental protection, and sustainable socio-economic development. With technological advancements, it is expected that the efficiency of oil and gas resource development will be further improved in the future, realizing the full utilization of resources and contributing to the sustainable development of global energy.

Logging Data Evaluation Methods

1. 引言

在21世纪能源领域，砂岩孔隙结构研究对非常规油气勘探与开发至关重要。砂岩孔隙结构复杂性影响油气储运特性，进而影响开采效率和价值。随着全球能源需求增长和传统资源紧张，非常规油气资源开发，特别是致密砂岩气藏，成为能源新焦点[1]。

在油气勘探与开发中，砂岩孔隙结构研究至关重要。胜坨油田通过技术如细分注水层系和井网重组，实现了42.12%的高采收率，累计产油超2亿吨。化学驱技术通过调整流体物性显著提升采收率，尤其在高温高盐油藏中取得突破。微生物采油技术不仅提高采收效率，还促进环保低碳开采。这些技术进步均基于对砂岩孔隙结构的深入研究。

砂岩孔隙结构的研究对于提高采收率、优化油气资源的勘探与开发策略至关重要。非常规油气储层具有复杂的孔隙结构，特征为广泛存在的微观到纳米级别的孔隙，与常规油气储层相比，其非均质性更强，这给油气的勘探和开发带来了更多难题。孔隙特性对于评估储层的储集能力和油气流动性至关重要，因此，理解非常规油气储层孔隙结构的非均质性及其影响因素对于勘探和开发工作至关重要。

技术层面上，数字岩心技术的发展使我们能够精确描绘低渗透性致密砂岩储层中孔喉的微观分布，并通过微–纳米CT扫描等成像技术直接观察储层内部结构，这对于理解流体流动路径和机制至关重要。分形理论的应用为非常规油气储层孔隙结构特征研究提供了新视角，通过分析孔隙非均质性、储层分类、预测裂缝分布和建立渗透率模型，增强了对储层特性的认识[2]。分形维数是关键参数，其大小与储层物性特征相关。高维数指示复杂孔隙结构和低渗透性，而低维数暗示均匀孔隙分布和高渗透性，对油气流动有利。因此，分形理论对非常规油气储层的理解及勘探开发实践具有重要意义。

油气行业的可持续性涉及资源、经济、技术、环境和社会五大领域，对长期发展至关重要。砂岩孔隙结构研究提高勘探成功率和开发效率，延长油田生命周期。经济上，提高采收率降低成本，增强效益。技术上，促进数字岩心技术和分形理论发展，支持高效开发。环境上，优化策略减轻影响，推动绿色开发。社会上，稳定供应对经济发展至关重要。砂岩孔隙结构研究跨学科、多维度，对油气开发、能源安全、技术革新、环境保护和社会经济可持续性有重要影响。技术发展和新方法应用有望提升开发效率，实现资源充分利用，贡献全球能源持续发展。

2. 研究方法

2.1. 间接测定法

间接测量技术通过监测排出的液体体积，确立了湿相饱和度与毛细管压力的关联，从而获取了储层的形态、尺寸和孔喉连通性等关键信息。这种方法的优势在于，它通过监测流体体积的变化来推断孔隙结构，避免了对样本的直接破坏，间接测量法如图1所示，具体如下。

Figure 1. Principle and advantages and disadvantages of indirect measurement method

图1. 间接测定法原理及优缺点

压汞法作为一种精确的储层孔隙系统分析手段，自20世纪70年代以来，已被广泛用于研究储层岩石的毛细管压力特性，该方法能够精确测量毛细管压力，揭示储层孔隙系统的特征，鉴于水银通常不湿润岩石，水银注入法成为研究岩心孔隙的常用技术，通过测量水银的进退饱和度和所需的排驱压力，可以绘制出毛细管压力曲线[3]-[5]。然而，随着油气勘探开发向非常规储层的扩展，传统压汞技术在评估孔隙结构方面的局限性日益显现。恒速压汞技术因此受到青睐，它能够控制注入速率并测量喉道数量，尤其适用于评估小孔喉和复杂孔隙结构的致密储层[6]，高压压汞曲线因其能够直观反映岩心的孔喉特征而得到广泛应用[7]。图2展示了岩样JY-1和N78-3的高压压汞与恒速压汞毛管压力曲线。结果显示，两种方法得到的毛管压力曲线大致相同，只有微小差异。高压压汞法更适合分析较小的孔喉，而恒速压汞法则适用于较大的储层孔喉。两种方法各有优势，均适用于研究致密储层的孔隙结构。

Figure 2. Capillary pressure curves of high-pressure and constant-velocity mercury intrusion [8]

图2. 高压压汞与恒速压汞毛管压力曲线[8]

半渗透隔板法通过模拟油气层中的驱替条件，提供了一种操作简便、可同时测量多个样本的方法，尽管其测试周期较长，且在测量低渗透样本时可能存在局限性[9] [10]。通过测定半渗透隔板的毛管压力和岩样的含水饱和度，并建立它们之间的关联参数，我们就能够准确绘制出毛管压力曲线(图3)。

Figure 3. 半渗透隔板毛管压力曲线[11]

图3. Capillary pressure curve of semi-permeable separator [11]

离心机法则利用高速旋转产生的力来模拟地层压力，有效分离非润湿相和润湿相，具有操作简便、测试迅速和重复性高的优点，设备成本较高[12]。由于非润湿相能够从具有不同渗透率的多孔介质中驱赶湿润相，通过记录在不同压力下排出的湿润相体积，我们可以建立湿润相饱和度与毛管压力之间的联系。这一过程使我们能够绘制出毛管压力曲线(图4)。

Figure 4. Capillary pressure curve measured by centrifuge method [13]

图4. 离心机法测定毛管压力曲线[13]

N₂和CO₂的低压吸附技术，已被广泛用于纳米材料研究，并开始应用于岩石孔隙结构的评估，其中CO₂吸附更适合分析微小孔隙，而N₂吸附适用于中大型孔隙[14]。

小角度中子散射(SANS)技术因其能够探测纳米级孔隙结构，在致密储层研究中得到广泛应用，通过分析散射曲线与孔隙结构的关系，揭示孔隙的形态、尺寸和分布特征[15]-[17]。

2.2. 直接观测法

直接观测法通过直接观察岩石样本的孔隙结构，提供了一种更为直观和精确的分析手段，直接测量法如图5所示，具体如下。

铸体薄片法通过将环氧树脂注入岩石的孔隙之中，制成岩石模型，利用偏光显微镜对孔隙结构和成分进行详细分析[18]，这种方法为研究岩石孔隙的类型、尺寸、分布、连通性等提供了一种精确而有效的途径[19]。

扫描电子显微镜(SEM)是分析岩石孔隙结构和成分的重要工具，它通过电子束扫描样品表面，并通过电视成像技术展示放大后的图像。这项技术能够识别储层中的孔隙类型，并定量分析孔喉半径和孔径等关键参数[20]-[23]。相关研究表明，不同煤样的微孔隙在成因和发育程度上存在差异，利用扫描电子显微镜(SEM)技术的研究揭示了煤在不同成熟阶段的微孔隙度和孔隙类型，对低等级煤的孔隙和裂隙结构及其矿物含量的分析表明，低等级煤的微裂隙表面较为平滑、缺乏规律性，展现出较强的吸附性能；基于分形理论的研究指出，高煤阶煤岩孔隙特征中分形维数的增加与孔隙度和渗透率的降低相关联[24] [25]，扫描电镜的工作原理如图6所示。

李吉平等[26]通过SEM技术对煤的微孔裂隙进行了观测和分析，发现孔隙形态复杂，多被充填，连通性差。这一发现对于理解煤层气的储集和渗透特性具有重要意义，因为孔隙的连通性直接影响气体的

Figure 5. Principle and advantages and disadvantages of the direct observation method

图5. 直接观测法原理及优缺点

Figure 6. Schematic diagram of the working principle of the scanning electron microscope [27]

图6. 扫描电镜的工作原理示意图[27]

迁移和开采效率；徐拴海等[28]人进行了洛河组砂岩的超细水泥浆液注浆试验，发现孔隙大小在7~15 μm之间，超细水泥浆液难以注入。这表明在该孔隙大小范围内，传统的注浆材料可能不适合用于洛河组砂岩的加固或封堵，需要开发更适合的新材料或新技术；林磊[29]研究了高家堡煤矿洛河组砂岩的沉积控水规律，将砂岩分为风成、水成和风水交替作用三类。其中，钙质/泥质胶结风成砂岩以大~中孔喉为主，而风水交替作用砂岩和水成砂岩以小微孔为主，渗透性最差。这一分类对于预测和评价洛河组砂岩的水文地质特性具有指导意义，尤其是在煤矿水害防治方面；冯龙飞[30]对彬长高家堡煤矿的洛河组砂岩进行了深入分析，运用了X射线衍射(XRD)、铸体薄片技术、扫描电子显微镜(SEM)、覆压孔隙度测量、高压汞注射技术、核磁共振成像(NMR)以及X射线三维计算机断层扫描(CT)等多种技术，对砂岩孔隙的微观构造进行了深入的探究。这些技术的联合使用为全面理解砂岩的孔隙结构提供了多角度的数据，有助于揭示砂岩的储层特性和流体流动行为。

这些技术的综合应用为理解洛河组砂岩的微观结构与宏观物理特性之间的联系提供了重要数据。CT技术作为一种新兴的无损检测方法，通过X射线对岩石内部孔隙结构进行详细分析，通过测量X射线穿透样品后的衰减强度来反映样品内部的孔裂隙特征，对于预测岩石的宏观物理属性具有关键作用，CT技术为我们提供了一个全新的视角来理解和解释岩石微观结构与宏观物理属性之间的关系，这种技术不仅可以提供更详细、更准确的信息，而且还可以避免因样品处理而可能引起的数据偏差[31]-[33]，CT试验的试验结果如图7所示。

Figure 7. CT scan results

图7. CT扫描结果

国内外学者对其方法进行研究。然而，由于单一表征技术在精度和适用性上存在差异和限制，依赖单一技术难以实现对储层全孔径孔隙结构的精确和全面研究[34] [35]。因此，在表征低渗透砂岩储层孔隙结构时，应综合运用多种表征技术的优势，通过技术联用全面且精确地描绘低渗透砂岩储层的孔隙结构，方法如图8所示。此外，传统的低渗透砂岩孔隙结构分级评价多依赖于高压压汞或核磁共振数据的几何形态或参数回归分析，这些方法容易受到人为因素的影响，难以构建一个精确的分级评价体系[36]-[38]。

Figure 8. Methods for studying the pore structure of sandstone

图8. 砂岩孔隙结构研究方法

2.3. 测井资料评价方法

在油气田的实际操作中，由于钻探取样的成本较高，岩心样本往往难以获得。因此，测井资料成为了宝贵的资源，它们不仅不可或缺，还具备了高纵向分辨率的特点。在这样的背景下，充分利用测井资料对储层的孔隙结构进行评估显得尤为重要。储层的孔隙结构与岩石的电阻率有着直接的联系。因此，为了进行孔隙结构的理论分析，需要基于不同的影响因素建立岩石导电模型。从20世纪90年代开始，国内油气勘探和开发领域广泛采用了核磁共振测井技术[39]，该技术通过检测储层孔隙内自由流体中氢原子核的磁特性及其与外部磁场的互动，来收集地质数据，进而评价储层岩石的孔隙结构。通过对岩样孔隙内流体的横向驰豫时间分布进行统计，能够对储层孔隙构造进行分析[40]，核磁共振的T₂谱可以显现储层岩石的孔隙种类和孔径尺寸等细节[41] [42]，近期的研究进展表明，核磁共振(NMR) T₂谱与储层岩石的孔隙结构特性之间存在着直接的联系，通过将NMR的T₂谱数据转换为毛管压力曲线，研究人员能够揭示岩心的T₂几何均值与孔喉半径之间的相关性[43]-[48] (图9)。

Figure 9. NMR T₂ spectral morphology

图9. 核磁共振T₂谱形态

杨明等[49]人通过NMR技术获得的T₂谱分析了岩石的孔隙特性，并据此推断出岩石的渗透性。他们建议低场NMR技术可以用于岩石渗透性的分析。这一发现为岩石渗透性的评价提供了一种非侵入性的方法，有助于在不破坏样品的情况下评估其渗透特性；李志愿等[50]人结合压汞法和NMR技术来获取岩石孔隙结构的特征，并发展了一种计算低渗透储层渗透率的方法。通过联合使用这两种技术，他们能够更全面地理解岩石孔隙结构与渗透率之间的关系，为低渗透储层的评估和管理提供了新的技术手段；朱林奇等[51]人利用NMR数据对谱面积和胶结指数进行表征，并对比分析了渗透率模型(REV)与经典模型(Timur-Coates, SDR)。他们的研究为渗透率模型的选择和应用提供了实验依据，有助于提高渗透率预测的准确性；马会腾等[52]人监测饱水后煤的NMR技术，通过T₂谱分布分析煤损伤前后孔隙特征的变化，发现超声波对煤孔隙特征有影响。这项研究揭示了超声波处理对煤孔隙结构的改造效果，对于提高煤层气的开采效率具有重要意义；黄家国等[53]人采用SEM、NMR、CT等多种技术综合分析页岩孔隙特征，并展示了每种技术揭示的页岩不同特征。他们的研究为页岩储层的孔隙结构分析提供了多角度的视角，有助于更全面地理解页岩储层的特性。这些研究表明，NMR技术在岩石孔隙结构和渗透性分析中发挥着重要作用，与其他技术如SEM和CT联合使用时，可以提供更全面的储层特性分析。这些研究结果对于油气勘探、地质工程和环境治理等领域具有重要的应用价值。

声波时差测井在评价储层孔隙结构的相关研究中发现，孔隙构造不仅受岩石类型和物理属性的影响，还显著作用于岩石中弹性波的传播速度，决定了声波在岩石内部的传播行为[53]-[56]，储层孔隙类型对岩石声波传播速度有显著影响，印模孔隙及粒间孔隙的岩心比微孔隙岩心具有更快的声波传播速度[57]。对孔裂隙致密储层声波传播特性的研究显示，孔隙结构对声波特性有较大影响，尤其是裂缝。声波透射测试结果表明，声波的速度、时域波形和频谱特性主要取决于岩心的孔隙大小和胶结状况[58]-[60]。

这些方法不仅有助于深入理解储层孔隙结构的复杂性，而且对于优化油气资源的勘探与开发策略、提高油气采收率以及实现资源的高效利用具有重要的科学和实际应用价值。随着技术的进步和新方法的应用，我们有望在未来进一步提高油气资源的开采效率，实现资源的最大化利用。

3. 分析孔隙结构评估方法的适用性

各种方法的优缺点如图10所示。具体如下：压汞法作为一种实验技术，具有操作简便、快速且准确性高的特点，能够获取全面的毛细管压力曲线。此技术所用设备能应对较高的测量压力，适用于不同渗透性的岩心样品[61] [62]；然而，压汞法主要适用于分析中等至大孔径的岩心样本，并且存在一定的局限性，它无法复现油层中的实际温度和压力条件。此外，由于实验过程中使用的水银会对岩心造成永久性的损害，这限制了岩样在后续实验中的再次使用。这种不可逆的影响意味着经过压汞法测试的岩心无法用于其他类型的分析，从而限制了其在更广泛实验应用中的潜力；半透膜技术因其模拟油藏驱替过程的相似性而备受推崇，该技术易于操作、结果精确且可信赖，并且能够一次性对多个岩样进行测定。然而，该方法存在实验周期长、半渗透隔板法在耐压能力方面存在局限，这可能导致得到的毛管压力曲线不够完整。此外，该方法的压力测试范围相对较小，且测试周期较长，这限制了其在致密储层孔隙结构研究中的应用。相比之下，离心机法因其操作简便、测定速度快和精准度高而被广泛推崇，适用于不同渗透率级别的岩心研究，该技术能够提供精确的实验数据和较为完整的曲线图。其结果与油藏模拟实验相近，但需注意的是，高速离心机的成本相对较高。气体吸附法则主要适用于表征孔径在300纳米以下的储层孔隙结构，实验前需对岩样进行干燥处理，以确保实验的准确性。

应用铸体薄片法和扫描电镜法对岩心样本进行分析的过程中，样本的内部构造和外观可能因处理而遭受一定程度的损害，对岩心样本的处理可能会限制其重复使用，同时铸体薄片法在观测范围上存在局限[63]。计算机断层扫描(CT)技术以其快速的测量速度、全面的岩心内部结构观察能力以及无损特性而受

Figure 10. Pore structure evaluation methods and their advantages and disadvantages

图10. 孔隙结构评估方法及其优缺点

到青睐，能够精确测定孔隙率，但这种方法的成本较高，实验流程也相对复杂。阴极发光技术因其高效性和精确性，在表征原始孔隙度和渗透率方面具有显著优势，特别适合于定量分析砂岩储层的孔隙结构特征[64]。小角度中子散射技术因其广泛的孔径测量范围和高精度的孔隙结构信息提取能力而受到认可，该技术对样品无破坏，使其成为研究孔隙结构的一个有效工具。然而，这一方法的操作过程相对复杂，且在实际应用中并不常见。数字岩心法则通过模拟那些在实验室条件下难以实现的实验情景，允许对岩石孔隙结构进行单一因素的定量分析，这种方法因其能够提供更深入的岩石物理属性理解而受到学术界的广泛关注。

电阻率测井的结果易受储层岩性、物理特性、孔隙构造及孔隙内流体特性的明显作用[65]。因此，在评估储层孔隙结构时，应在岩性、物理性质和流体性质一致的条件下进行，以确保获得较为可靠的评估结果。在探讨孔隙结构复杂的致密储层时，我们发现微纳米级孔隙非常发达，这对声波测井技术提出了挑战。声波测井技术在探测孔径和孔隙形态方面存在一定的局限性，尤其是在致密储层中，微纳米级孔隙结构对声波时频信号的影响机制尚未被完全理解。这限制了声波测井技术在评估致密储层孔隙结构方面的应用效果。因此，尽管声波测井能够提供有关储层孔隙结构的重要信息，但在微纳米级孔隙非常发达的致密储层中，其探测能力受限，且对声波信号的具体影响机制仍需进一步研究。这些因素严重限制了声波测井在评估致密储层孔隙结构中的应用[66]。核磁共振测井对孔隙结构的响应灵敏，这种技术易于操作且迅速，能够持续、定量且详尽地描绘储层的孔隙构造，同时避免了对样本的破坏，得到的实验数据相较于压汞法更为精准[67]。核磁共振技术在分析致密储层的孔隙结构方面显示出明显的优势。但是，由于核磁共振仪器的成本较为昂贵，这限制了其在更广泛领域的应用。致密砂岩储层的复杂孔隙结构导致了其在水驱过程中的油水流动特性与普通砂岩有显著不同，而这种孔隙结构的差异性直接关系到水驱后剩余油的储量和分布情况[68] [69]。因此，精确识别致密砂岩中的孔喉类型和储集空间对于科学评估储层潜力及实现储层的高效开发至关重要[70]。

4. 结论

砂岩的孔隙结构对于非常规油气资源的勘探和开发具有关键性的影响。随着全球能源需求的上升和传统油气资源的减少，非常规油气资源的开发变得越来越重要。砂岩孔隙结构的复杂性直接影响油气的储存和流动特性，进而影响其开采效率和经济价值。因此，深入研究砂岩孔隙结构对于提高油气资源的勘探成功率、开发效率和采收率，以及实现资源的高效利用具有重要的科学和实际应用价值。

间接测量技术，如压汞法、半透膜法和离心法，为分析储层的孔隙结构特性提供了关键的实验信息。直接观测法，如铸体薄片法、扫描电子显微镜(SEM)、计算机断层扫描(CT)技术等，为岩石孔隙结构的直观分析提供了有效手段。测井资料评价方法，如电阻率法、核磁共振法和声波时差法，利用测井数据对储层孔隙结构进行评价，具有高纵向分辨率的优势。各种技术各有其独特的长处与局限。例如，压汞法操作简便、快速且准确性高，但难以模拟油层的实际温压条件；半透膜技术模拟油藏驱替过程相似，但实验周期长、耐压能力有限；离心机法操作简便、测试速度快、重复性好，但设备成本高；气体吸附技术主要用来分析孔径在300纳米以下储层的孔隙构造；CT扫描技术测量速度快，能够全面观察岩心内部结构特征，但成本较高且实验过程复杂；阴极发光技术因其高效率和精确度而被广泛用于表征岩石的原始孔隙度和渗透率；小角度中子散射法(SANS)因其广泛的孔径测量范围和高精度的孔隙结构信息提取能力而被广泛应用于孔隙结构的分析，但试验过程较为繁琐；数字岩心法能模拟室内实验难以实现的情况，并对岩石孔隙结构进行单因素定量分析；电阻率测井受到储层的岩性、物理性质、孔隙结构以及孔隙中流体性质的显著影响；核磁共振测井对孔隙结构的响应灵敏，操作简单且快速，能够连续、定量、详细地描述储层孔隙结构，但设备成本较高。

总体而言，砂岩孔隙结构的研究对于油气资源的有效开发至关重要，对于保障能源安全、推动技术进步、保护环境以及实现社会经济的可持续发展具有深远的影响。随着技术的进步和新方法的应用，我们有望在未来进一步提高油气资源的开采效率，实现资源的最大化利用，为全球能源的可持续发展做出贡献。

NOTES

^*通讯作者。