储层孔隙的“渗流” 分类方案及其意义

代金友 林立新

（1. 油气资源与探测国家重点实验室（中国石油大学（北京） ）， 北京 102249；2. 中国石油大学（北京） 石油工程学院， 北京 102249）

0 引 言

储层是能够储存和渗滤流体的岩层。 储层的基本特性是孔隙性和渗透性。 储层孔隙性决定储层渗透性， 因此储层孔隙性研究是储层渗透性研究的基础。 储层孔隙性研究往往以储层孔隙分类为前提，研究目的不同， 孔隙分类方案也不相同。 目前， 具有代表性的孔隙分类方案可归纳为5 类： （1） 成因分类， 将储层孔隙分为原生孔隙、 次生孔隙2 大类［1］； （2） 产状分类， 将储层孔隙分为粒间孔隙、粒内孔隙、 填隙物内孔隙及裂隙4 大类［2］； （3）组合关系分类， 将储层孔隙分为孔道和喉道2 大类［3］； （4） 孔径大小分类， 将储层孔隙分为超毛细管孔隙、 毛细管孔隙和微毛细管孔隙3 大类［4］；（5） 连通性分类， 将储层孔隙分为连通孔隙和死孔隙2 大类［5］。 上述分类方案被广泛地应用于储层孔隙表征和孔隙结构研究［6-11］， 促进了对于储层孔隙性的认识。

然而， 在储层流体渗流过程中， 由于受到渗流阻力的影响， 参与“渗流” 的孔喉网络规模与驱动压力密切相关。 当驱动压力一定时， 储层中只有孔喉尺度大于某一界限的孔喉网络可以发生渗流，而低于这一界限的孔喉网络则不能发生渗流。 随着驱动压力的变化， 参与“渗流” 的孔喉网络规模也发生渐扩或渐缩。 因此， “渗流” 孔喉网络的规模具有“动态” 性。 目前， 储层孔隙的分类方案均属“静态” 分类， 不能满足储层流体渗流的“动态” 特性要求， 不利于储层不同尺度孔隙中流体流动状态的判定。 为了更高效地进行油气开发，建立与渗流“动态” 相适应的储层孔隙的“渗流”分类方案具有重要的现实意义。 为此， 在储层不同尺度孔隙渗流能力、 渗流特性和渗流状态分析基础上， 提出了一种与储层流体渗流“动态” 特性相适应的储层孔隙“渗流” 分类方案。

1 分类依据

1.1 储层不同尺度孔隙渗流能力

储层孔喉网络中多数孔隙总能找到与其相配位连通的其他孔隙， 然而也存在少数不连通孔隙（或死孔隙）， 流体渗流主要发生在连通孔隙中。储层连通孔隙由孔径不一、 形态各异的孔喉网络相互交织耦合构成。 储层孔喉网络的复杂性、 尤其是孔喉分布的级次性必然对流体的渗流产生直接影响。 为此， 前人根据孔径大小将孔隙分为超毛细管孔隙、 毛细管孔隙和微毛细管孔隙3 类［3-5］。 其中，超毛细管孔隙是指孔径大于500 μm 的毫米级孔隙， 其中液体在重力的作用下可自由流动； 毛细管孔隙是指孔径0.2～500 μm 的微米级孔隙， 其中液体质点受毛管力以及周围固体界面分子力的作用不能自由流动， 只有在驱动压力的作用下才能流动；微毛细管孔隙是指孔径小于0.2 μm 的纳米级孔隙， 其中液体质点受毛管力以及周围固体界面分子间引力很大， 在通常驱动压力作用下液体不能流动而呈吸附态（表1）。

表1 储层不同类型孔隙渗流能力Table 1 Seepage capacity of different types of pores in the reservoir

1.2 储层渗流状态

根据储层渗流阶段的不同， 储层存在成藏、 生产和理论渗流3 种典型渗流状态：

（1） 成藏渗流状态是成藏阶段储层中充注孔隙参与渗流的状态；

（2） 生产渗流状态是指生产阶段流动孔隙参与渗流的状态；

（3） 理论渗流状态是指储层中有效连通孔隙（或超毛细管、 毛细管孔喉） 全部参与渗流的一种理想渗流（或极限渗流） 状态。 其无特定渗流阶段， 可处于成藏或生产的任意渗流阶段。 对于特定储层， 只有当充注压力或驱动压力足以使有效连通孔喉流体100% 动用时， 储层才处于理论渗流状态。

1.3 储层孔隙渗流特征

储层渗流状态不同， 参与“渗流” 的孔喉网络规模也不相同。 因此， 储层孔隙的渗流特征与其所处的渗流状态有关， 3 种渗流状态下的储层孔隙渗流特征为：

（1） 在成藏渗流状态下， 油气并非100%充满有效连通孔隙， 充满程度主要取决于充注压力和渗流阻力的关系。 在充注压力和渗流阻力作用下， 油气首先进入储层中阻力较小的大孔隙网络， 在大孔隙网络饱和后， 再依次逐步进入相对较小的孔隙网络， 这一过程一直持续到与充注压力相匹配的有效连通孔隙空间全部充满油气为止。 当充注压力较小时， 有效连通孔隙油气充满程度较低； 反之亦然。这一过程中， 被油气充满的有效连通孔隙部分为充注孔隙， 反之为不可充注孔隙。

（2） 在生产渗流状态下， 有效连通孔隙中的流体也不是100%可以流动， 其动用程度主要取决于驱动压力和渗流阻力。 在驱动压力和渗流阻力作用下， 储层中阻力较小的大孔隙网络中流体优先动用， 然后相对较小的储层孔隙网络中流体再依次动用， 这一过程一直持续到与驱动压力相匹配的有效连通孔隙内流体全部动用为止。 当驱动压力较小时， 有效连通孔隙中流体动用程度较低； 反之亦然。 这一过程中， 动用的有效连通孔隙部分为流动孔隙， 反之为不可流动孔隙。

（3） 在理论渗流状态下， 对于连通孔隙， 液体渗流主要发生在超毛细管和毛细管孔隙中， 而微毛细管孔隙不具有理论上的流动性。 故连通的超毛细管和毛细管孔隙为有效连通孔隙， 而微毛细管孔隙则为无效孔隙。

2 分类方案

依据储层不同尺度孔隙渗流能力、 渗流特征和渗流状态的差异， 提出与渗流“动态” 特性相适应的储层孔隙“渗流” 分类方案， 将储层孔隙分为总孔隙、 连通孔隙、 有效连通孔隙、 流动孔隙和充注孔隙5 种“渗流” 孔隙类型。

通过储层孔隙模型可直观表达出这5 种“渗流” 孔隙类型（图1）， 各类孔隙特征如下：

（1） 总孔隙： 该孔隙是储层连通和不连通孔隙的总和， 亦称绝对孔隙。 总孔隙构成了储集岩中流体赋存的孔喉网络空间。 总孔隙对应总孔隙度，总孔隙度（或绝对孔隙度） 可表示为

式中：φa——总孔隙度，%；

Va——总孔隙体积， cm3；

V——岩样体积， cm3；

Vc——连通孔隙体积， cm3；

Vd——死孔隙体积， cm3。

（2） 连通孔隙： 该孔隙是储层超毛细管、 毛细管和微毛细管孔隙的总和， 亦称传质孔隙。 连通孔隙构成了储集岩中流体传质的孔喉网络空间。 这里的传质具有双重性， 一是指流体在超毛细管和毛细管孔隙中的渗流， 即在驱动压力作用下流体注入或产出； 二是指在微毛细管孔隙中存在浓度差的流体组分的扩散。 其中， 渗流传质为主， 扩散传质为辅。 连通孔隙对应连通孔隙度， 其表达式为

式中φc——连通孔隙度，%。

（3） 有效连通孔隙： 该孔隙是储层超毛细管、毛细管孔隙的总和， 亦称理论渗流孔隙。 有效连通孔隙构成了储集岩中流体理论渗流的孔喉网络空间。 有效连通孔隙对应有效孔隙度， 其表达式为

式中：φe——有效孔隙度，%；

Ve——有效连通孔隙体积， cm3。

（4） 流动孔隙： 该孔隙是储层生产条件下能够参与渗流的超毛细管、 毛细管孔隙的总和， 亦称生产渗流孔隙。 流动孔隙构成了储集岩中流体生产渗流的孔喉网络空间。 流动孔隙对应流动孔隙度，其表达式为

式中：φf——流动孔隙度，%；

Δp——驱动压力， MPa；

Vf——流动孔隙体积， cm3。

（5） 充注孔隙： 该孔隙是储层成藏条件下能够参与渗流的超毛细管、 毛细管孔隙的总和， 亦称充注渗流孔隙。 充注孔隙构成了储集岩中油气充注渗流的孔喉网络空间， 即油气赋存空间。 充注孔隙对应充注孔隙度， 其表达式为

式中：φin——充注孔隙度，%；

Δpin——充注压力， MPa；

Vin——充注孔隙体积， cm3。

3 分类方案的特点

与储层孔隙的“静态” 分类方案相比， “渗流” 分类方案具有3 个特点：

（1） 与渗流“动态” 特性相适应： 随着驱动压力的变化， 储层流体渗流空间呈渐扩或渐缩特征， “静态” 孔隙难以与渗流空间的“动态” 变化建立直接联系。 相对而言， “渗流” 孔隙表现为与驱动压力相关的函数， 因而能够与渗流空间的“动态” 特性相适应。

（2） “渗流” 孔隙之间具有包容关系： 以往的“静态” 孔隙分类方案中各类孔隙之间具有清晰的界限， 不同类型孔隙之间相互独立、 互不相交。 如从成因角度来看， 原生孔隙和次生孔隙是不同的孔隙类型； 从连通性来看， 连通孔隙和死孔隙具有明确的界限； 从产状来看， 粒间孔隙和填隙物内孔隙也是互不相容的。 而储层孔隙的“渗流” 分类方案中， “渗流” 孔隙之间不是相互独立的， 而是具有一定的包容关系。

（3） 求和不归一性： 以往的“静态” 分类方案中各类孔隙之间具有求和归一性， 即不同类型孔隙的体积之和等于总孔隙体积， 不同类型孔隙的孔隙度之和等于总孔隙度。 而“渗流” 分类方案中，不同“渗流” 孔隙体积之间的包容关系决定了其不存在求和归一性。

4 分类方案的意义

4.1 解决了“静态” 孔隙和“渗流” 孔隙度不匹配的问题

原有分类方案中储层“静态” 孔隙类型很多，对应的“静态” 孔隙度也很多。 如原生孔隙度、次生孔隙度、 粒间孔隙度、 粒内孔隙度、 填隙物内孔隙度及裂隙孔隙度等； 然而油田开发实践中很少应用“静态” 孔隙度， 而主要应用“渗流” 孔隙度， 如总孔隙度、 连通孔隙度、 有效孔隙度、 流动孔隙度等。 然而， 在“静态” 分类方案中， 这些“渗流” 孔隙度所对应的孔隙类型并不明确， 缺乏清晰的“渗流” 孔隙原型； 而储层孔隙的“渗流”分类方案则提供了“渗流” 孔隙度所对应的孔隙原型， 使得“渗流” 孔隙和“渗流” 孔隙度之间的对应关系得以明确， 有效解决了这种“静态”孔隙和“渗流” 孔隙度不匹配问题。

4.2 建立了与“渗流” 动态特性相适应的孔隙度分类体系

储层孔隙的“渗流” 分类方案是一种“动态”分类方案， 相较于以往的“静态” 分类方案， 该方案划分的孔隙类型之间具有“包容性” 和“求和不归一性” 特点。 该方案确定的5 种“渗流”孔隙类型（总孔隙、 连通孔隙、 有效孔隙、 流动孔隙和充注孔隙）， 较好地涵盖了储层流体渗流的5 种孔隙尺度范围（赋存孔隙、 传质孔隙、 理论渗流孔隙、 生产渗流孔隙和充注渗流孔隙） 和3 种渗流状态（理论、 生产和充注渗流）， 能够客观地反映储层不同渗流状态间的联系， 对储层的理论渗流下限、 生产渗流下限和充注渗流下限的确定具有实际指导意义。 同时“渗流” 孔隙和“渗流” 孔隙度相互对应， 界限清晰， 形成了统一的“渗流”孔隙和“渗流” 孔隙度体系， 有利于开展不同渗流状态下的渗流理论与应用研究。

4.3 有助于消除不同学者对“渗流” 孔隙度认识的分歧

目前， 人们对于储层“渗流” 孔隙度的认识尚不统一。 何更生等［3］定义了绝对孔隙度、 连通孔隙度、 有效孔隙度和流动孔隙度； 纪友亮等［4］、杨胜来等［5］也分别定义了绝对孔隙度、 有效孔隙度和流动孔隙度。 以上学者对绝对孔隙度（或总孔隙度） 和流动孔隙度的定义与此次“渗流” 分类方案一致， 而有效孔隙度的定义则各不相同。 其中， 何更生等［3］定义的有效孔隙度（岩石中烃类体积与岩石总体积之比） 相当于“渗流” 分类方案中的充注孔隙度； 纪友亮等［4］定义的有效孔隙度（参与渗流的连通孔隙体积与岩石总体积之比）相当于“渗流” 分类方案中的有效孔隙度； 而杨胜来等［5］定义的有效孔隙度（连通孔隙体积与岩石总体积之比） 相当于“渗流” 分类方案中的连通孔隙度。 由此可见， 缺乏统一的储层孔隙的“渗流” 分类方案是导致不同学者对“渗流” 孔隙度、 尤其是有效孔隙度定义分歧的主要原因。

4.4 有助于推动“渗流” 孔隙度针对性测试技术的发展

目前， 尽管实验室测定孔隙度的方法较为成熟［12-15］， 但测定的孔隙度与5 种“渗流” 孔隙度之间的对应关系尚不明确。 主要表现在5 个方面：

（1） 岩石不连通孔隙（或死孔隙） 单独识别和测定的方法报道较少， 储层总孔隙度目前尚无法准确测定；

（2） 连通孔隙流体传质的双重性决定了液体无法进入微毛管孔隙， 因此常规的实验室液体饱和法不能测定连通孔隙度； 与之相比， 气体能够一定程度地进入岩石微毛管孔隙， 采用气体法可大致确定连通孔隙度。 当实验气体分别为氮气或氦气时，与氮气相比， 氦气相对分子质量更小能够进入更小的岩石孔隙［5］， 因而采用氦气测定连通孔隙度较氮气更为精确。 这说明不同的实验气体测得的连通孔隙度是不同的， 如何通过实验手段能够更为准确地测定连通孔隙度仍是一个需要努力的方向；

（3） 连通孔隙由微毛细管孔隙、 毛细管孔隙和超毛细管孔隙构成， 有效连通孔隙由毛细管孔隙和超毛细管孔隙构成， 只有确定了微毛细管孔隙和毛细管孔隙分界点（理论渗流下限点）， 才能测定有效孔隙度。 因此， 确定理论渗流下限点是确定有效孔隙度的关键；

（4） 储层流动孔隙度与具体的生产条件有关，并不是一个固定值， 而是通过与驱动压力相关的函数来确定， 因而流动孔隙度的确定需要考虑生产压差因素；

（5） 储层充注孔隙度与具体的成藏条件有关，也不是一个确定值， 而是通过与充注压力相关的函数来确定， 因而充注孔隙度的确定需要考虑成藏动力因素［16-17］。

上述分析表明， 5 种“渗流” 孔隙度中， 除连通孔隙度可以采用气体法大致确定外， 其他4 种“渗流” 孔隙度该如何确定， 依然是一个极具实践意义的现实而又迫切的问题， 发展针对性的测试技术是解决这一问题根本所在。

4.5 有助于“渗流” 孔隙度应用的规范化

以利用容积法计算石油地质储量为例进行说明。 容积法计算地质储量公式为

式（10）说明，储层流动孔隙原始含油饱和度是驱动压力的分段函数。 当驱动压力大于（等于）充注压力时，油气全部动用，Soi-f≤100%；而当驱动压力小于充注压力时，油气只能部分动用，Soi-f＝100%。

充注孔隙原始含油饱和度Soi-in可表达为

式（11） 说明， 充注孔隙原始含油饱和度Soi-in始终为100%。

综合式（1） —式（11）， 可以得到

由式（12） 可得出3 点认识： （1） 储层总孔隙中原油体积、 储层连通孔隙中原油体积、 储层有效孔隙中原油体积与储层充注孔隙中原油体积始终是相等的；

（2） 当驱动压力大于（等于） 充注压力时，油气得到全部动用， 此时储层充注孔隙中原油体积与储层流动孔隙中原油体积也相等；

（3） 当驱动压力小于充注压力时， 油气得到部分动用， 此时储层充注孔隙中原油体积大于储层流动孔隙中原油体积。

综上所述， 容积法地质储量计算公式实际上隐含了4 种形式：

因此， 在采用容积法进行石油地质储量计算时， 无论采用哪种表达形式， 公式中的“渗流”孔隙原始含油饱和度都必须和相应的“渗流” 孔隙度相匹配。 例如公式（14） 中采用连通孔隙原始含油饱和度Soi-c， 则孔隙度必须为连通孔隙度φc。 此时若采用总孔隙度φa， 则储量计算结果就会比实际大； 此时若采用有效孔隙φe， 则计算储量又会比实际小。 可见， 从应用角度来看， 储层孔隙的“渗流” 分类方案有助于“渗流” 孔隙度应用的规范化。

4.6 有助于判断油气动用状况

充注孔隙度可看作成藏过程中反映储层油气充注程度的度量， 流动孔隙度可看做油气开发过程中反映储层流体动用程度的度量。 因此， 可以利用充注孔隙度与流动孔隙度的相对大小来判断油气动用状况。 定义流动充注比为η， 其表达式为

流动充注比η为驱动压力和充注压力的耦合函数。 当Δp＜Δpin时，η＜1， 此时流动孔隙度小于充注孔隙度， 油气部分动用； 当Δp＝Δpin时，η＝1， 此时流动孔隙度等于充注孔隙度， 油气刚好完全动用； 当Δp＞Δpin时，η＞1， 此时流动孔隙度大于充注孔隙度， 油气完全动用且产水。

因此， 在油田开发过程中， 可以利用流动充注比判断油气动用状况并为生产压差优化调整提供依据。

5 储层孔隙“渗流” 分类的应用

这里主要讨论3 种“渗流” 孔隙度（有效孔隙度、 流动孔隙度和充注孔隙度） 的确定方法，这3 种孔隙度均可以通过压汞法确定（图2）。

（1） 当压汞曲线达到最大进汞饱和度后， 继续增加压力进汞饱和度保持不变， 最大进汞饱和度保持不变的初始点可视为毛细管孔隙与微毛细管孔隙分界点， 此处的孔隙度即为有效孔隙度（图2中A点）。

（2） 流动孔隙度需结合油田生产压差来综合确定， 即生产压差对应的孔隙度（图2 中B点）即为流动孔隙度。

（3） 充注孔隙度需结合储层原始含气饱和度来综合确定， 即原始含油饱和度对应的孔隙度（图2 中C点） 即为充注孔隙度。

此3 种孔隙度可表达为

式中：φi——有效孔隙度、 流动孔隙度或充注孔隙度，%；

Si——进汞饱和度，%。

以X 油田为例进行说明。 X 油田构造隶属于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡西南部， 油田主产层为三叠系上统延长组长63油组， 储层平均连通孔隙度为10.9%， 平均渗透率为0.15×10-3μm2， 属于低渗透储层， 孔隙结构复杂［18］。

根据X 油田的储层地质特点， 在样品采集和物性分析的基础上， 对选取的5 块岩样进行高压压汞实验测试（表2）。 以3＃岩样为例， 根据压汞曲线来确定渗流孔隙度（图3）。 当进汞压力达到49.5 MPa时， 样品达到最大进汞饱和度88.3%，此后随着进汞压力的继续增加， 最大进汞饱和度始终保持不变。

表2 压汞岩样特征Table 2 Characteristics of mercury injection rock samples

因此， 图3 中A点对应有效孔隙度。 由于测试储层连通孔隙度9.21%， 根据式（18） 计算有效孔隙度为8.1%。 生产资料统计表明， 该井的生产压差3 MPa （相当于实验压力44.1 MPa）。 因此， 图3 中B点对应流动孔隙度， 其所对应的进汞饱和度为85.9%， 根据式 （18） 计算流动孔隙度为7.9%。 已知3＃岩样储层原始含油饱和度为56%，因此， 图3 中C点对应充注孔隙度， 根据式（18）计算充注孔隙度为5.2%。 由于流动孔隙度大于充注孔隙度， 流动充注比大于1， 因此该井产水， 与实际情况吻合。

6 结 论

（1） 储层孔隙的“渗流” 分类方案是一种“动态” 分类方案， 相较于以往储层孔隙的“静态”分类方案， 该方案确定的5 种“渗流” 孔隙类型（总孔隙、 连通孔隙、 有效孔隙、 流动孔隙和充注孔隙） 间具有“包容性” 和“求和不归一性” 特点， 涵盖了储层流体渗流的5 种空间（赋存、 传质、 理论渗流、 生产渗流和成藏渗流空间） 和3 种渗流状态（理论、 生产和成藏渗流）， 能够适应储层流体渗流的“动态” 特性要求， 并客观地反映了储层不同的渗流状态之间的联系。

（2） 储层孔隙的“渗流” 分类方案有效地解决了现有分类方案中“静态” 孔隙和“渗流” 孔隙度不匹配问题， 从而建立了与“渗流” 动态相适应的统一的“渗流” 孔隙度体系， 有助于消除不同学者对“渗流” 孔隙度、 尤其是有效孔隙度理解的分歧， 有助于推动“渗流” 孔隙度针对性测试技术的发展和规范化应用。