2016, Vol. 38
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2. "油气资源与勘探"国家重点实验室·中国石油大学(北京), 北京 昌平 102249
2. State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting, China University of Petroleum, Changping, Beijing 102249, China
储层物性下限为储层有效厚度起算时对应的孔隙度、渗透率值。从石油进入工业化生产直到今天，储层物性下限的问题一直受到普遍关注。随着近几年对低孔低渗储层研究的深入，储层物性下限成为评价此类储层的一个重要指标。
国内外大量学者对常规与非常规储层的物性下限进行过研究[1-5]。早在20世纪50年代物性下限这一概念被提出并应用于石油行业，1971年，Snyder首次提出一种储层厚度的分类与定义，将可以储集和渗滤流体的储集岩对应的孔隙度、渗透率下限值作为储层物性下限。2003年Worthington P F & Cosentino L提出一种储层厚度的分类（图 1）并被多位学者引用[6-8]，其将有效储层厚度（Net reservoir）对应的物性值作为物性下限。虽然对储层厚度的分类与定义不尽相同[9-14]，但普遍认同的是，储层物性下限是达到储量起算标准的含油气层系中具有产油气能力的那部分储层对应的物性值。
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| 图1 不同储层厚度示意图（据Worthington & Cosentino，2003） Fig. 1 Schematic of different reservoir thickness (from Worthington & Cosentino, 2003) |
目前，有许多确定储层物性下限的方法，但缺乏全面系统的物性下限影响因素及方法的对比与适用性分析研究。本文将从影响因素、确定方法、适用性等几个方面展开讨论。
2 物性下限的影响因素低孔低渗储层的物性下限不仅与石油政策、开发工艺有关，还受原油性质、储层岩性、孔隙结构等诸多因素影响。归纳起来主要包括两大类：（1）经济技术因素；（2）地质因素。
2.1 经济技术因素经济因素主要有石油政策、开发工艺、经济指标、油层改造技术、分析化验、资料丰度等[15-18]。石油政策、经济指标控制着工业油、气流井标准的制定，因而也对储层物性下限的确定产生影响；随着开发工艺水平和油层改造技术的提高，更低物性的储层中的油气被开采出来，物性下限标准随之降低，如对低孔低渗储层进行适当的酸化压裂处理，可使储层孔隙连通性变好，有效地提高产能。地区资料丰度的增加，可以对油气储层认识的更加全面具体，由此制定的下限标准会更加可靠。
2.2 地质因素 2.2.1 原油性质由于原油的性质，特别是原油黏度的不同，会导致原油在相同地层中渗流能力不同，据此得出的物性下限也会发生变化，因此原油性质是确定物性下限时需考虑因素之一。郭睿通过对国外64个油田和区块进行统计分析发现，油层物性下限值与原油性质存在密切关系[19]。原油密度越小、黏度越低，其对应的物性下限值越低。王艳忠等进一步总结为原油密度与物性下限呈线性关系，原油黏度与物性下限呈指数关系[20]。
2.2.2 岩性因素对于不同岩性的储层，物性下限会存在较大差别。岩石组分中石英含量越高，非均质性越低，物性越好，采收率越高，其对应储层的物性下限值越低。因此纯石英砂岩具有较低的下限值，而随泥质含量与碳酸盐胶结物含量的增加，储层渗透能力会迅速下降，导致下限值增高。例如榆林气田S2段发育纯石英岩，孔隙度小于4%、渗透率小于0.08 mD的储层仍有较强产出能力[21]。
2.2.3 孔隙类型低孔低渗储层多经历复杂的成岩作用如压实作用、胶结作用、溶蚀作用等，在不同成岩作用下会形成多种孔隙类型，而不同孔隙类型对储层的储集渗流能力的贡献不同。粒间孔型储层优于溶孔和微孔型储层。在同等渗透率条件下，粒间孔的孔隙度远低于溶孔孔隙度，因而粒间孔型储层具有更低的物性下限[21]。当储层裂缝发育并作为主要（或部分）渗流通道时，储层流体的流动方式会不同于以基质渗透率为主的储层，相应物性下限值会有较大差异。Schafer J N[22]通过研究天然裂缝发育的奥斯汀白垩系，发现裂缝指数与产能具有较好相关性，可用裂缝指数制定储层物性下限。
2.2.4 采油机理低孔低渗储层不同于常规储层，需经过一系列的生产措施，如注水开发才能获得较好产能。因采油机理不同，初次采油的下限值与注水开发的下限值会有差异[3-4, 23]，一般前者小于等于后者。初次采油的动力来自于地层天然能量，经历压力衰减的储层都会对油气产能有贡献，因此部分低渗透储层可产出油气，为有效储层；而二次采油（注水开发）的动力来自注水的驱动力，储层能否产出油气取决于注水是否波及，因此，在侧向连通性差和渗透率非均质性强的储层中，初次采油阶段的部分有效储层，在注水开发时因不受注水波及变为非有效储层。
2.2.5 地层温度油气成藏过程中的主要阻力是毛细管力，储层中毛细管力受孔喉半径、界面张力及润湿角的影响。有研究表明，油水界面张力随温度增加呈线性递减[24]。因此在流体性质确定的情况下，随油水张力减小，相同孔隙半径成藏阻力减小，更小的孔隙能够储集和渗滤流体，成为有效储层。因此，温度升高，储层的物性下限降低。
2.2.6 地层压力根据地层压力与饱和压力的相对大小可以分两种情况。当饱和压力大于地层压力时，随地层压力增加，原始溶解气油比增加，导致油水界面张力增加，相同的孔隙半径成藏阻力增加，最终导致物性下限值的增大；而当饱和压力小于地层压力时，随着压力增加，原油受到压缩，油水分子间作用力增加，油水界面张力降低，成藏阻力减小，物性下限降低[25]。如果超压发育，地层作用于流体的压力增加，油气能够进入更小的孔隙，并且当超压产生的剩余压力达到岩石破裂压力时，储层产生裂缝，更小孔隙的储层可以储集渗滤流体。因此，大于饱和压力时，随压力增大，储层的物性下限降低。
2.2.7 其他因素除上述因素之外还有埋藏深度[19]、油气藏高度[18]、成藏组合[21]、沉积作用、成岩作用[26-27]、构造位置与风化程度[28]、砂体厚度[27]等。这些诸多因素之间并不是相互独立的，而是相互影响，相互作用的，譬如埋藏深度影响地层温度与压力，沉积作用、成岩作用影响岩性和孔隙结构。在确定储层的物性下限时，不可能也没必要把所有因素都考虑在内，而是依据研究区的实际情况考虑主控因素。如王艳忠等[20]在研究东营凹陷古近系深部碎屑岩储层时将地温梯度、地层压力作为物性下限主控因素，而将储层性质、原油性质作为非主要因素。
3 储层物性下限的确定方法现有的方法归纳起来主要是基于岩芯资料、试油资料和测井资料。岩芯资料与试油资料属于第一性的资料，但数量有限，测井资料是最基本的资料，但属于间接资料，只有结合多种资料，相互补充和说明才能更精确地确定物性下限。
3.1 以岩芯资料为基础的方法 3.1.1 经验统计法经验统计法是以岩芯分析孔隙度、渗透率为基础，统计累计能力丢失曲线，一般取累计的5%作为可忽略累计储层能力的界限，其对应的孔隙度、渗透率值定为储层的物性下限。对大港油田某区采用经验统计法确定物性下限（图 2），从图 2可以看出，孔隙度与渗透率值下限值分别为6%、0.1 mD，与其他方法确定的下限值吻合。
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| 图2 经验统计法确定物性下限示意图（数据源自大港油田） Fig. 2 Schematic of statistics method for determining cutoff (data from Dagang Oilfield) |
一定压差下油气能否从岩石中流出，取决于孔喉半径的大小，这种能够使油气渗流的最小孔隙喉道称为油气的最小流动孔喉半径。
根据最小流动孔喉半径与孔隙度、渗透率的关系可以确定储层的物性下限。计算最小流动孔喉半径的方法有：核磁共振法[29-30]、水膜厚度法[31-32]、Wall法[33-34]、Purcell法[35-36]。
对新疆油田某区用Wall法和Purcell法计算出最小流动孔喉半径为0.138 µm，根据孔喉半径与孔隙度、渗透率的对应关系（图 3），得出0.138 µm的孔喉半径对应的孔隙度、渗透率分别为7.0%、1.0 mD，与孔隙度渗透率交会法、储层品质指数法等方法确定的下限值一致，因此，可作为研究区储层的物性下限。
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| 图3 最小流动孔喉半径法确定物性下限（数据源自新疆油田） Fig. 3 Schematic of minimum flow pore throat radius method for determining cutoff (data from Xinjiang Oilfield) |
研究认为，束缚水饱和度大于80%的储层，其储集空间主要为微孔隙，储集和渗流能力较差[37]。建立束缚水饱和度与孔隙度的关系，取束缚水饱和度为80%时对应的孔隙度值作为储层物性下限。王艳忠等对车镇凹陷古近系深层（3 400~3 600 m）进行研究[26]，采用束缚水饱和度法确定出研究区孔隙度下限为7.02%，与其用测试法等方法确定的结果基本一致。
3.1.4 孔隙度渗透率交会法绘制孔隙度与渗透率交会图，一般孔隙度与渗透率的关系可划分成3段：第1段孔隙度增大而渗透率略有增加，说明该段孔隙连通性很差，基本无渗流能力；第2段随孔隙度增加渗透率有明显增加，说明渗流能力增强；第3段随孔隙度增加渗透率急剧增加，说明渗流能力快速增强。据此将第1段与第2段的转折点作为储层的物性下限。对新疆油田某区块用孔隙度渗透率交会法（图 4）确定出孔隙度、渗透率下限分别为7.0%，1.0 mD，与最小流动孔喉半径法确定的结果吻合。
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| 图4 孔隙度渗透率交会法确定储层物性下限（数据源自新疆油田） Fig. 4 Porosity vs. permeability method for determining cutoff (data from Xinjiang Oilfield) |
在低孔低渗储层中，可动流体饱和度是评价储层质量优劣及确定产能下限的重要参数之一[38]。在核磁共振实验获取可动流体饱和度基础上，建立可动流体饱和度与孔隙度、渗透率的关系，并依据可动流体饱和度的下限确定储层的物性下限。廊坊国家重点实验室研究表明，有商业开采价值的产层可动流体饱和度界限不应低于10%。据此魏小薇等[38]确定出川中LA构造沙一段孔隙度下限为3%，焦翠华等[33]确定出永定油田西山窑组储层孔隙度、渗透率下限分别为6%，0.1 mD，均与其他多种方法确定的结果较为一致。
3.1.6 相渗曲线与含水饱和度孔隙度关系组合法通过分析相对渗透率曲线，油相相对渗透率曲线常存在一个拐点，拐点对应的含水饱和度是能否有油气产能的标志，含水饱和度大于该点时主要产水，并且该拐点靠近相渗曲线交叉点，因此可以将拐点或交叉点作为储层下限标准（图 5）。高阳等[39]通过此方法确定出河包场地区上三叠统须家河组储层孔隙度下限为7%，与最小流动孔喉半径等方法结果接近。
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| 图5 相渗曲线与含水饱和度孔隙度关系组合确定物性下限示意图 Fig. 5 Schematic of combination of relative permeability curve, water saturation and porosity method for determining cutoff |
流体在低渗透储层中流动需要压力梯度大于某一个临界值，这个值被称为启动压力梯度。前人研究表明，启动压力梯度与渗透率存在反比关系[33, 40]。在启动压力梯度与渗透率交会图中，启动压力梯度随渗透率减小而急剧增大的拐点对应的渗透率值即可作为储层物性下限。
3.1.8 储层品质指数法定义储层品质指数（RQI）[41]
| $ {R_{{\rm{QI}}}} = \sqrt {K/\phi } $ | (1) |
式中：RQI——储层品质指数，µm；
K——渗透率，mD；
ϕ——孔隙度，%。
做储层品质指数与物性参数的交会图，数据点包络线随物性参数值由小变大会出现一个突起的转折，转折点所对应的物性值即可作为储层物性下限[23]。用储层品质指数法求取新疆油田某区块储层的物性下限（图 6），从图 6中可以确定出孔隙度下限为7%。
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| 图6 储层品质指数法确定物性下限（数据源自新疆油田） Fig. 6 ϕ vs (K/ϕ)0.5 method for determining cutoff (data from Xinjiang Oilfield) |
除上述方法外，杨通佑[2]采用泥质含量法与泥浆侵入法确定储层的物性下限。蔡正旗等[42]采用建立孔隙度和喉道半径与含水饱和度的相关方程的相关公式法确定出孔隙度下限。魏小薇等[38]、刘成川[43]、黎菁等[44]、李烨等[34]通过模拟实验和数值模拟方法确定出储层物性下限。丁晓琪等[35]用孔喉分布法确定出孔喉半径下限，进一步再根据孔喉半径与孔隙度渗透率的关系求出储层物性下限。对于注水开发储层，Worthington P F[23]采用含水饱和度为束缚水饱和度时的油相相对渗透率与地层压力下空气渗透率交会法确定渗透率下限。
3.2 岩芯与试油资料相结合的方法 3.2.1 测试法对于单层测试资料较多，原油性质相近的地区，可以建立每米采油指数与渗透率的交会图，每米采油指数等于或近似零时的渗透率即可作为渗透率下限；对于单层测试资料不多，原油性质相差大的地区，可以将储层流度（K/µ0，µ0原油黏度，m-Pa·s）作为相关参数，建立每米采油指数与流度的关系，关系曲线上每米采油指数等于零时的流度即为流度的下限，根据原油黏度转化为渗透率下限。对塔里木油田某区块采用测试法求取物性下限（图 7），确定出渗透率下限值为0.1 mD。
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| 图7 测试法确定物性下限（数据源自塔里木油田） Fig. 7 Testing of well method for determining cutoff (data from Tarim Oilfield) |
试油资料是判断储层有效与否的非常直观准确的资料，因此，可以通过试油结论刻度储层参数确定储层下限。具体做法是绘制试油层段的孔隙度、渗透率交会图，有效储层与非有效储层（干层）在交会图中的分界对应的孔隙度、渗透率值即为储层的物性下限值。理论上，有效储层的孔隙度、渗透率值应大于非有效储层的孔隙度、渗透率值，但实际由于试油工艺、取样随机性、物性测试误差等原因，有效储层与非有效储层的孔隙度、渗透率值会有一定的掺杂，对于这种情况取二者损失概率相等的地方作为界限[37]。耿龙祥等[5]通过试油法确定出濮城油田储层的孔隙度、渗透率下限的范围值分别为11.1%~15.1%、1.3~3.4 mD，与经验统计法等方法确定的结果基本吻合。
3.2.3 含油产状法岩芯是认识地下油层最直接的资料。研究表明储层的物性与含油性具有较好的一致性，因此可以用含油产状确定物性下限。建立岩芯含油级别与试油结果和物性参数的关系，通过试油确定含油产状的下限，再通过含油产状下限确定物性下限。对新疆油田某区块采用含油产状法确定储层的物性下限（图 8），从图 8中可以看出，孔隙度、渗透率下限值分别为8%，1 mD，与孔隙度渗透率交会法等方法确定的结果基本一致。
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| 图8 含油产状法确定物性下限示意图（数据源自新疆油田） Fig. 8 Oil-bearing state method for determining cutoff (data from Xinjiang Oilfield) |
分布曲线函数法是从统计学角度出发，统计由试油资料确定的有效储层与非有效储层的物性，并据此分别绘制其对应的孔隙度频率和渗透率频率分布曲线，两曲线的交点对应的孔隙度值和渗透率值即为储层物性下限。但在实际应用时，有效储层与非有效储层之间会有一定程度的掺杂，这样分布曲线会存在交点。针对于这种情况，万玲等[45]（1999）提出了取二者损失概率相等的地方（即相交处）作为界限（图 9）。王艳忠等[26]通过此方法确定出车镇凹陷古近系深层碎屑岩储层的物性下限，与测试法、试油法等方法确定的结果基本一致。
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| 图9 分布曲线函数法确定物性下限示意图 Fig. 9 Schematic of distribution curve method for determining cutoff |
除上述方法外，周文等[46-47]、段新国等[48]、肖思和等[49]采用Hobson法、产能法、浮力法确定出物性下限。对于注水开发储层，Cobb W M & Marek F J[4]采用气体充填时间（gas fillup time）和含水率法确定储层渗透率下限。Moinard L L等[50]、Deakin M & Manan W[51]依据经验将气层渗透率下限确定为0.1 mD，Jeffries F S & Kemp E M[52]、Cordell J C & Ebert C K[53]、Boyer R C[54]依据经验将油层渗透率下限确定为1 mD。
3.3 以测井资料为基础的方法物性下限测井标准参数分为两类，一类是测量物理量，如：电阻率、自然电位、声波时差、密度等；另一类是计算物理量，如：孔隙度、泥质含量、渗透率、含水饱和度等[2]。仅用测井资料确定储层物性下限是不可靠的，需要以岩电研究和试油资料对其进行刻度，即“岩芯刻度测井”、“动态刻度静态”。最常用的方法是结合岩电研究和试油资料制作测井下限交会图版：（1）以Archie公式为基础的电阻率孔隙度交会图版[55]，以及由其衍生出来的电阻率声波时差（或密度、中子）交会图版[47-57]；（2）以成藏和两相渗流理论为基础的孔隙度饱和度交会图版[21, 58]；（3）其他测井响应及组合物理量交会图版，如反映气层的中子密度（或声波）交会图，反映储层物性声波和自然电位交会图版、声波和微电极幅度差交会图版[56]，可动油指数、岩性影响因子、初次采油指数与常规测井响应自然伽马、电阻率交会图版[59]，电阻率比值与可动油饱和度交会图版[60]。
3.4 物性下限确定方法适用性针对低孔低渗储层的物性下限的研究，国内外学者提出了各种各样的确定方法，每种物性下限的确定方法都存在一定适应条件与局限性（表 1）。因此，在实际应用时要结合研究区地质背景、储层特征及资料的占有情况选择合适的方法，并采用多种方法相互结合验证，避免单一方法带来的误差。值得一提的是，因为确定物性下限的最终目的是为油田的生产开发及储量计算服务，所以任何一种方法，除了表 1中提到的适用性，都应该结合实际生产数据，这样确定的物性下限才具有实用价值。
| 表1 储层物性下限确定方法的适用条件与局限性 Table 1 Applicability and limitations of methods for determining cutoff of net pay |
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总结近几十年油气储层物性下限研究的发展历程，其发展趋势主要体现在以下几个方面。
4.1 储层物性下限确定精度的提升以往由于实验条件的限制，储层物性下限的划分主要来自地质家或油藏工程师的经验估计[50, 53-54]。随着研究的深入及实验装备、技术的提升，以岩芯分析和试油资料为基础的确定储层物性下限的方法逐渐增多。储层物性下限划分参数在孔隙度、渗透率等静态参数的基础上逐渐增加了相对渗透率及油气黏度、流度等动态参数。此类动态参数比常规空气渗透率更能体现地层流体的流动性能[8, 61]。因此，随着技术的发展与研究的深入，油气储层物性下限划分精度得到逐步提升。
4.2 储层物性下限标准的变化随着生产技术与工艺不断改进提高，使得更低物性储层的油气可以开采，因此储层物性下限值发生由高到低的转变。钻井方面，由最初的直井到现在日益成熟的水平井、多分支井和鱼骨井以及特殊钻井工艺的发展等都对提高采收率有显著的作用[62]。采油方面，随着水平井及复杂结构井渗流、采油机理研究的深入，以及酸化压裂、微生物采油等技术的不断提升[63]，早期不能开采或难以开采的油气更多地被开采出来，即储层下限有显著降低。自20世纪60年代到80年代再到90年代，大庆油田渗透率下限依次由100.0~150.0 mD降低到25.0~40.0 mD再降低到0.5~1.0 mD，这与开发技术和采油工艺是息息相关的。
4.3 多学科的相互交叉、点线面体的相互结合为了获取准确的油气储层物性下限及扩大其应用规模，不仅需要岩石物理的岩芯分析资料与石油工程的试油资料作为基础，还要有测井、地震以及地质的分析处理解释，体现了多个学科间的交叉融合。岩芯分析资料与生产试油资料是第一手资料，确实可靠，属于点规模，也是整个工作的核心部分，以此来刻度测井资料，扩展到线规模（单井剖面），综合连井剖面与井间地震的分析，将线规模扩展到面规模，结合插值、模拟及地质规律研究等将线规模与面规模扩展到三维体规模，实现点线面体的相互结合及对物性下限由微观至宏观的整体评价。
4.4 在非常规油气资源评价中的应用对储层物性下限研究的整体趋势是由最初的常规储层逐渐过渡到低孔低渗储层再到现在炙手可热的致密油气、页岩油气储层。可见储层物性下限的研究与发展与整个油气产业的发展是密不可分的。目前来看，致密油气、页岩油气等非常规资源存在巨大的潜能[64]，非常规油气资源储层的物性下限成为一个亟待解决的问题。致密油气储层比低孔低渗储层具有更低的孔隙度、渗透率值[65]，需要经过压裂或水平井等技术才能有效开发。页岩油、页岩气的特点[66-70]是源储一体，无明显圈闭界限，油气主要存在于纳米级孔隙和裂缝系统中，以吸附或游离状态为主，也需经过改造才能获得理想产能。因此，非常规油气储层的物性下限不仅取决于储层微观孔隙渗流系统，还与后期生产改造措施息息相关，二者缺一不可。国内部分学者将常规和低孔低渗储层物性下限的确定方法应用于致密储层，取得较好效果[71-72]。如付金华等采用经验统计法等5种方法确定出鄂尔多斯盆地长7致密油储层孔隙度下限为5.7%，渗透率下限为0.027 6 mD[72]，为致密油资源潜力评价提供了合理依据。针对页岩气储层的物性下限，Worthington P F等在孔隙度、渗透率的基础上加入了裂缝密度、脆性指数等参数，给出了无特定区域限制的通用的下限值：孔隙度下限为3%，渗透率下限为400 nD，脆性指数下限为0.6，并与Wordford页岩数据对比，显示出较好的一致性[73]。值得注意的是，这些方法都结合了生产动态资料，因为只有与生产相结合确定的物性下限才具有实际意义，特别是对于普遍采取压裂等措施的非常规储层。但总体而言，当前非常规油气储层的物性下限的研究尚处于起步探索阶段，有待更深入地研究。
5 结语低孔低渗储层物性下限的影响因素包括经济技术因素和地质因素，尽管不同研究区储层物性下限的影响因素不尽相同，但总体上都会受开采技术措施（如压裂、酸化）的影响。对于同一油藏采油机理相同，原油性质、地层压力、地层温度一般也变化不大，因此，同一油藏内4个因素对物性下限影响不大。对于岩性非均质性差的地区，其胶结、压实、溶蚀等成岩作用以及受此影响的孔隙结构会不尽相同，因此，应将岩性作为影响因素之一。
根据资料的来源，确定储层物性下限的方法总体可以分成3类：以岩芯资料为基础的方法、岩芯与试油资料相结合的方法以及以测井资料为基础的方法。在方法选取上主要依据资料占有情况进行选取，若研究区有大量岩芯物性分析资料可采用经验统计法、孔隙度渗透率交会法、储层品质指数法等确定物性下限，若有较多生产测试资料并在测试段有岩芯分析可采用测试法、试油法确定物性下限，若有岩芯核磁共振、压汞资料可采用核磁共振和最小流动孔喉半径法，此处不再一一列举。总之，选择适宜方法，多种方法相互结合验证才能取得更准确的结果。
随着近几年非常规油气资源领域的兴起，对非常规油气资源储层物性下限的研究势必将成为一研究热点。与常规储层一致的是，非常规储层物性下限的确定需要以实际生产数据为依据，这样确定的物性下限值才具有实际意义，指导非常规油气资源的储量评价；有别于常规储层的是，非常规储层的物性下限参数不仅限于孔隙度和渗透率，需要引入更多参数来代表储层经改造后的潜能，如脆性指数（反映经压裂措施后储层的开发潜力）、酸敏性（评估储层经酸化后开发潜力）。由于非常规油气储层的物性下限的研究尚处于探索阶段，以往研究分析的物性下限影响因素、确定方法及确定参数在非常规油气储层中具有一定延续性，但有待在更准确的下限确定方法及更具有代表性的下限参数方面进行研究与探讨。
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