Характеризация многоуровневой микроскопической пористой структуры и механизмы связи запас–течение в ультранизкопроницаемых плотных песчаниках

Почему крошечные пространства в породах важны для нашего энергетического будущего

По мере истощения легкодоступных месторождений нефтяные компании всё чаще обращаются к «плотным» породам, через которые жидкости почти не проходят. В этом исследовании подробно изучены такие породы из бассейна Ордос в Китае и показано, как поры, в тысячи раз меньшие песчинки, определяют и ёмкость залежи, и простоту её разработки. Картируя эти скрытые пространства на разных масштабах, авторы дают более ясные рекомендации, какие участки плотного резервуара целесообразно разрабатывать и почему.

Взгляд в плотный песчаниковый бассейн

Команда сосредоточилась на отложениях, известных как член Чан 4+5 формации Янчан, расположенных в крупном бассейне Ордос. Эти слои в основном представлены тонкозернистыми песчаниками и алевролитами с низкой пористостью и крайне низкой проницаемостью, то есть они содержат лишь умеренные объёмы флюидов и плохо их проводят. На образцах керна из пяти скважин авторы фиксируют сложный минералогический состав, где доминируют кварц и полевые шпаты с многочисленными обломками породы и глинами. Такое сочетание, наряду со спокойными условиями озёрно-дельтового осадкообразования в бассейне, привело к сильной вариабельности песчаных тел, поэтому даже соседние слои могут существенно различаться как резервуары.

Заглядывая в поры от микрометров до нанометров

Чтобы понять, как эти породы хранят и проводят флюиды, исследователи объединили семь лабораторных методов, каждый из которых видит поры своего размера. Стандартные шлифы и сканирующая электронная микроскопия выявили шесть основных типов пор, включая межзерновые пустоты, крошечные ямки, образованные растворением минералов, поры между кристаллами глин и микротрещины. Испытания с высокопрессурной ртутью и адсорбция азота затем измеряют частоту пор различных размеров — от десятков микрометров до нескольких нанометров, в то время как микротомография (micro-CT) показывает трёхмерную связанность этих пор. Наконец, данные ядерно-магнитного резонанса (ЯМР) калибруют по газовым и ртутным измерениям, чтобы построить единое непрерывное распределение размеров пор, охватывающее более пяти порядков величины.

Что контролирует запас и что контролирует течение

Единая картина показывает, что в породах Чан 4+5 доминируют нанопоры и мелкие горловины, с характерным бимодальным распределением размеров пор: одна группа соответствует большим полостям между зернами, другая — гораздо более узким связующим горловинам. Исследование выявляет, что общий объём пор в основном определяется многочисленными мелкими пространствами, которые удерживают большую часть флюидов. Однако движение флюидов гораздо сильнее зависит от относительно редких, более крупных и лучше связанных горловин. Измерения того, как ртуть входит и выходит из породы, а также опыты по пропитке керна смесью нефти и воды демонстрируют, что небольшая часть поровой сети отвечает за основной объём потока, тогда как большая часть запасённого флюида находится в зонах, почти не вносящих вклада в перемещение.

Как история породы формирует крошечные пространства

Формирование и эволюция этих пор связаны как с первоначальным осадконакоплением, так и с последующими химическими преобразованиями. Более грубозернистые, лучше сортированные русловые песчаники, как правило, сохраняют большие и более простые поровые системы и имеют лучшее качество резервуара по сравнению с более тонкозернистыми, грязевыми устьевыми отложениями. В ходе миллионов лет погружения уплотнение сближало зерна, а цементные минералы, такие как кварц и кальцит, заполняли многие оставшиеся пустоты, снижая и ёмкость, и проходимость. Одновременно растворение полевых шпатов и обломков пород формировало вторичные поры и иногда улучшало связанность. Глинистые минералы, особенно хлорит и иллит, могли либо способствовать, выстилая поры без их перекрытия, либо ухудшать свойства, набухая и сужая пути потока — в зависимости от места и характера их роста.

От микроскопической структуры к разработке месторождений

Соединив поровомасштабные измерения с крупными свойствами, такими как пористость, проницаемость и кривые совместного течения нефть–вода, авторы формулируют простое практическое правило: поры определяют запас, а горловины пор определяют течение. Породы с похожей пористостью могут иметь очень разное поведение при добыче, если их горловины отличаются по размеру, числу или связанности. Это понимание, подкреплённое многоуровневой визуализацией и тщательными лабораторными тестами, даёт практическую основу для выделения «сладких зон» в иначе плотных резервуарах и для проектирования стратегий разработки с учётом ограничений, заложенных скрытой архитектурой породы.

Цитирование: Li, CL., Su, DR., Chen, PP. et al. Multiscale microscopic pore structure characterization and storage–flow coupling mechanisms in ultra-low permeability tight sandstone reservoirs. Sci Rep 16, 14811 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42495-y

Ключевые слова: плотный песчаник, поровая структура, ультранизкая проницаемость, бассейн Ордос, течение в нефтяном резервуаре