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物探与化探, 2022, 46(1): 22-31 doi: 10.11720/wtyht.2022.1190

综述

致密储层孔隙结构研究综述

陈秀娟,1, 刘之的,1,2, 刘宇羲3, 柴慧强3, 王勇3

1.西安石油大学 地球科学与工程学院,陕西 西安 710065

2.西安石油大学 陕西省油气成藏地质学重点实验室,陕西 西安 710065

3.中国石油长庆油田分公司 陇东页岩油开发项目部,甘肃 庆阳 745000

Research into the pore structure of tight reservoirs:A review

CHEN Xiu-Juan,1, LIU Zhi-Di,1,2, LIU Yu-Xi3, CHAI Hui-Qiang3, WANG Yong3

1. College of the Geoscience and Engineering,Xi'an Shiyou University,Xi'an 710065,China

2. Shaanxi Key Laboratory of Petroleum Accumulation Geology,Xi'an Shiyou University,Xi'an 710065,China

3. Longdong Department of Shale Oil Development Project in Changqing Oilfield,PetroChina,Qingyang 745000,China

通讯作者: 刘之的(1978-),男,博士,教授,主要从事储层测井评价研究工作。Email:liuzhidi@xsyu.edu.cn

责任编辑: 叶佩

收稿日期: 2021-04-12   修回日期: 2021-11-26  

基金资助: 陕西省教育厅重点科学研究计划项目(20JY056)
西安石油大学研究生创新与实践能力培养计划(YCS20112015)

Received: 2021-04-12   Revised: 2021-11-26  

作者简介 About authors

陈秀娟(1995-),女,在读硕士,主要研究方向为测井地质学。Email: 1559572335@qq.com

摘要

国家对油气资源需求日益剧增的背景下,油气田勘探开发的主战场由常规转向非常规领域,致密油气成为当今及未来非常规油气勘探开发的热点和重点。我国致密储层多为陆相沉积,横向连续性差、纵向非均质性强、岩性复杂、物性变化大,致使致密储层的孔隙结构难以有效表征。储层孔隙结构不仅影响油气赋存,还严重制约着油气渗流和高效开采。为有针对性地分析致密储层的孔隙结构特征,系统调研了致密储层孔隙结构评价手段的相关文献资料,梳理了半渗透隔板等间接测定法、铸体薄片等直接观测法、数字岩心法之后,剖析了致密储层孔隙结构测井评价方法,并探讨了各方法的适用性和优缺点,进而基于该领域的研究现状展望了其发展趋势。

关键词： 孔隙结构; 致密储层; 实验测试; 测井

Abstract

With the increasing demand for oil and gas resources,the exploration and development of oil and gas fields have shifted from conventional to unconventional fields,and tight oil and gas reservoirs have become the current and future focus of the exploration and development of unconventional oil and gas.Most of the tight reservoirs in China are continental sediments with poor lateral continuity,strong vertical heterogeneity,complex lithology,and large changes in physical properties.All these make it difficult to effectively characterize the pore structure of tight reservoirs.The pore structure of reservoirs not only affects the occurrence of oil and gas but also seriously restricts the seepage and efficient exploitation of oil and gas.To analyze the pore structure characteristics of tight reservoirs in a targeted manner,this study systematically investigates relevant literature on the assessment methods of pore structure of tight reservoirs and organizes indirect measurement methods such as semi-permeable plate,direct observation methods such as casting thin sections,and digital core method.Moreover,it dissects the logging-based assessment methods of the pore structure of tight reservoirs,explores the applicability,advantages,and disadvantages of these methods,and further proposes the development trend of pore structure study based on the current status.

Keywords： pore structure; tight reservoir; experimental test; well logging

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本文引用格式

陈秀娟, 刘之的, 刘宇羲, 柴慧强, 王勇. 致密储层孔隙结构研究综述[J]. 物探与化探, 2022, 46(1): 22-31 doi:10.11720/wtyht.2022.1190

CHEN Xiu-Juan, LIU Zhi-Di, LIU Yu-Xi, CHAI Hui-Qiang, WANG Yong. Research into the pore structure of tight reservoirs:A review[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2022, 46(1): 22-31 doi:10.11720/wtyht.2022.1190

0 引言

相比北美海相盆地致密油气,国内致密油气多为陆相沉积,不能简单照搬北美现有的致密储层孔隙结构评价技术。陆相致密储层沉积演化复杂,岩性和物性多变,致使孔隙结构难以评价[1]。油田实践表明,孔隙结构是储层物性最重要的控制因素,对储层评价和油气藏产能预测等均具有极其重要的作用,极大程度影响着致密油气的采收率[2,3]。由于致密储层孔隙结构的非均质性,在油田实际开发过程中,会存在着注水压力高、进水快、启动压力高等棘手问题,致使油气田开采受到不同程度的影响[4]。因此,精准评价致密储层的孔隙结构,将有助于致密油气的高效开发[5]。

孔隙结构直接关系到油气在储层中的赋存状态及渗流特征,明确孔隙结构参数是储层定量评价的一项重要内容[6]。目前,致密储层孔隙结构的研究已进入白热化阶段,前人对致密储层孔隙结构评价中遇到的问题有不同的见解与认识,难以形成统一的储层孔隙系统评价标准。在此背景下,认清各技术手段的方法原理,明确各方法的适用性,将有助于开展孔隙结构评价工作[7]。据此,从实验室测试分析和测井资料评价两方面,系统梳理了致密储层孔隙结构的研究现状,分析了适用性,展望了其发展趋势。

1 实验室测试评价方法

1.1 间接测定法

间接测定法主要通过测量湿相液体被驱替出的体积大小,建立湿相饱和度(吸附量)与毛管压力(相对压力)的关系,获取表征储层形态、大小、喉道连通性以及储层储集和渗流能力的相关参数,进而定性研究和定量分析储层的孔隙结构[8]。

1.1.1 压汞法

20世纪70年代以来,相关领域的诸多专家对储层岩石毛管压力开展过大量实验研究[9]。压汞实验能较准确地测量毛管压力,获取储层孔隙系统信息,是定量分析储层孔隙结构的一种可靠手段[10]。相比大多数流体,水银对岩石是非湿润相。据此,业界常将水银注入岩心孔隙中,并根据进退汞饱和度和施加的排驱压力,来绘制毛管压力曲线[11]。

随着油气田勘探开发向非常规储层进发,常规压汞难以准确评价储层的孔隙结构,而恒速压汞技术不仅能控制实验注入速度,还可以实现对喉道数量的测量,因故逐渐得到广泛应用[12]。恒速压汞就是将水银以一个相对静态的低速注入岩样孔隙中,观察孔隙系统中毛管压力的变化过程。尽管恒速压汞实验难度相对较高,但可以较为准确地测量孔隙和喉道的数量、大小及分布范围,故适用于小孔喉较多、孔隙结构较复杂的致密储层评价[13]。由于高压压汞曲线能直接反映岩心喉道、孔径及孔喉发育和连通情况,也得到了广泛应用。

图1为岩样JY-1和N78-3的高压压汞和恒速压汞毛管压力对比[14]。由此图可知,高压压汞和恒速压汞实验所得的毛管压力曲线大体一致,仅存在细微差别。然而,高压压汞法适用于描述相对较小的孔喉,恒速压汞表征的储层孔喉相对较大,两者各有长处且均可用于致密储层孔隙结构的研究。

图1

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图1   高压压汞与恒速压汞毛管压力曲线对比[14]

Fig.1   Comparison of capillary pressure curves between high pressure mercury intrusion and constant pressure mercury intrusion[14]


1.1.2 半渗透隔板法

在空气、水、半渗透隔板系统中,半渗透隔板是100%水润湿;而在空气、水、岩心系统中,岩石也是100%水润湿,所以即使没有压力差,水也可以轻松透过半渗透隔板和岩样[15]。鉴于毛管阻力作用,必须存在压力差,空气才能穿过半渗透隔板和岩样。一般情况下,半渗透隔板的孔径会小于大多数岩样孔径,因此,空气进入半渗透隔板所需要的压力差必须大于空气进入岩心孔隙所需的压力,故需要向空气施加压力,克服岩心的毛管阻力,使其进入岩心孔隙,并将水替换出来[16]。测定半渗透隔板毛管压力和岩样含水饱和度的参数值并建立其相互关系,便可以确定毛管压力曲线(如图2[17])。

图2

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图2   半渗透隔板毛管压力曲线[17]

Fig.2   Capillary pressure curve of semi-permeable plate[17]


1.1.3 离心机法

离心机高速旋转时,岩心孔隙中的润湿相流体将被驱替出来,随着离心机转速从低到高逐渐增加,润湿相流体驱替由中大孔逐渐转至中小孔和微小孔,同时毛管压力会不断增大[18]。实验的过程中,通过增大离心机角速度来增大离心力。由于非润湿相会从各种渗透率的多孔介质中将湿润相驱替出来,依次记录不同压力下排出的润湿相体积,便可建立起润湿相饱和度与毛管压力间的关系,进而可绘制出毛管压力曲线(如图3)。

图3

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图3   离心机法测定毛管压力曲线

Fig.3   Capillary pressure curve measured by Centrifuge method


1.1.4 N2、CO2吸附法

N2和CO2低压吸附广泛应用于纳米材料的研究中,而近几年逐渐应用于岩石孔隙结构评价上。CO2低压吸附主要用于孔径小于2 nm的微小孔隙特征描述,而N2低温吸附则适用于中大孔隙及小孔储层[19]。

岩样预处理后,烘干并在真空条件下抽去其他气体,用N2、CO2填充岩样和仪器,保持恒温条件,测量不同压力下的吸附量和脱附量。建立气体相对压力P/P0与氮气吸附量、脱附量的关系,便可绘制出吸附与脱附等温线关系(图4[20])。基于此关系图,结合Kelvin原理,便可获取孔隙体积、孔径大小及分布特征[21,22]。

图4

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图4   IUPAC的6种等温吸附线[20]

Fig.4   Six isothermal adsorption lines of IUPAC[20]


1.1.5 中子散射

由于中子小角度散射(SANS)能识别大小为3~10 nm的孔隙结构,故在致密储层的研究中得到广泛应用。实验第一步先用晶片锯将岩样切成约2 mm厚的薄片,再使用精密加工的专用设备将岩心样品研磨至理想厚度,即厚度为1 mm的岩样。SANS实验如图5所示[23],由机械速度选择器单色化的中子束通过准直系统入射到样本上,与样品发生弹性散射后的中子被二维探测器测量记录,以此来获取散射曲线等原始数据[24]。通过构建相应的模型,分析散射曲线与孔隙结构的内在量化关系,便可获取孔隙结构的形状、大小及分布特征等[25,26]。

图5

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图5   中子散射示意[23]

Fig.5   Neutron scattering diagram[23]


1.2 直接观测法

1.2.1 铸体薄片法

在一定的温度和压力或真空状态下,将环氧树脂与固化剂注入岩石孔隙中,形成岩石铸体(图6[27]);再将岩石铸体研磨成薄片,借助偏光显微镜进行岩石孔隙结构、成分等分析[28]。铸体薄片能够清晰获取储层的孔隙类型、大小、分布及其连通性等,为研究孔隙发育程度、介质孔径、喉道、配位数及裂缝率等孔隙信息提供了一种准确有效的方法[29]。

图6

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图6   不同岩心铸体薄片[27]

Fig.6   Casting thin sections of different cores[27]


1.2.2 扫描电镜法

扫描电镜法是分析岩样孔隙结构特征和成分的重要研究方法,其原理是利用极细的电子束扫描岩心样品表面,并用电视原理放大成像在电子屏幕上[30]。该法可以确定储层的孔隙类型,还能定量测定孔喉半径、孔径等参数。当电子轰击岩样表面时会产生来自样品特定发射区域的各种信号,信号随表面形状不同而发生变化,比如散射电子、二次电子和能量不同的光子等[31]。近年来,非常规储层孔隙结构评价中,实验分析人员常用场发射扫描电镜表征样品表面的孔隙结构[32,33]。

1.2.3 CT扫描法

CT扫描法是近年来新兴的利用X射线进行孔隙结构研究分析的电子计算机扫描技术[34,35]。如图7[36]所示,使用X射线环绕岩心进行断面扫描,探测器可接收到透过岩心断面的X射线信息,将此信息用电子计算机处理后,便可获取X射线吸收系数[37]。用不同灰度将X射线吸收系数进行图像显示,通过显示器便可清晰明了地观察到该岩心断面的孔隙结构特征。

图7

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图7   X射线CT扫描示意[36]

Fig.7   X-ray CT scanning diagram[36]


1.2.4 阴极发光法

与普通显微镜相比,阴极发光显微镜能够快速鉴别岩石和矿物的成分[38]。近年来,矿物岩石学家已认识到阴极发光技术在构造地质分析中的重要性,并进行了有益的探索和研究[39]。通过对致密砂岩阴极发光的观察研究,可以获得砂岩原始孔隙率和渗透率以及储层矿物组成、产状等信息。若矿物中含有杂质或微量元素,矿物的晶格结构存在缺陷,则矿物在阴极发光显微镜下会发光(图8[40]),基于此,便可研究不发光部分的孔隙结构特征。

图8

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图8   不同岩样阴极发光鉴定[40]

Fig.8   Cathodoluminescence identification of different rock samples[40]


1.3 数字岩心法

目前,数字岩心法已成为研究孔隙结构的一种新手段。业界常用X射线法和图像重建法构建三维数字岩心,并采用数学手段重构三维孔隙网络,进而获取孔隙结构特征[41]。X射线成像法主要是利用Micro-CT设备,提供分辨率可达到孔隙级别的3D图像[42]。受制于X射线成像技术条件,业界相关学者常采用基于薄片分析的图像重建方法[43],该方法只需少量岩屑用于扫描图像。图像重建方法需先确定岩石断面,扫描该断面后,利用不同的数学方法结合扫描图像,模拟岩样的三维孔隙网络(图9[44]),进而对该岩样的孔隙特性进行研究分析[45]。

图9

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图9   真实岩心(a)与数字岩心(b)对比[46]

Fig.9   Comparison chart of real core(a) and digital core(b)[46]


2 测井资料评价方法

油田实践中,受制于钻井取心成本,岩心资料较为稀缺。无论采油井还是注水井,测井资料不可或缺,且具有纵向分辨率高的独特优势[46],因此,充分利用测井资料,开展储层孔隙结构评价就显得意义非凡。

2.1 电阻率法

已有研究表明[47],储层孔隙结构与岩石电阻率间存在一定关系。致密储层物性条件差、孔隙结构复杂,岩石电阻率测量值会受到储层孔隙结构、孔隙表面水膜厚度等的影响。电阻率测井响应特征影响因素复杂多样,不同岩石孔隙结构的影响程度不一,故理论模拟研究需根据不同影响因素建立岩石导电模型,进而开展孔隙结构理论分析。孔隙结构理论分析研究中,常根据电阻率并联导电原理,构建毛管半径、毛管迂回度及孔隙结构综合指数计算模型,从而开展储层孔隙结构评价[48]。

岩石孔隙结构特性亦可通过岩石电学特性实验来开展。通过测定不同饱和度下岩心的电阻率,结合岩心孔隙结构与地层因素、电阻率及含水饱和度相互关系分析,探讨储层的孔隙结构特征[49]。

2.2 核磁共振法

核磁共振测井始于20世纪90年代,目前已在国内油气田勘探开发中得到了广泛应用[50]。该技术主要通过检测储层孔隙中自由流体氢原子核磁性及其与外磁场相互作用获取丰富的地层信息,以此来评价储层的岩石孔隙结构[51]。统计岩样孔隙内流体的横向驰豫时间分布(图10[52]),便可分析储层的孔隙结构特征[53]。

图10

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图10   核磁共振T2谱图[52]

Fig.10   NMR T2 spectrum[52]


核磁共振横向弛豫时间T2谱可表征孔隙类型、孔径大小等储层岩石的孔隙结构特性[54]。近年来,相关学者将核磁共振T2谱转换为毛管压力曲线,发现岩心的T2几何均值与平均孔喉半径间具有较好的相关性[55,56,57,58,59,60]。总之,寻求核磁共振T2谱与毛管压力曲线间的内在关系来分析储层的孔隙结构特征,是近年来研究的热点。

2.3 声波时差法

岩石物理分析家一直重视利用声波时差测井评价储层孔隙结构的相关研究[61]。已有研究发现,除岩性和物性外,孔隙结构对岩石弹性波速度具有重要影响,控制着声波在岩石中的传播特性[62,63];储层的孔隙类型对岩石声波传播速度具有较大的影响,印模孔隙及粒间孔隙的岩心比微孔隙的岩心具有更快的声波传播速度[64]。研究孔裂隙致密储层声波传播特性发现,孔隙结构对声波特性具有较大的影响,尤其是裂缝[65,66]。岩心声波透射实验表明,声波波速、时域波形及频谱特征主要与岩心孔径尺寸及胶结情况有关[67]。

3 孔隙结构评价方法适用性分析

限于实验技术手段和条件、测井能够探测的孔径范围等客观因素,孔隙结构评价方法均具有一定的局限性和适用范围。

3.1 实验测试方法适用性

压汞法实验简单快速、准确,可以获得相对完整的毛管压力曲线,且仪器承受的测量压力较高,适合不同渗透级别的岩心[68,69];然而,压汞法多用于中大孔岩心,难以模拟油层温压条件,且压汞实验使用的水银会对岩心造成永久性损害,实验岩样不能二次利用。半渗透隔板法与油藏驱替实验相似,不仅操作简单、测量结果准确可靠,而且可以同时测量多块岩样;但半渗透隔板法实验过程长,半渗透隔板的承受力也有限,导致实验获取的毛管压力曲线并不完整;此外,该方法测试的压力范围小、周期长,对致密储层孔隙结构研究适用性不强。离心机法不仅易操作、测定速度快、精度高,且该方法测量压力高,可用于研究不同渗透率级别的岩心,实验数据准确,同时可得到相对完整的曲线;离心机法测定的结果接近模拟油藏驱替实验,但是高速离心机成本较高。气体吸附法主要用于表征孔径不超过300 nm的储层孔隙结构,且实验前须对岩样进行干燥处理。

铸体薄片和扫描电镜法均需要对岩样进行加工处理,且岩心的内部结构和外部形状易受到损坏,不利于岩心的循环使用,铸体薄片观测的孔隙视野较为有限[70]。CT扫描技术不仅测量速度快,能全面观察整个岩心的内部结构特征,而且能保证岩样不被破坏,精准测量面孔率,但缺点是成本较高、实验过程复杂。相比扫描电镜和CT扫描,阴极发光能更快、更准确地表征原始孔隙度和渗透率,可定量研究砂岩储层的孔隙结构特征[71]。小角度中子散射法测量的孔径范围大,能准确提取孔隙结构信息,且对岩样不具破坏性,但实验过程相对较麻烦,目前还是一种非常规方法。数字岩心法不仅可以模拟室内实验达不到的各种情况,还可以就单因素对岩石孔隙结构进行定量分析,故近年来受到业内相关学者的高度重视[72]。

实验测试法易操作且可以获得较多数据,表征的储层孔隙结构精度较高,但该法测量成本高、周期长,此外,由于取心尺寸和数量非常有限,很大程度上限制了对岩心孔隙结构的研究,使其难以与储层宏观参数建立关系,也很难开展区域储层预测,且该法易受人为因素及仪器精度的影响,局限较大。

3.2 测井评价方法适用性

实验室测试方法受制于岩心数量及尺寸,且成本较高,而借助测井资料表征储层孔隙结构可解决该问题。测井曲线是评价孔隙结构低成本、高效率的重要研究方法,可实现孔隙结构在储层纵向上的连续评价[73]。

电阻率测井不仅受储层岩性、物性和孔隙结构的影响,孔隙内流体性质亦对其具有较大的影响[74]。因此,电阻率测井评价储层孔隙结构时,需在相同岩性、物性和流体性质的前提下,才能获得较满意的评价效果。致密储层孔隙结构非常复杂,微纳米级孔隙极其发育,声波能探测的孔径和孔隙形态尚不明朗,微纳米级孔隙结构对声波时频信号的影响机理尚未明确,这些都严重影响了声波测井评价致密储层的孔隙结构[75]。核磁共振法对孔隙结构反应灵敏,操作简便,速度快,可以连续、定量、详细地表征储层孔隙结构[76],且不会破坏岩样,该法的实验结果比压汞法更加精准,故在致密储层孔隙结构评价方面具有一定的优势;然而,核磁共振法由于价格昂贵,难以大面积推广应用。

测井资料纵向连续性好、分辨率强,可连续表征储层的孔隙结构,有助于区域储层岩石孔隙结构的研究,但受制于岩心归位、常规测井对储层孔隙结构的敏感性较低等客观实际,常规测井表征的储层孔隙结构精度较低。尽管核磁共振测井在表征储层孔隙结构方面优势明显,但受制于测井成本,核磁共振测井数量非常有限,难以大面积推广应用。

4 致密储层孔隙结构研究展望

基于上述致密储层孔隙结构评价方法的系统梳理和详细剖析,紧跟大型体积压裂背景下复杂孔隙结构评价需求的形势可知,现有致密储层孔隙结构评价方法正面临着新的挑战。针对致密油开发对储层孔隙结构评价提出的新需求,笔者认为尚需在如下3方面获得突破。

4.1 研究技术手段

1)加强定性识别与定量评价有机结合,发挥各自的技术优势。采用高精度扫描电镜等对岩心进行定性观察,确定其孔隙类型、结构等,再结合吸附法、压汞法等手段定量研究孔隙结构分布,逐渐成为致密储层孔隙结构研究的必备技术手段。

2)从间接到直接,从二维到三维数字岩心建模,是近年来孔隙结构可视化表征的热点。基于微纳米扫描电镜图像或三维CT扫描图像,应用计算机图像处理技术,通过模拟退火算法或沉积岩的过程模拟法来重建三维数字岩心,进而可视化表征岩石的内部孔隙网络结构。

3)岩心实验测试分析与测井评价有机融合,注重岩心刻度测井,实现储层孔隙结构表征区域化。充分利用岩心测试分析的高精度性与测井信息的纵向连续性,结合多种研究手段,扬长避短,从不同视角、全方位、多尺度研究储层孔隙结构,以期表征的储层孔隙结构精度满足于油气田勘探开发实践。

4.2 孔隙结构影响特征

1)沉积作用较大程度上控制着储层的孔隙结构。系统研究油区内的沉积相带、砂体构型,通过沉积微相与储层孔隙结构间的内在关系分析,明确储层孔隙结构的沉积控制机理,将有助于储层有效性评价和有利区划分。

2)成岩作用是储层致密化的重要因素,严重影响着储层的孔隙结构演化。注重储层成岩演化序列和成岩相研究,解析不同成岩作用对孔隙结构的影响机制,将助推油气田优质储层预测,也可为开发政策制定提供地质理论依据。

3)构造作用形成的裂缝,能改善储层的孔隙结构,增加渗流能力。通过应力场模拟、岩心—测井—地震识别裂缝,精细刻画裂缝的发育特征,系统剖析构造对孔隙结构的影响作用,以期为油气成藏和渗流研究提供理论支持。

4.3 孔隙结构对油气成藏、渗流的影响

1)储层孔隙结构特征控制着油气运移和疏导,是油气成藏的重要影响因素。在储层孔隙结构精细表征的基础上,借助于油气成藏可视化模拟系统,开展不同孔隙结构特征下的油气成藏模拟研究,明确孔隙结构与成藏模式的关系,将有助于油气田勘探目标区优选。

2)储层孔隙结构决定了油气渗流通道,严重影响着油气田高效开发。利用大尺度或全直径岩心,在地层温压条件下,开展不同孔隙结构特征下的油气渗流实验,结合油气藏数值模拟研究,剖析孔隙结构与油气渗流的关系,进而确定油气开采的储层物性动用下限,以期为油气田开发方案制定提供支持。

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