在常规与非常规油气资源并举开发的新格局下，压汞技术已经发展成为表征沉积岩油气储层孔隙结构与渗流特征的核心技术之一。《压汞技术在沉积岩油气储层表征中的应用》立足高压与恒速压汞两大主线，系统梳理其理论、方法与前沿应用：以砂岩、碳酸盐岩、页岩及煤岩储层为范例，剖析压汞*线特征、孔隙结构差异、尺寸效应与压缩性，辅以典型案例与多源数据对照。继而聚焦致密储层需求，详解二次压汞、冷冻压汞、定向压汞及伍德合金注入等创新技术，并融入逾渗理论、机器学习与图像分析，实现孔隙-裂缝连通性的三维可视化。*终对比不同实验路径所得毛细管压力*线，延伸探讨其在CO2地质封存、分形渗流评价及数值模拟中的实践价值。

目录
序
前言
第1章 压汞法的发展历程与孔隙结构表征原理 1
1.1 高压压汞 1
1.2 恒速压汞 4
参考文献 8
第2章 压汞实验操作与数据解析 9
2.1 高压压汞实验 9
2.2 恒速压汞实验 15
参考文献 22
第3章 高压压汞在沉积岩油气储层孔隙结构表征中的应用 23
3.1 砂岩储层 23
3.2 碳酸盐岩储层 41
3.3 页岩储层 49
3.4 煤岩储层 79
参考文献 91
第4章 恒速压汞在沉积岩油气储层孔隙结构表征中的应用 98
4.1 砂岩储层 98
4.2 碳酸盐岩储层 108
4.3 页岩储层 115
4.4 煤岩储层 118
参考文献 120
第5章 压汞法的创新性应用 122
5.1 压汞法的可视化观察—伍德合金注入 122
5.2 二次压汞技术 140
5.3 冷冻压汞技术 145
5.4 定向压汞技术 147
参考文献 151
第6章 毛细管压力*线的获取与应用 153
6.1 毛细管压力*线的基本理论 153
6.2 实验测量方法获取毛细管压力*线 157
6.3 数值模拟方法. 163
6.4 基于图像的方法 178
6.5 毛细管压力*线的应用 184
参考文献 192

第1章 压汞法的发展历程与孔隙结构表征原理
　　压汞法（mercury injection capillary pressure，MICP）作为研究多孔介质孔隙结构的重要实验手段，自20世纪中期发展以来，已成为储层评价与孔隙表征领域不可或缺的方法。其基本原理是利用非润湿性液体，在外压作用下逐级进入多孔材料孔隙，通过分析进汞压力与侵入体积的关系，定量揭示孔径分布（pore size distribution，PSD）、孔隙度及孔喉结构特征等关键参数。在发展过程中，压汞法逐渐形成了高压压汞（high-pressure mercury injection，HPMI）与恒速压汞两大技术体系：前者通过施加逐级升高的压力，被广泛用于表征纳米至微米级孔隙的分布与连通性；后者则在恒定低速进汞条件下，根据压力变化识别孔隙结构的演化规律，尤其适用于连续孔径分布与复杂孔隙体系分析。可以说，这两种方法各具优势，既为孔隙尺度与形态研究提供了丰富的实验依据，也为理解孔隙网络的形成与演化奠定了理论基础。本章将系统梳理压汞法的发展历程与技术演进，并阐述其在孔隙结构表征中的物理原理和应用价值。
　　1.1 高压压汞
　　1.1.1 高压压汞法的发展
　　1921年美国科学家Washburn在Physical Review杂志上发表了一项开创性研究，提出将非润湿性液体汞在压力作用下强制进入固体孔隙来测定孔径和体积（Washburn，1921），这项研究奠定了压汞法的理论基础。
　　基于以上理论，Ritter和Drake（1945）设计出用于固体样品孔径分布表征的压力孔隙仪（pressure porosimetry）（图1.1），标志着压汞法的正式诞生。随着压汞仪的不断改进，目前*大工作压力突破400MPa，逐渐演变为现今所使用的高压压汞仪。1966年，美国麦克仪器公司（Micromeritics Instrument Corporation）已开始量产*大工作压力达60000psia（约413MPa）的高压压汞仪，表征的孔径*小可达3nm。
　　2005年，国际标准化组织发布ISO 15901-1 Pore size distribution and porosity of solid materials by mercury porosimetry and gas adsorption Part 1：Mercury porosimetry，将压汞法列为多孔材料分析的规范方法；中国于2008年发布《压汞法和气体吸附法测定固体材料孔径分布和孔隙度第1部分：压汞法》（GB/T 21650.1—2008），进一步细化测试流程和数据处理要求。在沉积岩油气储层表征专业领域，2012年发布的中国国家标准《岩石毛管压力*线的测定》（GB/T 29171—2012）详细介绍了压汞法用于测定岩石的毛细管压力，并于2023年对该标准进行了修订《岩石毛管压力*线的测定》（GB/T 29171—2023）。这一系列标准的制定与更新，不仅提高了测试结果的可比性和一致性，还增强了压汞法在科研和工业领域的权威应用价值。
　　图1.1 1945年Ritter和Drake研发的压力孔隙仪
　　1.1.2 高压压汞法的孔隙结构表征原理
　　Washburn（1921）*次阐明了非润湿液体在多孔介质中的渗入行为，提出的数学模型也因此被命名为“Washburn方程”。汞不会润湿大多数物质，因此不会自发地通过毛细作用进入孔隙，只有在外部压力作用下才能强制进入。这种压入所需的压力与孔喉直径呈负相关关系。液态汞具有很高的表面张力，其通常取值为485mN/m。汞对大多数固体具有很高的接触角，汞与沉积岩矿物清洁表面之间的接触角范围为110°～150°，其中130°是*为广泛接受的使用值。表1.1为空气中的汞与常见沉积岩造岩矿物之间的接触角。
　　图1.2 汞与圆形孔口的接触示意图
　　图1.2展示了汞与圆形孔口接触时，汞的表面张力沿接触边缘作用，其长度等于该圆的周长。因此，阻碍汞进入孔隙的阻力等于-πDγcosθ，其中D为孔直径，γ为表面张力，θ为接触角。表达式中加入负号是因为θ>90°这一项为负。对汞施加外压为P，作用在孔隙截面上的压力表示为πD2P/4。在平衡状态下，阻力与压力相等，因此：
　　（1.1）
　　简化后为：
　　（1.2）
　　式（1.2）即Washburn方程。
　　根据Washburn方程，在0.0034MPa（0.5psia）的低压条件下，汞能进入直径大于360μm的孔隙。随着压力逐步增加，汞会陆续渗入尺寸更小的孔隙，直至达到413MPa（60000psia）的*大压力时，直径小至3nm（0.003μm）的连通孔隙也能被汞完全填充。
　　虽然将孔隙假设为不同直径的圆柱体过于简化，但这是适用于压汞法的*佳模型。除非材料由堆叠的薄板构成，在这种情况下，类似狭缝的开口占主导地位。对于狭缝这种*特的空间（仅有一个维度受限，而另外两个维度不受限）来说，上述情况会导致：
　　（1.3）
　　式中，W为薄板之间的宽度。
　　两种几何模型系数差异（4与2）的物理本质源于力学平衡条件的不同。在圆柱模型中，表面张力产生的阻力作用于整个圆周（-πDγcosθ），与外压力作用于圆形截面（πD2P/4）达到平衡；而在狭缝模型中，表面张力阻力仅作用于两个平行面的边缘（-2γcosθ），与外压力作用于狭缝开口面积（W P）平衡。这种几何差异导致在相同压力下，相比于直径为D的圆柱孔隙，宽度为D的狭缝更容易被汞填充。当材料中存在大量狭缝状孔隙时，若仍采用圆柱模型计算，将会高估实际孔径大小，从而影响对材料孔隙结构的准确表征。
　　无论孔隙几何形状和用于描述它的模型如何，在外压力作用下进入孔隙的汞体积会随着压力的增加而增加。因此，对于特定多孔材料，增加外压力会产生一个特定的压力-体积*线。
　　图1.3 典型样品的进退汞*线图
　　图1.3展示了几个典型样品的进退汞*线。*线A代表一种颗粒相对粗的样品，*线形态呈现两个明显不同的区段：在低压阶段出现的快速上升源于颗粒间空隙的填充；随后的第二次上升，则是由颗粒内部孔隙所导致。*线B代表拥有单一结构的样品，由于颗粒间不存在空隙，在低压部分未出现进汞*线急剧上升。*线C则代表一种细粉末，该样品基本不含内部孔隙，所显示的进汞体积完全由颗粒间空隙的填充所贡献，这种粉末的中位直径约为1μm。显然，若存在孔隙，其尺寸必然小于颗粒本身。根据式（1.2），只有当压力高于1.25MPa时，汞才能开始进入这些孔隙。因此，在*线C上，1MPa以下的进汞行为仅反映了颗粒间空隙的填充过程。
　　图1.3中指向低压方向的箭头表示在压力降低时汞从孔隙中退出的过程。造成汞无法完全退出的主要原因是墨水瓶效应（即“颈窄肚大”，导致汞被滞留）。此外，进汞与退汞*线不重合的原因在于接触角的变化：汞的后退接触角通常比前进接触角小约30°，这也影响了退出过程的连续性。
　　1.2 恒速压汞
　　1.2.1 恒速压汞技术的发展
　　恒速压汞技术作为表征多孔介质（尤其是沉积岩油气储层孔隙结构）的重要手段，其发展经历了从基础理论探索到专业技术提出与完善的过程。
　　20世纪60年代，相关学者已开始对流体在多孔介质中的流动展开研究，为后续恒速压汞技术的出现奠定了基础。1966年，Crawford和Hoover发表了关于流体在多孔介质中流动的研究成果。他们通过实验，探究了非均质流体在多孔渗透介质中流动时的能量变化，提出驱动流体注入所需的*小能量与界面表面能变化相关，并构建了能量方程。实验中使用的装置能够以恒定的体积速率注入液体，记录注入体积与瞬时压力差，为后续恒速注入技术在多孔介质研究中的应用提供了一定的实验设计思路。他们还对孔隙体积进行了测量，并构建了孔隙体积频率直方图，初步实现了对孔隙的表征，这些工作在孔隙结构研究方法中具有开创性，为后来在恒速压汞技术中通过压力和体积变化分析孔隙特征提供了理论和实验基础。
　　到了20世纪70年代，恒速压汞技术有了实质性的发展。1970年，Morrow开展了恒速测量孔隙度的工作，目的是研究恒定速度下不混溶驱替过程的机制和热力学原理。这一研究为后续深入探究孔隙相关特性及驱替行为奠定了早期基础，从基础理论层面开启了对该领域的探索。1971年，Gaulier设计了一种恒速压汞仪，用于表征岩石中孔洞型孔隙（vuggy porosity）。该仪器为自动装置，在体积精度方面表现出色，压力泵每一次冲程（per stroke）的体积精度能够达到1mm3。仪器以恒定速率将汞注入岩石样品，同时记录汞的压力和注入体积。其核心原理是当汞到达孔洞前，压力会升高，直到足以使汞的自由表面穿过孔洞颈部，进入孔洞后，由于汞界面的弯*程度变大，根据拉普拉斯定律得知压力会下降，当孔洞充满后，压力又回到初始值，通过注入体积的差异可确定孔洞体积等参数。这一技术能够有效区分孔洞饱和度与基质饱和度，确定孔洞饱和度及随总饱和度及颈部（喉道）半径的变化规律，针对孔洞性岩石的特点，解决了传统恒压阶段压汞法难以揭示现有孔洞的问题，极大地推动了在沉积岩油气储层表征中对孔洞结构的研究。
　　1989年，Yuan和Swanson设计了一种孔隙分析装置（apparatus for pore examination，APEX），这是一种通过恒速压汞实验监测汞的毛细管压力，从而获取岩石样品孔隙空间结构信息的技术。该技术能将岩石样品的孔隙空间解析为两个相互连接的部分，一部分是识别出的单个孔隙系统（孔隙体，pore body），它们是低能量区域或低毛细管压力区域；另一部分对应与孔隙系统相互连接的孔喉。APEX技术通过将总毛细管压力*线划分为两个子*线，即详细描述孔隙分布的subison毛细管压力*线和详细描述孔喉分布的rison毛细管压力*线，得到了新的毛细管压力*线。以Berea砂岩和San Andres白云岩为例，APEX数据展示了这些岩石孔隙空间内低毛细管压力区域的体积分布，且这些低毛细管压力区域是在强润湿流体吸入时捕获残余非润湿相的主要孔隙空间区域，APEX技术与甲苯/空气法测定的残余非润湿相饱和度高度一致，这对提高石油采收率具有重要意义。
　　在实验方面，APEX技术的关键特点是将自动化数据采集与高精度压力测量相结合，能够分辨非常小的压力波动。实验装置包括不锈钢样品池、电动压力增强器、压力传感器、轴编码器等，数据采集由计算机系统完成，可存储原始压力和体积数据、确定孔隙系统的体积类别和大小、分布等。
　　1.2.2 恒速压汞法的孔隙结构表征原理
　　恒速压汞（constant-rate mercury injection，CRMI）技术是一种通过控制非润湿相流体（汞）以恒定低速注入多孔介质，利用毛细管压力波动特征解析孔隙结构的先进实验方法。其核心优势在于突破了常规恒压压汞仅能反映喉道特征的局限，可同时区分孔道与喉道的几何参数，为油气储层等多孔介质的微观孔隙结构表征提供了更全面的依据。恒速压汞技术较为完整的理论及实验装置由Gaulier于1971年*次系统地提出。该技术通过监测进汞压力波动实现了碳酸盐岩储层中不同尺度孔隙网络的区分：一方面可识别孔径较小的基质微孔隙，另一方面能有效捕捉常规压汞难以检测的孔径较大的孔洞系统。这种区分能力对油气储集空间表征具有重要价值，尤其是在非润湿相驱替机理研究和采收率预测方面。
　　Gaulier的理论突破在于论证了该方法区分孔喉结构的可行性。其核心假设为实验过程中岩石润湿性保持稳定，低速进汞条件下可忽略渗流引起的达西压降，即在低速进汞条件下，可以忽略汞在岩石内部流动时由于岩石孔隙结构对流体流动的阻力而产生的压力损失。
　　Gaulier在其论文中基于孔隙结构的毛细管束假设，通过量纲分析推导出达西压降