高精度CT成像技術(shù)在致密油儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用
——以準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖西斜坡風(fēng)城組為例

孫 樂(lè)， 王志章， 于興河， 潘 潞， 張國(guó)印

( 1. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 能源學(xué)院，北京 100083； 2. 中國(guó)石油大學(xué)(北京) 地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249； 3. 中國(guó)石化上海海洋油氣分公司 勘探開(kāi)發(fā)研究院，上海 200120 )

高精度CT成像技術(shù)在致密油儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用
——以準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖西斜坡風(fēng)城組為例

孫 樂(lè)1， 王志章2， 于興河1， 潘 潞3， 張國(guó)印2

( 1. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 能源學(xué)院，北京 100083； 2. 中國(guó)石油大學(xué)(北京) 地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249； 3. 中國(guó)石化上海海洋油氣分公司 勘探開(kāi)發(fā)研究院，上海 200120 )

二疊系下統(tǒng)風(fēng)城組為準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖西斜坡致密油主力產(chǎn)層。基于CT成像的三維高精度儲(chǔ)層表征、掃描電鏡和壓汞測(cè)試等方法，分析風(fēng)城組致密油儲(chǔ)層微觀孔隙結(jié)構(gòu)。選取并制備直徑為65 μm的CT實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行納米尺度掃描，構(gòu)建納米級(jí)孔隙三維結(jié)構(gòu)模型，分析不同深度樣品物性特征，以及孔喉大小、形態(tài)、空間分布和連通性。結(jié)果表明：在微米尺度下，實(shí)驗(yàn)樣品孔喉大小差異大，半徑為2～50 μm，呈孤立狀或條帶狀分布于粒間或粒內(nèi)，數(shù)量少但占孔隙體積大；在納米尺度下，樣品孔喉半徑為0.05～0.30 μm，納米級(jí)孔隙數(shù)量增多，呈管狀或球狀分布于礦物顆粒(晶體)內(nèi)部或表面，納米級(jí)球狀微孔連通性較差，三維空間呈孤立狀，多作為儲(chǔ)集空間；計(jì)算樣品孔隙度與巖心分析孔隙度結(jié)果接近。該研究結(jié)果可為研究區(qū)致密油儲(chǔ)層進(jìn)一步勘探提供指導(dǎo)。

CT三維成像； 致密油儲(chǔ)層； 微觀孔隙結(jié)構(gòu)； 瑪湖西斜坡； 準(zhǔn)噶爾盆地

0 引言

近年來(lái)，致密油勘探開(kāi)發(fā)引起廣泛關(guān)注，它與常規(guī)油氣藏不同，主要表現(xiàn)在油氣儲(chǔ)集空間微觀結(jié)構(gòu)方面，人們對(duì)致密油的研究已從微米級(jí)擴(kuò)展到納米級(jí)[1-4]。致密油儲(chǔ)層巖性主要為致密砂巖、致密灰?guī)r和致密碳酸鹽巖等，儲(chǔ)集性能差；孔喉以納米級(jí)為主，連通復(fù)雜[5]。中國(guó)致密油藏以陸相沉積為主，儲(chǔ)層物性較差，目前已在準(zhǔn)噶爾盆地二疊系蘆草溝組、鄂爾多斯盆地三疊系延長(zhǎng)組、四川盆地侏羅系等發(fā)現(xiàn)豐富的致密油資源，地質(zhì)資源量均大于15×108t[6]。致密油儲(chǔ)層微觀孔隙結(jié)構(gòu)與油氣賦存規(guī)律、成藏模式、滲流機(jī)理、儲(chǔ)層保護(hù)等關(guān)系密切，是衡量和評(píng)價(jià)儲(chǔ)層優(yōu)劣的重要指標(biāo)。致密油儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)納米級(jí)孔喉儲(chǔ)層類型，可以利用數(shù)字巖心技術(shù)分析成因。在中國(guó)非常規(guī)油氣儲(chǔ)層研究中，應(yīng)用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡與納米CT重構(gòu)技術(shù)，可以發(fā)現(xiàn)半徑小于1 μm的油氣納米孔[7]。

孔隙結(jié)構(gòu)是影響儲(chǔ)集層物性的重要因素，以納米級(jí)孔喉為主的致密油儲(chǔ)層的孔隙微觀結(jié)構(gòu)對(duì)其孔滲特征具有很大影響[8-10]，表征儲(chǔ)層微觀孔喉結(jié)構(gòu)成為致密油儲(chǔ)層研究的主要內(nèi)容。沉積作用和成巖作用是造成儲(chǔ)層孔隙類型多樣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不均一性強(qiáng)的主要原因[11]。儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)分析是以巖石樣本為基礎(chǔ)的微觀分析技術(shù)，呈多學(xué)科交叉的特點(diǎn)[12]。偏光顯微鏡利用礦物折射光學(xué)特性進(jìn)行研究和確定樣品結(jié)構(gòu)，極限分辨率為0.2 μm；鏡下巖石鑄體薄片可以直接觀察孔隙、喉道及其相互連通的二維孔隙結(jié)構(gòu)，通過(guò)分析孔喉類型、面孔率、孔喉配位數(shù)等對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量表征。掃描電鏡具有極高的分辨率，極限分辨率達(dá)0.8～20.0 nm，可以研究?jī)?chǔ)集巖的礦物成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、孔隙類型及成因、膠結(jié)程度及次生變化，但較難反應(yīng)孔喉的三維分布和孔隙連通等信息[13-15]。壓汞法通過(guò)測(cè)定毛細(xì)管力間接測(cè)定巖石的孔隙喉道大小分布，但僅適用于相互連通微孔，且測(cè)量微孔尺寸范圍有限[16-17]。這些孔隙結(jié)構(gòu)分析方法難以全面反映致密油儲(chǔ)層的儲(chǔ)集空間特征，在描述儲(chǔ)層孔隙類型、形態(tài)、連通性和孔隙度等方面具有局限性，且難以兼顧定性分析和定量表征[18-19]。X線斷層成像技術(shù)能對(duì)巖石樣品進(jìn)行三維快速掃描成像，針對(duì)不同尺寸樣品進(jìn)行微—納米CT分析，利用掃描圖像數(shù)值重構(gòu)孔喉三維結(jié)構(gòu)模型，獲取不同方位微米、納米級(jí)孔喉結(jié)構(gòu)顯示，不僅能反映孔喉結(jié)構(gòu)整體信息，也能對(duì)致密儲(chǔ)層微觀孔喉分布非均質(zhì)性特征進(jìn)行三維表征[20-22]。筆者采用微—納米CT技術(shù)，結(jié)合其他實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖西斜坡風(fēng)城組致密油儲(chǔ)集層微觀孔喉結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。

1 地質(zhì)背景

烏夏地區(qū)地處準(zhǔn)噶爾盆地西北緣，位于哈拉阿拉特山南部，西起百口泉地區(qū)，東南為瑪湖凹陷，包括風(fēng)烏斷裂帶、瑪湖西斜坡和夏子街地區(qū)(見(jiàn)圖1)，為走向呈北東—南西向的斷褶帶。受海西、印支、燕山及喜馬拉雅等構(gòu)造疊加作用，瑪湖西斜坡構(gòu)造表現(xiàn)為東南傾的平緩單斜，局部發(fā)育背斜、鼻狀構(gòu)造或低幅度平臺(tái)[23]。

圖1 準(zhǔn)噶爾盆地烏夏地區(qū)構(gòu)造位置Fig.1 The structural location of Wuxia area in Junggar basin

瑪湖西斜坡是準(zhǔn)噶爾盆地致密油氣勘探研究的重點(diǎn)地區(qū)之一，其主要富烴凹陷——風(fēng)城組有機(jī)質(zhì)豐度較高、類型較好、成熟度較高，生油巖發(fā)育程度較好，是盆地西北緣其他層位油氣的主要來(lái)源。2011～2012年，風(fēng)南7井在風(fēng)城組三段致密凝灰質(zhì)云巖中首獲工業(yè)油流(產(chǎn)量為12.3 m3/d)，突破瑪湖西斜坡裂縫欠發(fā)育區(qū)云質(zhì)巖致密油工業(yè)油流產(chǎn)量記錄；遠(yuǎn)離斷裂帶的斜坡區(qū)僅鉆井6口，雖然儲(chǔ)層致密，但每口井都見(jiàn)油，表明該區(qū)具有較大勘探潛力。

研究區(qū)沉積充填下二疊統(tǒng)佳木河組(P1j)和風(fēng)城組(P1f)、中二疊統(tǒng)夏子街組(P2x)、下烏爾禾組(P2w)及下三疊統(tǒng)百口泉組(T1b)，缺失上二疊統(tǒng)上烏爾禾組(P3w)(見(jiàn)表1)。風(fēng)城組為研究區(qū)目的層，厚度為400～1 400 m，地層向東尖滅；自下而上可劃分為風(fēng)城組一段、二段和三段(風(fēng)一段、風(fēng)二段和風(fēng)三段)。風(fēng)一段主要發(fā)育云質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)或凝灰質(zhì)云巖，夾云質(zhì)凝灰?guī)r，內(nèi)部穩(wěn)定發(fā)育兩期火山碎屑巖；風(fēng)二段主要發(fā)育云質(zhì)凝灰?guī)r和泥巖，與泥質(zhì)和凝灰質(zhì)云巖互層，夾云質(zhì)粉砂巖，局部發(fā)育膏質(zhì)粉砂巖；風(fēng)三段主要發(fā)育泥巖、云質(zhì)泥巖和云質(zhì)凝灰?guī)r，底部夾泥質(zhì)和凝灰質(zhì)云巖。

2 儲(chǔ)層特征

2.1 巖性

瑪湖西斜坡二疊系風(fēng)城組發(fā)育封閉—半封閉的半深湖沉積環(huán)境，伴隨火山活動(dòng)，陸源碎屑巖、碳酸鹽巖、火山碎屑巖及過(guò)渡性巖類混合發(fā)育，形成多種巖石類型。地層巖石普遍經(jīng)歷白云石化作用，白云石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.1%～60.6%，平均為16.1%，巖性主要為白云巖、云質(zhì)泥巖、泥質(zhì)云巖、云質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)云巖、凝灰質(zhì)云巖和云質(zhì)凝灰?guī)r等(見(jiàn)圖2)。云質(zhì)巖類厚度較大，最厚處達(dá)300 m，是致密油的主要儲(chǔ)層，其中白云質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)白云巖為最有利儲(chǔ)層巖性類型。

圖2 風(fēng)城組儲(chǔ)層主要巖石類型Fig.2 Main reservoir rock types in Fengcheng formation

2.2 物性

物性特征決定儲(chǔ)層的儲(chǔ)集及滲流性能?，敽餍逼露B系風(fēng)城組巖性致密，孔滲普遍偏低，受白云石化作用的影響，地層測(cè)井響應(yīng)特征較為復(fù)雜(見(jiàn)圖3)。分析該區(qū)6口取心井中風(fēng)城組的199塊巖心樣品，巖心孔隙度分布為2.00%～14.00%，平均為4.65%(見(jiàn)圖4(a))；滲透率分布為(0.003～47.900)×10-3μm2，其中85%的樣品滲透率小于1.000×10-3μm2，表現(xiàn)為明顯的致密儲(chǔ)層特征(見(jiàn)圖4(b))。風(fēng)二段和風(fēng)三段物性相對(duì)較好，發(fā)育一定比例中孔，具有“甜點(diǎn)”儲(chǔ)層特征。

2.3 孔隙類型

由瑪湖西斜坡風(fēng)城組儲(chǔ)層物性分布特征可知，風(fēng)城組儲(chǔ)集空間主要由粒內(nèi)孔、晶間孔、次生溶孔和裂縫等構(gòu)成，儲(chǔ)層物性較差。風(fēng)城組原始沉積物粒度較細(xì)，埋藏較深，受長(zhǎng)期壓實(shí)作用的影響，原始孔隙不易保存，發(fā)育的粒內(nèi)溶孔呈不規(guī)則形狀，多為孤立或基本不連通。發(fā)育的粒間溶蝕孔隙多呈港灣狀或長(zhǎng)條狀，為致密儲(chǔ)層的主要孔隙類型，包括晶間溶孔(見(jiàn)圖5(a)、(c))、晶內(nèi)溶孔(見(jiàn)圖5(b)、(d))，主要由鹽類礦物、方解石、白云石和長(zhǎng)石等礦物受溶蝕而形成，屬于微米或納米級(jí)孔隙；部分孔隙被有機(jī)質(zhì)充填(見(jiàn)圖5(e))，孔徑一般不大于5.00 μm，對(duì)改善儲(chǔ)層有一定貢獻(xiàn)[24]。

3 CT成像儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)表征

3.1 技術(shù)原理

CT成像技術(shù)可以表征石油在微、納米級(jí)孔喉系統(tǒng)中的賦存狀態(tài)。X-CT裝置對(duì)樣品要求較低，既可以是全直徑巖心或野外露頭，也可以是破損、零碎的巖石碎塊；微米CT樣品直徑為2～50 mm，分辨率為0.5～20.0 μm；納米CT中HRES模式的分辨率最高(達(dá)50 nm)。成像結(jié)果準(zhǔn)確細(xì)致，可以直觀分析巖石內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)分布及連通情況；對(duì)樣品可以獲取孔隙度、孔隙半徑和喉道半徑等參數(shù)，數(shù)據(jù)類型豐富[25-26]。

圖3 西斜坡帶風(fēng)南1井測(cè)井綜合解釋成果

圖4 西斜坡帶風(fēng)城組儲(chǔ)層物性分布Fig.4 Reservoir physical properties distribution histogram of Fengcheng formation in west slope belt

X-CT利用X線從不同方向穿透掃描樣品斷面，探測(cè)樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)整X線強(qiáng)度并進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，得到與X線有關(guān)的CT值[27]。CT成像的核心是建立樣品投影數(shù)據(jù)的二維灰度圖像，進(jìn)而利用圖像處理軟件實(shí)現(xiàn)三維圖像重建；得到巖心樣品灰度圖像后，孔隙周邊和基質(zhì)內(nèi)的灰度值區(qū)別不大，導(dǎo)致邊緣比較模糊，需要對(duì)樣品圖像進(jìn)行二值化分類，將灰度值分為離散的“0”和“1”，便于進(jìn)行三維孔隙結(jié)構(gòu)顯示和計(jì)算[28]。

圖5 西斜坡帶風(fēng)城組儲(chǔ)集空間類型照片F(xiàn)ig.5 Photographs of various reservoir space of Fengcheng formation in west slope belt

3.2 樣品優(yōu)選

文中分析樣品取自瑪湖西斜坡風(fēng)城組，該地層縱向分布不均一性強(qiáng)。為表征地層孔隙結(jié)構(gòu)，將孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)分為反映孔喉大小、分選、連通性及控制流體運(yùn)動(dòng)特征的不同類型參數(shù)。分析利用壓汞法實(shí)驗(yàn)得到的各段儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)(見(jiàn)表1)，風(fēng)三段儲(chǔ)層孔隙半徑較大，最大為0.97 μm；分選因數(shù)最小，具有較好的孔喉連通性。不同層段樣品毛管平均半徑為0.17 μm，風(fēng)三段最大，為0.29 μm；風(fēng)一段最小，為0.07 μm。西斜坡非飽和孔喉體積分?jǐn)?shù)較大，表明非潤(rùn)濕相孔喉所占比例較大。

表1 西斜坡帶風(fēng)城組儲(chǔ)層樣品壓汞法實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用鑄體薄片、掃描電鏡和微米CT掃描方法，在風(fēng)城組三個(gè)層段內(nèi)選取適合表征不同巖性儲(chǔ)層孔隙發(fā)育特征的巖心(見(jiàn)表2)，制備直徑為65 μm的圓柱體樣品。利用納米CT掃描方法，構(gòu)建納米級(jí)微觀孔喉三維模型，獲得納米尺度分辨率下微觀孔喉結(jié)構(gòu)特征，計(jì)算樣品孔隙度、孔隙喉道半徑等參數(shù)，再結(jié)合其他微觀分析方法，分析西斜坡孔隙結(jié)構(gòu)特征。

表2 西斜坡帶風(fēng)城組儲(chǔ)層樣品納米CT實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由于納米CT掃描尺度過(guò)小，需要在樣品上選擇合適位置才能得到預(yù)期效果。分析微米CT掃描數(shù)據(jù)，樣品2微米級(jí)孔隙發(fā)育，局部位置孔隙較大，直徑約為50 μm，非均質(zhì)性較強(qiáng)(見(jiàn)圖6(a))。樣品2在云質(zhì)泥巖中存在微孔集中發(fā)育區(qū)，由于微米級(jí)圖片分辨率不足，需要采用更精細(xì)尺度的CT掃描方法，分析樣品孔隙結(jié)構(gòu)特征。

圖6 風(fēng)南1井風(fēng)二段儲(chǔ)層樣品2多尺度CT圖像Fig.6 Multiscale CT graphs of sample 2 in Fengcheng2 member, Fengnan 1 well

針對(duì)微米CT掃描結(jié)構(gòu)，在微孔發(fā)育區(qū)制備標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格樣品并進(jìn)行納米CT掃描，獲取分辨率為50 nm的901張二維掃描圖像(見(jiàn)圖6(b))。由圖6(b)可見(jiàn)，樣品中納米級(jí)孔喉整體發(fā)育，局部存在微米級(jí)孔喉，微孔呈條帶狀和彎片狀，主要分布于礦物顆粒內(nèi)部，屬于顆粒內(nèi)孔隙或晶內(nèi)孔隙?？缀戆霃綖?.05～0.30 μm。

由風(fēng)南1井風(fēng)二段樣品三維孔喉分布(見(jiàn)圖7(a))可見(jiàn)，納米級(jí)孔喉相互疊加，呈球狀或短管狀分布于礦物顆粒內(nèi)部及表面，孔隙連通性較差，多呈孤立狀分布；微米級(jí)孔隙呈粗大管狀、條帶狀分布于顆粒周邊，具有較好的連通性，除了作為儲(chǔ)集空間，還是重要的滲流通道，喉道主要位于微米級(jí)和管狀納米級(jí)孔隙之間(見(jiàn)圖7(b))。由風(fēng)二段樣品2的CT掃描計(jì)算和數(shù)值模擬孔喉大小(見(jiàn)圖8、圖9)可見(jiàn)，樣品2喉道半徑分布主要為0.04～0.20 μm，孔隙半徑主要在0.05～0.30 μm之間，占總孔隙數(shù)量的96.0%，但半徑小于0.30 μm的樣品孔隙體積占總體積的18.0%；微米級(jí)孔隙分布較少，但體積比例較大，半徑大于1.00 μm的樣品孔隙體積占總體積的58.5%(見(jiàn)圖10)；樣品2孔喉平均半徑為0.16 μm，壓汞法測(cè)得的風(fēng)二段樣品平均孔喉半徑為0.14 μm，兩者較為接近。

根據(jù)納米CT掃描數(shù)據(jù)，建立三維孔喉模型，通過(guò)數(shù)值模擬統(tǒng)計(jì)孔隙所占像素對(duì)應(yīng)的體積，計(jì)算樣品孔隙度等孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)。其中樣品2的納米CT掃描計(jì)算孔隙度為1.90%，巖心分析有效孔隙度為2.18%，壓汞法測(cè)試孔隙度為2.67%，誤差原因是受到樣品尺度過(guò)小和樣品選取位置不夠精確等因素影響。樣品1和樣品3納米CT掃描計(jì)算孔隙度分別為3.98%和2.56%，與巖心分析數(shù)據(jù)非常接近。根據(jù)納米CT技術(shù)所獲孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)合薄片分析、掃描電鏡和壓汞測(cè)試等實(shí)驗(yàn)結(jié)果，研究區(qū)風(fēng)城組致密油儲(chǔ)層具有低孔、致密的儲(chǔ)層特征，晶間孔的孔徑一般小于5.00 μm，最有利儲(chǔ)層發(fā)育的孔隙類型以次生溶孔為主，孔徑大小不一。風(fēng)城組孔隙結(jié)構(gòu)較差、孔隙分布較為孤立、連通性差，喉道半徑較小，多小于1.00 μm，孔喉分布均勻度為中等—差，對(duì)應(yīng)儲(chǔ)層的物性參數(shù)普遍很低，孔隙度多小于3.00%，滲透率多小于0.100×10-3μm2。因此，高精度CT成像技術(shù)為準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)致密油儲(chǔ)層微觀孔喉結(jié)構(gòu)特征提供依據(jù)，結(jié)合其他微觀實(shí)驗(yàn)方法，可以研究致密儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)特征。

圖7 風(fēng)南1井風(fēng)二段儲(chǔ)層樣品CT掃描結(jié)果Fig.7 Result analysis figure of Nano-CT of sample in Fengcheng2 member, Fengnan 1 well

圖8 樣品2 CT掃描計(jì)算孔喉大小頻率分布Fig.8 Pore throat size frequency distribution histogram of sample 2

圖9 樣品2數(shù)值模擬喉道大小頻率分布Fig.9 Analog throat size frequency distribution histogram of sample 2

圖10 樣品2不同尺寸孔喉占總孔喉體積分布

5 結(jié)束語(yǔ)

利用高精度CT三維成像技術(shù)，在不同尺度下表征準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖西斜坡風(fēng)城組致密儲(chǔ)層孔吼結(jié)構(gòu)特征，分析孔吼形狀、大小、空間分布及連通性。該儲(chǔ)層具有低孔、致密的儲(chǔ)集空間形態(tài)，微觀孔喉特征在不同尺度下具有不同表現(xiàn)形式。微米級(jí)孔隙具有多種形態(tài)，其中球狀孔隙連通性較差，三維空間呈孤立狀，多作為儲(chǔ)集空間；納米級(jí)孔隙數(shù)量比微米級(jí)的增多，孔喉相互疊加，孔喉幾何形態(tài)多呈短管狀及球狀，分布于礦物顆粒(晶體)內(nèi)部和表面，半徑主要為0.04～0.50 μm，短管狀微孔具有一定連通性，兼具喉道與孔隙的雙重功能。

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2016-05-03；編輯：張兆虹

國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2011ZX05008-004)

孫 樂(lè)(1988-)，男，博士研究生，主要從事沉積儲(chǔ)層及開(kāi)發(fā)地質(zhì)方面的研究。

P618.13

A

2095-4107(2016)06-0026-09

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2016.06.004