高石梯-磨溪區(qū)塊碳酸鹽巖儲(chǔ)層孔隙連通性綜合評(píng)價(jià)

崔利凱 孫建孟 黃宏

摘 要：碳酸鹽巖儲(chǔ)層發(fā)育有孔隙、洞穴和裂縫3種儲(chǔ)集空間，孔隙空間組合關(guān)系復(fù)雜多樣，儲(chǔ)層物性差異大，均質(zhì)性差，連通性評(píng)價(jià)難度大。為了綜合評(píng)價(jià)碳酸鹽巖儲(chǔ)層孔隙連通性，以X射線CT掃描成像和數(shù)字巖心技術(shù)為基礎(chǔ)，以四川盆地川中地區(qū)高石梯-磨溪區(qū)塊龍王廟組和燈影組碳酸鹽巖為例，將孔隙劃分為主要孔隙、次要孔隙和死孔隙3種類型，從定性與定量2個(gè)方面開展碳酸鹽巖孔隙連通性綜合評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：研究區(qū)儲(chǔ)層以溶蝕孔隙和溶蝕孔洞為主，同時(shí)裂縫較為發(fā)育，對(duì)儲(chǔ)層滲流能力具有顯著的改善作用。此外，連通性計(jì)算結(jié)果表明巖心主要孔隙連通率較高，平均占總孔隙體積的60%以上。主要孔隙占總孔隙的比值與儲(chǔ)層滲流能力總體呈正相關(guān)關(guān)系。通過(guò)孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)綜合分析，對(duì)于高孔低滲的樣品，孔隙為主要儲(chǔ)集空間，但儲(chǔ)層滲流能力受喉道半徑和配位數(shù)影響較大;對(duì)于低孔高滲的樣品，喉道及配位數(shù)對(duì)流體滲流控制能力很小，但裂縫及溶洞顯著提高了儲(chǔ)層孔隙連通性，有效改善了儲(chǔ)層的滲流能力。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)資源與地質(zhì)工程;孔隙連通性;X射線CT掃描;碳酸鹽巖儲(chǔ)層;孔隙結(jié)構(gòu);數(shù)字巖心

中圖分類號(hào)：TE 122.2 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2019.0411 ? 文章編號(hào)：1672-9315（2019）04-0634-10

Abstract：There are three types of reservoir spaces in carbonate reservoirs，including pores，caves and fractures.The combination of pore space is diverse，and the reservoir has strong heterogeneity and differs greatly in physical properties，therefore it is difficult to conduct a connectivity evaluation.For comprehensive evaluation of carbonate reservoir pore connectivity，based on X ray CT scanning and digital core physics，taking the carbonate rocks from Longwangmiao Formation and Dengying Formation of Gaoshiti Moxi block in Sichuan basin as examples，the pore space was divided into three types，primary pores，secondary pores and dead pores.The comprehensive evaluation of pore connectivity was carried out from both qualitative and quantitative aspects.The results show that the reservoir in the study area is dominated by dissolution pores and dissolution caves.The fractures are also developed，which can significantly improve the permeability of the reservoir.In addition，the results of connectivity calculation show that the connectivity of primary pores is high，accounting for more than 60% of the total pore volume.The ratio of primary pores to total pores is positively correlated with reservoir permeability.Through the comprehensive analyzation of the pore structure parameters，for the samples with high porosity and low permeability，the pores are the main storage space，while the permeability of reservoir is obviously controlled by throat radius and coordination number.For the samples with low porosity and high permeability，the throat and coordination number have little control over permeability.The existence of fractures and caves，however，can improve the pore connectivity，thus promoting the permeability of reservoirs effectively.

Key words：geological resources and geological engineering;pore connectivity;X ray CT scanning;carbonate reservoir;pore structure;digital core

0 引 言

碳酸鹽巖儲(chǔ)層占世界剩余石油與天然氣資源的一半以上，具有巨大的勘探開發(fā)潛力。儲(chǔ)層孔隙是油氣的有效存儲(chǔ)空間，其中連通部分更是為油氣的運(yùn)移提供通道，進(jìn)而控制油氣的產(chǎn)出行為[1]。因此，孔隙連通性綜合評(píng)價(jià)對(duì)油氣資源評(píng)價(jià)、賦存及運(yùn)移機(jī)理研究具有重要意義[2-3]。由于碳酸鹽巖儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間復(fù)雜，具有明顯的非均質(zhì)性以及復(fù)雜的孔滲關(guān)系[4-5]。因此，以滲透率表征為主的常規(guī)儲(chǔ)層孔隙連通性表征方法不能準(zhǔn)確全面地反映碳酸鹽巖孔隙連通性情況。隨著X射線CT掃描技術(shù)在石油地質(zhì)領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用，利用CT掃描對(duì)巖心樣品進(jìn)行無(wú)損成像，獲得巖心三維結(jié)構(gòu)信息，通過(guò)圖像分割建立數(shù)字巖心模型，進(jìn)而可以對(duì)孔隙連通性進(jìn)行定量分析。相比于利用核磁共振與壓汞評(píng)價(jià)儲(chǔ)層孔隙連通性[1]，基于CT技術(shù)的連通性分析更直觀更全面。楊保華等提出了以基于孔隙中軸線結(jié)構(gòu)的孔隙拓?fù)渎蕘?lái)評(píng)價(jià)孔隙連通性的優(yōu)劣[6]。鄒才能等提出利用孔隙連通率來(lái)描述致密儲(chǔ)層孔隙空間的滲透性[7]。王玉丹等利用同步輻射多能CT技術(shù)，結(jié)合數(shù)據(jù)約束模型方法對(duì)碳酸鹽巖和頁(yè)巖樣品微納孔隙、裂縫進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)了多尺度三維結(jié)構(gòu)表征和連通性分析。其連通性基于孔隙團(tuán)簇分析，對(duì)連通性表征的定量分析不足[8]。鄭委等針對(duì)裂隙多孔介質(zhì)，提出了一種雙重逾滲模型，并基于模型將分形維數(shù)作為表征連通性的依據(jù)[9]。趙斌等將孔隙簡(jiǎn)化為球棍模型即孔隙網(wǎng)絡(luò)模型，采用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論建立孔隙結(jié)構(gòu)的結(jié)點(diǎn)-邊數(shù)學(xué)模型，并引入了網(wǎng)絡(luò)連通熵的概念用于孔隙連通性評(píng)價(jià)[10]。與分形維數(shù)一樣，通過(guò)單一參數(shù)不能完整準(zhǔn)確地描述孔隙連通性。孫亮等利用聚焦電子-離子雙束掃描電鏡（FIB SEM）和數(shù)字巖心技術(shù)對(duì)頁(yè)巖、致密碳酸鹽巖樣品連通性進(jìn)行了分析，提出了多級(jí)連通域模型進(jìn)行孔隙連通性分析[11]。

以四川盆地川中地區(qū)高石梯-磨溪區(qū)塊龍王廟組和燈影組碳酸鹽巖為依托，采用CT掃描對(duì)多組碳酸鹽巖樣品進(jìn)行了微觀孔隙結(jié)構(gòu)提取，利用數(shù)字巖心技術(shù)重構(gòu)了真實(shí)巖心樣品三維孔隙結(jié)構(gòu)模型。綜合前人研究成果，基于孔隙結(jié)構(gòu)模型將孔隙空間劃分為不同類型的孔隙連通域并計(jì)算孔隙連通率，從定性與定量?jī)煞矫鎸?duì)孔隙連通性進(jìn)行評(píng)價(jià)與分析。同時(shí)，通過(guò)計(jì)算相關(guān)的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)儲(chǔ)層滲透率的微觀影響因素進(jìn)行了分析。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

高石梯-磨溪區(qū)塊位于四川盆地川中地區(qū)平緩構(gòu)造帶中部、樂(lè)山-龍女寺古隆起軸部東部，其主力儲(chǔ)層包括震旦系燈影組及寒武系龍王廟組[12]。高石梯-磨溪潛伏構(gòu)造帶經(jīng)歷了多旋回構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的同沉積和剝蝕隆起作用，受川中及龍門山基底隆起控制，是具有一定繼承性發(fā)育的古隆起[13]。震旦紀(jì)時(shí)期四川盆地及周緣發(fā)育碳酸鹽鑲邊臺(tái)地，寒武系龍王廟組沉積期發(fā)育碳酸鹽緩坡型臺(tái)地[14]，形成了復(fù)雜裂縫-孔洞型、孔隙型碳酸鹽巖儲(chǔ)層。龍王廟組儲(chǔ)層儲(chǔ)滲空間主要為裂縫-孔隙（洞）型，其次為孔隙型，孔、洞、縫搭配良好，燈影組儲(chǔ)層儲(chǔ)滲空間為裂縫-孔隙（洞）型、孔隙（洞）型2類[15]。燈影組燈二段、燈四段及龍王廟組碳酸鹽巖儲(chǔ)層平均孔隙度分別為3.35%，322%和4.28%，平均滲透率分別為1.160×10-3，0.593×10-3，0.966×10-3 μm2.文中研究目的層為四川盆地川中地區(qū)高石梯-磨溪區(qū)塊震旦系燈影組、寒武系龍王廟組深層碳酸鹽巖裂縫-孔洞型儲(chǔ)層。

2 碳酸鹽巖儲(chǔ)層儲(chǔ)集特征

2.1 儲(chǔ)集空間特征

碳酸鹽巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，儲(chǔ)集空間以溶蝕孔隙和溶洞為主，溶蝕孔隙有粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔及晶間溶孔等，裂縫也較為發(fā)育，主要分為微裂縫、構(gòu)造裂縫及溶蝕裂縫等[16-17]?；趲r心掃描圖像及巖心分析資料，研究區(qū)以溶蝕孔洞（圖1（d）、圖1（e））為主，以各種裂縫及微孔隙為輔，孔隙呈不規(guī)則狀，包括粒間溶孔（圖1（f）、圖1（g））、粒內(nèi)溶孔（圖1（c））及晶間溶蝕孔（圖1（h）、圖1（i））;微裂縫（圖1（a））開度較小，溶蝕裂縫（圖1（b））長(zhǎng)度小，開度相對(duì)較大，邊界有明顯的溶蝕現(xiàn)象，呈鋸齒狀。從儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間發(fā)育程度著手，研究區(qū)儲(chǔ)集空間類型差異較大，可分為裂縫-孔隙（洞）型及溶蝕孔洞型等?？紫缎蛢?chǔ)集空間微裂縫發(fā)育明顯，無(wú)溶蝕孔隙;裂縫型儲(chǔ)集空間存在明顯的張開裂縫，基質(zhì)中含有少量的溶蝕孔洞;溶蝕孔洞型儲(chǔ)集空間溶蝕孔洞發(fā)育，孔洞之間存在大量的微孔隙。

2.2 儲(chǔ)集物性特征

巖心柱塞樣氣測(cè)結(jié)果表明，研究區(qū)碳酸鹽巖儲(chǔ)層以低孔低滲特征為主，局部存在低孔高滲、高孔低滲以及高孔高滲等特征。孔隙度范圍為279%～10.02%，主要分布在3.6%～7.5%，平均值為5.37%;滲透率分布于（0.001 7～0.833 3）×10-3 μm2，主值分布范圍為（0.002 6～0.067 2）×10-3 μm2，平均值為0.082 1×10-3 μm2.

研究區(qū)碳酸鹽巖儲(chǔ)層孔滲特征如圖2所示，在低孔隙度段（4%左右）巖心樣品存在滲透率等于甚至高于高孔隙度段滲透率值的特征，即明顯的低孔高滲特征;在高孔隙度段（8%左右）巖心樣品存在滲透率等于甚至低于低孔隙度段滲透率值的現(xiàn)象，即明顯的高孔低滲特征。研究區(qū)儲(chǔ)層孔隙度與滲透率具有一定的相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)性差，進(jìn)一步驗(yàn)證了碳酸鹽巖儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間發(fā)育程度差異以及組合類型的復(fù)雜性。

3 微觀孔隙連通性評(píng)價(jià)

X射線CT掃描利用射線對(duì)掃描樣品的全方位、快速無(wú)損成像優(yōu)勢(shì)，將掃描圖像進(jìn)行數(shù)值重構(gòu)，進(jìn)而可以將樣品內(nèi)部的微觀三維結(jié)構(gòu)特征真實(shí)地反映出來(lái)[18-22]。文中將X射線CT掃描技術(shù)應(yīng)用于碳酸鹽巖柱塞樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)灰度圖像獲取，通過(guò)圖像分割重構(gòu)能夠反映微觀孔喉結(jié)構(gòu)特征的三維數(shù)字巖心模型，例如：原生孔隙、溶蝕孔隙、溶蝕孔洞、微裂縫及構(gòu)造裂縫等，為準(zhǔn)確全面地開展碳酸鹽巖孔隙連通性評(píng)價(jià)奠定基礎(chǔ)。

3.1 孔隙連通性定性評(píng)價(jià)

在開展巖石孔隙連通性評(píng)價(jià)時(shí)，為了表達(dá)直觀和簡(jiǎn)化后續(xù)計(jì)算過(guò)程，將數(shù)字巖心劃分為巖石骨架和孔隙2部分，不考慮礦物類型。采用CT掃描成像構(gòu)建的碳酸鹽巖柱塞樣三維結(jié)構(gòu)模型如圖3所示，柱塞樣直徑為25.4 mm，長(zhǎng)度為45.5 mm，掃描分辨率為26.6 μm/像素。

由于研究區(qū)碳酸鹽巖具有極強(qiáng)的非均質(zhì)性，為獲取較大的視野，同時(shí)考慮到巖石物理數(shù)值模擬計(jì)算要求，選取柱塞樣品中孔隙結(jié)構(gòu)較為發(fā)育的區(qū)域，截取體積為600×600×600體素的三維數(shù)字巖心模型。8組巖心樣品的三維數(shù)字巖心模型（圖4）和內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)模型（圖5）用于孔隙結(jié)構(gòu)、孔隙分布及連通性關(guān)系等特征的定性評(píng)價(jià)。

由碳酸鹽巖數(shù)字巖心模型及孔隙結(jié)構(gòu)模型可知，震旦系燈影組、寒武系龍王廟組碳酸鹽巖孔隙類型復(fù)雜，發(fā)育有微孔隙、裂縫及溶洞等，孔隙尺寸跨度大，形態(tài)差異大，溶孔呈管狀（圖5（a））及類球狀（圖5（d）、圖5（h））分布，為流體的主要儲(chǔ)集空間;裂縫呈片狀（圖5（c）、圖5（d）及圖5（g））分布，為流體的主要運(yùn)移空間和儲(chǔ)集空間;孔隙分布均質(zhì)性差，呈分散狀（圖5（b）、圖5（e）及圖5（f））或聚集狀（圖5（d））分布，局部較為發(fā)育，微孔隙多圍繞大孔洞分布;體積較大的溶孔及裂縫將孔隙空間相互連通，有效地溝通了微孔隙，具有很好的連通性。此外，研究結(jié)果表明碳酸鹽巖孔隙度雖然不高，但有效儲(chǔ)集空間尺度較大，滲流能力可能同樣存在較大差別。實(shí)例分析表明，孔隙結(jié)構(gòu)模型能夠直觀地了解碳酸鹽巖儲(chǔ)層孔隙空間的結(jié)構(gòu)特征，為孔隙結(jié)構(gòu)及連通性定性評(píng)價(jià)奠定基礎(chǔ)。

3.2 孔隙連通性定量評(píng)價(jià)

基于碳酸鹽巖數(shù)字巖心模型，采用數(shù)值方法開展孔隙連通性定量評(píng)價(jià)。為直觀地分析巖石微觀孔隙連通性，依據(jù)其對(duì)滲透率貢獻(xiàn)度將孔隙劃分3類，分別為主要孔隙、次要孔隙及死孔隙。主要孔隙是指孔隙體素貫穿模型相對(duì)邊界的區(qū)域，對(duì)特定方向滲透具有極大的貢獻(xiàn);次要孔隙是指孔隙體素僅位于模型一個(gè)邊界上或相鄰邊界上的區(qū)域，雖然在數(shù)字巖心表征范圍內(nèi)不能實(shí)現(xiàn)單方向連通，但是在大尺度上可能對(duì)孔隙連通具有重要影響;死孔隙是指位于模型內(nèi)部，與模型邊界沒(méi)有任何接觸的區(qū)域，其對(duì)有效孔隙度、滲透率均沒(méi)有貢獻(xiàn)。3種孔隙連通域的區(qū)分有利于更加直觀地表征微觀孔隙的連通性，為孔隙連通性定量評(píng)價(jià)提供了有效支撐。

基于碳酸鹽巖孔隙結(jié)構(gòu)模型，采用色彩標(biāo)記法，在檢測(cè)所有孔隙連通域之后，將不同孔隙連通域進(jìn)行標(biāo)記以進(jìn)行區(qū)分，孔隙分區(qū)及連通性統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖6及表1，圖6中不同的顏色代表不同的孔隙，相互連通的孔隙為一個(gè)顏色。

連通性計(jì)算分析結(jié)果表明，高石梯-磨溪區(qū)塊龍王廟組和燈影組碳酸鹽巖孔隙以大孔洞及裂縫為主，對(duì)滲透率起主要貢獻(xiàn)的孔隙連通率較高，平均占總孔隙體積的64.45%，平均占巖石總體積的4.04%.裂縫樣品（MXYP3，MXYP4）主要孔隙連通率最高達(dá)到95%以上，表明該巖心內(nèi)部大部分孔隙均連接為一體，由裂縫貫通;無(wú)裂縫樣品（MXYP2）主要孔隙連通率達(dá)60%以上，可知整個(gè)巖心內(nèi)部孔隙的溶洞及孔隙連通性較好，但仍有孤立孔隙作為儲(chǔ)集空間。由此可知，對(duì)于碳酸鹽巖而言，雖然孔隙度不高，但有效儲(chǔ)集空間占據(jù)的比例較大。

4 儲(chǔ)層連通性微觀影響因素

4.1 儲(chǔ)集空間類型

碳酸鹽巖儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間類型復(fù)雜，發(fā)育有原生孔隙、溶蝕孔隙、溶蝕孔洞及裂縫等[23-25]。由于研究區(qū)裂縫發(fā)育存在差異，通過(guò)對(duì)比有裂縫樣品與無(wú)裂縫樣品的滲透率（圖7），可知有裂縫樣品滲透率明顯高于無(wú)裂縫樣品。此外，孔隙度越低，裂縫使得其滲透率提高的幅度越大。由此可知，裂縫的存在對(duì)不同類型和尺寸的孔隙起到了很好的連通作用，在一定程度上優(yōu)化了儲(chǔ)層的連通性，在宏觀上表現(xiàn)為滲透率值的增大。由于碳酸鹽巖儲(chǔ)層巖石中包含有大量尺寸分布范圍較廣的溶洞，成為儲(chǔ)集流體的主要儲(chǔ)集空間及滲流通道。裂縫及溶洞的存在顯著地提高了儲(chǔ)層的孔隙連通性，改善了儲(chǔ)層物性特征。

4.2 孔喉組合關(guān)系

在碳酸鹽巖儲(chǔ)層中，孔喉組合關(guān)系多樣性導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)特征及連通性差異，這種差異性直接導(dǎo)致了儲(chǔ)層的非均質(zhì)性[26]，表現(xiàn)為孔滲關(guān)系的復(fù)雜性?？缀戆霃綄?duì)儲(chǔ)層微觀連通性具有重要影響，也控制著儲(chǔ)層物性特征?？紫冻叽缂绑w積決定儲(chǔ)集容量，喉道半徑?jīng)Q定滲流能力，因此有必要提取巖石孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)。基于數(shù)字巖石物理模型，采用最大球算法提取孔隙網(wǎng)絡(luò)模型并計(jì)算相關(guān)孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)（圖8）。

由孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)分布可知，巖心樣品孔隙喉道尺寸及比例存在明顯的差別，通過(guò)與巖石物性參數(shù)綜合分析，碳酸鹽巖孔隙半徑與孔隙度相關(guān)性較好，孔隙度越大，主要孔隙半徑越大。由于裂縫尺度較小，導(dǎo)致該樣品孔喉比較小的部分占比較大，呈現(xiàn)出曲線隨孔喉比增大而減小的形態(tài)，此外巖心內(nèi)孔洞尺度越大，與孔隙差別越大，將會(huì)導(dǎo)致孔喉比曲線峰值位置向右移動(dòng)，發(fā)育孔洞越多峰值越高;孔喉配位數(shù)對(duì)應(yīng)于孔隙網(wǎng)絡(luò)的發(fā)育程度，發(fā)育程度越高，配位數(shù)越大，發(fā)育程度越低，配位數(shù)發(fā)育程度越低，因?yàn)榘l(fā)育有裂縫空間，導(dǎo)致其配位數(shù)分布廣，所占比率較大且分布較為均勻。

碳酸鹽巖主要通過(guò)喉道和裂縫等連通孔隙空間，由于喉道與裂縫尺寸差異較小，由喉道尺寸分布可知喉道半徑分布呈單峰狀態(tài)。在相近孔隙度條件下，儲(chǔ)層滲透率一方面受孔喉半徑分布及大孔喉所占比例影響，大孔喉所占比例越高，孔喉半徑越大，滲透率越大。例如MXYP8孔隙度雖然較大且主要孔隙占比較大，但滲透率卻相對(duì)較小，因?yàn)槭呛淼莱叽巛^小且分布較為集中，此外，MXYP1與MXYP6孔隙度及主要孔隙占比較為接近，但喉道尺寸分布MXYP1優(yōu)于MXYP6，導(dǎo)致滲透率數(shù)值相對(duì)較大;儲(chǔ)層滲透率另一方面還受連通孔隙占總孔隙比例的影響（圖9（b））。連通比例越大，孔喉半徑越大，儲(chǔ)層滲透率越高，如MXYP7優(yōu)于MXYP6.

5 結(jié) 論

1）四川盆地川中地區(qū)高石梯-磨溪區(qū)塊龍王廟組和燈影組為碳酸鹽鑲邊臺(tái)地和碳酸鹽緩坡型臺(tái)地，儲(chǔ)集空間以溶蝕孔隙和溶蝕孔洞為主，微裂縫、構(gòu)造裂縫及溶蝕裂縫等也較為發(fā)育，裂縫和溶洞極大地改善了儲(chǔ)層的儲(chǔ)集能力和滲透性能。

2）應(yīng)用孔隙結(jié)構(gòu)三維重建技術(shù)全面表征了碳酸鹽巖儲(chǔ)層孔喉結(jié)構(gòu)，明確了儲(chǔ)集空間形狀、大小及分布等特征，進(jìn)而評(píng)價(jià)碳酸鹽巖孔隙連通性，研究區(qū)鹽酸鹽巖孔隙連通率總體為4.04%，對(duì)滲透率起主要作用的孔隙占總孔隙體積的64.45%.儲(chǔ)集空間對(duì)孔隙連通性具有很大影響，在相近孔隙度條件下，裂縫或溶洞越發(fā)育，其將所有孔隙連通在一起的幾率越大，連通性越好。

3）碳酸鹽巖儲(chǔ)層中，儲(chǔ)集空間組合類型多樣性導(dǎo)致了孔隙結(jié)構(gòu)及孔隙連通性差異，儲(chǔ)層孔隙半徑與孔隙度相關(guān)性較好，孔隙度越大，主要孔隙半徑越大。儲(chǔ)層滲透率不僅受孔喉半徑及大孔喉占比影響，還受連通孔隙占總孔隙比例影響。大孔喉所占比例越大，孔喉半徑越大，滲透率越大;連通孔隙比例越大，孔喉半徑越大，儲(chǔ)層滲透率越高。

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