塔河油田奧陶系生物擾動碳酸鹽巖儲集層微觀孔隙結(jié)構(gòu)的數(shù)字化表征與連通性分析*

牛永斌 徐資璐 劉圣鑫 鐘建華 趙佳如 王培俊

1 河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，河南焦作 454003 2 中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京 100081 3 中國石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東青島 266580 4 中國石油塔里木油田分公司開發(fā)事業(yè)部，新疆庫爾勒 841000

塔河油田是中國第1個古生界海相億噸級大油田(韓革華等，2006)。傳統(tǒng)上認(rèn)為該奧陶系油藏是典型的“縫—洞型”油藏，溶洞、裂縫、小型溶蝕孔洞、礁灘粒間孔等是該油氣藏的主要儲集空間(顧家裕等，2001；翟曉先等，2002；鄧小江等，2007；鄭和榮等，2009；Lietal.， 2016；Tianetal.， 2016)，基質(zhì)對碳酸鹽巖儲集體的儲集和滲透能力基本無貢獻(xiàn)(魯新便，2014)。然而，從目前開發(fā)實踐看這種認(rèn)識存在嚴(yán)重不足，因為有2個“簡單”的科學(xué)事實無法回避： (1)塔河油田奧陶系碳酸鹽巖油藏80%以上的井需要壓裂才能求產(chǎn)；(2)有不少“功勛”井實際產(chǎn)出的石油量比縫洞系統(tǒng)本身體積要大得多，如S48井、T401井，至2011年11月，分別累計產(chǎn)油已超過150×104it和65×104it，這說明有的石油來自“縫—洞”系統(tǒng)之外。通過對塔河油田奧陶系鷹山組和一間房組巖心觀察發(fā)現(xiàn)，泥晶灰?guī)r中的白云石砂屑團塊普遍含油，由此推測有相當(dāng)大一部分油氣來源于碳酸鹽巖基質(zhì)中的這些“白云石砂屑團塊”。鐘建華等(2010)、牛永斌等(2010，2018)認(rèn)為，如果把塔河油田奧陶系這樣的油藏比擬為一個“有機體”，“白云石砂屑團塊”猶如這個“有機體”的細(xì)胞，縫合線則如毛細(xì)血管，(大)裂縫相當(dāng)大動脈，而溶洞則是“心臟”，這樣一個四級存儲單元構(gòu)成了塔河油田奧陶系油藏復(fù)雜的儲集系統(tǒng)，其中“白云石砂屑團塊”中的油氣儲集量不可忽視。具有同類儲集層的加拿大阿爾伯特省Pine Creek油氣田就是一個典型的例證(Baniaketal.， 2013)，該油田單井油氣開發(fā)已超過40年，而塔河油田單井油氣開發(fā)超過10年的寥寥無幾，這也間接說明目前對塔河油田奧陶系儲集層的認(rèn)識還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。目前普遍認(rèn)為，這些“白云石砂屑團塊”同“生物擾動”和“白云石化的不均勻”關(guān)系極為密切(賈振遠(yuǎn)和馬淑媛，1984；郭建華等，1994；陳曦等，2011；郝毅等，2012；Maoetal.， 2014；牛永斌等，2017，2018)，因此，研究碳酸鹽巖基質(zhì)中“白云石砂屑團塊”的發(fā)育特征、孔隙結(jié)構(gòu)、儲集能力和分布規(guī)律，對加深碳酸鹽巖油氣藏的勘探具有十分重要的意義，將成為開啟碳酸鹽巖型巖性油氣藏的一把關(guān)鍵“鑰匙”。

生物擾動(Bioturbation)為生物在生命活動過程中對生存環(huán)境周圍的沉積物顆粒進行攪動、混合和破壞后所形成的各類生物潛穴、足跡和遺跡(牛永斌等，2019)。石油地質(zhì)學(xué)家對生物擾動作用感興趣，最初因為它可提供有關(guān)沉積環(huán)境的線索(Baniaketal.， 2013；Abdel-Fattahetal.， 2016；Bayet-Golletal.， 2017；Rodríguez-Tovaretal.， 2017；Zhengetal.， 2018)；隨后又驚奇地發(fā)現(xiàn)它可降低或改善儲集層的巖石物性，從而影響儲集層質(zhì)量、儲量計算和流體流動特征(Gingrasetal.， 2004a，2014；Pemberton and Gingras，2005；Knaust，2009，2014；Gordonetal.， 2010；Tonkinetal.， 2010；Bednarz and McIlroy，2012，2015；Greeneetal.， 2012；La Croixetal.， 2012，2013，2017；Qietal.， 2012；Baniaketal.， 2013；Ben-Awuah and Eswaran，2015；Hsiehetal.， 2015，2017；Bayet-Golletal.， 2017；Dey and Souvik，2017；Friesenetal.， 2017；Golabetal.， 2017a，2017b；Martiniusetal.， 2017；Adametal.， 2018；Quayeetal.， 2019；Knaustetal.， 2020)。生物擾動對碳酸鹽巖組構(gòu)和物性的改造尤為顯著(Zenger，1992，1996；Gingrasetal.， 2004a，2014；Pemberton and Gingras，2005；Cunninghametal.， 2006；Rameil，2008；Knaust，2009，2014；Greeneetal.， 2012；Jinetal.， 2012；La Croixetal.， 2012，2013，2017；Baniaketal.， 2013，2014；Hsiehetal.， 2015，2017；Friesenetal.， 2017；Golabetal.， 2017a，2017b；Adametal.， 2018；Quayeetal.， 2019；Knaustetal.， 2020)，碳酸鹽巖基質(zhì)沉積物由于原始物性較差，常常被認(rèn)為很難形成有效的儲集層(Rashidetal.， 2015)，但若生物擾動非常強烈，那么在適宜的溫壓條件、良好的時空物質(zhì)匹配、充足的作用時間、適量的白云化流體供應(yīng)和后期溶蝕作用下，多期次的生物潛穴疊加可形成橫向連片、垂向連通的大規(guī)模生物擾動碳酸鹽巖儲集層(Zenger， 1992， 1996； Gingrasetal.， 2004a， 2004b， 2005， 2014； Pemberton and Gingras， 2005； Rameil， 2008； Cunninghametal.， 2009； Baniaketal.， 2012，2013， 2014； Corlett and Jones， 2012； La Croixetal.， 2013；Hsiehetal.， 2017；Golabetal.， 2017b；Martiniusetal.， 2017；Adametal.， 2018；Liuetal.， 2019；Knaustetal.， 2020)。而由于生物擾動常造成潛穴與圍巖基質(zhì)的組構(gòu)差異，故這類儲集層呈現(xiàn)極強的非均質(zhì)性(李峰峰等，2019；沈瑛楚等，2019)。近年來，國外學(xué)者在生物擾動增強儲集層儲集性能的研究上取得了較為豐碩的成果(Gingrasetal.， 2004a， 2004b， 2014；Pemberton and Gingras， 2005； Knaust， 2009， 2014； Tonkinetal.， 2010； Bednarz and McIlroy， 2012， 2015； La Croixetal.， 2012， 2013， 2017； Baniak， 2013； Baniaketal.， 2014； Ben-Awuah and Eswaran， 2015； Bayet-Golletal.， 2017； Dey and Souvik， 2017； Friesenetal.， 2017； Quayeetal.， 2019； Knaustetal.， 2020)， 而國內(nèi)這方面的研究起步較晚，且主要關(guān)注在生物擾動對碎屑巖儲集層的影響上(紀(jì)友亮等，1990；尹燕義等，1996；齊永安等，1998；林世國等，2012；Qietal.， 2012)。對于受生物擾動更為強烈的碳酸鹽巖，由于油氣藏勘探起步較晚、前期關(guān)注重點不同等各種因素影響，致使相關(guān)研究成果較少。

生物擾動碳酸鹽巖儲集層的微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征與分布規(guī)律決定了這種儲層的儲集能力、滲流能力以及滲流機理與滲流規(guī)律，微觀孔隙結(jié)構(gòu)的差異也將直接導(dǎo)致生產(chǎn)效果的差異(Gingrasetal.， 2005，2014；Pemberton and Gingras，2005；Baniaketal.， 2012，2014；La Croixetal.， 2012，2013；Cunninghametal.， 2009；Lilian，2016；Andreaetal.， 2017；Golabetal.， 2017a，2017b；Liuetal.， 2019)。國內(nèi)外眾多這類儲集層的開發(fā)實踐表明，常見的注水“突竄”就主要與微觀孔隙結(jié)構(gòu)密切相關(guān)(Gingrasetal.， 2005，2014；Pemberton and Gingras，2005；Cunninghametal.， 2009；Lilian，2016；Golabetal.， 2017a，2017b；陳明江等，2019)。因此，只有深化生物擾動碳酸鹽巖儲集層的微觀孔隙結(jié)構(gòu)研究，才能更準(zhǔn)確地描述和分析微觀孔隙結(jié)構(gòu)中的流體分布形態(tài)及流動狀態(tài)等(Raeinietal.， 2019)。目前，能否正確認(rèn)識這類儲集層的微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征和分布規(guī)律，是制約這類油氣藏開發(fā)的關(guān)鍵問題，特別是微觀孔隙結(jié)構(gòu)定量表征和連通性分析是其中的難點問題(Hollisetal.， 2010；Maoetal.， 2014；Njiekaketal.， 2018；Weietal.， 2019)，因為傳統(tǒng)碳酸鹽巖儲集層孔隙結(jié)構(gòu)研究方法對于這種微納米孔隙尺度為主的儲集空間分析具有一定局限性(王晨晨等，2013；趙新偉和許紅，2016)。傳統(tǒng)儲集層孔隙結(jié)構(gòu)研究方法主要包括 2類: 一類是依靠光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡來分析孔隙特征；另一類是壓汞法和氮氣吸附法，主要用于測試孔隙度等參數(shù)(趙新偉和許紅，2016)。前者僅能觀測到面的特征，后者則不夠直觀。X-CT射線層析掃描技術(shù)是近些年發(fā)展起來的一種利用X射線對巖石進行掃描成像、進而三維重構(gòu)出孔隙空間展布特征的分析技術(shù)，其以快速、無損和三維可視化顯示為特征，兼具傳統(tǒng)方法的優(yōu)點，同時又可彌補傳統(tǒng)方法的不足，在生物擾動碳酸鹽儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)的直觀刻畫、定量表征和連通性分析方面具有明顯優(yōu)勢(盛軍等，2019)。

筆者在巖心觀測和詳細(xì)描述的基礎(chǔ)上，利用偏光顯微鏡和陰極發(fā)光顯微鏡對優(yōu)選樣品的磨制薄片進行了觀測和分析，詳細(xì)記錄了潛穴充填物和圍巖基質(zhì)的鏡下特征，確定了生物潛穴充填的礦物成分和微觀孔隙類型；然后利用X射線顯微鏡對精選的不同尺度柱塞樣品進行了掃描與分析，對塔河油田奧陶系生物擾動碳酸鹽巖儲集層孔隙結(jié)構(gòu)進行數(shù)字化表征與連通性分析。該成果真實、直觀、準(zhǔn)確刻畫了生物擾動碳酸鹽巖儲集層微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征，可為后續(xù)這類生物擾動碳酸鹽巖儲集層的微觀滲流模擬研究提供所需的特征參數(shù)；未來將這類生物擾動碳酸鹽巖儲集層微觀尺度上的孔隙結(jié)構(gòu)數(shù)字化表征和滲流模擬結(jié)果與宏觀分布規(guī)律相結(jié)合并應(yīng)用到實際儲集層評價中，可為這類儲集層的油氣資源量估算、開發(fā)方案優(yōu)選、產(chǎn)能預(yù)測和提高采收率提供指導(dǎo)。

1 地質(zhì)背景

塔河油田位于新疆塔里木盆地北緣、天山南麓的戈壁荒漠內(nèi)，地處新疆維吾爾自治區(qū)的庫車縣和輪臺縣境內(nèi)(圖 1-a)，面積為2400ikm2。根據(jù)油藏特征，可細(xì)分為12個小區(qū)(圖 1-b)(Tianetal.， 2016)。在早—中奧陶世(鷹山組和一間房組沉積期)的海侵、海退過程中，廣泛發(fā)育的碳酸鹽巖臺地沉積了巨厚碳酸鹽巖，厚度高達(dá)300im(圖 1-c)；同期適宜的生存環(huán)境使(古)生物非常繁榮，大量(古)生物在生命活動過程中在碳酸鹽沉積物表面或內(nèi)部建造了大量形態(tài)各異的潛穴，這些潛穴充填物在后期的成巖改造過程中(主要為白云化作用和溶蝕作用)形成了厚度極大的生物擾動碳酸鹽巖儲集體(牛永斌等，2018)。

2 孔隙結(jié)構(gòu)的定量表征

碳酸鹽巖儲集層的孔隙結(jié)構(gòu)主要為孔隙和喉道的幾何形態(tài)、大小、分布、相互連通情況以及孔隙與喉道的配置關(guān)系，它們控制了儲層流體的流動和分布，是儲集巖的微觀物理性質(zhì)(鄧虎成等，2014；孫亮等，2016；鄭劍鋒等，2016)?；谘芯繀^(qū)奧陶系生物擾動發(fā)育的16口取心井的巖心觀測，優(yōu)選樣品磨制127塊巖石薄片，在河南省生物遺跡與成礦過程重點實驗室利用偏光顯微鏡和陰極發(fā)光顯微鏡觀測對這些巖石薄片進行觀測和分析，詳細(xì)記錄潛穴充填物和圍巖基質(zhì)的鏡下特征，確定生物潛穴充填的礦物成分和微觀孔隙類型；然后精選生物擾動發(fā)育巖心樣品，鉆取不同尺度柱塞6個，在中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所自然資源部古地磁與古構(gòu)造重點實驗室完成了X射線顯微鏡掃描與分析，完成塔河油田奧陶系生物擾動碳酸鹽巖儲集層孔隙結(jié)構(gòu)的數(shù)字化表征，表征尺度集中在納—微米級。

a—塔河油田構(gòu)造位置；b—塔河油田區(qū)塊劃分；c—塔河油田中下奧陶統(tǒng)地層柱狀圖圖 1 塔河油田地理位置、區(qū)域劃分和中—下奧陶統(tǒng)地層柱狀圖(據(jù)牛永斌等，2018，有修改)Fig.1 Location，regionalism and the Lower-Middle Ordovician stratigraphic column of Tahe Oilfield(modified from Niu et al.， 2018)

2.1 顯微特征

巖心上生物擾動區(qū)域多為瀝青質(zhì)重油充填，呈暗褐色或灰黑色的不規(guī)則綢帶狀或離散的斑狀；圍巖基質(zhì)很少被油斑浸染，顏色也相對較淺。生物擾動區(qū)邊界微裂隙或縫合線常常比較發(fā)育，裂縫或縫合線內(nèi)部也多被瀝青充填，造成生物潛穴充填物與圍巖基質(zhì)巖石組構(gòu)和顏色差異較大，非常容易識別。有時不同生物擾動區(qū)又常被裂縫切穿(圖 2-a)。由油斑充填分布特征可知生物潛穴充填物孔隙較圍巖基質(zhì)明顯發(fā)育。

通過偏光顯微鏡與陰極發(fā)光顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)：生物潛穴充填物主要由白云石晶體組成，白云石晶體以自形、半自形晶型為主，他形白云石晶體較為少見，晶體之間普遍可見未白云化的殘留灰泥；白云石晶體粒徑普遍為100～200iμm，少量大于200iμm，以細(xì)晶結(jié)構(gòu)為主，少見粉晶結(jié)構(gòu)(圖 2-b至2-e)。陰極發(fā)光顯微鏡下白云石顆粒呈亮紅色的光，見明顯的“亮邊霧心”菱面體(圖 2-c，2-e)，表明這些白云石顆粒主要是在后期深埋藏過程中白云化作用形成的。有時生物潛穴充填物和圍巖基質(zhì)間可見清晰可辨的暗色“暈帶”，推測為瀝青浸染的邊界。偏光顯微鏡下生物潛穴宿主圍巖基質(zhì)粒度非常細(xì)，多為微晶結(jié)構(gòu)；陰極發(fā)光顯微鏡下它們發(fā)光極其微弱或不發(fā)光，揭示其礦物成分主要為微晶方解石，中間離散的亮藍(lán)色斑點可能為極少量的鉀長石(有可能為所含灰泥礦物蝕變殘留的一部分)。生物潛穴充填物內(nèi)部的白云石晶間孔發(fā)育，是這類儲集層的主要儲集空間，除此之外還發(fā)育生物鑄?？?，但圍巖基質(zhì)儲集空間不發(fā)育(圖 2-c，2-e)。

a—塔河油田，奧陶系，S77井，生物擾動含油巖心，巖性為生物擾動灰?guī)r，白色箭頭指示黑色斑塊為重油浸染的遺跡潛穴(主要為Thalassinoides-like潛穴)；中間黃色箭頭指示為一被方解石半充填裂縫，紅色箭頭指示為縫合線或微裂縫；b—塔河油田，奧陶系，S77井，5578.93im，生物擾動灰?guī)r薄片，下部為生物擾動區(qū)(主要為Thalassinoides-like潛穴)，潛穴內(nèi)充填物為白云石顆粒，晶間孔發(fā)育；上部為圍巖基質(zhì)發(fā)育區(qū)，主要為微晶方解石，右上角白色箭頭所指為1條方解石充填裂縫；c—圖b同視域的陰極發(fā)光顯微鏡照片，下部發(fā)紅色的為生物擾動區(qū)域，上部為圍巖基質(zhì)中的亮藍(lán)色的斑點為鉀長石，右上角白色箭頭所指為1條方解石充填的裂縫；d—塔河油田，奧陶系，S77井，5603.37im，生物擾動灰?guī)r照片，左下部為生物潛穴，充填物為白云石顆粒，可見“亮心霧邊”現(xiàn)象，內(nèi)部可見瀝青充填的微裂縫；右上部為圍巖基質(zhì)，主要為微晶方解石，內(nèi)部白色箭頭指示為1條方解石充填裂縫；e—圖d同視域的陰極發(fā)光照片，左下部為發(fā)紅色的為生物擾動區(qū)域，右上部發(fā)暗棕色或不發(fā)光的為圍巖基質(zhì)，礦物成分為微晶方解石，白色箭頭指示為1條方解石充填裂縫，通過裂縫的 交切關(guān)系，可判定裂縫形成的先后次序圖 2 塔河油田奧陶系典型巖心和薄片顯微鏡下生物擾動照片F(xiàn)ig.2 Bioturbation of the Ordivician in core from Tahe Oilfield and microphotographs under polarizing and cathodoluminescence microscope

2.2 定量表征

正如前文所述，光學(xué)顯微鏡觀測范圍有限，僅能觀測某些面的孔隙結(jié)構(gòu)特征，無法完整觀測生物擾動碳酸鹽巖儲集層內(nèi)部三維空間上的孔隙結(jié)構(gòu)特征，故筆者重點利用X射線顯微鏡對所選取的生物擾動區(qū)域巖石柱塞樣品進行掃描獲取三維數(shù)據(jù)體。三維數(shù)據(jù)獲取步驟如下：(1)通過對獲取三維數(shù)據(jù)體的切片分析，進行孔隙發(fā)育區(qū)的圖像分割；(2)通過對圖像分割切片的三維重構(gòu)，獲取分析樣品的三維孔隙結(jié)構(gòu)柵格模型；(3)對重構(gòu)后的三維孔隙結(jié)構(gòu)柵格模型進行參數(shù)提取和建立球棍模型，實現(xiàn)生物擾動碳酸鹽巖儲集層孔隙結(jié)構(gòu)的定量表征(圖 3)。

圖 3 塔河油田奧陶系典型巖心樣品孔隙結(jié)構(gòu)定量表征工作流程Fig.3 Quantitative characterization workflow of microcosmic pore structure of the typiacal Ordivician samples in core from Tahe Oilfield

筆者以生物擾動碳酸鹽巖儲集層非常發(fā)育的S77井(5567.03im)的1個巖石柱塞樣(主體為潛穴充填物)為例說明定量表征過程。該樣品在中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所自然資源部古地磁與古構(gòu)造重建重點實驗室采用Carl Zeiss AG公司推出的X-microCT(Xradia 510 Versa)進行掃描，得到了985張高分辨率的巖石柱塞樣品的連續(xù)二維CT切片，掃描的精度為0.8197iμm。由于掃描圖像清晰度不一定為最佳效果，可能會影響后續(xù)孔隙分割，所以獲取三維數(shù)據(jù)體(圖 4-a)后首先對圖像進行后期處理，使其在減弱原始數(shù)據(jù)圖像噪點的同時較好地保留圖像的細(xì)節(jié)特征及邊緣信息(圖 4-b)； 繼而再對處理過后的圖像進行分割(即二值化處理)(圖 4-c)，三維重構(gòu)二值化分割后所獲的該巖樣孔隙空間的柵格模型(圖 4-d)；最后從獲取三維柱塞數(shù)據(jù)體中選取不同尺度更微觀的數(shù)據(jù)體進行納—微米尺度的孔隙結(jié)構(gòu)分析。本次共選取了5種不同尺度的數(shù)據(jù)體進行微觀孔隙結(jié)構(gòu)分析與表征(表 1)。

通過對數(shù)字巖心孔隙結(jié)構(gòu)中邊長體素和孔隙度的關(guān)系分析發(fā)現(xiàn)，選取邊長體素為450×450×450的立方體可作為分析樣品的最優(yōu)表征單元體REV(Representative Elementary Volume)。接著對選取的REV中分割的孔隙幾何、孔隙網(wǎng)絡(luò)模型(PNM)生成相應(yīng)孔隙參數(shù)進行定量表征，如孔隙體積、表面積、孔的等效半徑、喉道的等效半徑、喉道的長度。最后利用所表征單元體導(dǎo)出的孔隙參數(shù)繪制各種孔隙/喉交匯圖(圖 5)。

通過分析表征單元體內(nèi)孔隙結(jié)構(gòu)特征可知： 孔隙體積集中于10～100iμm3，占總孔隙數(shù)量的近67%；孔隙表面積為10～100iμm2的數(shù)量最多，約占孔隙總數(shù)的59%；孔隙的等效半徑集中在0～5iμm，約占總孔隙數(shù)量的80%；喉道長度則多集中在0～40iμm，約占喉道總數(shù)的91%，其中20～40iμm的最多，約占59%；喉道等效半徑多在0～10iμm之間，約占喉道總數(shù)量的84%；孔喉等效半徑分布具有偏態(tài)分布特征，主體分布在0～4iμm之間，其中孔隙等效半徑以0～2iμm最多，喉道等效半徑2～4iμm最多(圖 5)。

a—巖心柱塞三維數(shù)據(jù)體；b—柱塞樣品的三維切片；c—孔隙的閾值分割；d—三維重構(gòu)的孔隙結(jié)構(gòu)柵格模型圖 4 塔河油田奧陶系典型巖心樣品掃描三維數(shù)據(jù)體、Micro-CT圖片和三維孔隙柵格模型Fig.4 Scan 3D data volume，micro-CT images and 3D pore raster model of the typiacal Ordivician samples in core from Tahe Oilfield

表1 塔河油田奧陶系典型巖心樣品樣品體素大小、孔隙度、連通孔占比和滲透率統(tǒng)計Table 1 Statisticas of pixel size，porosity，proportion of connected pore and permeability of the typical Ordivician samples in core from Tahe Oilfield

a—孔隙體積頻數(shù)和累積頻率直方圖；b—孔隙面積頻數(shù)和累積頻率直方圖；c—孔隙等效半徑頻數(shù)和累積頻率直方圖；d—喉道長度頻數(shù)和累積頻率直方圖；e—喉道等效半徑頻數(shù)和累積頻率直方圖；f—孔隙和喉道頻率折線圖圖 5 塔河油田奧陶系典型巖心樣品孔隙/喉道的直方圖和折線圖Fig.5 Histograms and line graph of pores and throats of the typiacal Ordivician samples in core from Tahe Oilfield

a—掃描3D數(shù)據(jù)體中的REV選??；b—REV的灰度模型；c—孔隙結(jié)構(gòu)的三維柵格模型(藍(lán)色部分為連通孔隙，黃色部分為不連通孔隙)；d—孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的球棍模型圖 6 塔河油田奧陶系典型巖心樣品表征單元體與孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型Fig.6 REV and pore structure network models of the typical Ordivician samples in core from Tahe Oilfield

圖 7 塔河油田奧陶系No.5樣品中孔隙的配位數(shù)頻數(shù)直方圖和累積頻率折線圖Fig.7 Coordination number frequency histogram and cumulative frequency line graph of the pores from No.5 sample of the Ordivician from Tahe Oilfield

3 孔隙的連通性分析

儲集層連通性分析也是多孔儲層介質(zhì)中孔隙空間形態(tài)學(xué)研究的重要內(nèi)容，不僅和有效儲集空間有所關(guān)聯(lián)，還與有效滲透率有直接相關(guān)；孔隙空間的連通性定量評價可為孔隙網(wǎng)絡(luò)模型提供量化參數(shù)，并可應(yīng)用到儲層的滲透性分析中。儲集空間連通性評價的一個重要手段就是借用數(shù)字巖心技術(shù)，該技術(shù)是描述巖石微觀結(jié)構(gòu)、建立數(shù)字模型、定量分析巖石孔隙結(jié)構(gòu)特征、巖石物理數(shù)值模擬等技術(shù)的統(tǒng)稱(孫亮等，2016)。

本次選取塔河油田奧陶系生物擾動型碳酸鹽巖儲集層連通性分析的巖樣與前文孔隙結(jié)構(gòu)定量表征的樣品一致(圖 6-a)。本次連通性分析實例仍然選取體素為450×450×450立方體為最優(yōu)表征單元體REV(圖 6-b)。從選取的表征單元體中提取孔隙并進行分割，得到該表征單元體REV孔隙結(jié)構(gòu)的三維柵格模型(圖 6-c)，其中黃色部分為孤立的空隙，藍(lán)色部分為連通孔隙。在表征單元體孔隙結(jié)構(gòu)三維柵格模型的基礎(chǔ)上，對所有孔隙利用分離算法進行進一步的分割，此過程通過計算表征單元體REV中各體素灰度梯度模量對孔隙進行分割，以此來確定孔隙的最佳輪廓。最后建立該樣品的孔隙網(wǎng)格模型(PNM)(圖 6-d)，三維可視化地展示孔隙與吼道的空間分布特征和表征單元內(nèi)各孔隙的連通性： 模型中黃色圓球表示的是被分割的每一個孔隙的等效球體，孔隙尺度大小按照球體的等效半徑來定義，被分割出的孔隙等效半徑越大，球就越大；藍(lán)色棍棒表示連接孔隙的喉道，其大小也同樣按照喉道的等效半徑來定義，喉道的等效半徑越大，藍(lán)色棍棒就越粗。

根據(jù) 表 1 中各樣品的孔隙度、滲透率和連通性狀況分析可知，當(dāng)選取的樣品孔隙度在10%左右時，連通孔體積的占比在7%左右，連通孔隙約占總孔隙度的80%。其中No.1樣品的連通孔隙度最大，連通孔隙度為9%，占總孔隙的82%；No.5樣品的連通孔隙度為7%，占總孔隙的85%，在總孔隙的占比中最高。由該樣品中的相鄰孔隙配位數(shù)頻數(shù)直方圖和累積頻率折線圖可知： 配位數(shù)為0的孔隙占孔隙總數(shù)的79%，孔隙的最大配位數(shù)為21，在配位數(shù)1～21的孔隙之間，配位數(shù)1～4的孔隙約占孔隙總數(shù)的90%，其中配位數(shù)為2、3的孔隙最多(圖 7)。此外，在該表征單元體REV中，絕大多數(shù)孔隙(79%)為孤立孔隙(配位數(shù)為0)，但連通孔隙的體積在總孔隙的占比相對比較大。由此可知，雖然該表征樣品整體的孔隙度不高(7%)，但是其孔隙拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，孔隙連通性很好?；谏鲜鏊x擇表征樣品的尺度限制，為獲得柱塞巖樣的連通狀況，通過以2為倍數(shù)逐步放大表征單元體REV的邊長體素進行尺度粗化升級分析，發(fā)現(xiàn)這類生物擾動型碳酸鹽巖儲層的孔隙局部連通性較好，而整體連通性相對較差。

4 研究意義

由于對塔河油田奧陶系生物擾動碳酸鹽巖儲集層微觀孔隙結(jié)構(gòu)的數(shù)字化表征與連通性分析是建立在對真實柱塞樣品的高分辨率成像和無損檢測的基礎(chǔ)上， 因此建立的孔隙結(jié)構(gòu)模型(PNM)真實反映了研究區(qū)這類儲集層的微觀性質(zhì)， 能夠準(zhǔn)確、 直觀地刻畫生物擾動型碳酸鹽巖儲集層的微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征。所獲取的孔隙結(jié)構(gòu)模型與孔喉的連通狀況(孔隙與喉道的幾何尺度及其拓?fù)潢P(guān)系等)， 可為后續(xù)這類生物擾動碳酸鹽巖儲集層的微觀滲流模擬研究提供所需的特征參數(shù)。而在本次所建立的孔隙網(wǎng)絡(luò)模型上應(yīng)用現(xiàn)代滲流力學(xué)理論進行微觀尺度上多場作用下多相流體的滲流模擬， 可確定各種流體在這類儲集層中的絕對滲透率和相對滲透率及其分布規(guī)律。若將這類生物擾動碳酸鹽巖儲集層微觀尺度上的孔隙結(jié)構(gòu)數(shù)字化表征和滲流模擬結(jié)果與宏觀分布規(guī)律相結(jié)合并應(yīng)用到實際儲集層評價中， 可為將來這類生物擾動碳酸鹽巖儲集層的油氣資源量估算、 開發(fā)方案優(yōu)選、 產(chǎn)能預(yù)測和提高采收率提供指導(dǎo)。

5 結(jié)論

1)塔河油田奧陶系鷹山組和一間房組生物擾動碳酸鹽巖儲集層生物擾動區(qū)域多為瀝青質(zhì)重油浸染，生物潛穴充填物主要由白云石晶體組成，白云石晶體以自形、半自形為主，他形晶少見，白云石晶體間普遍可見殘留灰泥成分。生物潛穴充填物內(nèi)部白云石晶間孔隙發(fā)育，是這類儲集層的主要儲集空間，除此之外還有生物鑄模孔；孔隙體積大多集中于10～100iμm3，喉道等效半徑一般小于10iμm，喉道一般小于40iμm；圍巖基質(zhì)儲集空間不發(fā)育。

2)塔河油田奧陶系鷹山組和一間房組生物擾動儲集層孔隙結(jié)構(gòu)模型揭示生物擾動充填物孔隙度介于7%～10%之間，孤立孔隙雖然數(shù)量占比較大，但連通孔隙體積在總孔隙體積中占比較大，且連通孔隙拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，孔隙連通性很好；通過對表征單元體(REV)尺度粗化升級分析發(fā)現(xiàn)這類儲集層的孔隙局部連通性較好，而整體連通性相對較差。

3)筆者建立的孔隙結(jié)構(gòu)模型(PNM)真實反映了研究區(qū)生物擾動碳酸鹽巖儲集層的微觀性質(zhì)，可為后續(xù)這類生物擾動碳酸鹽巖儲集層的微觀滲流模擬研究提供所需的特征參數(shù)。未來將這類生物擾動碳酸鹽巖儲集層微觀尺度上的孔隙結(jié)構(gòu)數(shù)字化表征和滲流模擬結(jié)果與宏觀分布規(guī)律相結(jié)合并應(yīng)用到實際儲集層評價中，可為這類儲集層的油氣資源量估算、開發(fā)方案優(yōu)選、產(chǎn)能預(yù)測和提高采收率提供指導(dǎo)。