碳酸鹽巖孔洞型儲(chǔ)層分層次儲(chǔ)集空間表征7為例
——以鄂爾多斯盆地大牛地中奧陶統(tǒng)馬家溝組馬五

丁曉琪，劉 鑫，祁壯壯，張 威，劉四洪

(1.成都理工大學(xué) 能源學(xué)院，成都 610059；2.中國(guó)石化 華北油氣分公司，鄭州 450006)

隨著勘探開(kāi)發(fā)工作的逐漸深入，發(fā)現(xiàn)深層碳酸鹽巖仍發(fā)育優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)量，它是今后油氣勘探的重點(diǎn)[1-2]，如塔里木盆地塔深1井在8 000余米深的碳酸鹽巖中，仍見(jiàn)到宏觀的溶洞發(fā)育[3]。碳酸鹽巖由于組分的不穩(wěn)定性，孔隙、洞穴、裂縫多尺度儲(chǔ)集空間發(fā)育，采用單一方法進(jìn)行儲(chǔ)集空間和儲(chǔ)層物性的研究存在局限性和不準(zhǔn)確性。李易霖等[4]利用納米與微米CT、自動(dòng)礦物識(shí)別系統(tǒng)(QEMSCAN)、MAPS圖像拼接技術(shù)以及環(huán)境掃描電鏡(ESEM)等非常規(guī)測(cè)試新技術(shù)，從宏觀和微觀2個(gè)尺度對(duì)齊家地區(qū)高臺(tái)子油層致密儲(chǔ)層空間進(jìn)行了表征；LI等[5]運(yùn)用CT掃描技術(shù)進(jìn)行碳酸鹽巖裂縫和孔洞的研究，采取圖像提取、分割、計(jì)算，進(jìn)行不同類(lèi)型孔隙的研究；王璐等[6]應(yīng)用鑄體薄片、掃描電鏡、高壓壓汞實(shí)驗(yàn)和CT掃描方法，對(duì)四川盆地高石梯—磨溪地區(qū)燈四段儲(chǔ)層樣品進(jìn)行了研究與分析，定量表征了縫洞型碳酸鹽巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)特征；CORBETT等[7]綜合露頭照片、圖像分析、CT描述和計(jì)算機(jī)模擬研究微生物巖儲(chǔ)層的孔隙類(lèi)型和結(jié)構(gòu)，較好地解決了微生物巖的多尺度儲(chǔ)集空間表征問(wèn)題。

鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組馬五7小層是近年新發(fā)現(xiàn)的一個(gè)含氣層系。該小層為一套致密微晶白云巖夾2～3層含石膏結(jié)核粉晶白云巖，單層厚度在2 m左右。石膏結(jié)核在加里東期被淡水淋濾形成鑄?？?，同時(shí)，含石膏結(jié)核的白云石晶粒要粗于微晶白云石。粉晶白云巖中的晶間孔20～30 μm；而微晶白云巖中的晶間孔一般小于10 μm。石膏鑄模孔大小在數(shù)毫米至1～2 cm之間，呈圓形、卵形，較均勻分布在粉晶白云巖中。該套含鑄模孔粉晶白云巖物性和含氣性好。由于鑄體薄片很難包括整個(gè)石膏鑄?？?，所以在薄片中很難準(zhǔn)確估算鑄模孔的百分含量。同時(shí)大量的鑄?？状嬖?，導(dǎo)致小圓柱的取心困難，實(shí)測(cè)的孔隙度往往是基質(zhì)白云巖的孔隙度和部分鑄?？卓紫抖?，很難準(zhǔn)確反映儲(chǔ)層物性的實(shí)際情況；在利用測(cè)井資料進(jìn)行儲(chǔ)層物性參數(shù)計(jì)算過(guò)程中，常用的聲波資料由于孤立鑄模孔的存在，并不能準(zhǔn)確反映儲(chǔ)層的真實(shí)物性。這給馬五7小層含氣性評(píng)價(jià)和儲(chǔ)量計(jì)算帶來(lái)困難。

本文運(yùn)用JMicroVision軟件，提取鄂爾多斯盆地大牛地馬五7小層鑄體薄片中的晶間孔，分析微米級(jí)晶間孔的孔徑大小分布和面孔率；對(duì)鉆井取心樣品進(jìn)行拍照、拓片，同樣用JMicroVision軟件提取拓片中的鑄?？?，進(jìn)行毫米—厘米級(jí)鑄?？椎目讖酱笮『桶俜直妊芯?；將樣品進(jìn)行氬離子拋光后利用掃描電鏡觀察，研究數(shù)十納米以上晶間微孔的大小及其面孔率；在晶間孔面孔率(包括納米級(jí)晶間孔)約束下，建立了基于聲波基質(zhì)孔隙度的計(jì)算模型；在總面孔率約束下，建立了基于中子—密度總孔隙度的計(jì)算模型，最后討論了該研究方法在進(jìn)行碳酸鹽巖多尺度儲(chǔ)集空間表征中的適用性和局限性。

1 區(qū)域地質(zhì)特征

奧陶紀(jì)鄂爾多斯地區(qū)屬于華北地臺(tái)的一部分，為陸表海沉積[8]。大牛地氣田位于伊陜斜坡北部，面積2000km2(圖 1)。前期的勘探以上古生界致密砂巖氣為主[9]；近年來(lái)在下古生界奧陶系的勘探中，發(fā)現(xiàn)了以馬五1+2為主的風(fēng)化殼氣藏[10-11]和以馬五5為主的白云巖氣藏[12]；隨著勘探的不斷深入，在馬五7中鉆遇了優(yōu)質(zhì)白云巖儲(chǔ)層，多口井獲得工業(yè)氣流，展示出良好的天然氣勘探潛力。

圖1 鄂爾多斯盆地大牛地位置及前石炭紀(jì)古地質(zhì)圖

鄂爾多斯盆地缺失下奧陶統(tǒng)冶里組和亮甲山組，中奧陶統(tǒng)馬家溝組不整合覆蓋于寒武系之上[7]。根據(jù)巖性組合特征，盆地內(nèi)馬家溝組自下而上分為六段。馬一段、馬三段和馬五段形成于海退階段，以白云巖為主，夾厚度不等的石膏和石鹽，黏土含量偏高；馬二段、馬四段和馬六段形成于海侵階段，以灰?guī)r為主，含數(shù)量不等的白云巖，由于古陸出露面積小，能夠提供的碎屑物質(zhì)有限，基本不含黏土[13]。馬五段自下而上又被劃分為10個(gè)小層，馬五9、馬五7、馬五5和馬五1+2以厚層—塊狀灰?guī)r、白云巖為主，含少量石膏結(jié)核，代表海退背景下的短暫海侵；而馬五10、馬五8、馬五6和馬五3+4則以紋層—薄層—中層黏土質(zhì)白云巖、膏質(zhì)白云巖為主，局部夾石膏和石鹽，代表大規(guī)模的海退。本文研究的主要層位是馬五7，馬五7在研究區(qū)分布穩(wěn)定，厚度13～20 m，為一套準(zhǔn)同生成因的白云巖。

圖2 鄂爾多斯盆地大牛地大126井中奧陶統(tǒng) 馬家溝組馬五7地層柱狀圖

2 儲(chǔ)集空間

馬五7含鑄?？追劬О自茙r中白云石晶粒普遍在50～100 μm，白云石以平面半自形晶為主；儲(chǔ)集空間包括白云石晶間孔(微米級(jí))、白云石晶內(nèi)孔(納米級(jí))和石膏結(jié)核被溶蝕之后形成的鑄?？?毫米—厘米級(jí))(圖 3，圖 4)，裂縫不明顯。晶間孔主要出現(xiàn)在白云石自形晶發(fā)育的區(qū)域；而鑄?？椎陌l(fā)育具有隨機(jī)性，但層位相對(duì)穩(wěn)定。

2.1 鑄模孔表征

根據(jù)巖心照片(圖3)，采用拓片法提取鑄?？住Ｓ捎谠摲椒ㄒ话阒荒芡厝?mm以上的鑄?？祝云浞直媛蕿? mm。拓片后用JMicroVision軟件提取鑄模孔，分析鑄模孔的孔徑分布和面孔率。從圖3可以看出：(1)鑄?？追植紡V泛，但大小分布不均勻；(2)鑄模孔孔徑以2～8 mm分布最多，孔徑大于1 cm的鑄模孔個(gè)數(shù)較少，但面積占比較大；(3)鑄?？酌婵茁试?%～7%之間，平均為5.87%。

圖3 鄂爾多斯盆地大牛地大124井中奧陶統(tǒng)馬家溝組馬五7小層含鑄模孔巖心照片、拓片圖及孔徑分布 vug為鑄?？?/p>

2.2 晶間孔

利用JMicroVision軟件，提取鑄體薄片中的孔隙，并利用該軟件進(jìn)行晶間孔大小的分布和晶間孔面孔率的計(jì)算(圖 4)。由圖4可以看出：(1)該方法能提取的最小孔徑為2 μm，對(duì)于小于2 μm的晶間孔，受鑄體照片分辨率的限制無(wú)法提?。?2)晶間孔孔徑主要分布在6 μm以上，且集中在20～30 μm；(3)面孔率在2%～4%之間，晶間孔分布較均勻，呈正態(tài)分布。

2.3 晶內(nèi)—晶間納米—亞微米孔

對(duì)于小于2 μm的納米—亞微米孔，成因可能與晶體生長(zhǎng)過(guò)程中的晶格缺陷或晶體的結(jié)合面有關(guān)(圖 5)。本文運(yùn)用氬離子拋光—掃描電鏡進(jìn)行研究，通過(guò)對(duì)5個(gè)樣品的納米—亞微米孔(小于2μm)與晶間孔(大于2μm)的統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)納米—亞微米孔孔隙度平均為0.9%。因此，就孔隙度而言，納米—亞微米孔孔隙度較小，可以通過(guò)公式(1)進(jìn)行估算 (圖6a)。

φIn=0.27φIin+0.14

(1)

式中：φIn為納米—亞微米孔孔隙度；φIin為晶間孔孔隙度。

圖6 鄂爾多斯盆地大牛地中奧陶統(tǒng)馬家溝組馬五7小層白云巖孔隙度交會(huì)圖版

因此，儲(chǔ)層的總孔隙度應(yīng)該是鑄?？卓紫抖?、晶間孔孔隙度和納米—亞微米孔孔隙度之和。

3 儲(chǔ)層孔隙度表征

3.1 總孔隙度表征

由于中子反映含氫量，水中的氫含量最高，但天然氣中的氫含量較低，因此氣層中的中子孔隙度將變小，造成“挖掘效應(yīng)”[15]。馬五7小層中的白云巖較純，黏土含量低，幾乎不存在黏土間微孔和結(jié)構(gòu)水，因此中子孔隙度可不作泥質(zhì)校正。馬五7小層巖性致密，井壁規(guī)則，密度較為可靠。當(dāng)儲(chǔ)層中存在天然氣時(shí)，密度將降低，運(yùn)用密度計(jì)算的孔隙度將增大。因此中子—密度計(jì)算的總孔隙度可以很大程度上消除天然氣的影響，與分層次多尺度表征的總孔隙度對(duì)比來(lái)看(圖 6b，圖 7)，兩者具有較好的相關(guān)性，可通過(guò)公式(2)和公式(3)進(jìn)行總孔隙度的計(jì)算。

(2)

φρ=(ρm-ρ)/(ρm-ρf)

(3)

式中：φt為總孔隙度，%；φρ為密度孔隙度，%；φCnl為補(bǔ)償中子孔隙度，%；ρm為白云巖骨架密度，2.87 g/cm3；ρf為流體密度，1.0 g/cm3；ρ為巖石密度，g/cm3。

3.2 基質(zhì)孔隙度表征

聲波在不同介質(zhì)中的傳播速度不同，但聲波測(cè)井測(cè)量的是沿傳播時(shí)間最短的縱波首波的速度，一般認(rèn)為聲波時(shí)差不受洞穴和高角度裂縫的影響，只受骨架和粒間孔隙的影響[15]。聲波反映的是連通孔隙度和骨架信息，孤立的孔洞在聲波測(cè)井曲線(xiàn)上是沒(méi)有反應(yīng)的。因此，利用聲波測(cè)井計(jì)算的孔隙度往往是基質(zhì)孔隙度。通過(guò)與表征的基質(zhì)孔隙度回歸(圖 6c)，白云巖中聲波(基質(zhì))孔隙度計(jì)算公式如(4)所示。

φac=5.26(AC-ACma)/(ACfld-ACma)-15.59

(4)

式中：φac為聲波孔隙度，%；AC為聲波時(shí)差，μm/s；ACma為白云巖骨架聲波時(shí)差，145 μm/s；ACfld為流體骨架聲波時(shí)差，620 μm/s。

從聲波曲線(xiàn)計(jì)算的孔隙度和多方法表征的晶間、晶內(nèi)孔隙度對(duì)比來(lái)看(圖 7)，兩者具有較好的相關(guān)性。因此，可以通過(guò)聲波曲線(xiàn)進(jìn)行白云巖基質(zhì)孔隙度的計(jì)算。

圖7 鄂爾多斯盆地大牛地大124井測(cè)井解釋孔隙度與實(shí)測(cè)孔隙度對(duì)比

3.3 鑄?？卓紫抖鹊谋碚?/h3>

中子—密度計(jì)算的總孔隙度扣除聲波時(shí)差計(jì)算的基質(zhì)孔孔隙度為鑄模孔孔隙度。從圖7可以看出，鑄?？椎目紫抖仍?%～6%之間，平均為5.1%，與5個(gè)樣品拓片表征的鑄?？卓紫抖?平均5.87%)基本一致。

4 討論

4.1 分層次多尺度儲(chǔ)集空間表征的可行性和局限性

馬五7小層中的鑄?？卓讖椒植加?～20 mm，平均面孔率為5.87%；晶間孔孔徑分布于20～30 μm，平均面孔率為2.87%，還有約0.9%的小于2 μm的亞微米—納米孔。在鑄體薄片晶間孔分析過(guò)程中，即使白云巖晶間孔的分布相對(duì)比較均勻，但仍存在一定的非均質(zhì)性，不能放大倍數(shù)過(guò)高，否則一方面會(huì)成倍增加工作量，另一方面會(huì)造成非均質(zhì)性引起的差別，也就是視域的代表性變差[7]。本文研究的鑄體薄片放大倍數(shù)為100倍，可觀察到的最小孔直徑為1～2 μm。然而，在氬離子拋光—掃描電鏡下仍可以觀察到大量的小于2 μm的晶內(nèi)—晶間納米—亞微米孔。也就是說(shuō)，通過(guò)JMicroVision軟件計(jì)算的晶間孔只是宏觀的(>2 μm)。結(jié)合氬離子拋光—掃描電鏡，通過(guò)回歸法求取校正系數(shù)，可以近似代表晶間(內(nèi))孔孔隙度。

在巖心拓片過(guò)程中，可以識(shí)別的最小孔隙直徑一般在1 mm以上。所以對(duì)于孔徑在1 mm以上的鑄?？祝绻麡颖咀銐蚨?，是可以準(zhǔn)確表征的。由于目的層段的取心一般為數(shù)米，拓片長(zhǎng)度并不受限制。拓片可以通過(guò)巖心切片完成，也可以通過(guò)巖心環(huán)掃完成，兩種方法并沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的差別，只是前者的鑄?？赘鼮榍宄?。目前，大部分油田的巖心都進(jìn)行了數(shù)字化掃描，給大尺度孔洞的研究帶來(lái)了便利。將巖心平展圖進(jìn)行拓片后，把拓片導(dǎo)入JMicroVision軟件中，設(shè)置好比例尺，提取孔洞并進(jìn)行孔洞百分比和直徑的分布研究。對(duì)于巖心拓片，一般要求溶蝕孔洞小于半個(gè)巖心直徑，對(duì)于更大尺度的孔洞，只能通過(guò)露頭來(lái)確定百分含量。

因此，分層次(巖心拓片的毫米級(jí)、鑄體薄片的微米級(jí)和氬離子拋光—掃描電鏡的亞微米—納米級(jí))對(duì)馬五7小層白云巖儲(chǔ)集空間進(jìn)行表征，可以較準(zhǔn)確地刻畫(huà)該套白云巖的多尺度儲(chǔ)集空間。

4.2 三孔隙度測(cè)井進(jìn)行非連通鑄?？子?jì)算的可行性

一般認(rèn)為聲波時(shí)差只反映連通孔隙度，并不反映孤立的溶蝕孔洞，因此聲波孔隙度一般小于中子—密度計(jì)算的總孔隙度。馬五7中的聲波孔隙度接近晶間孔(包括納米孔)孔隙度，從圖 7可以看出，聲波孔隙度與表征的晶間孔孔隙度絕對(duì)誤差為1.31%。

中子—密度結(jié)合進(jìn)行總孔隙度的計(jì)算，可以很大程度上抵消天然氣的挖掘效應(yīng)和天然氣導(dǎo)致的密度孔隙度偏大的影響。中子—密度孔隙度計(jì)算公式并不具有實(shí)際意義，只有通過(guò)分層次表征的總孔隙度進(jìn)行校正，得到總孔隙度，此時(shí)的孔隙度才具有實(shí)際意義?？鄢暡〞r(shí)差計(jì)算的晶間孔孔隙度，則為孤立的鑄?？卓紫抖?。這樣計(jì)算的鑄?？缀屯仄碚鞯蔫T?？纵^為接近，絕對(duì)誤差為0.88%，可以滿(mǎn)足要求。非連通孔隙度的計(jì)算對(duì)碳酸鹽巖儲(chǔ)層類(lèi)型的定量識(shí)別具有重要的意義。

5 結(jié)論

(1)對(duì)于發(fā)育多尺度儲(chǔ)集空間的碳酸鹽巖儲(chǔ)層，用單一方法進(jìn)行儲(chǔ)集空間的表征存在不確定性，不能準(zhǔn)確、客觀地表征儲(chǔ)集空間的大小、分布、數(shù)量和空間分布。通過(guò)巖心拓片提取溶蝕孔洞(>1 mm)、鑄體薄片提取晶間孔(>2 μm)、氬離子拋光—掃描電鏡進(jìn)行亞微米—納米孔(<2 μm)研究相結(jié)合，可以較準(zhǔn)確地表征碳酸鹽巖多尺度儲(chǔ)集空間。

(2)在多尺度儲(chǔ)集空間表征的基礎(chǔ)上，對(duì)聲波孔隙度和中子—密度孔隙度進(jìn)行約束，可以建立對(duì)應(yīng)的晶間孔孔隙度計(jì)算模型和溶蝕孔洞孔隙度計(jì)算模型，該模型具有更高的計(jì)算精度。

(3)碳酸鹽巖分層次多尺度儲(chǔ)集空間的表征要求目的層段樣品具有代表性，也就是中等尺度的非均質(zhì)性相對(duì)較弱(晶間孔和鑄?？追植驾^均勻)。如果非均質(zhì)性過(guò)強(qiáng)，裂縫發(fā)育，將很難對(duì)聲波孔隙度和中子—密度總孔隙度進(jìn)行約束。