基于數(shù)字巖心的碳酸鹽巖復(fù)雜孔隙特征研究
——以普光氣田飛仙關(guān)組儲層為例

李文濤，涂利輝，魯明宇，宿亞仙，黃長兵，趙學(xué)欽

（1.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽 621000；2.西南科技大學(xué)固體廢物處理與資源化教育部重點實驗室，四川 綿陽 621000；3.中國石油集團西部鉆探工程有限公司蘇里格氣田分公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017300；4.中國石油集團測井有限公司，陜西 西安 710000；5.中國石化中原油田分公司勘探開發(fā)研究院，河南 濮陽 457001）

0 引言

碳酸鹽巖儲層受到多期成巖作用（包括強膠結(jié)、多期溶蝕以及礦物充填等）的影響，導(dǎo)致次生孔隙極度發(fā)育。常見的孔隙類型有鑄?？住?粒內(nèi)溶孔、粒間溶孔、晶間孔、裂縫等，微觀孔隙結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，嚴重影響巖石的儲集性質(zhì)，導(dǎo)致儲層定量預(yù)測難度大［1］。為確地定量化表征碳酸鹽巖巖石的孔隙結(jié)構(gòu)，許多學(xué)者從多個角度進行了研究。Anselmetti 等［2］利用薄片圖像數(shù)字化技術(shù)表征孔隙結(jié)構(gòu)，并計算了滲透率。李忠新等［3］利用壓汞資料表征孔隙結(jié)構(gòu)。YAKOA 等［4］利用核磁共振T2譜表征孔隙結(jié)構(gòu)。這些方法多解性較強，準確度不高。近年來快速發(fā)展的數(shù)字巖心技術(shù)在研究孔隙特征方面具有高精度、高效性、非破壞性和多維度分析等優(yōu)勢，可直觀展示巖石儲集空間形態(tài)和孔喉匹配關(guān)系［5］，實現(xiàn)對巖石孔隙結(jié)構(gòu)的精細描述和分析［6］，其視域范圍覆蓋整個柱塞樣品，并在無損情況下可對巖心內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)進行三維建模，實現(xiàn)了不同尺度孔隙大小及連通性的計算［7］。另外，數(shù)字巖心還可以利用精細的微觀成像大數(shù)據(jù)和大數(shù)據(jù)圖像特征提取和分析技術(shù)，對儲層孔隙結(jié)構(gòu)進行精細刻畫［8-25］。

普光氣田飛仙關(guān)組發(fā)育海相碳酸鹽巖儲層，其含氣井段長，邊底水發(fā)育，屬于超深、高含硫、大型構(gòu)造-巖性氣藏，已探明天然氣地質(zhì)儲量4 050.79×108m3［13］。儲層受沉積、成巖和構(gòu)造作用的共同控制，其孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜、多種孔滲關(guān)系并存，儲層非均質(zhì)性強，傳統(tǒng)的壓汞、鑄體薄片、掃描電鏡等難以對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行精細表征［14-16］。本文以普光氣田飛仙關(guān)組碳酸鹽巖為研究對象，利用數(shù)字巖心技術(shù)對研究區(qū)5 口井200 個樣品進行圖像處理和分析，探討儲層各種孔隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，分析其主控因素，對儲層進行了精細分類，為后續(xù)氣藏儲量計算和選擇合理的開發(fā)方式提供指導(dǎo)。

1 氣田概況

普光氣田位于四川省東北部的宣漢縣境內(nèi)的北部地區(qū)，地處黃家梁胡家場以東、鳳凰寨以西、清溪鎮(zhèn)老君山以北、盧家山以南，包括了普光鎮(zhèn)、黃金口和毛頊場等縣（鄉(xiāng)），面積約余350 km2。氣田范圍內(nèi)地面海拔一般屬中低山區(qū)，總體地勢偏陡，相對高差大。

普光氣田主體構(gòu)造屬于川東斷褶帶東北段雙石廟普光向構(gòu)造帶上的一鼻狀構(gòu)造，介于米倉山—大巴山?jīng)_斷帶與川中平緩低裙皺帶之間，面積約80 km2。飛仙關(guān)沉積期，普光地區(qū)整體上為開闊臺地環(huán)境，發(fā)育大量顆粒灘，儲層主要為鮞粒溶孔云巖、 顆粒砂屑溶孔云巖、 細粉晶云巖及部分鮞?；?guī)r，鮞?；?guī)r多為致密層。儲層泥質(zhì)質(zhì)量分數(shù)比較低，多數(shù)低于5%。

2 多尺度數(shù)字巖心掃描實驗

實驗采用二維與三維、納米—厘米級別的多維度、多尺度掃描方法對孔隙結(jié)構(gòu)進行表征。掃描方法包括全直徑巖心CT 掃描技術(shù)、微米級X-ray CT 掃描技術(shù)、大面積掃描電鏡拼圖成像技術(shù)。

全直徑巖心CT 掃描實驗選用全巖心高精度計算機斷層掃描儀（CT）對巖心樣品的物性、孔隙度和滲透率等參數(shù)進行研究。通過非破壞性探測獲取到的高分辨率三維圖像，可確定樣品的孔隙度、孔隙類型、孔喉尺寸分布等信息，進而計算出滲透率、孔隙連通性等儲層物性參數(shù)。使用高分辨率X 射線計算機斷層掃描儀（HRCT）對微米級的巖心樣品進行高分辨率、非破壞性的三維成像，與全直徑巖心CT 相比，它的分辨率更高，可以更加詳細地描繪儲層的孔隙結(jié)構(gòu)、 細節(jié)特征等，以指導(dǎo)并研究低孔隙度、高滲透率的儲層。大面積掃描電鏡拼圖成像實驗則是通過掃描電子顯微鏡（SEM）對超薄巖片進行高分辨率成像，然后將所得到的多個高清晰度圖像拼合成一個大面積的圖像，以獲得全面、準確的儲層結(jié)構(gòu)信息。與前2 種技術(shù)不同，大面積掃描電鏡拼圖成像技術(shù)不能獲得完整的三維結(jié)構(gòu)信息，但可以提供高質(zhì)量的二維圖像，并能夠分辨不同的礦物組成、孔隙形成與分布等，以指導(dǎo)并研究非均質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)的儲層。

通過多尺度掃描實驗，將不同分辨率的數(shù)字掃描技術(shù)結(jié)合起來，對巖心進行了多層次、多尺度的成像和分析，提高了巖心成像的分辨率和精度，更準確表征巖心的物理性質(zhì)、孔隙結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)。多尺度CT 掃描法建立數(shù)字巖心主要包括3 個步驟：1）對巖樣預(yù)處理后開展CT 實驗獲得投影數(shù)據(jù)；2）選取圖像重建方法由投影數(shù)據(jù)重建巖心灰度圖像；3）采用圖像二值分割方法分離灰度圖像中的孔隙空間和巖石骨架，建立數(shù)字巖心。巖心CT 灰度圖像由灰度圖像的二值分割方法處理后，得到僅由巖石骨架和孔隙空間組成的二值圖像［17］。將二值圖像在三維空間中組合便得到了真實巖心的數(shù)字化表征。

3 微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征

3.1 微觀孔隙類型

根據(jù)掃描電鏡圖像觀察結(jié)果，研究區(qū)目的層存在4 種主要孔隙類型：晶間（溶）孔、粒間（溶）孔、鮞粒鑄模孔及微裂縫。

微裂縫在樣品中較為常見，但數(shù)量一般不多，只有極少數(shù)樣品出現(xiàn)明顯的貫穿縫。另外，微裂縫發(fā)育較多的樣品中方解石體積分數(shù)高于大部分樣品，但由于微裂縫上下邊緣吻合較好，可能是因壓力釋放或鉆樣時形成的。圖1 可以看出有較大的微裂縫，對巖心的滲流能力有較大的影響。圖像分割識別樣品的方解石體積分數(shù)約為4.93%，明顯高于其余粒間孔和鮞?？最愋蜆悠罚ㄆ骄?.4%）。

圖1 PG304-1 井10-12/22 號樣品放大圖Fig.1 Enlarged view of Sample 10-12/22 from Well PG304-1

晶間（溶）孔主要為白云石晶間孔，存在于所有樣品中，是樣品中最基本的儲集空間或滲流通道。由于其孔隙等效直徑基本小于1 μm，因此，以晶間（溶）孔為唯一滲流通道的樣品滲透率基本在0.01×10-3μm2以下（見圖2）。

圖2 晶間孔類型樣品Fig.2 Sample of intercrystalline pore type

粒間（溶）孔主要為白云石顆粒間孔隙（見圖3），粒間（溶）孔孔徑主要為1 ～100 μm，多數(shù)為不規(guī)則狀，一般見少量瀝青充填。粒內(nèi)（溶）孔和鮞粒鑄?？椎淖兓秶^大，鮞粒鑄?？卓讖街饕獮?00～1 000 μm。樣品中粒內(nèi)孔與粒間孔比例不同，可分為粒間孔型、鑄?？仔?，以及兩者兼有的復(fù)合型3 種類型。

圖3 典型的粒間孔類型樣品和鮞?？最愋蜆悠钒l(fā)育特征Fig.3 Development characteristics of typical intergranular pore type samples and oolitic pore type samples

3.2 巖心微觀孔隙結(jié)構(gòu)分類

根據(jù)每塊樣品的主要孔隙類型差異及粒間孔、晶間孔相近似的孔滲關(guān)系，將樣品的孔隙結(jié)構(gòu)類型歸納為3 類：粒間（溶）孔和晶間（溶）孔結(jié)構(gòu)，微裂縫結(jié)構(gòu)、鑄模孔結(jié)構(gòu)，以及鑄?？?粒間孔過渡帶（見圖4）。

圖4 滲透率與孔隙度的關(guān)系Fig.4 Relationship between permeability and porosity

1）微裂縫樣品中的微裂縫以水平方向為主，條數(shù)較多，可形成滲流通道，滲透性較好。微裂縫結(jié)構(gòu)樣品以晶間孔為主，且微裂縫對孔隙度貢獻有限；因此，微裂縫結(jié)構(gòu)樣品一般表現(xiàn)為低孔中滲或低孔高滲特征。

2）粒間孔和晶間孔具有相似孔滲關(guān)系，歸為同一類結(jié)構(gòu)。通常粒間孔喉道半徑高于晶間孔喉道，滲透性較好（見圖5a）。

圖5 X-ray CT 掃描圖像及孔隙度提取Fig.5 X-ray CT scan image and porosity extraction

3）鑄?？捉Y(jié)構(gòu)樣品中粒內(nèi)孔（鑄?？祝?gòu)成了主要的孔隙空間，占總孔隙度的90%以上。鑄?？捉Y(jié)構(gòu)樣品一般表現(xiàn)為高孔超低滲特征，但是由于滲流通道是晶間孔喉道，因此滲透率非常低，一般小于1×10-3μm2（見圖5b）。

4）過渡帶區(qū)域樣品中同時發(fā)育鑄?？缀土ｉg孔。由于鑄?？装l(fā)育，其孔隙度高于粒（晶）間孔區(qū)域樣品；同時，由于粒間孔的發(fā)育，其滲透率略高于純鑄?？捉Y(jié)構(gòu)的樣品（見圖5c）。

粒（晶）間孔結(jié)構(gòu)樣品中，晶間孔和粒間孔既是孔隙空間，同時也是喉道空間，是此次研究樣品中的2 種主要滲流通道類型。

樣品的孔隙等效直徑分布見圖6。由圖6 看出，樣品的孔隙等效直徑分布呈雙峰特征，峰值主要在90 μm 左右，樣品的喉道等效直徑峰值在55 μm 左右。樣品的孔隙及喉道等效直徑分布范圍接近，且樣品孔隙連通率在98%以上，因此，粒間孔既是孔隙空間也是喉道空間。

圖6 9-40/68 號樣品的孔喉網(wǎng)絡(luò)及等效直徑分布Fig.6 Pore throat network and equivalent diameter distribution of Sample 9-40/68

通過對鑄?？捉Y(jié)構(gòu)和過渡帶區(qū)域的樣品中連通域分析認識到，鮞粒本身作為孔隙空間存在，不具備滲透性。滲流通道為粒（晶）間孔的孔隙空間。

對原數(shù)字巖心模型中的鑄模孔進行去除結(jié)果見圖7。對比去除鑄模孔前后的喉道半徑變化發(fā)現(xiàn)，樣品的主要喉道未發(fā)生明顯變化，其半徑分布主要在1～4 μm。因此，鑄模孔并不是決定滲透能力的喉道空間。

圖7 14-5/60 樣品去除鑄模孔前后喉道半徑對比Fig.7 Comparison of throat radius before and after removal of moldic pore for Sample 14-5/60

微裂縫結(jié)構(gòu)樣品中，微裂縫形成的滲流通道是該類型儲層滲透率較高的原因。但由于無法確定微裂縫是否真實存在于地層中，此次研究中沒有作為主要滲流通道考慮。

綜合分析發(fā)現(xiàn)，粒（晶）間孔結(jié)構(gòu)存在于所有樣品中，在無微裂縫影響的情況下，粒（晶）間孔結(jié)構(gòu)是樣品的主要滲流通道。因此，在不考慮微裂縫影響的情況下，樣品孔滲關(guān)系可歸納為滲透率主控。粒（晶）間孔結(jié)構(gòu)區(qū)，隨著粒間孔數(shù)量和大小的增加，樣品孔隙度、滲透率也隨之增加。當樣品中出現(xiàn)貫穿的微裂縫時，裂縫對孔隙度貢獻有限，而由于裂縫的特性，使得滲透率高于正?？诐B關(guān)系。當樣品中存在鑄?？讜r，鑄?？滓话爿^大，對孔隙度有較大貢獻；但是鑄?？撞⒉皇怯行нB通孔隙，對滲透能力沒有貢獻，因此，鑄模孔使得滲透率低于正?？诐B關(guān)系。

4 孔隙結(jié)構(gòu)微觀尺度特征及分類

數(shù)字巖心技術(shù)從微觀尺度上對巖心孔隙特征及連通性等孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了更為精準化的研究，揭示滲透率的主控因素為連通孔隙體積的大?。礉B透等效孔隙度），非滲透等效孔隙對滲透率貢獻很?。ǚ菨B透等效孔隙度）。

在數(shù)字巖心分析揭示的4 種孔構(gòu)關(guān)系的規(guī)律基礎(chǔ)上，本次研究結(jié)合測井資料對常規(guī)孔滲數(shù)據(jù)進行了分類分析，將巖性物性孔滲關(guān)系歸納為4 個區(qū)帶： 裂縫區(qū)、主控區(qū)、過渡帶、鮞粒區(qū)（見圖8）。

圖8 巖性物性關(guān)系分類Fig.8 Classification of lithology and physical property relationships

主控區(qū)以粒間孔、粒間溶蝕孔為主，連通性好。巖性主要為殘跡/殘余鮞粒云巖，孔隙類型以粒間溶蝕孔縫為主，孔隙連通性較好，孔滲關(guān)系正常，其孔滲趨勢線本研究定義為主控趨勢，所對應(yīng)的函數(shù)，即為主控函數(shù)（見式（1））。

式中：K 為滲透率，10-3μm2；? 為巖心反算滲透等效孔隙度。

裂縫區(qū)的巖性主要為泥晶/粉晶/細晶云巖，孔隙類型以微裂縫、溶蝕孔為主，連通性比較好，位于孔滲關(guān)系主控區(qū)左上部。

鮞粒區(qū)巖性主要為鮞粒云巖，孔隙類型主要為鮞粒內(nèi)孔，高孔低滲，中孔低滲，連通性差，位于孔滲關(guān)系主控區(qū)左下底部。

過渡區(qū)帶巖性主要為殘余/殘跡鮞粒云巖、細晶/鮞粒細晶云巖，巖心孔隙類型主要為鮞粒內(nèi)孔+粒間溶蝕孔，孔滲關(guān)系部分較好?？拷骺貐^(qū)的過渡區(qū)帶，以粒間溶蝕孔為主；靠近鮞粒區(qū)的，以鮞粒內(nèi)孔為主。

4.1 鮞粒區(qū)孔隙結(jié)構(gòu)特征

1）主要為鮞粒內(nèi)孔，孤立、不連通，對滲透率基本無貢獻；2）少量的晶間孔決定了滲透率的大小；3）晶間孔為孤立的（高分辨率電鏡、CT、MCT 上見），不連通；4）排驅(qū)壓力較高，并且迅速上升（毛細管壓力曲線得知），存在少量晶間孔時，孔喉半徑分布表現(xiàn)為雙峰；5）孔隙度越小，結(jié)晶、重結(jié)晶越強，鮞粒內(nèi)孔越小。

4.2 主控區(qū)孔隙結(jié)構(gòu)特征

1）粒間孔較多，粒間孔影響孔滲大?。?）鮞粒重結(jié)晶強烈，鮞內(nèi)基本被充填物填充；3） 孔喉半徑一般較大、單峰；排驅(qū)壓力隨孔滲增大而變小，中高孔滲時較低，形態(tài)平直；4）在中高滲區(qū)帶，鮞粒大部分呈殘余或殘跡，粒內(nèi)被結(jié)晶物填充，晶間孔縫、溶孔發(fā)育，部分鮞粒外形清晰，孔滲越好，鮞粒間溶蝕作用越強；5）在低孔低滲區(qū)帶，部分鮞粒形態(tài)完整，粒內(nèi)重結(jié)晶，晶間被充填，部分發(fā)育孔縫。

4.3 裂縫區(qū)孔隙結(jié)構(gòu)特征

1）裂縫具連通性；2）低孔高滲，孔隙度一般小于10%；3）孔滲關(guān)系偏離正?？诐B關(guān)系；4）溶蝕作用強，喉道粗或有微裂縫，彎曲度小。

4.4 過渡帶孔隙結(jié)構(gòu)特征

1）越靠近主控區(qū)帶，粒間孔占比越大，鑄?？渍急仍叫?；2）越遠離主控區(qū)，粒間孔占比越小，鑄?？渍急壤酱?；3）部分巖心晶間孔和鑄模孔都很少，有微裂縫存在；4）鑄模孔+晶間孔縫及溶孔特征，雙孔隙結(jié)構(gòu)特征，越偏離主控線左下，進汞壓力上升得越快。

5 各類孔隙結(jié)構(gòu)的測井響應(yīng)特征

利用數(shù)巖技術(shù)劃分出了孔隙類型及孔隙結(jié)構(gòu)等效簡化模型，并揭示了滲透等效孔隙度量化規(guī)律。量化規(guī)律能夠較好地表征普光礁灘相白云巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)特征，但還需與測井資料建立起聯(lián)系。利用數(shù)字巖心，孔隙類型劃分成4 大類，結(jié)合孔構(gòu)特征及孔滲關(guān)系，與測井曲線、巖性等建立起了關(guān)聯(lián)（見圖9）。

圖9 孔隙結(jié)構(gòu)類型變化與測井曲線對應(yīng)關(guān)系Fig.9 Relationship between changes in pore structure types and logging curves

孔隙以粒間孔為主的（中孔中滲儲層）儲層，經(jīng)井眼環(huán)境校正及標準化后的補償中子曲線、 巖性密度曲線、聲波時差曲線，按照巖性密度刻度1.40～2.86 g/cm3，補償中子刻度60%～0、 聲波時差刻度142.34～379.27 μs/m，以及淺側(cè)向孔隙度曲線放在同一道中時，4 條線大部分基本重合或差異很小，淺側(cè)向孔隙度曲線幅度一般稍低?？偪紫抖惹€刻度0～25%與淺側(cè)向孔隙度0～23.5%疊合放置時，基本重合，或淺側(cè)向孔隙度大于總孔隙度。

孔隙以粒間孔為主的（高孔高滲儲層）儲層，儲層品質(zhì)比較好，中子密度曲線會有挖掘效應(yīng)，中子變小，密度變大，聲波孔隙度曲線與淺側(cè)向孔隙度曲線比價接近且幅值比較大，孔隙度曲線一般達15%以上?？偪紫抖龋ㄓ嬎隳Ｐ停┛潭?～50%與淺側(cè)向孔隙度0～47%疊合放置時，基本重合，或呈負包絡(luò)面積（總孔隙度在下，淺側(cè)向孔隙度在上）。

孔隙以鮞?？诪橹鞯模ǜ呖椎蜐B儲層）儲層，聲波曲線和中子孔隙度曲線較低，淺側(cè)向孔隙度曲線幅度較高，密度孔隙度曲線比較大。這4 條孔隙度曲線有較多的包絡(luò)面積（巖性密度與補償中子、巖性密度與聲波時差、巖性密度與淺側(cè)向孔隙度曲線），總孔隙度（計算模型后面介紹） 刻度0～50%與淺側(cè)向孔隙度曲線0～47%疊合放置時，正包絡(luò)面積比較大，正包絡(luò)面積的大小與鮞孔的發(fā)育正相關(guān)。

孔隙以粒間孔+鮞?？诪橹鞯膬又?，以粒間孔為主的儲層，測井曲線特征接近于孔隙以粒間孔為主的（中孔、中滲儲層儲層），密度幅度與其他曲線的差異比較小；以鮞?？诪橹鞯膬?，測井曲線特征接近于孔隙以鮞?？诪橹鞯模ǜ呖?、低滲儲層）儲層特征，密度幅度與其他曲線的差異比較大。

6 結(jié)論

1）通過分析數(shù)字巖心所呈現(xiàn)的豐富的二、三維數(shù)據(jù)，可將研究區(qū)樣品的孔滲關(guān)系及孔構(gòu)特征歸納為三區(qū)一帶。即粒（晶）間孔區(qū)、微裂縫區(qū)、鑄模孔區(qū)，以及鑄模孔+粒間孔過渡帶。三維數(shù)字巖心模型分析表明，粒（晶）間孔結(jié)構(gòu)是樣品滲透率的主控因素，明確了孔隙結(jié)構(gòu)類型造成了測井曲線差異。

2）白云石晶間孔是最基本的滲流通道，晶間孔等效直徑在0.25～0.90 μm，晶間孔對孔隙度的貢獻在1%～5%，滲透率總貢獻低于0.1×10-3μm2。鮞粒巖中鑄?？紫嗷ブg相對孤立，等效直徑一般在10 μm～1 mm，大部分在100 μm～1 mm，儲集性能好，由晶間孔相互連通。