應力對超深層碳酸鹽巖氣藏孔喉結構的影響

張鈺祥，楊勝來，李 強，王蓓東，鄧 惠，鄢友軍，閆海軍，陳掌星

（1.中國石油大學（北京）油氣資源與探測國家重點實驗室，北京102249；2.中國石油勘探開發研究院，北京100083；3.加拿大卡爾加里大學化學與石油工程系，卡爾加里T2N1N4；4.中國石油西南油氣田分公司勘探開發研究院，四川成都610041）

已有學者通過CT 掃描方法來研究應力對碳酸鹽巖樣品儲集空間變化的影響。SALIMIDELSHAD等利用聲波速度和CT 掃描分析來研究循環壓力作用于碳酸鹽巖儲層，巖石物理性質的變化、多孔介質中孔隙結構的變化和儲層中流體運移的變化［1］。YANG 等通過CT 掃描技術從不同類型碳酸鹽巖巖心中提取數字巖心模型，并在此基礎上進行孔隙級流動模擬，研究應力加載和卸載循環過程中裂縫形態的變化以及對巖樣流動特性的影響［2-3］。WANG等利用CT掃描技術對基質型、裂縫型和孔洞型碳酸鹽巖樣品的物性進行分析，研究裂縫和孔洞對孔滲關系、巖心孔喉結構的非均質性、滲透率和孔隙度應力敏感性以及油層相對滲透率的影響［4］。FU 等利用X 射線斷層掃描，在加壓和減壓過程中獲得孔隙型、裂縫-孔隙型和裂縫-孔洞型碳酸鹽巖的數字巖心，并采用格子玻爾茲曼方法和孔隙網絡模型模擬不同圍壓下的滲透率和氣水兩相流［5］。目前針對超深層碳酸鹽巖在承受應力及壓裂前后孔喉結構影響規律的研究較少。超深層碳酸鹽巖氣藏儲層承受的地層應力巨大，與中淺層的應力條件相差甚大，生產過程中的應力狀態“巨變”，可能導致承受應力前后儲層孔喉結構參數測定結果存在差異［6-9］。因此通過CT掃描，對應力實驗和壓裂實驗前后的超深層碳酸鹽巖巖心樣品進行研究，得到實驗前后孔喉分布特征及連通性變化的規律，從而為現場氣藏開發提供理論支持。

1 應力實驗及壓裂實驗

1.1 實驗樣品

選取高石梯-磨溪區塊臺內燈四氣藏4 塊全直徑巖心進行CT 掃描，4 塊巖心的巖石物性及掃描參數見表1，4塊巖心實驗前后如圖1所示，其中DS4對應壓裂實驗，其余3塊巖心對應應力實驗。

圖1 應力實驗及壓裂實驗前后不同類型巖心照片Fig.1 Photos of different cores before and after stress experiment and fracturing experiment

表1 實驗巖心基本物性參數Table1 Basic physical property parameters of core samples

4塊全直徑巖心均為中-細晶云巖，XRD 分析結果表明，其礦物組分非常接近，白云石占95.7%～99.1%，螢石占0.2%～3.9%，石英占0.4%～3.2%，方解石含量在0.5%以下，白云石晶體表面伴有少量瀝青質和伊利石充填［10］。目的儲層受構造運動和后期次生作用影響，孔隙結構以晶間孔和晶間溶孔為主，同時發育溶洞和微裂縫［11］。

4 塊全直徑巖心孔隙度為5%～12%，滲透率為0.03～43 mD，充分體現了超深層碳酸鹽巖儲層的非均質性。參考行業標準［12］和燈影組儲集類型劃分標準［13］，將4 塊全直徑巖心分為孔洞型和縫洞型。其中DS2 和DS4 為孔洞型，DS5 和DS6 為縫洞型。而后對各類型巖心提取應力實驗及壓裂實驗前后的數字巖心，并進一步分析應力對超深層碳酸鹽巖氣藏各類型儲層孔隙空間的影響規律。

1.2 實驗步驟

應力實驗實驗步驟和數據處理參照巖心分析方法［14］和儲層敏感性流動實驗評價方法［15］，對4 塊全直徑巖心進行地層條件下的應力實驗，實驗溫度為110 ℃，圍壓為130 MPa，流壓為56 MPa。每一個巖心的應力實驗分為降流壓過程和升流壓過程，分別模擬實際的生產過程和關井壓力恢復過程。應力實驗前后對各巖心進行同一分辨率下的CT掃描。實驗結果（圖2）表明，和以往實驗結果不同，各類型巖心在孔隙壓力升壓階段均展現更好的滲流能力。在各個凈應力點，應力實驗后孔洞型巖心DS2 的滲透率是應力實驗前的1.1～6.1 倍，縫洞型巖心DS5 是2.0～21.0倍，縫洞型巖心DS6是1.7～9.1倍；一次降壓升壓后，DS2 滲透率變為初始滲透率的105.6%，DS5滲透率變為初始滲透率的199.1%，DS6 滲透率變為初始滲透率的174.2%。

圖2 不同類型巖心滲透率保持率隨凈應力變化曲線Fig.2 Variation curves of permeability retention rates with net stress of different cores

壓裂實驗將目的巖心軸向垂直放置，在端面兩側均勻加載軸壓，直至巖心被壓裂為止。壓裂實驗前后對巖心進行同一分辨率下的CT掃描。

2 CT掃描結果分析

對4塊不同類型的全直徑巖心進行應力實驗及壓裂實驗前后的CT掃描對比分析，主要針對全直徑巖心中發育的對滲透率有較大貢獻的中孔、大孔、微喉、小喉、中喉、微縫、小縫及以上尺度的孔隙空間，研究承受應力前后同一位置區域（包括全直徑巖心、孔隙發育處和裂縫發育處）的孔喉數量、孔喉平均尺寸、孔隙尺寸分布、喉道尺寸分布、連通孔喉體積比和孔縫洞占比等，以分析應力對于超深層碳酸鹽巖氣藏儲層孔喉結構、孔喉大小、連通性和縫洞發育程度等的影響。本文孔喉尺寸的分類標準參照CHOQUETTE 等1970 年提出的碳酸鹽巖孔喉尺寸分類標準［16］。

本次實驗所使用的CT 測試儀器為美國通用電氣公司生產的phoenix v|tome|x m 微米CT 掃描儀，應力實驗和壓裂實驗前后的CT 掃描分辨率均為37 μm。將實驗前后的全直徑巖心放置在CT儀器的載物臺上，調節設備參數進行掃描。CT 掃描結束后，使用專業的數據處理軟件VOLUME GRAPHICS STUDIO MAX 和FEI AVIZO 對實驗前后重建好的三維模型數據進行處理，選用同一閾值分割不同類型巖心的巖石基體和孔隙空間，使用最大球法［17-19］提取孔隙網絡模型。在對全直徑巖心分析完成后，對實驗前后同一巖心選擇同一位置進行處理，每一個巖心分別選擇孔隙發育處和裂縫發育處進行分析，體素值均為500×500×500。

2.1 孔喉發育情況

由于CT掃描主要反映尺寸大于37 μm 的孔喉，因此數字巖心得到的孔隙度略低于實驗得到的孔隙度。分析全直徑巖心和孔隙發育處、裂縫發育處實驗前后的孔隙發育情況（表2）可知，孔洞型巖心DS2 應力實驗后孔隙個數在全直徑處減少6.63%，在孔隙發育處減少76.35%，在裂縫發育處減少61.18%；孔隙平均半徑在全直徑處增加5.57%，在孔隙發育處增加46.69%，在裂縫發育處增加25.27%；孔隙總體積在全直徑處增加2.10%，在孔隙發育處減少6.91%，在裂縫發育處減少34.12%?？p洞型巖心DS5 在應力實驗后，孔隙個數在全直徑處減少40.89%，在孔隙發育處減少52.51%，在裂縫發育處增加57.17%；孔隙平均半徑在全直徑處增加14.94%，在孔隙發育處增加37.29%，在裂縫發育處減少7.56%；孔隙總體積在全直徑處增加4.32%，在孔隙發育處減少40.39%，在裂縫發育處增加1.28%?？p洞型巖心DS6 在應力實驗后，孔隙個數在全直徑處減少61.16%，在孔隙發育處減少53.65%，在裂縫發育處減少67.83%；孔隙平均半徑在全直徑處增加22.11%，在孔隙發育處增加23.27%，在裂縫發育處增加31.93%；孔隙總體積在全直徑處減少14.89%，在孔隙發育處減少27.77%，在裂縫發育處減少8.48%?？锥葱蛶r心DS4 在壓裂實驗后，孔隙個數在全直徑處減少87.84%，在孔隙發育處減少78.43%，在裂縫發育處減少76.35%；孔隙平均半徑在全直徑處增加169.27%，在孔隙發育處增加185.70%，在裂縫發育處增加128.63%；孔隙總體積在全直徑處減少13.70%（一部分原因是壓裂后部分巖樣缺失），在孔隙發育處增加32.91%，在裂縫發育處增加375.71%。

表2 不同類型巖心實驗前后孔隙發育情況對比Table2 Comparison of pore development in different cores before and after experiments

分析不同類型巖心實驗前后喉道發育情況（表3）可知，應力實驗后，孔洞型巖心DS2喉道個數在孔隙發育處降低5.46%，在裂縫發育處增加46.86%；喉道平均半徑在孔隙發育處增加24.88%，在裂縫發育處減少24.43%；喉道平均長度在孔隙發育處增加8.94%，在裂縫發育處減少7.49%；喉道總體積在孔隙發育處增加15.35%，在裂縫發育處減少3.99%?？p洞型巖心DS5 喉道個數在孔隙發育處降低5.20%，在裂縫發育處降低0.09%；喉道平均半徑在孔隙發育處降低14.35%，在裂縫發育處減少5.16%；喉道平均長度在孔隙發育處降低6.95%，在裂縫發育處增加4.52%；喉道總體積在孔隙發育處降低14.35%，在裂縫發育處降低5.16%?？p洞型巖心DS6 喉道個數在孔隙發育處降低70.15%，在裂縫發育處降低53.39%；喉道平均半徑在孔隙發育處增加88.51%，在裂縫發育處增加77.26%；喉道平均長度在孔隙發育處增加21.40%，在裂縫發育處增加35.57%；喉道總體積在孔隙發育處降低2.11%，在裂縫發育處增加87.55%?？锥葱蛶r心DS4 在壓裂實驗后，喉道個數在孔隙發育處減少13.01%，在裂縫發育處增加153.35%；喉道平均半徑在孔隙發育處降低19.93%，在裂縫發育處增加23.01%；喉道平均長度在孔隙發育處增加28.07%，在裂縫發育處增加42.57%；喉道總體積在孔隙發育處降低8.11%，在裂縫發育處增加453.78%。壓裂實驗后，孔隙發育處和裂縫發育處的喉道個數、喉道總體積和喉道平均半徑的變化趨勢相反；孔隙發育處喉道個數減少，雖然喉道平均長度增加，但喉道平均半徑減小幅度更大導致喉道總體積減??；裂縫發育處的喉道個數、喉道平均長度和平均半徑均增加，導致喉道總體積增加。

表3 不同類型巖心實驗前后喉道發育情況對比Table3 Comparison of throat development in different cores before and after experiments

2.2 孔喉分布規律

2.2.1 全直徑巖心

首先對實驗前后全直徑巖心的孔喉結構進行分析，得到對應的數字巖心（圖3）?？梢园l現，應力實驗后，DS2，DS5和DS6的孔隙均傾向于變大，縫洞更加發育；壓裂后的DS4的孔隙更加發育，軸向上的裂縫十分明顯。由不同類型全直徑巖心的孔隙半徑分布（表4）可看出，孔洞型巖心DS2 在應力實驗后孔隙半徑為0.05～0.25 mm 的中孔變少，0.25～1.26 mm 的中孔變多，1.26～2.00 mm 的中孔基本不變，大于2.00 mm 的大孔變多；縫洞型巖心DS5 在應力實驗后，孔隙數量基本在全孔隙尺寸分布上大幅度減少；縫洞型巖心DS6在應力實驗后，孔隙數量在孔隙半徑為0.05～1.26 mm 的中孔范圍內大幅減少，在1.26～1.87 mm的中孔范圍內減少，在＞1.87 mm的中孔和大孔范圍內增加；孔洞型巖心DS4 在壓裂實驗后，孔隙數量在全孔隙尺寸分布上均大幅度減少。

圖3 實驗前后全直徑巖心的數字巖心Fig.3 Digital cores of full-diameter cores before and after experiments

表4 實驗前后全直徑巖心不同孔隙的數量分布Table4 Distribution of pores with different radii in full-diameter cores before and after experiments

2.2.2 孔隙發育處

分析各類型巖心孔隙發育處的數字巖心和提取的對應的孔隙網絡模型，將應力實驗和壓裂實驗前后的模型進行對比，得到實驗前后孔隙發育處的孔隙尺寸數量分布和喉道尺寸數量分布。

由各類型巖心應力實驗前后孔隙發育處的數字巖心和孔隙網絡模型（圖4）可以直觀地發現，無論是應力實驗還是壓裂實驗，實驗后部分孔喉尺寸明顯變大。結合孔喉尺寸分布（表5，表6），孔洞型巖心DS2孔隙數量在孔隙半徑為0.05～1.46 mm的中孔范圍內減少，在＞1.46 mm 的中孔和大孔范圍內保持不變；縫洞型巖心DS5 孔隙數量在孔隙半徑為0.05～0.85 mm的中孔范圍內減少，在＞0.85 mm的中孔和大孔范圍內保持不變；縫洞型巖心DS6 孔隙數量在孔隙半徑為0.05～1.87 mm 的中孔范圍內減少，在＞1.87 mm 的中孔和大孔范圍內保持不變；孔洞型巖心DS4孔隙數量在孔隙半徑為0.05～0.85 mm的中孔范圍內減少，在＞0.85 mm 的中孔和大孔范圍內增加?？锥葱蛶r心DS2 喉道數量在喉道半徑為0.018～0.042 mm 的微喉和小喉上減少，在0.042～0.234 mm 的小喉上增加，在＞0.234 mm 的中喉上維持不變；縫洞型巖心DS5 喉道數量在喉道半徑為0.018～0.042 mm 的微喉和小喉上增加，在＞0.042 mm 的小喉和中喉上減少；縫洞型巖心DS6 喉道數量在全喉道尺寸上減少；孔洞型巖心DS4 喉道數量在喉道半徑為0.018～0.042 mm 的微喉和小喉上增加，在＞0.042 mm的小喉和中喉上減少。

表5 實驗前后各類型巖心孔隙發育處不同孔隙的數量分布Table5 Distribution of pores with different radii of pore-developed parts in different cores before and after experiments

表6 實驗前后各類型巖心孔隙發育處不同喉道的數量分布Table6 Distribution of throats with different radii of pore-developed parts in different cores before and after experiments

圖4 不同類型巖心實驗前后孔隙發育處數字巖心和孔隙網絡模型Fig.4 Digital pores and pore network models of pore-developed parts in different cores before and after experiments

2.2.3 裂縫發育處

由各類型巖心應力實驗前后裂縫發育處的數字巖心和孔隙網絡模型（圖5）可以直觀地發現，應力實驗后DS2，DS5 和DS6 裂縫發育處連通的大孔隙和大喉道增多，一些孤立的小孔隙減少；壓裂實驗后DS4 裂縫發育處連通的孔隙、大喉道以及孤立的小孔喉都增多。結合實驗前后各類型巖心裂縫發育處的孔喉尺寸分布（表7，表8），孔洞型巖心DS2 孔隙數量在全尺寸范圍內減少；縫洞型巖心DS5孔隙數量在孔隙半徑為0.05～1.46 mm 的中孔范圍內增加，在＞1.46 mm 的中孔和大孔范圍內減少；縫洞型巖心DS6孔隙數量在0.05～1.06 mm的中孔范圍內減少，在＞1.06 mm 的中孔和大孔范圍內增加；孔洞型巖心DS4孔隙數量在全尺寸范圍內減少?？锥葱蛶r心DS2 喉道數量在喉道半徑為0.018～0.138 mm 的微喉和小喉處增加，在＞0.138 mm 的小喉和中喉處減少；縫洞型巖心DS5 喉道數量在0.018～0.066 mm 的微喉和小喉處大幅增加，在＞0.066 mm的小喉和中喉處大幅減少；喉道數量在0.018～0.042 mm 的微喉和小喉處大幅減少，在＞0.042 mm 的小喉和中喉處大幅增加；壓裂實驗后孔洞型巖心DS4喉道數量在全尺寸范圍內大幅度增加。

表7 實驗前后各類型巖心裂縫發育處不同孔隙數量分布Table7 Distribution of pores with different radii of fracture-developed parts in various cores before and after experiments

表8 實驗前后各類型巖心裂縫發育處不同喉道數量分布Table8 Distribution of throats with different radii of fracture-developed parts in various cores before and after the experiments

圖5 各類型巖心實驗前后裂縫發育處數字巖心和孔隙網絡模型Fig.5 Digital pores and pore network models of fracture-developed parts in different cores before and after experiments

結合全直徑巖心和孔隙發育處、裂縫發育處應力實驗前后的孔喉發育情況和孔喉分布規律可知，無論孔洞型還是縫洞型巖心，無論孔隙發育處還是裂縫發育處，在應力實驗后，孔隙個數均大幅度下降且主要集中在半徑在1 mm以下的微孔和中孔，孔隙半徑均大幅度增加，孔隙總體積總體呈減小的趨勢。應力實驗后孔隙發育處和裂縫發育處的孔喉變化趨勢基本一致，喉道數量趨于減少，且主要集中在半徑＜0.04 mm 的微喉和小喉，喉道平均半徑和喉道平均長度趨于增加，但由于微喉數量減少幅度更大，喉道總體積趨于減小。喉道尺寸增加導致應力實驗后超深層碳酸鹽巖儲層巖樣滲透率升高?？锥葱蛶r心DS4在壓裂后，孔隙個數大幅度下降，減少的孔隙半徑主要集中在0.5 mm 以下的微孔和中孔，孔隙平均半徑大幅度上升，增加的孔隙半徑主要集中在0.5～0.8 mm 的中孔，孔隙總體積總體呈上升趨勢。壓裂實驗后裂縫發育處的喉道在數量和尺寸上均更發育，而孔隙發育處的喉道被擠壓從而變少變細長。

2.3 孔縫洞分布規律及連通性評價

分析不同類型巖心應力實驗前后連通性（表9）可知，應力實驗后孔洞型巖心DS2 全直徑巖心連通孔喉體積占比降低了46.07%，孔隙數量占比降低了51.78%，洞數量占比提高了約78 倍，裂縫數量占比提高了21.47%；縫洞型巖心DS5 全直徑巖心連通孔喉體積占比提高了9.21%，孔隙數量占比降低了41.27%，洞數量占比提高了約55 倍，裂縫數量占比降低了44.25%；縫洞型巖心DS6 全直徑巖心連通孔喉體積占比降低了5.68%，孔隙數量占比降低了56.29%，洞數量占比提高了約109倍，裂縫數量占比提高了33.29%。壓裂實驗后，孔洞型巖心DS4 全直徑巖心連通孔喉體積占比提高了66.85%，孔隙數量占比降低了75.35%，洞數量占比提高了約26 倍，裂縫數量占比提高了約25 倍。由此可見，應力實驗后，孔洞型巖心由于連通性差，連通孔喉體積占比下降幅度較大，縫洞型巖心由于裂縫發育，連通孔喉體積占比下降幅度不大，甚至有小幅上漲；無論孔洞型還是縫洞型巖心，應力實驗后，孔隙數量均下降，導致洞數量占比增多，裂縫也更加發育，因此巖心的滲流能力大幅度提升。對比應力實驗后的孔洞型巖心DS2，孔洞型巖心DS4 在壓裂后，連通孔喉體積占比大幅提高，裂縫數量占比提高的幅度比洞數量更大，這證明壓裂主要通過提高孔隙空間中裂縫占比來改善超深層碳酸鹽巖儲層樣品的孔喉連通性。

表9 不同類型巖心實驗前后孔縫洞分布及連通性數據對比Table9 Comparison of pore-fracture-vug distribution and connectivity data for different cores before and after experiments

3 結論

不同于中淺層儲層，超深層碳酸鹽巖儲層巖心在經歷應力實驗后，孔隙和喉道個數均大幅度下降且主要集中在半徑小于1 mm 的微孔和中孔以及半徑小于0.04 mm 的微喉和小喉，孔隙和喉道半徑均大幅度增加，孔隙和喉道總體積總體呈減小的趨勢；孔洞型巖心在壓裂后孔隙和喉道個數大幅度下降，孔隙和喉道平均半徑大幅度上升，增加的孔隙半徑主要集中在0.5～0.8 mm 的中孔，孔隙和喉道體積總體呈上升趨勢。

不同于以往研究，超深層碳酸鹽巖儲層縫洞型和孔洞型巖心在承受應力后孔隙平均半徑和喉道平均半徑增加，洞數量占比增多，裂縫也更加發育，從而導致滲流能力大幅度提高，同應力條件下為承受應力前的1.1～21.0 倍；孔洞型巖心在壓裂后連通孔喉體積大幅提高，裂縫數量占比大幅度提高，表明壓裂主要通過提高裂縫占比改善超深層碳酸鹽巖儲層樣品的孔喉連通性。