基于數字巖心的碳酸鹽巖復雜孔隙特征研究
——以普光氣田飛仙關組儲層為例

李文濤，涂利輝，魯明宇，宿亞仙，黃長兵，趙學欽

（1.西南科技大學環境與資源學院，四川 綿陽 621000；2.西南科技大學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、多期溶蝕以及礦物充填等）的影響，導致次生孔隙極度發育。常見的孔隙類型有鑄?？?、 粒內溶孔、粒間溶孔、晶間孔、裂縫等，微觀孔隙結構極其復雜，嚴重影響巖石的儲集性質，導致儲層定量預測難度大［1］。為確地定量化表征碳酸鹽巖巖石的孔隙結構，許多學者從多個角度進行了研究。Anselmetti 等［2］利用薄片圖像數字化技術表征孔隙結構，并計算了滲透率。李忠新等［3］利用壓汞資料表征孔隙結構。YAKOA 等［4］利用核磁共振T2譜表征孔隙結構。這些方法多解性較強，準確度不高。近年來快速發展的數字巖心技術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勢，可直觀展示巖石儲集空間形態和孔喉匹配關系［5］，實現對巖石孔隙結構的精細描述和分析［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部孔隙結構進行三維建模，實現了不同尺度孔隙大小及連通性的計算［7］。另外，數字巖心還可以利用精細的微觀成像大數據和大數據圖像特征提取和分析技術，對儲層孔隙結構進行精細刻畫［8-25］。

普光氣田飛仙關組發育海相碳酸鹽巖儲層，其含氣井段長，邊底水發育，屬于超深、高含硫、大型構造-巖性氣藏，已探明天然氣地質儲量4 050.79×108m3［13］。儲層受沉積、成巖和構造作用的共同控制，其孔隙結構復雜、多種孔滲關系并存，儲層非均質性強，傳統的壓汞、鑄體薄片、掃描電鏡等難以對其內部結構進行精細表征［14-16］。本文以普光氣田飛仙關組碳酸鹽巖為研究對象，利用數字巖心技術對研究區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構特征參數，分析其主控因素，對儲層進行了精細分類，為后續氣藏儲量計算和選擇合理的開發方式提供指導。

1 氣田概況

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

普光氣田主體構造屬于川東斷褶帶東北段雙石廟普光向構造帶上的一鼻狀構造，介于米倉山—大巴山沖斷帶與川中平緩低裙皺帶之間，面積約80 km2。飛仙關沉積期，普光地區整體上為開闊臺地環境，發育大量顆粒灘，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?；規r，鮞?；規r多為致密層。儲層泥質質量分數比較低，多數低于5%。

2 多尺度數字巖心掃描實驗

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構進行表征。掃描方法包括全直徑巖心CT 掃描技術、微米級X-ray CT 掃描技術、大面積掃描電鏡拼圖成像技術。

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。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構、 細節特征等，以指導并研究低孔隙度、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、準確的儲層結構信息。與前2 種技術不同，大面積掃描電鏡拼圖成像技術不能獲得完整的三維結構信息，但可以提供高質量的二維圖像，并能夠分辨不同的礦物組成、孔隙形成與分布等，以指導并研究非均質孔隙結構的儲層。

通過多尺度掃描實驗，將不同分辨率的數字掃描技術結合起來，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、孔隙結構和微觀結構。多尺度CT 掃描法建立數字巖心主要包括3 個步驟：1）對巖樣預處理后開展CT 實驗獲得投影數據；2）選取圖像重建方法由投影數據重建巖心灰度圖像；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字化表征。

3 微觀孔隙結構特征

3.1 微觀孔隙類型

根據掃描電鏡圖像觀察結果，研究區目的層存在4 種主要孔隙類型：晶間（溶）孔、粒間（溶）孔、鮞粒鑄?？准拔⒘芽p。

微裂縫在樣品中較為常見，但數量一般不多，只有極少數樣品出現明顯的貫穿縫。另外，微裂縫發育較多的樣品中方解石體積分數高于大部分樣品，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，多數為不規則狀，一般見少量瀝青充填。粒內（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 巖心微觀孔隙結構分類

根據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系，將樣品的孔隙結構類型歸納為3 類：粒間（溶）孔和晶間（溶）孔結構，微裂縫結構、鑄?？捉Y構，以及鑄?？?粒間孔過渡帶（見圖4）。

圖4 滲透率與孔隙度的關系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，條數較多，可形成滲流通道，滲透性較好。微裂縫結構樣品以晶間孔為主，且微裂縫對孔隙度貢獻有限；因此，微裂縫結構樣品一般表現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系，歸為同一類結構。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構樣品中粒內孔（鑄?？祝嫵闪酥饕目紫犊臻g，占總孔隙度的90%以上。鑄?？捉Y構樣品一般表現為高孔超低滲特征，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）過渡帶區域樣品中同時發育鑄?？缀土ｉg孔。由于鑄?？装l育，其孔隙度高于粒（晶）間孔區域樣品；同時，由于粒間孔的發育，其滲透率略高于純鑄?？捉Y構的樣品（見圖5c）。

粒（晶）間孔結構樣品中，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 號樣品的孔喉網絡及等效直徑分布Fig.6 Pore throat network and equivalent diameter distribution of Sample 9-40/68

通過對鑄?？捉Y構和過渡帶區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。

對原數字巖心模型中的鑄?？走M行去除結果見圖7。對比去除鑄?？浊昂蟮暮淼腊霃阶兓l現，樣品的主要喉道未發生明顯變化，其半徑分布主要在1～4 μm。因此，鑄?？撞⒉皇菦Q定滲透能力的喉道空間。

圖7 14-5/60 樣品去除鑄?？浊昂蠛淼腊霃綄Ρ菷ig.7 Comparison of throat radius before and after removal of moldic pore for Sample 14-5/60

微裂縫結構樣品中，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。

綜合分析發現，粒（晶）間孔結構存在于所有樣品中，在無微裂縫影響的情況下，粒（晶）間孔結構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，樣品孔滲關系可歸納為滲透率主控。粒（晶）間孔結構區，隨著粒間孔數量和大小的增加，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?？资沟脻B透率低于正?？诐B關系。

4 孔隙結構微觀尺度特征及分類

數字巖心技術從微觀尺度上對巖心孔隙特征及連通性等孔隙結構參數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）。

在數字巖心分析揭示的4 種孔構關系的規律基礎上，本次研究結合測井資料對常規孔滲數據進行了分類分析，將巖性物性孔滲關系歸納為4 個區帶： 裂縫區、主控區、過渡帶、鮞粒區（見圖8）。

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

主控區以粒間孔、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，孔滲關系正常，其孔滲趨勢線本研究定義為主控趨勢，所對應的函數，即為主控函數（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，位于孔滲關系主控區左上部。

鮞粒區巖性主要為鮞粒云巖，孔隙類型主要為鮞粒內孔，高孔低滲，中孔低滲，連通性差，位于孔滲關系主控區左下底部。

過渡區帶巖性主要為殘余/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孔+粒間溶蝕孔，孔滲關系部分較好?？拷骺貐^的過渡區帶，以粒間溶蝕孔為主；靠近鮞粒區的，以鮞粒內孔為主。

4.1 鮞粒區孔隙結構特征

1）主要為鮞粒內孔，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??；3）晶間孔為孤立的（高分辨率電鏡、CT、MCT 上見），不連通；4）排驅壓力較高，并且迅速上升（毛細管壓力曲線得知），存在少量晶間孔時，孔喉半徑分布表現為雙峰；5）孔隙度越小，結晶、重結晶越強，鮞粒內孔越小。

4.2 主控區孔隙結構特征

1）粒間孔較多，粒間孔影響孔滲大??；2）鮞粒重結晶強烈，鮞內基本被充填物填充；3） 孔喉半徑一般較大、單峰；排驅壓力隨孔滲增大而變小，中高孔滲時較低，形態平直；4）在中高滲區帶，鮞粒大部分呈殘余或殘跡，粒內被結晶物填充，晶間孔縫、溶孔發育，部分鮞粒外形清晰，孔滲越好，鮞粒間溶蝕作用越強；5）在低孔低滲區帶，部分鮞粒形態完整，粒內重結晶，晶間被充填，部分發育孔縫。

4.3 裂縫區孔隙結構特征

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

4.4 過渡帶孔隙結構特征

1）越靠近主控區帶，粒間孔占比越大，鑄?？渍急仍叫?；2）越遠離主控區，粒間孔占比越小，鑄?？渍急壤酱?；3）部分巖心晶間孔和鑄?？锥己苌?，有微裂縫存在；4）鑄?？?晶間孔縫及溶孔特征，雙孔隙結構特征，越偏離主控線左下，進汞壓力上升得越快。

5 各類孔隙結構的測井響應特征

利用數巖技術劃分出了孔隙類型及孔隙結構等效簡化模型，并揭示了滲透等效孔隙度量化規律。量化規律能夠較好地表征普光礁灘相白云巖儲層孔隙結構特征，但還需與測井資料建立起聯系。利用數字巖心，孔隙類型劃分成4 大類，結合孔構特征及孔滲關系，與測井曲線、巖性等建立起了關聯（見圖9）。

圖9 孔隙結構類型變化與測井曲線對應關系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，經井眼環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，淺側向孔隙度曲線幅度一般稍低?？偪紫抖惹€刻度0～25%與淺側向孔隙度0～23.5%疊合放置時，基本重合，或淺側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，儲層品質比較好，中子密度曲線會有挖掘效應，中子變小，密度變大，聲波孔隙度曲線與淺側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%與淺側向孔隙度0～47%疊合放置時，基本重合，或呈負包絡面積（總孔隙度在下，淺側向孔隙度在上）。

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%與淺側向孔隙度曲線0～47%疊合放置時，正包絡面積比較大，正包絡面積的大小與鮞孔的發育正相關。

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??；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 結論

1）通過分析數字巖心所呈現的豐富的二、三維數據，可將研究區樣品的孔滲關系及孔構特征歸納為三區一帶。即粒（晶）間孔區、微裂縫區、鑄?？讌^，以及鑄?？?粒間孔過渡帶。三維數字巖心模型分析表明，粒（晶）間孔結構是樣品滲透率的主控因素，明確了孔隙結構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。