碳酸盐岩储集层复杂孔渗关系及影响因素——以滨里海盆地台地相为例

何伶，赵伦，李建新，马纪，刘瑞林，王淑琴，赵文琪

（1. 长江大学地球物理与石油资源学院；2. 中国石油勘探开发研究院；3. 石油工业出版社石油科技分社）

碳酸盐岩储集层复杂孔渗关系及影响因素
——以滨里海盆地台地相为例

何伶1,2，赵伦2，李建新2，马纪3，刘瑞林1，王淑琴2，赵文琪2

（1. 长江大学地球物理与石油资源学院；2. 中国石油勘探开发研究院；3. 石油工业出版社石油科技分社）

以滨里海盆地东缘石炭系碳酸盐岩为例，在大量岩心分析资料基础上，研究碳酸盐岩储集层孔隙度、渗透率之间的复杂关系及其影响因素。滨里海盆地东缘石炭纪为开阔台地、局限台地、蒸发台地相碳酸盐岩沉积环境。白云岩储集层孔隙组合类型主要为：晶间孔-溶蚀孔、晶间微孔、晶间微孔-晶内孔，以晶间孔-溶蚀孔组合类型物性最好。灰岩储集层孔隙空间组合类型为：粒间孔、粒间孔-粒内孔、铸模孔，铸模孔缺少喉道连通，渗透性差。白云岩储集层裂缝、溶洞均较发育，对储集层渗透性改善显著。孔隙度相近情况下，各类储集层渗透率明显受大—中孔喉所占的比例和孔喉半径的控制。灰岩储集层裂缝以微裂缝为主，连通孔隙占总孔隙比例与渗透率呈正相关关系，而白云岩储集层二者没有明显的关系。沉积成岩环境控制储集层类型分布特征，是造成复杂孔渗关系的最根本的原因。图13表5参33

滨里海盆地；碳酸盐岩储集层；孔渗关系；储集空间组合；孔隙结构

0 引言

碳酸盐岩储集层的形成受沉积作用、成岩作用和构造运动等因素的影响，其储集空间由不同尺度的溶孔、溶洞、裂缝构成[1-2]。由于各种储集空间的组合关系多样，碳酸盐岩储集层往往表现为极强的非均质性，与碎屑岩相比，碳酸盐岩储集层孔隙度、渗透率关系更为复杂，孔隙度与渗透率可能具有明显的正相关特点，也存在高孔低渗的储集层，并且相同孔隙度情况下储集层渗透率差异很大。在生产特征上表现为储集层的产能特征与孔隙度没有明显的相关关系，如果仅以孔隙度大小来评价储集层质量，将与实际生产特征明显矛盾[3-6]。确定这种复杂孔渗关系的成因和控制因素，对复杂碳酸盐岩储集层评价至关重要。前人就世界各地的孔隙型、裂缝-孔隙型、裂缝-溶洞型、裂缝型等不同类型碳酸盐岩储集层的成因及控制因素做了大量研究工作，都认识到了碳酸盐岩储集层成因的复杂性[7-14]。但对这种复杂成因造成的孔隙结构的复杂性以及孔渗关系的复杂性少有研究涉及。本文以滨里海盆地东缘石炭系碳酸盐岩为例，在大量岩心分析资料的基础上研究对比了开阔台地相、局限台地相、蒸发台地相碳酸盐岩储集层孔隙度、渗透率之间的复杂关系，明确了储集层空间类型及组合关系、裂缝溶洞发育状况、孔隙结构特征等对储集层孔渗关系的影响以及沉积成岩环境对这种复杂孔渗关系的控制作用。

1 研究区地质特征

滨里海盆地是世界上沉降最深、沉积厚度最大的盆地之一[15-16]，目前盆地已发现200多个油气田，油气储量80%以上赋存于石炭系的碳酸盐岩中[17-20]。盆地东缘的延别克—扎尔卡梅斯隆起（见图1）为一基岩隆起带，自早石炭世开始由陆源碎屑陆棚逐渐转变为碳酸盐台地，至石炭纪末，沉积了厚逾千米的碳酸盐岩[21-23]。石炭纪经历了2次大的海平面升降过程，构成了2个大的陆棚相—碳酸盐台地相沉积旋回[24]，下部沉积旋回为下石炭统谢尔普霍夫阶的普罗特文层—中石炭统下莫斯科亚阶的碳酸盐岩建造，简称为KT-Ⅱ层，纵向上分为Г、Д共2个油层组。上部沉积旋回为中石炭统上莫斯亚阶—上石炭统格热尔阶的碳酸盐岩建造，简称KT-Ⅰ层，纵向上分为А、Б、В共3个油层组。中间为中石炭统波多尔斯克层的陆源碎屑岩建造层。

图1 滨里海盆地区域构造图

滨里海盆地东缘石炭系属于孤立碳酸盐台地沉积，台地东西宽约50 km，南北长约100 km。KT-Ⅱ层以开阔台地沉积占主导地位，局部出现局限台地沉积，包括浅滩、滩间洼地、湖、潮坪和潮汐通道5种沉积微相。在KT-Ⅰ层沉积时期，研究区整体抬升，水体变浅，西南部以开阔台地相沉积为主，发育浅滩和滩间洼地微相；东北部抬升幅度大，水体更浅，为蒸发台地和局限台地相沉积，包括湖、蒸发坪、潮坪、台内滩等沉积微相[2]。石炭系主要沉积微相特征见表1。

表1 滨里海盆地东缘石炭系沉积相特征表

2 储集层特征

2.1 储集层岩石学特征

岩心资料表明，石炭系碳酸盐岩岩石类型和矿物组成在平面上和剖面上均有所变化（见表2），这种变化明显受沉积环境控制。KT-Ⅱ储集层以开阔台地相沉积为主，岩性主要为质纯、性脆、泥质含量低、不含硫酸盐的灰岩。KT-Ⅰ储集层岩性在东北部主要为白云岩、灰质云岩、颗粒灰岩和硬石膏，在西南部主要为鲕粒灰岩和内碎屑灰岩。方解石、白云石、硬石膏、黏土含量在剖面上和平面上都有所变化（见图2）。

白云岩、灰质云岩主要为晶粒结构，包括泥粉晶结构和细—中晶结构；灰岩主要为颗粒灰岩，以粒屑结构为主、泥晶结构较少，粒屑中生屑占优势，泥质含量少。不同层位颗粒类型差异较大，以生物颗粒为主，常见生物为有孔虫、、藻类、棘屑，非生物成因的颗粒为次，主要有鲕粒、内碎屑和少量球粒。

表2 滨里海盆地东缘碳酸盐岩化学分析结果统计表

2.2 储集空间特征

图2 滨里海盆地东缘KT-Ⅰ层岩石组分变化剖面图

表3 石炭系碳酸盐岩孔隙类型分层统计表

石炭系碳酸盐岩储集空间包括孔隙、溶洞和裂缝（见表3）。不同层段3类孔隙空间的组合特征不同。KT-Ⅱ层上部以粒间溶孔为主，下部以晶间孔、晶间微孔为主；溶洞主要发育于KT-Ⅰ层；裂缝在各层中均有出现，但发育程度差异较大。根据岩心资料，各层储集空间特征如下：В2+3层以晶间（溶）孔和溶洞为主（见图3a—3d）；В4层以铸模孔（见图3e）和粒内孔为主；Г、Д1层以粒间溶蚀孔（见图3f）为主，Д2+3层则以晶间溶孔、晶模孔和晶间微孔（见图3g）为主，有少量的粒内孔（见图3h）。在某些层段裂缝是重要的储渗空间（见图3i—3l），В2+3和Г层裂缝较发育，占总储集空间的5%～12%；В4层取心段平均缝隙度为0.06%，占总储集空间的1.6%，而Д2+3层裂缝欠发育，仅占总储集空间的0.5%（见表3）。根据储集空间的组合关系，石炭系碳酸盐岩分为孔洞缝洞复合型、裂缝-孔隙型、孔隙型、裂缝型和分散孔洞型5种类型。

2.3 储集层物性特征

研究区储集层以低孔、低渗为主，但孔隙度（2.0%～30.4%）、渗透率（0.005×10-3～2 224×10-3μm2）分布区间大。KT-Ⅰ层孔隙度曲线呈明显的双峰特征，主值为6%～8%和16%～18%，KT-Ⅱ层孔隙度曲线呈正态分布特征，主值为6%～8%。KT-Ⅰ层渗透率主值为（0.1～0.5）×10-3μm2，KT-Ⅱ层渗透率主值为（0.01～0.05）×10-3μm2，总体上KT-Ⅰ层物性优于KT-Ⅱ层（见图4、图5）。

图3 石炭系碳酸盐岩主要储集空间类型

从孔隙度和渗透率的关系来看，碳酸盐岩储集层比碎屑岩储集层更复杂。KT-Ⅱ层孔隙度、渗透率具有较好相关关系，但在低孔隙度段出现低孔高渗储集层。KT-Ⅰ层孔隙度、渗透率相关性差，孔隙度小于10%和大于10%区间孔渗关系存在明显差异，同时在孔隙度大于15%区间出现部分高孔低渗储集层（见图6）。

图4 孔隙度分布直方图

图5 渗透率分布直方图

图6 碳酸盐岩储集层孔渗关系图

3 储集层孔渗关系微观控制因素

3.1 储集空间类型及组合关系

KT-Ⅱ灰岩储集层主要发育孔隙和裂缝，溶洞不发育，分别统计有缝样品和无缝样品，可以看出有缝样品渗透率比无缝样品明显高（见图7），由图7还可见，在孔隙度相对比较低的致密层中裂缝的存在使渗透率提高的幅度更大。灰岩储集层主要为生物碎屑灰岩或者颗粒灰岩，并且地层存在相对疏松层与致密层的互层结构，相对疏松层孔隙较发育，主要为粒间、粒内溶孔，岩石抗张强度较小，在构造应力作用下，通过颗粒破碎释放应力而形成微裂缝，在成岩过程中形成溶蚀缝和成岩收缩缝，这些裂缝的存在对不同类型的孔隙起着很好的沟通作用，一定程度上改善了储集层渗透性[25]。而较致密层，孔隙度一般小于6%，由于岩石抗张强度大，在构造应力聚集到一定程度时以岩层破碎形成宏观裂缝的形式释放应力，宏观裂缝渗流能力更强，渗透率提高幅度更大。

白云岩储集层储集空间类型及组合关系更为复杂，孔隙、裂缝、溶洞均发育，裂缝主要为溶蚀缝与构造缝[2]。该类储集层发育于蒸发台地相和局限台地相，受早期的大气淡水淋滤作用和渗滤回流作用以及表生期的风化淋滤改造作用，在岩石中形成大量的溶洞，直径最小的2 mm，最大约2 cm。裂缝-孔隙型储集层孔隙度通常较低，一般小于6%，溶洞-孔隙型储集层孔隙度一般大于6%，孔缝洞复合型储集层孔隙度分布区间则更为广泛。裂缝、溶洞的存在显著改善了储集层物性（见图8）。

图8 裂缝和溶洞对白云岩储集层物性的影响

3.2 孔隙类型及组合关系

图9 白云岩孔隙型储集层不同孔隙空间组合孔渗关系

选择研究区无缝无洞岩样分析对比，根据各类孔隙空间所占的比例，确定白云岩储集层孔隙空间主要有3种组合类型：晶间孔-溶蚀孔、晶间微孔、晶间微孔-晶内孔。对比可见（见图9），晶间微孔、晶间微孔-晶内孔两类组合类型储集层物性最差，平均孔隙度分别为6.56%和3.42%，平均渗透率分别为0.063×10-3μm2和0.002 6×10-3μm2，孔渗关系较好，随着孔隙度的增大，渗透率快速增大，主要是由于晶间微孔既作为储集空间，也作为渗流通道，孔隙度增大直接导致渗流能力的增大；晶间孔-溶蚀孔组合是由于成岩后期的溶蚀溶解作用大大地改善了储集层物性，该组合类型平均孔隙度8.7%，平均渗透率3.21×10-3μm2，并且孔隙度与渗透率相关性较好。

灰岩储集层孔隙空间主要有3类组合类型：粒间孔、粒间-粒内孔、铸模孔。粒间孔主要由成岩早期形成的颗粒间胶结物在成岩后期受溶解作用形成，部分为生物碎屑等颗粒部分溶解形成，平均孔隙度10.3%，同时孔隙之间具有较好的连通性，平均渗透率4.0×10-3μm2，这类孔隙组合类型主要形成于高能浅滩台地相沉积。在低能浅滩和滩间洼地微相储集层中，后期溶蚀溶解作用弱，粒间孔不发育，生物及碎屑内部易溶组构局部溶解形成粒内孔，构成粒间-粒内孔组合类型，平均孔隙度5.25%，平均渗透率0.035×10-3μm2。粒间孔、粒间-粒内孔2类孔隙组合孔隙间的连通性较好，孔隙度与渗透率呈良好的线性关系，并具有较好的相关性（见图10）。在KT-Ⅰ层灰岩储集层中还有一类特殊孔隙类型储集层——铸模孔储集层，相对易溶的鲕粒、生物碎屑被完全溶解，仅残留少量难溶物质，形成大小和形态与原颗粒相同的孔隙，该类储集层孔隙度较大，平均13.7%，但由于孔隙之间缺少喉道连通，渗透率较低，平均0.224×10-3μm2，表现中孔低渗的特征。孔隙度与渗透率之间没有明显的相关关系，储集层类型为分散孔洞型。该类储集层虽然测井显示特征明显，但试油往往为干层或者低产油层[26]。

3.3 孔喉组合关系

图10 灰岩孔隙型储集层不同孔隙空间组合孔渗关系

在碳酸盐岩储集层中，孔隙、裂缝、溶洞组合类型的多样性导致复杂的孔渗关系，最根本的原因是孔隙结构特征的差异，这种差异直接控制储集层的非均质性[4]。孔喉半径是储集层物性的主控因素之一[27]，根据喉道半径把孔喉分为4类：大孔喉，孔喉半径大于1 μm；中孔喉，喉道半径1.00～0.25 μm；小孔喉，喉道半径0.025～0.250 μm；微孔喉，喉道半径小于0.025 μm。根据压汞分析资料，В2+3、Г4和Д1储集层孔喉半径与孔隙度相关性较好，孔隙度越大，大—中孔喉所占比例越大（见表4，В4层多为连通性差的铸模孔，孔喉半径和孔隙度大小相关性差）。总体上，孔隙度越小，小—微孔喉比例越大。对于孔隙度低于3%的致密样品，大—中孔喉连通的孔隙比例平均小于5%。

表4 不同孔隙度区间喉道半径分布特征

图11 相同孔隙度灰岩、白云岩储集层孔喉半径分布

研究区灰岩储集层主要发育裂缝和孔隙，孔隙之间主要靠喉道和裂缝沟通，并且喉道和裂缝尺寸差异不大，从喉道分布可以看出，其喉道呈单峰分布（见图11）。物性较好的储集层，峰值一般在2～9 μm，物性差的储集层，峰值一般在0.1 μm左右。储集层物性好坏主要由连通孔隙的数量决定。连通孔隙主要包括粒间孔、晶间孔，而粒内孔、晶内孔、铸模孔、体腔孔的连通性差，多为分散的孤立孔隙。在孔隙度相近的情况下，渗透率的大小一方面受孔喉半径以及大孔喉所占的比例影响：以孔隙度9%～12%的KT-Ⅱ层灰岩储集层为例，Г4、Д1、Д2+3层大—中孔喉所占的比例分别为40.9%、19.2%、2.6%，其渗透率分别为1×10-3μm2、0.07×10-3μm2、0.03×10-3μm2；另一方面，渗透率还受连通孔隙占总孔隙比例影响，连通比例越大，孔喉半径越大，储集层渗透率越高。由连通孔隙占总孔隙比例与渗透率的关系（见图12）得知，两者整体呈正相关关系。在连通孔隙占总孔隙比例相同情况下，渗透率值有一个变化范围，使得连通孔隙占总孔隙比例与渗透率的正相关关系有较大的区间。

图12 孔隙度（9%～12%）相近灰岩储集层连通孔隙占总孔隙的比例与渗透率关系

白云岩储集层在孔隙度相近的情况下，渗透率大小受孔喉半径影响，大孔喉所占比例越大，孔喉半径越大，渗透率越大。以孔隙度6%～9%为例，В2+3、В4层大中孔喉所占比例为54.3%、36.0%，其渗透率分别为9.22×10-3μm2、0.37×10-3μm2。但是由于白云岩储集层储集空间及组合类型多，即使连通程度相同，喉道、裂缝、溶洞大小差异也很大，孔喉半径分布范围广，并呈双峰形态（见图11）。相近孔隙度情况下，白云岩即使连通孔隙占总孔隙的比例相同，但因储集层喉道尺寸差别大，导致渗透率差别大，渗透率与连通孔隙占总孔隙比例没有明显的相关性（见图13）。

图13 孔隙度（9%～12%）相近白云岩储集层连通孔隙占总孔隙的比例与渗透率关系

4 沉积成岩环境对孔渗关系的控制

不同沉积环境决定了后期成岩、构造运动过程中碳酸盐岩储集层改造的难易程度，控制了孔隙、裂缝、溶洞的形成及空间组合关系，是碳酸盐岩储集层复杂孔渗关系最根本的控制因素。KT-Ⅰ层蒸发台地相发育蒸发浓缩作用形成的白云岩[28-30]，主要为膏质泥晶白云岩，以晶间微孔为主（见图3b），储集层物性较差（见表5）。局限台地相主要发生渗滤-回流白云石化作用[31-32]，白云石化程度较弱，岩性以灰质白云岩和白云质灰岩为主，白云石以细晶或者粉晶结构为主，发育晶间微孔，具有一定的渗流和储集能力。开阔台地相靠近局限台地，也发生渗滤-回流白云石化作用，形成的白云岩主要为鲕粒中晶白云岩和残余鲕粒粉晶白云岩，后期在构造应力作用下，形成构造裂缝，储集层物性进一步改善。白云岩储集层类型主要是孔洞缝复合型、孔隙型和裂缝-孔隙型（见表5）。

研究区KT-Ⅱ南部靠近广海陆棚区域，以开阔台地相沉积为主，储集层岩性主要为浅滩微相和潮汐通道微相的颗粒灰岩，颗粒类型和大小不同，储集层储渗性能差异很大[33]。Г层沉积时期，水体能量强，以高能浅滩沉积为主，储集层岩性为颗粒粗大的灰岩、包粒灰岩，溶蚀作用强，粒间（溶）孔发育且孔径大，岩石抗张强度小，在构造应力作用下，颗粒容易破碎，微裂缝发育，且有少量宏观裂缝，储集层渗透性较好，平均孔隙度11.6%，平均渗透率52.3×10-3μm2（见表5）。Д层沉积时期，水体能量弱，以低能浅滩沉积为主，岩性主要鲕粒灰岩、砂屑灰岩和球粒灰岩，颗粒粒径小，早期胶结程度高，后期溶蚀改造弱，粒间孔孔径小，粒间孔、粒间溶孔数量少，岩石抗张强度高，在后期构造应力作用下，主要通过岩层破碎形成宏观裂缝的形式释放应力，受应力环境的影响，裂缝规模较小，一般延伸长度小于30 cm，储集层类型以孔隙型、裂缝-孔隙型为主，整体物性差（见表5）。

表5 不同沉积成岩环境储集空间类型及特征

5 结论

滨里海盆地东缘石炭纪为开阔台地、局限台地、蒸发台地相碳酸盐岩沉积环境。孔隙类型及组合关系控制孔隙型储集层物性特征。白云岩储集层孔隙组合类型主要为：晶间孔-溶蚀孔、晶间微孔、晶间微孔-晶内孔，以晶间孔-溶蚀孔组合类型物性最好。灰岩储集层孔隙空间组合类型为：粒间孔、粒间孔-粒内孔、铸模孔，铸模孔缺少喉道连通，渗透性差。

灰岩储集层裂缝以微裂缝为主，发育少量宏观裂缝。白云岩储集层除各类溶蚀缝、构造缝外，还发育溶洞。与孔隙型储集层相比，裂缝和溶洞的存在极大地改善了储集层物性。

对灰岩储集层而言，连通不同储集空间的喉道半径与孔隙度相关性好，孔隙度越大，大—中喉道所占比例越大，喉道呈单峰分布，渗透率大小与连通孔隙占总孔隙比例成正相关；白云岩储集层喉道分布呈双峰，渗透率的大小受喉道大小控制，与连通孔隙占总孔隙比例没有明显的相关性。

沉积成岩环境控制储集层类型分布特征，是造成复杂孔渗关系的最根本的原因。蒸发台地和局限台地相白云岩储集层主要发育孔缝洞复合型、孔隙型和裂缝-孔隙型储集层。开阔台地和局限台地相的灰岩储集层以孔隙型、裂缝-孔隙型储集层为主。

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Complex relationship between porosity and permeability of carbonate reservoirs and its controlling factors: A case of platform facies in Pre-Caspian Basin

He Ling1,2, Zhao Lun2, Li Jianxin2, Ma Ji3, Liu Ruilin1, Wang Shuqin2, Zhao Wenqi2
(1. Geophysics and Oil Resource Institute, Yangtze University, Jingzhou 434023, China; 2. PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration & Development, Beijing 100083, China; 3. Petroleum Science and Technology Publishing, Petroleum Industry Press, Beijing 100083, China)

Based on a large amount of core analysis data in eastern Pre-Caspian Basin, the relationship between permeability and porosity and its influencing factors are studied. The sedimentary environments of the Carboniferous System in eastern Pre-Caspian Basin include open platform, restricted platform and evaporate platform. For dolomite reservoirs there are three main combination patterns of pores, namely, inter-crystalline and solution pores, inter-crystalline micro-pores, inter-crystalline micro-pores and intra-crystalline pores, among which the first combination are highest in porosity and permeability. For limestone reservoirs, the main combinations of pores are inter-particle pores, inter-particle and intra-particle pores and moldic pores. Lacking connecting pore throats, moldic pores are poor in permeability. In the dolomite reservoirs, fractures and vugs are well-developed and increase the permeability significantly. Under similar porosity, the permeability is obviously determined by the size of pore throat and the percentage of middle to large size throats in different type of reservoirs. In limestone reservoirs, fractures are principally micro-fractures, percentage of connecting pores to total pores is positively correlated with permeability; while in dolomite reservoirs, there is not such an obvious relationship between the connected pore percentage and permeability. Sedimentary environment controlling the distribution features of reservoir types, is the cause of the complex relationship between permeability and porosity.

Pre-Caspian Basin; carbonate reservoir; permeability-porosity relationship; pores combination pattern; pore structure

TE122.23

A

何伶（1969-），女，四川西充人，中国石油勘探开发研究院高级工程师，主要从事海外油气田测井参数综合解释和储集层评价工作。地址：北京市海淀区学院路20号，中国石油勘探开发研究院中亚俄罗斯研究所，邮政编码：100083。E-mail: heling2@petrochina.com.cn

2013-08-12

2014-02-10

（编辑 郭海莉 绘图 刘方方）

1000-0747(2014)02-0206-09

10.11698/PED.2014.02.10

国家油气重大专项海外含盐盆地油气成藏规律与重点探区目标优选（2011ZX05029-002）；中国石油天然气集团公司重大专项（2011E-2504）