基于CT成像的白云岩储层孔喉非均质性分析——以塔东古城地区奥陶系GC601井鹰三段为例

朱可丹，张 友，林 彤，王雅春，郑兴平，朱 琳

(1.东北石油大学 地球科学学院，黑龙江 大庆 163318； 2.中国石油 杭州地质研究院，浙江 杭州 310023； 3.中国石油 大庆油田有限责任公司 勘探开发研究院，黑龙江 大庆 163712； 4.中国石油 大庆油田有限责任公司 第三采油厂，黑龙江 大庆 163113)

近年来，随着勘探程度的逐步加深，塔里木盆地下古生界碳酸盐岩储层已经成为了中国深层海相油气藏的重要勘探领域[1]。而塔东古城地区自2012年GC6井获得高产气流后成为了塔里木盆地的重要勘探目标[2]。该区位于塔里木盆地中央隆起带东部的古城低凸起上[3](图1a)，其主要勘探目的层为中-下奥陶统鹰山组白云岩储层(图1b)，但储层强烈的非均质性，严重制约了该区油气勘探的进展。众所周知，碳酸盐岩气藏会因储层孔隙、溶洞、裂缝的尺度和分布密度不同，容易产生多样化的非均质性[4]，而白云岩储层的孔喉非均质性则具体表现为孔喉结构及展布特征复杂[5-7]，常规储层表征方法对其进行微观定量化表征存在很大难度[8]，如岩心观察难以识别微米级孔隙且不能观察到储层岩石内部的孔隙特征；薄片鉴定则只能实现对孔隙特征的二维描述和半定量计算，并且小于10 μm的微孔隙一般就无法通过薄片识别了；压汞资料分析能够得出连通孔隙的孔隙度、孔径等参数，但无法表征岩石内部储集空间的三维分布，并且虽然恒速压汞法定量测量储层内孔喉分布已经得到了很广泛的应用，但近年来，能否从其测量结果解读出正确的孔喉比却受到了质疑[9]。

图1 塔里木盆地古城地区所处构造位置(a)及地层综合柱状图(b)Fig.1 Diagrams showing the location (a) and stratigraphic column (b) of Gucheng area,eastern Tarim Basin

CT成像作为一种无损检测与探伤技术，于20世纪70年代兴起，并随着分析精度的提高，于本世纪初，被地质学家应用于储层微观表征[10-11]。目前CT成像技术在非常规储层中应用较广泛[12-14]，致密砂岩微观孔喉结构[15]和流体流动特征[16]、特低渗储层微观孔隙结构及渗流机理[17]等方面研究在CT成像技术的支持下均获得了大量成果。而近年来，该技术在碳酸盐岩储层表征中也越来越发挥出其独特的优势，如Arns[18]、Herbert[19]和Devarapalli[20]等人利用CT成像技术对白云岩储层多尺度孔隙结构表征进行了深入研究，Youssef等人基于高分辨率CT扫描和孔隙建模对碳酸盐岩岩石物理学特征表现出的均质和非均质性展开探讨[21]，佘敏[22]和郑剑锋[11]等人讨论了不同岩性及不同孔隙类型的CT扫描结果的特征。

CT成像技术的特点是能够对储层岩石样品内部孔隙特征进行三维可视化刻画，并能通过建立孔喉网络模型定量化计算出孔喉结构参数。应用CT成像技术对塔东古城地区鹰三段的9个白云岩储层样品进行了三维扫描，提取其孔喉结构三维模型，通过数字岩心软件对其孔隙度、连通率、孔喉半径及数量等参数进行定量计算。对孔喉半径分布曲线进行归类，结合扫描图像、岩心和铸体薄片证据，总结白云岩储层孔喉半径分布模式，为定量表征白云岩储层孔喉非均质性提供了一种可能的思路。

1 实验样品和测试方法

1.1 实验样品

选取了塔东古城地区GC601井鹰三段白云岩储层岩心样品9块，根据样品情况制作了8个直径25 mm柱塞样和1个直径15 mm柱塞样(表1)，并制作了相应的铸体薄片。通过岩心观察和镜下鉴定，样品的主要岩性均为晶粒白云岩，发育储集空间类型有：晶间孔、晶间溶孔、残余粒间孔、微裂缝等(图2)。沉积相属白云石化的浅缓坡颗粒滩。

图2 塔里木盆地GC601井样品代表性镜下照片Fig.2 Micrographs showing the characteristics of typical samples from Well GC601,Tarim Basin a.样品Ⅰ，埋深6 043.46 m，细-中晶白云岩，渗流粉砂充填晶间孔及晶间溶孔;b.样品Ⅱ，埋深6 059.66 m，细-中晶白云岩，残余颗粒结构，蓝色为铸体，发育晶间孔、微裂缝;c.样品Ⅲ，埋深6 047.84 m，中晶白云岩，晶间孔边缘存在溶蚀现象，局部见亮晶方解石充填洞;d.样品Ⅳ，埋深6 042.08 m，细晶白云岩，残余颗粒结构，较干净与较污浊的白云石相间表现出层理特征，晶间孔被泥质充填;e.样品Ⅴ，埋深6 053.45 m，细-中晶白云岩，残余颗粒结构，较多晶间孔被黑色泥质充填;f.样品Ⅵ，埋深6 066.79 m，中晶白云岩，残余颗粒结构，晶间孔发育;g.样品Ⅶ，埋深6 051.90 m，细晶白云岩，残余颗粒结构，晶间孔、晶间溶孔发育;h.样品Ⅷ，埋深6 048.51 m，中晶白云岩，残余颗粒结构，溶蚀孔洞发育; i.样品Ⅸ，埋深6 067.83 m，中晶白云岩，残余颗粒结构，白云石自左下向右上自形程度逐渐变高，晶间孔、晶间溶孔发育

表1 塔里木盆地GC601井样品主要特征及孔隙类型Table 1 Major characteristics and pore types of samples from Well GC601,Tarim Basin

1.2 测试方法

样品的实验测试是在杭州地质研究院中国石油天然气集团公司碳酸盐岩储层重点实验室完成的。测试仪器为德国产定制化微纳米工业CT装置VtomeX，其主要具有如下技术特点：①具有240 kV微米焦点射线源和180 kV纳米焦点射线源组成的双射线源，并且对检测样品大小无要求；②具有空间分辨率可达0.27 μm的高精度平板探测器；③5轴样品检测平台可沿X，Y，Z三个方向自由移动，并可360°旋转或在某方向上倾斜；④配套的高性能计算机集群可快速处理上千幅图像数据。

样品测试步骤概括(图3)如下：首先根据样品直径等实际情况设置扫描分辨率，用CT设备扫描样品，获得三维数据体；然后对获得的数据体进行降噪处理，排除“噪声”干扰、提高图像清晰度；根据扫描图像中固体基质和孔隙分别对应的灰度值对数据体进行二值化处理，为随后利用数字岩心软件提取孔喉、对孔喉参数进行定量计算并建立孔喉网络模型奠定基础。本次实验测试中，直径25 mm的样品扫描分辨率为8 μm，直径15 mm的样品扫描分辨率为6 μm。

图3 塔里木盆地GC601井样品Ⅱ(埋深6 059.66 m)CT扫描结果及数字化处理Fig.3 Results of CT scanning and digitalization for sample Ⅱ (at a burial depth of 6 059.66 m) from Well GC601,Tarim Basin a. YZ方向纵切片;b. XZ方向纵切片;c. XY方向横切片;d.二值化提取的孔隙空间;e.提取孔隙空间后的CT扫描数据体

2 孔喉建模与定量表征

2.1 孔喉提取

本研究使用了数字岩心软件E-core从样品的CT数据体中提取孔喉结构，提取方法为颗粒识别法，具体实现过程如下：通过浏览X，Y，Z三个方向上的二维切片和三维动态视频，在原始数据体中确定定量计算的立方体区域，并进行剪裁(图4a，b)；二值化处理把剪裁后的三维数据体分为基质相和孔隙相两种相态，再把二者分别赋值为1和0；以两种相态的边界为起点，通过双相燃烧法[23-24]确定两相中轴，并测量中轴上各点距边界的欧几里得距离；在孔隙相中找到最大距离，代表孔隙半径，并在其中嵌入以此为半径的与孔隙等效的红色球体模型；找到最小距离代表喉道半径，并嵌入以此为半径的与喉道等效的白色棒状圆柱体模型(图4c，d)。

2.2 孔喉网络模型及特征统计

提取孔喉结构后，建立相应的孔喉网络模型，即可通过模型在其中计算单个连通空间大小(图4e，f)，并可统计孔喉数量、孔喉半径(最大值、最小值、平均值)、孔喉半径分布，并据此计算总孔隙度、空间连通性等储层非均质性表征参数(表2)。

3 讨论

3.1 孔喉半径分布曲线的形态分类

应用定量统计出的不同等效半径的孔隙和喉道占总孔隙数量和总喉道数量百分比，即可绘制孔喉半径分布曲线。如图5所示，所涉及9个样品的孔隙和喉道的等效半径整体上呈偏态分布，小孔隙、小喉道相对较多，大孔隙、大喉道较少。从孔隙半径曲线和喉道半径曲线之间的关系上看，二者整体形态一般比较相近，孔隙半径分布曲线上出现的峰一般都能在喉道半径分布曲线上找到相对应的，但峰值位置总是相互错开，且喉道半径值较小，符合孔隙半径大于喉道半径的一般规律。虽然可能存在较大孔隙配较小喉道的情况，也有可能存在相对较小孔隙配相对较大喉道的情况，但从曲线形态上来看，这两种情况绝对数量较少，不易形成峰值。故而认为，与孔隙半径曲线上某峰值相对应的喉道半径主要为喉道半径曲线上与之相对应的峰值附近的值。

图5 塔里木盆地GC601井样品CT扫描孔喉半径分布特征及形态分类Fig.5 Characteristics and classification of pore-throat radius distribution patterns in CT scanned samples from Well GC601,Tarim Basin

虽然孔喉半径分布曲线整体特征较一致，但是不同样品的孔喉半径分布曲线之间仍然呈现出明显的差异性。如样品Ⅰ—Ⅵ的孔隙半径分布曲线呈现为主体是单峰的形态，而样品Ⅶ—Ⅸ则呈现为多峰形态。又如样品Ⅰ—Ⅲ的喉道半径分布曲线呈现明显的单峰或单峰为主的形态，而样品Ⅳ—Ⅸ则呈现出差异较大的多峰形态。前人研究[10,25]表明，孔喉半径分布曲线上不同位置的峰形对应了不同大小、类型的孔隙结构，反映了储层非均质性。因此，依据曲线形态特征进行归纳，将所涉及9个样品的孔喉半径分布曲线分为3类，分别为：①正常单主峰型；②喉道多峰、孔隙单主峰型；③喉道多峰、孔隙多峰型。

3.2 孔喉展布特征分析

通过对样品岩心观察、铸体薄片分析和CT扫描结果分析发现，上述3种类型孔喉分布曲线呈现出4种典型特征，下面以4个代表性样品为例分别展开。

3.2.1 样品Ⅰ

样品I的岩性为浅灰色细-中晶白云岩，岩心(图6a)上可见明显的花斑状岩溶改造特征，而镜下(图6b,d)可见主要孔隙类型为白云石晶间孔，但较大晶间孔(≈500 μm)多被渗流粉砂或泥质充填，符合岩溶暴露特征。白云石半自形-自形，局部可见残余颗粒结构，样品中未发现微裂缝。

该样品CT三维数据体的定量计算区域如图6c，为一长、宽、高均为6 100 μm的立方体。CT扫描孔隙度3.48%，其中连通体积约占孔隙空间总体积的36.33%。从CT三维数据体的切片和提取孔喉空间的网络模型(图6e)上可见，样品内部孔隙空间呈云雾状较均匀分布。而CT扫描结果也显示，该样品内部不存在微裂缝。

图6 塔里木盆地GC601井样品Ⅰ(埋深6 043.46 m)岩心、薄片和CT成像综合分析Fig.6 Comprehensive analysis of sample Ⅰ (at a burial depth of 6 043.46 m) from Well GC601 in Tarim Basin based on core observation,thin section identification and CT imaging a.样品Ⅰ所在岩心;b.铸体薄片照片①;c. CT定量计算立方体;d.铸体薄片照片②;e.孔喉结构网络模型

该样品CT数据体定量计算区域孔喉半径分布曲线(图5a)显示，定量计算区域内孔喉半径呈现出典型的偏态分布模式，曲线峰值分别出现在20 μm和15 μm，为正常单主峰型。表明数量上占主体的孔隙半径约为20 μm，喉道半径约为15 μm，半径较小的孔喉相对较多。据此可以推测，虽然样品I受岩溶改造，较大晶间孔已经被充填，但是仍存在孔喉半径约为15～20 μm的小孔喉作为保存下来的储集空间。然而由于这种孔喉空间比较分散，相对孤立，故连通体积占比不高。

3.2.2 样品Ⅱ

样品II的岩性为浅灰色细-中晶白云岩，岩心(图7a)上可见针孔较发育，而镜下(图7b，d)可见主要孔隙类型为白云石晶间孔，孔隙大小约为50～100 μm，多呈边缘较平直的三角形。白云石自形-半自形晶，见较明显的残余颗粒结构，局部见微裂缝发育。

图7 塔里木盆地GC601井样品Ⅱ(埋深6 059.66 m)岩心、薄片和CT成像综合分析Fig.7 Comprehensive analysis of sample Ⅱ (at a burial depth of 6 059.66 m) from Well GC601 in Tarim Basin based on core observation,thin section identification and CT imaging a.样品Ⅱ所在岩心;b.铸体薄片照片①;c. CT定量计算立方体;d.铸体薄片照片②;e.孔喉结构网络模型

该样品CT三维数据体的定量计算区域如图7c，为一长宽高均为6 400 μm的立方体。CT扫描孔隙度10.07%，其中连通体积约占孔隙空间总体积的99.61%。从CT三维数据体的切片和提取孔喉空间的网络模型(图7e)上可见，样品内部孔隙空间呈云雾状较均匀分布。样品整体CT扫描结果中可见多条较明显的微裂缝，但在定量计算区域内微裂缝不明显。

该样品CT数据体定量计算区域孔喉半径分布曲线显示(图5b)，定量计算区域内孔喉半径呈现出较典型的偏态分布模式，孔隙半径曲线峰值出现在40 μm左右，而喉道半径曲线则存在25 μm处的一个主峰和10 μm处的一个较小尖峰，总体上仍属于正常单主峰型。这表明数量上占主体的孔隙半径约为40 μm，其对应的喉道半径约为25 μm，半径较小的孔喉相对较多。由镜下照片(图7b，d)可见，视觉上大于100 μm的孔隙十分发育，但该现象与孔喉半径分布曲线反映出的分布特征之间并无矛盾。孔喉半径分布曲线表现的是孔喉数量的分布模式，根据前文论述，镜下照片对于几十微米的孔喉分辨能力有限，对于10 μm以下的孔喉甚至无法分辨。而与之相对，较大的上百微米的孔隙则明显得多。另外，从宏观岩心特征(图7a)来看白云岩储层也可能因为非均质性出现局部较大孔隙较发育，而样品中较大孔隙在数量上并非占主体地位，故而在视觉上，虽然上百微米的孔隙较多，但因其绝对数量较少，其在孔喉半径分布曲线上并没有占主体地位。而据岩心和薄片证据推测，喉道半径曲线上10 μm处的较小尖峰可能由宽度约10 μm规模较小的微裂缝(图7b中红框内标出)造成。该样品孔隙度及连通孔隙占比非常高，推测与微裂缝对孔隙空间连通性的建设性改造有关。

3.2.3 样品Ⅵ

样品Ⅵ的岩性为岩溶浅灰色中晶白云岩，岩心(图8a)上可见层理较明显，针孔比较发育，而镜下(图8b，c)可见主要孔隙类型为白云石晶间孔，孔隙大小约以10～50 μm的较小孔隙为主，局部见大小可达50～100 μm的孔隙。孔隙边缘多呈较平直的三角形，个别较大孔隙见不平直的溶蚀边属晶间溶孔。白云石自形-半自形晶，见残余颗粒结构，晶间孔有沿层理面富集发育的趋势。

该样品CT三维数据体的定量计算区域如图8e，为一长宽高均为6 600 μm的立方体。CT扫描孔隙度2.40%，其中连通体积约占孔隙空间总体积的24.05%。从CT三维数据体的切片和提取孔喉空间的网络模型上(图8f)可见，样品内部孔隙空间呈云雾状，但分布不均匀，局部大孔喉较集中发育。从CT数据体切片(图8d)中可以观察到，局部孔隙呈现定向排列的趋势，方向与层理面方向一致。样品整体CT扫描结果(图8d)中可见一条明显的微裂缝，但在定量计算区域(图8e)内不存在明显的微裂缝。

该样品CT数据体定量计算区域孔喉半径分布曲线显示(图5f)，定量计算区域内孔隙半径曲线呈现出近似的偏态分布模式，孔隙半径曲线峰值出现在10 μm左右，半径大于20 μm的曲线在3%及以下平缓延伸。而喉道半径曲线则存在5 μm处和30 μm处两个主峰以及一个15 μm处较小尖峰，属喉道多峰、孔隙单主峰型。这表明数量上占主体的孔隙半径约为10 μm，其对应的喉道半径约为5 μm，半径大于20 μm的较大孔隙局部富集，这类较大孔隙对应喉道半径约为25～30 μm。而依据岩心和薄片晶间孔沿层理面定向富集的现象推测，喉道半径曲线上30 μm处的尖峰可能是由沿层理面排列的较大孔隙间25～30 μm喉道造成的。CT图像(图8d、g—f)表现出的孔隙分布不均匀，使该样品孔隙度和连通孔隙占比均不高。

3.2.4 样品Ⅷ

样品Ⅷ的岩性为浅灰色中晶白云岩，岩心(图9a)上可见针孔比较发育，而镜下(图9b，d)可见主要孔隙类型为白云石晶间孔及晶间溶孔，晶间孔大小约以10～50 μm的较小孔隙为主，而晶间溶孔大小可达50～100 μm。晶间孔边缘呈较平直的三角形，晶间溶孔边缘多存在不平直的溶蚀现象。白云石自形-半自形晶，见残余颗粒结构。

该样品CT三维数据体的定量计算区域如图9c，为一长宽高均为7 700 μm的立方体。CT扫描孔隙度3.68%，其中连通体积约占孔隙空间总体积的51.4%。从CT三维数据体的切片和提取孔喉空间的网络模型(图9e)上可见，样品内部孔隙空间多呈孤立状，局部呈云雾状，表现出较大的非均质性。从CT数据体中可以观察到，孔隙形状和分布区域不规则，没有明显的定向排列的趋势。在定量计算区域内不存在微裂缝。

图9 塔里木盆地GC601井样品Ⅷ(埋深6 048.51 m)岩心、薄片和CT成像综合分析Fig.9 Comprehensive analysis of sample Ⅷ (at a burial depth of 6 048.51 m) from Well GC601 in Tarim Basin based on core observation,thin section identification and CT imaging a.样品Ⅷ所在岩心;b.铸体薄片照片①;c.CT定量计算立方体;d.铸体薄片照片②;e.孔喉结构网络模型

该样品CT数据体定量计算区域孔喉半径分布曲线显示(图5h)，定量计算区域内孔隙半径曲线呈现出多峰状的分布模式，孔隙半径曲线峰值出现在30 μm和60 μm两个位置。而喉道半径曲线则存在15 μm处和25 μm处两个峰值，亦呈多峰形态，属喉道多峰、孔隙多峰型。这表明数量上占主体的孔隙半径约为30 μm，而半径约为60 μm的孔隙占比也比较大。而二者对应的喉道半径变化比较大，但主要集中在25 μm左右。而依据岩心、薄片和CT图像上晶间溶孔十分发育的现象推测，由溶蚀作用导致的晶间溶孔大小不均匀、位置差异分布造成了孔喉半径分布曲线均为多峰形态，表现出很强的非均质性。该样品虽然孔隙度较低，但连通孔隙占比较高，说明原始孔隙比较低，但在岩溶作用的建设性改造作用下，孔隙的大小和连通性均得到了改善。

3.3 孔喉半径分布模式

通过对以上4个代表性样品的分析可以发现，虽然样品主要岩性均为晶粒白云岩，但由于孔隙大小、孔隙类型、微裂缝的存在与否、原始沉积构造的保存情况等因素的差异，孔喉半径分布曲线发生了规律性的变化：以晶间孔为主要孔隙类型的白云岩储层孔喉半径曲线整体上均呈现出类似偏态分布特征，喉道半径曲线峰值与其相对应的孔隙半径曲线峰值位置向减小方向相差约半个相位，局部微裂缝的发育会造成喉道半径曲线上主峰旁较小的尖峰；与样品Ⅰ和Ⅱ同属正常单主峰型的样品Ⅲ，由于极少数局部较大孔洞的存在其孔喉半径分布曲线主体较陡峭(图5c)，但依然呈单峰型；与样品Ⅵ同属喉道多峰、孔隙单主峰型的样品Ⅳ和Ⅴ，残余颗粒结构均比较明显，并且在岩心、铸体薄片和CT扫描结果上都能在一定程度上发现孔隙沿层理面定向富集的现象，这证明若存在孔隙沿层理面等残余沉积构造定向富集的情况，则喉道半径曲线会呈现出明显的多峰形态；与样品Ⅷ同属喉道多峰、孔隙多峰型的样品Ⅶ和样品Ⅸ，经铸体薄片分析发现该3个样品孔隙类型虽然以晶间孔为主，但晶间溶孔也都比较发育，并且发育情况表现为Ⅷ>Ⅶ>Ⅸ，而孔喉半径分布曲线的复杂程度与其有一定的相关性，这表明随着溶蚀作用增强、晶间溶孔的增多，孔喉半径分布曲线均会向多峰形态发展，表现出越来越强的非均质性。而孔隙之间的连通性则受到裂缝发育和岩溶作用等建设性改造作用影响会相应得到改善。综上所述，以是否发育微裂缝、孔隙是否沿层理面富集、溶蚀孔洞是否发育3个控制因素为例，对以晶间孔为主要孔隙类型的晶粒白云岩建立如下孔喉半径分布模式(图10)。该模式由一个基础模式和若干复合模式构成，复合模式为基础模式的曲线形态在单因素或多因素影响下发生的相应变化。

图10 孔喉半径分布模式Fig.10 Diagram showing the pore-throat radius distribution patterns

4 结论

1) CT成像技术可以有效表征白云岩储层内部的孔喉非均质性，该技术与常规储层表征手段相比，具有直观性和定量性两大优势。依据孔喉结构模型获得的孔喉数量、孔喉半径等参数绘制的孔喉半径分布曲线可以作为表征晶粒白云岩储层非均质性的有效指标。孔喉半径曲线的复杂程度显示了孔喉非均质性的程度，越复杂非均质性越强。

2) 在晶粒白云岩储层中孔喉半径分布曲线受孔隙大小、孔隙类型、微裂缝的存在与否、原始沉积构造的保存情况等因素影响，存在如下模式：以晶间孔为主要孔隙类型的储层，孔喉半径曲线整体上呈现出较匀称的单主峰偏态分布特征，局部微裂缝的发育会造成喉道半径曲线上主峰旁较小的尖峰；若存在孔隙沿层理面等残余沉积构造定向富集的现象，则喉道半径曲线会呈现出明显的多峰形态；随着溶蚀作用增强、晶间溶孔的增多，孔喉半径分布曲线均会向多峰形态发展，表现出越来越强的非均质性。当然，需要指出的是，白云岩储层孔喉非均质性与孔隙度之间的关系尚无明显规律，值得进一步研究探讨。