塔里木盆地柯坪周缘地区肖尔布拉克组白云岩孔隙结构全孔径表征

柳青兵， 蔡忠贤*， 薛玉芳， 何君毅

(1.中国地质大学(武汉)资源学院， 武汉 430074； 2. 中国地质大学(武汉)构造与油气资源教育部重点实验室， 武汉 430074)

塔里木盆地寒武系白云岩具有厚度大、范围广、资源量巨大的特征，同时又具有时代老、埋藏深的特点，使得该领域虽然具有广阔的勘探潜力，但关于碳酸盐岩储层非均质性的研究难度大[1]。针对白云岩储层强非均质性，前人已经做了很多的研究，储层问题是制约当前勘探的重要因素之一[2]，因此加强储层的研究，尤其是储集空间孔喉结构特征的研究，可以有效实现储层的评价及预测，因而对其定量研究具有重要的意义。

随着科学技术的发展，目前已经存在大量技术可以刻画储层的微尺度孔隙结构[3]。其中成像观测技术有光学显微镜、聚焦离子扫描电镜和计算机断层扫描(computed tomography，CT)等[4]；流体侵入技术包括高压压汞、恒速压汞、氮气吸附和二氧化碳吸附等[5-7]；辐射探测技术有小角中子散射和核磁共振，不同表征技术都有其优缺点。铸体薄片和扫描电镜是常用观察储层孔喉形态的手段之一[8]；高压压汞是定性及半定量评价孔喉结构的经典手段，但反映的孔喉信息虽然为孔隙与喉道的叠加[9]；CT 扫描直观清晰[10]，但样品尺寸受限。所以联合不同的技术手段可以使储层表征更加全面。Schmitt等[11]联合高压压汞和氮气吸附技术对盖层岩石孔隙系统进行了研究，对两种技术的孔径分布数据进行融合。采用相同的表征手段和数据融合方法，Xu等[12]得到了阿尔及利亚Sbaa盆地致密砂岩全尺度孔隙大小分布。Zhang等[13]利用核磁共振和氮气吸附联合表征得到了松辽盆地致密砂岩全尺度孔隙大小分布。Gou等[14]以相同孔径下孔隙体积相等为依据，依次将二氧化碳吸附、氮气吸附、纳米CT和微米CT得到的孔隙大小分布进行了拼接，得到了龙马溪页岩储层全尺度孔径分布。碳酸盐岩孔隙系统的复杂性体现在孔隙系统和孔隙结构上，并且由于不同手段分析的孔隙结构参数不能表达样品全孔径的孔隙结构特征，所以对碳酸盐岩储层空间的研究必须着眼于多尺度，需要开展多尺度联合表征。

现结合以前学者的协同表征方法和分形融合方法，通过塔里木盆地柯坪周缘露头肖尔布拉克组的4块碳酸盐岩样品联合表征多尺度孔隙结构特征。

1 实验方案及选样

1.1 高压压汞实验

高压压汞实验可分析碳酸盐岩岩心样品的孔径分布。其基本原理是汞入侵岩心时，需要克服相应的毛细管力，测试的每个进汞压力即对应毛细管阻力[15]。白云岩的压汞实验结果通过 AutoPore IV 9520 压汞仪测量，仪器的压力测量范围为 0.036～413.5 MPa,通过Washburn 方程转换可知，孔喉直径范围在145 μm～3.6 nm。在高压压汞实验的过程中，需要提前将碳酸盐岩样品通过切割机打造成1 cm×1 cm×1 cm的小正方体，并且在汞注入之前将岩心内部多余的水分去除，要求样品整体湿度小于9%。通过设置各项实验参数，便可以得到白云岩的孔隙结构特征。

1.2 微米CT扫描实验

高分辨率微计算机断层扫描技术可以用来真实、精确、直观地表征储集层岩石的孔隙结构特征，对不同岩性的岩心样品进行CT扫描成像并构建三维数字岩心，最终实现岩心孔隙结构特征的三维显示和定量表征[16]。微米CT扫描的样品制备要求为直径为2.5 cm的圆柱体，工作原理是通过射线源产生单色X射线最终被放大成像并不间断采集图像，仪器采用ZEISS公司的微米级三维立体成像X射线显微镜及油气充注系统扫描设备(型号为Versa 510)，最大分辨率为3 μm。微米CT实验过程中通常设定工作温度为20 ℃，8 kV的扫描电压。分别从X、Y、Z轴方向扫描700张图片，将2 100余张照片叠加构成原始样品的三维立体图像。

1.3 样品选取

选取的白云岩样品来源于塔里木盆地柯坪周缘露头肖尔布拉克组，均为碳酸盐岩野外露头岩样(图1)。为保证样品的可区别性，前期对不同样品进行了岩性识别并进行了物性实验，筛选了4块不同岩性类别的白云岩样品进行高压压汞实验和微米CT扫描实验，4块样品分别为残余颗粒结构白云岩(L1)、包壳凝块白云岩(L2)、泡沫棉层白云岩(L3)和泥晶砂屑白云岩(L4)，孔隙类型主要是溶蚀孔和晶间孔，4块样品的特征如表1所示。高压压汞实验在中石化无锡石油地质研究所完成，微米CT扫描实验在中石油勘探开发研究院提高采收率国家重点实验室完成。

表1 肖尔布拉克组样品特征Table 1 Characteristics of the Schoerbrake Formation samples

图1 塔里木盆地构造格局及研究区露头Fig.1 Tectonic pattern and outcrop of Tarim Basin

2 实验结果与分析

2.1 孔隙喉道特征

通过岩心手标本和铸体薄片的观察，实验样品的孔隙类型主要为晶间孔和溶蚀孔，残余颗粒白云岩为晶间孔，晶间孔半径介于10～225 μm，其余三种岩石类型主要为溶蚀孔，其孔隙半径为8～500 μm(图2)。残余颗粒白云岩在肖尔布拉克组中上段，宏观特征表现微灰黄色中-厚层状，交错层理发育不明显。微观镜下可观察到明显的颗粒组构的形态，岩石内部成分全变成晶粒白云石，岩石结晶程度较高，为粉-细晶结构，泥晶套较易识别，为暗色的微-粉晶结构，颗粒内部为微亮色的微-粉晶结构。微相类型与藻礁伴生，是深缓坡相的上部沉积。包壳凝块白云岩分布于肖尔布拉克组中部，宏观上表现为中层状深灰色白云岩，局部发育暗色条纹，微观上为亮色微粉晶白云岩，深色组构对应暗色微粉晶白云岩，亮色白云岩在深色白云岩条纹包裹中。其形成为条带状白云岩固结之时受改造作用而成风暴作用，形成于深缓坡。泡沫状棉层白云岩在肖尔布拉克组上段，宏观特征表现为岩性均匀的米黄色中-厚层状致密结晶白云岩，针孔(粒模孔)异常发育。微观镜下观察可见大量形似颗粒而非颗粒、富藻层间有大量空腔，形状如海绵的绵层组构，由蓝细菌丝状体组成格架，其间孔隙为亮晶胶结物全充填或半充填，单个泡沫大小不等，通常介于50～200 μm，周边环绕着深色的泥晶白云石，内部充填着粉晶白云石胶结物。此类微相经常与砂屑云岩共同存在，多发育于后缓坡泻湖环境。泥晶砂屑白云岩存在于肖尔布拉克组上段，表现为均质的灰黄色薄层状，沉积颗粒为次圆状砂屑。泥晶化作用明显反映在粒内，而粒间为泥晶基质充填，并含有较少亮晶胶结。沉积于较弱的水动力条件。

2.2 高压压汞

塔里木盆地柯坪周缘露头肖尔布拉克组白云岩各个样品曲线形态比较相似(图3)，在小于0.2 MPa的低压阶段，当绝对压力增大时，累计进汞量也显著增大，对应存在大量5 μm以上的孔隙；在0.2～1.2 MPa时，毛管压力曲线形态平缓表明进汞量较少，存在少量孔隙；当压力高于1.2 MPa，进汞量又出现明显增大的表现，因为这一范围有大量小于0.5 μm的孔隙，L1样品只有很短的平缓曲线，其进汞量一直持续增加，直至压力达到21 MPa，进汞量没有变化。在累计退汞曲线表现为逐渐下降后直至平缓，因为高压压汞技术存在有效的实验范围，难以测量部分微孔和中孔，所以这一范围可能发育大量的孔隙。在孔体积变化率分布图中存在两个波峰，分别是2～5 nm和10～70 nm，很明显可以观察到小孔径的波峰峰值大于大孔径波峰峰值，在第二个波峰段结束后，孔体积随孔径的变化率逐渐变小直至为0。

图2 肖尔布拉克组4类岩石样品铸体薄片和手标本Fig.2 Cast thin sections and hand specimens of four types of rock samples from the Xiaerbulake Formation

图3 寒武系白云岩毛管压力曲线形态及孔体积变化率分布Fig.3 Morphology of capillary pressure curve and distribution of pore volume change rate of Cambrian dolomite

高压压汞实验测量结果可以说明碳酸盐岩孔体积中微孔是主要贡献者。由于碳酸盐岩孔隙的强非均质性，同时压汞实验测试的精度有限，中孔也可能是影响碳酸盐岩孔体积的主要贡献者。

2.3 CT扫描

通过CT扫描实验，重新构建4块样品的三维数字岩心，采用图像统计的方法计算孔隙度，并利用格子玻尔兹曼方法模拟计算渗透率。表2为肖尔布拉克组白云岩岩心孔渗实测结果和数字岩心模拟结果效果对比，孔隙度绝对误差范围在0.44%～1.19%，相对误差为20.25%，渗透率绝对误差为0.000 3×10-3～0.057 6×10-3μm2，相对误差为26.9%。分析可得，岩心实际物性测量数据均大于数字岩心模拟得到的孔渗结果，原因在于，一是微米CT扫描实验仪器最大分辨率受限于14 μm；二是在数字岩心建立过程中，分割和阈值参数选取所产生的误差。选取4块样品中L1呈现孔隙结构网络模型(图4)，灰色柱状体为连通孔隙的吼道，不同大小孔隙用不同颜色的球体表示。通过对高压压汞实验结果分析可得排驱压力、孔喉半径、Swanson参数和迂曲度等孔隙结构参数，数字岩心建立后得到纵横比、形状因子、配位数和迂曲度等参数，表3是两种实验手段获得的特征参数对比。微米CT扫描实验还原岩心的三维孔隙网络模型可以获取大量的定量化参数，且这些参数与高压压汞实验结果拟合较好，还能以对样品0损耗的特点进行定性表征，是扩大多尺度孔隙表征范围的合适手段。

表2 肖尔布拉克组白云岩孔渗计算对比Table 2 Comparison of pore and permeability calculation in dolomite of Xiaerbulake Formation

图4 L1样品重建后孔隙结构模型Fig.4 Pore structure model after L1 sample reconstruction

表3 高压压汞和CT扫描孔隙结构参数Table 3 High pressure mercury injection and CT scanning of pore structure parameters

3 多方法联合表征多尺度孔隙

碳酸盐岩的孔径尺度跨越范围大，从微观到宏观尺度，仅用一种技术手段不足以描述碳酸盐岩全孔径的孔隙结构。高压压汞测量的最小孔径尺度范围小于微米CT测量的最小孔径，微米CT测量的最大孔径尺度范围大于高压压汞测量的最大孔径。因此，选取以上两种方法联合表征样品整体的孔径特征，尝试将高压压汞实验和微米CT扫描实验结果相结合，共同表征塔里木盆地寒武系肖尔布拉克组白云岩多尺度孔隙结构特征。

3.1 传统融合方法

基于高压压汞毛细管压力技术和微米CT扫描技术相结合作为互补技术，两种技术分别获得不同尺度孔隙度值和孔径尺寸分布，传统的拼接方法可应用Barret-Joyner-Hallenda (BJH)理论对微孔和中孔的尺寸分布进行了研究。联合高压压汞和微米CT实验测试结果，通过相同孔径条件下孔隙体积变化相同的拼接方法来确定完整孔隙大小，所以有必要计算高压压汞和微米CT的测量值所连接孔隙大小的具体位置即连接点，因此该方法考虑的是从小孔隙中测量的增量体积开始，所有孔隙体积的总和，即高压压汞测量的体积，同理微米CT实验模拟压汞也存在小孔隙流入体积增量。两种技术流体充填相同直径的孔隙时，也就是当观察到的流过孔隙结构的流体体积变化相等时，因此，两种技术表征尺度的连接点位于两个导数的第一个交点，可通过图解的方法求出这个函数的解，得到的相交点即拼接点。

实验数据分别为4个岩心样品高压压汞实测不同孔径下累计进汞量全段和微米CT数字模拟压汞不同孔径下累计进汞量片段(图5)，通过对两种技术测量的实验数据进行拟合，显示了不同孔径流体体积变化量随孔径变化的结果，这两种方法的流体体积变化相同的情况时，即L1、L2、L3和L4样品孔径为38.85、67.10、41.06和30.32 μm，可以得到一阶导数曲线的交点，即可通过拼接点孔径分别为38.85、67.10、41.06和30.32 μm，对4个样品多尺度孔径拼接。

3.2 分形融合新方法

在石油和天然气工业中，供油气储集和流通的储集岩是一种具有复杂微观结构的天然多孔介质，合理地表征油气储集岩孔隙结构对于石油勘探开发具有重要意义。碳酸盐岩中存在数量巨大、种类繁多的孔隙，这些孔隙在空间中随机分布，大小跨越几个数量级，并通过喉道相互连通，形成复杂的孔隙网络，对于如此复杂的微观孔隙系统，欧氏几何不能给予准确的描述和表征。于是，多孔介质的分形表征采用分形方法来分析多孔介质，主要参数是分形维数，通过分形维数可以定量描述样品孔隙结构的不规则性[17-18]。通过分形几何学基本理论，以高压压汞测试数据、微米CT扫描实验处理数据为基础，对碳酸盐岩孔隙结构分形特征进行研究, 探讨孔隙结构分形规律，并探讨高压压汞和微米CT模拟压汞之间的分形融合关系。通过高压压汞实验分析得到碳酸盐岩孔隙结构的分形维数，目前是岩心孔隙结构表征普遍适用的技术手段。孔隙分形维数的计算公式为

lg(1-Shg)=(3-D)lgPmin+(D-3)lgPc

(1)

D=K+3

(2)

式中：Shg为累计饱和度，%；Pmin为最小孔径对应的毛细管压力，MPa；Pc为毛细管压力，MPa；D为分形维数。选取了塔里木盆地寒武系肖尔布拉克组4个白云岩样品进行测试，通过高压压汞和微米CT扫描实验，将不同白云岩样品的压汞曲线相关数据和微米CT实验数据数值模拟高压压汞得到的结果按照上述公式进行整理，通过lg(1-Shg)和lgr(r为孔喉半径)的交汇图可以得到，斜率K+3即为D。曲线不是一条直线而呈明显的多段式，表明低渗透储层孔喉结构具有多重分形特征。因此，分别统计4个样品的4段分形维数D1、D2、D3、D4，可以得到，4段的分形维数都介于2～3，且相关系数R2均大于0.8。第3段和第4段是数据处理后高压压汞技术和微米CT模拟压汞技术的拼接段，4个样品在这两段的分形维数值相近，均能表示这两段孔隙结构相同且具有高度复杂程度，即由图中红色圈中部分表示拼接段，相对应拼接范围。

图5 岩心不同孔径下流体体积变化量Fig.5 Variation of fluid volume under different pore sizes of cores

图6 岩心高压压汞和微米CT数值模拟分形拼接特征曲线Fig.6 Fractal splicing characteristic curves of high-pressure mercury injection and micron CT numerical simulation of core

3.3 分形拼接和传统拼接融合验证

4个样品在高压压汞和微米CT扫描数值模拟压汞两种实验技术测量下存在相同范围的孔径段分别为15.843 4～175.126、14.833～175.171、15.556 6～175.866和14.832～174.608 μm，因为相同孔径流体体积变化量相同，根据传统拼接手段的拼接结果可知，4种岩石类型孔径为38.85、67.1、41.06和30.32 μm时，是两种手段流体体积变化相同的拼接点；根据对两种技术进行分形特征研究得到多段式的全孔径分形特征曲线，呈现明显的多重分形特征，表明储层大孔隙和小孔隙的孔隙结构不同，L1有4段分形维数，且第3和第4段的分形维数相近，分别为2.724和2.921，表示这2段孔隙结构相似，对应这一段存在的共同孔径范围示为拼接段，拼接范围为15.55～79.95 μm，尺度范围扩大为0.015～1 417.128 3 μm；L2样品有4段分形维数，且第3和第4段的分形维数相近，分别为2.767和2.823，拼接范围为14.83～73.44 μm，尺度范围扩大为0.015～675.213 4 μm；L3样品有4段分形维数，且第3和第4段的分形维数相近，分别为2.921和2.891，拼接范围为14.83～61.14 μm，尺度范围扩大为0.015～441.883 8 μm；L4样品有4段分形维数，且第3和第4段的分形维数相近，分别为2.884和2.786，拼接范围为13.92～51.73 μm，尺度范围扩大为0.015～597.169 9 μm。综上4个样品传统手段的拼接点均在分形拼接段范围内，分形融合多尺度孔径验证有效。

4 结论

(1)4块碳酸盐岩样品孔隙主要发育有晶间孔和溶蚀孔，高压压汞实验显示样品门槛压力介于0.4～14.63 MPa，孔喉分布呈双峰态，晶间孔半径介于10～225 μm，溶蚀孔孔隙半径在8～500 μm。微米CT扫描实验分析得到岩心的平均孔隙半径为49.12 μm，喉道以细喉道分布为主，孔喉配位数平均3.84，喉道半径较小是导致岩心样品渗透率差的直接原因。微孔、中孔和宏孔均十分发育，贡献了75%的孔体积。

(2)微米CT扫描实验重建数字岩心的孔渗模拟结果与岩心实测物性近似相同。高压压汞实验和微米CT扫描实验获取的孔隙结构参数拟合程度较高。微米CT扫描可以直观、无损和定量分析孔喉，并通过数值模拟压汞的手段为研究多技术联合表征孔隙结构贡献了新方法。

(3)通过高压压汞和微米CT扫描方法的传统拼接，多尺度地表征了塔里木盆地寒武系肖尔布拉克组白云岩的孔隙结构，孔径分布范围变大；利用分形拼接新方法，通过分形维数参数的表征得到两种技术的拼接范围，验证拼接范围的有效性，进一步延伸可获得4个样品的总分形维数表征多尺度孔径整体的孔隙结构特征。