应力对超深层碳酸盐岩气藏孔喉结构的影响

张钰祥，杨胜来，李 强，王蓓东，邓 惠，鄢友军，闫海军，陈掌星

（1.中国石油大学（北京）油气资源与探测国家重点实验室，北京102249；2.中国石油勘探开发研究院，北京100083；3.加拿大卡尔加里大学化学与石油工程系，卡尔加里T2N1N4；4.中国石油西南油气田分公司勘探开发研究院，四川成都610041）

已有学者通过CT 扫描方法来研究应力对碳酸盐岩样品储集空间变化的影响。SALIMIDELSHAD等利用声波速度和CT 扫描分析来研究循环压力作用于碳酸盐岩储层，岩石物理性质的变化、多孔介质中孔隙结构的变化和储层中流体运移的变化［1］。YANG 等通过CT 扫描技术从不同类型碳酸盐岩岩心中提取数字岩心模型，并在此基础上进行孔隙级流动模拟，研究应力加载和卸载循环过程中裂缝形态的变化以及对岩样流动特性的影响［2-3］。WANG等利用CT扫描技术对基质型、裂缝型和孔洞型碳酸盐岩样品的物性进行分析，研究裂缝和孔洞对孔渗关系、岩心孔喉结构的非均质性、渗透率和孔隙度应力敏感性以及油层相对渗透率的影响［4］。FU 等利用X 射线断层扫描，在加压和减压过程中获得孔隙型、裂缝-孔隙型和裂缝-孔洞型碳酸盐岩的数字岩心，并采用格子玻尔兹曼方法和孔隙网络模型模拟不同围压下的渗透率和气水两相流［5］。目前针对超深层碳酸盐岩在承受应力及压裂前后孔喉结构影响规律的研究较少。超深层碳酸盐岩气藏储层承受的地层应力巨大，与中浅层的应力条件相差甚大，生产过程中的应力状态“巨变”，可能导致承受应力前后储层孔喉结构参数测定结果存在差异［6-9］。因此通过CT扫描，对应力实验和压裂实验前后的超深层碳酸盐岩岩心样品进行研究，得到实验前后孔喉分布特征及连通性变化的规律，从而为现场气藏开发提供理论支持。

1 应力实验及压裂实验

1.1 实验样品

选取高石梯-磨溪区块台内灯四气藏4 块全直径岩心进行CT 扫描，4 块岩心的岩石物性及扫描参数见表1，4块岩心实验前后如图1所示，其中DS4对应压裂实验，其余3块岩心对应应力实验。

图1 应力实验及压裂实验前后不同类型岩心照片Fig.1 Photos of different cores before and after stress experiment and fracturing experiment

表1 实验岩心基本物性参数Table1 Basic physical property parameters of core samples

4块全直径岩心均为中-细晶云岩，XRD 分析结果表明，其矿物组分非常接近，白云石占95.7%～99.1%，萤石占0.2%～3.9%，石英占0.4%～3.2%，方解石含量在0.5%以下，白云石晶体表面伴有少量沥青质和伊利石充填［10］。目的储层受构造运动和后期次生作用影响，孔隙结构以晶间孔和晶间溶孔为主，同时发育溶洞和微裂缝［11］。

4 块全直径岩心孔隙度为5%～12%，渗透率为0.03～43 mD，充分体现了超深层碳酸盐岩储层的非均质性。参考行业标准［12］和灯影组储集类型划分标准［13］，将4 块全直径岩心分为孔洞型和缝洞型。其中DS2 和DS4 为孔洞型，DS5 和DS6 为缝洞型。而后对各类型岩心提取应力实验及压裂实验前后的数字岩心，并进一步分析应力对超深层碳酸盐岩气藏各类型储层孔隙空间的影响规律。

1.2 实验步骤

应力实验实验步骤和数据处理参照岩心分析方法［14］和储层敏感性流动实验评价方法［15］，对4 块全直径岩心进行地层条件下的应力实验，实验温度为110 ℃，围压为130 MPa，流压为56 MPa。每一个岩心的应力实验分为降流压过程和升流压过程，分别模拟实际的生产过程和关井压力恢复过程。应力实验前后对各岩心进行同一分辨率下的CT扫描。实验结果（图2）表明，和以往实验结果不同，各类型岩心在孔隙压力升压阶段均展现更好的渗流能力。在各个净应力点，应力实验后孔洞型岩心DS2 的渗透率是应力实验前的1.1～6.1 倍，缝洞型岩心DS5 是2.0～21.0倍，缝洞型岩心DS6是1.7～9.1倍；一次降压升压后，DS2 渗透率变为初始渗透率的105.6%，DS5渗透率变为初始渗透率的199.1%，DS6 渗透率变为初始渗透率的174.2%。

图2 不同类型岩心渗透率保持率随净应力变化曲线Fig.2 Variation curves of permeability retention rates with net stress of different cores

压裂实验将目的岩心轴向垂直放置，在端面两侧均匀加载轴压，直至岩心被压裂为止。压裂实验前后对岩心进行同一分辨率下的CT扫描。

2 CT扫描结果分析

对4块不同类型的全直径岩心进行应力实验及压裂实验前后的CT扫描对比分析，主要针对全直径岩心中发育的对渗透率有较大贡献的中孔、大孔、微喉、小喉、中喉、微缝、小缝及以上尺度的孔隙空间，研究承受应力前后同一位置区域（包括全直径岩心、孔隙发育处和裂缝发育处）的孔喉数量、孔喉平均尺寸、孔隙尺寸分布、喉道尺寸分布、连通孔喉体积比和孔缝洞占比等，以分析应力对于超深层碳酸盐岩气藏储层孔喉结构、孔喉大小、连通性和缝洞发育程度等的影响。本文孔喉尺寸的分类标准参照CHOQUETTE 等1970 年提出的碳酸盐岩孔喉尺寸分类标准［16］。

本次实验所使用的CT 测试仪器为美国通用电气公司生产的phoenix v|tome|x m 微米CT 扫描仪，应力实验和压裂实验前后的CT 扫描分辨率均为37 μm。将实验前后的全直径岩心放置在CT仪器的载物台上，调节设备参数进行扫描。CT 扫描结束后，使用专业的数据处理软件VOLUME GRAPHICS STUDIO MAX 和FEI AVIZO 对实验前后重建好的三维模型数据进行处理，选用同一阈值分割不同类型岩心的岩石基体和孔隙空间，使用最大球法［17-19］提取孔隙网络模型。在对全直径岩心分析完成后，对实验前后同一岩心选择同一位置进行处理，每一个岩心分别选择孔隙发育处和裂缝发育处进行分析，体素值均为500×500×500。

2.1 孔喉发育情况

由于CT扫描主要反映尺寸大于37 μm 的孔喉，因此数字岩心得到的孔隙度略低于实验得到的孔隙度。分析全直径岩心和孔隙发育处、裂缝发育处实验前后的孔隙发育情况（表2）可知，孔洞型岩心DS2 应力实验后孔隙个数在全直径处减少6.63%，在孔隙发育处减少76.35%，在裂缝发育处减少61.18%；孔隙平均半径在全直径处增加5.57%，在孔隙发育处增加46.69%，在裂缝发育处增加25.27%；孔隙总体积在全直径处增加2.10%，在孔隙发育处减少6.91%，在裂缝发育处减少34.12%。缝洞型岩心DS5 在应力实验后，孔隙个数在全直径处减少40.89%，在孔隙发育处减少52.51%，在裂缝发育处增加57.17%；孔隙平均半径在全直径处增加14.94%，在孔隙发育处增加37.29%，在裂缝发育处减少7.56%；孔隙总体积在全直径处增加4.32%，在孔隙发育处减少40.39%，在裂缝发育处增加1.28%。缝洞型岩心DS6 在应力实验后，孔隙个数在全直径处减少61.16%，在孔隙发育处减少53.65%，在裂缝发育处减少67.83%；孔隙平均半径在全直径处增加22.11%，在孔隙发育处增加23.27%，在裂缝发育处增加31.93%；孔隙总体积在全直径处减少14.89%，在孔隙发育处减少27.77%，在裂缝发育处减少8.48%。孔洞型岩心DS4 在压裂实验后，孔隙个数在全直径处减少87.84%，在孔隙发育处减少78.43%，在裂缝发育处减少76.35%；孔隙平均半径在全直径处增加169.27%，在孔隙发育处增加185.70%，在裂缝发育处增加128.63%；孔隙总体积在全直径处减少13.70%（一部分原因是压裂后部分岩样缺失），在孔隙发育处增加32.91%，在裂缝发育处增加375.71%。

表2 不同类型岩心实验前后孔隙发育情况对比Table2 Comparison of pore development in different cores before and after experiments

分析不同类型岩心实验前后喉道发育情况（表3）可知，应力实验后，孔洞型岩心DS2喉道个数在孔隙发育处降低5.46%，在裂缝发育处增加46.86%；喉道平均半径在孔隙发育处增加24.88%，在裂缝发育处减少24.43%；喉道平均长度在孔隙发育处增加8.94%，在裂缝发育处减少7.49%；喉道总体积在孔隙发育处增加15.35%，在裂缝发育处减少3.99%。缝洞型岩心DS5 喉道个数在孔隙发育处降低5.20%，在裂缝发育处降低0.09%；喉道平均半径在孔隙发育处降低14.35%，在裂缝发育处减少5.16%；喉道平均长度在孔隙发育处降低6.95%，在裂缝发育处增加4.52%；喉道总体积在孔隙发育处降低14.35%，在裂缝发育处降低5.16%。缝洞型岩心DS6 喉道个数在孔隙发育处降低70.15%，在裂缝发育处降低53.39%；喉道平均半径在孔隙发育处增加88.51%，在裂缝发育处增加77.26%；喉道平均长度在孔隙发育处增加21.40%，在裂缝发育处增加35.57%；喉道总体积在孔隙发育处降低2.11%，在裂缝发育处增加87.55%。孔洞型岩心DS4 在压裂实验后，喉道个数在孔隙发育处减少13.01%，在裂缝发育处增加153.35%；喉道平均半径在孔隙发育处降低19.93%，在裂缝发育处增加23.01%；喉道平均长度在孔隙发育处增加28.07%，在裂缝发育处增加42.57%；喉道总体积在孔隙发育处降低8.11%，在裂缝发育处增加453.78%。压裂实验后，孔隙发育处和裂缝发育处的喉道个数、喉道总体积和喉道平均半径的变化趋势相反；孔隙发育处喉道个数减少，虽然喉道平均长度增加，但喉道平均半径减小幅度更大导致喉道总体积减小；裂缝发育处的喉道个数、喉道平均长度和平均半径均增加，导致喉道总体积增加。

表3 不同类型岩心实验前后喉道发育情况对比Table3 Comparison of throat development in different cores before and after experiments

2.2 孔喉分布规律

2.2.1 全直径岩心

首先对实验前后全直径岩心的孔喉结构进行分析，得到对应的数字岩心（图3）。可以发现，应力实验后，DS2，DS5和DS6的孔隙均倾向于变大，缝洞更加发育；压裂后的DS4的孔隙更加发育，轴向上的裂缝十分明显。由不同类型全直径岩心的孔隙半径分布（表4）可看出，孔洞型岩心DS2 在应力实验后孔隙半径为0.05～0.25 mm 的中孔变少，0.25～1.26 mm 的中孔变多，1.26～2.00 mm 的中孔基本不变，大于2.00 mm 的大孔变多；缝洞型岩心DS5 在应力实验后，孔隙数量基本在全孔隙尺寸分布上大幅度减少；缝洞型岩心DS6在应力实验后，孔隙数量在孔隙半径为0.05～1.26 mm 的中孔范围内大幅减少，在1.26～1.87 mm的中孔范围内减少，在＞1.87 mm的中孔和大孔范围内增加；孔洞型岩心DS4 在压裂实验后，孔隙数量在全孔隙尺寸分布上均大幅度减少。

图3 实验前后全直径岩心的数字岩心Fig.3 Digital cores of full-diameter cores before and after experiments

表4 实验前后全直径岩心不同孔隙的数量分布Table4 Distribution of pores with different radii in full-diameter cores before and after experiments

2.2.2 孔隙发育处

分析各类型岩心孔隙发育处的数字岩心和提取的对应的孔隙网络模型，将应力实验和压裂实验前后的模型进行对比，得到实验前后孔隙发育处的孔隙尺寸数量分布和喉道尺寸数量分布。

由各类型岩心应力实验前后孔隙发育处的数字岩心和孔隙网络模型（图4）可以直观地发现，无论是应力实验还是压裂实验，实验后部分孔喉尺寸明显变大。结合孔喉尺寸分布（表5，表6），孔洞型岩心DS2孔隙数量在孔隙半径为0.05～1.46 mm的中孔范围内减少，在＞1.46 mm 的中孔和大孔范围内保持不变；缝洞型岩心DS5 孔隙数量在孔隙半径为0.05～0.85 mm的中孔范围内减少，在＞0.85 mm的中孔和大孔范围内保持不变；缝洞型岩心DS6 孔隙数量在孔隙半径为0.05～1.87 mm 的中孔范围内减少，在＞1.87 mm 的中孔和大孔范围内保持不变；孔洞型岩心DS4孔隙数量在孔隙半径为0.05～0.85 mm的中孔范围内减少，在＞0.85 mm 的中孔和大孔范围内增加。孔洞型岩心DS2 喉道数量在喉道半径为0.018～0.042 mm 的微喉和小喉上减少，在0.042～0.234 mm 的小喉上增加，在＞0.234 mm 的中喉上维持不变；缝洞型岩心DS5 喉道数量在喉道半径为0.018～0.042 mm 的微喉和小喉上增加，在＞0.042 mm 的小喉和中喉上减少；缝洞型岩心DS6 喉道数量在全喉道尺寸上减少；孔洞型岩心DS4 喉道数量在喉道半径为0.018～0.042 mm 的微喉和小喉上增加，在＞0.042 mm的小喉和中喉上减少。

表5 实验前后各类型岩心孔隙发育处不同孔隙的数量分布Table5 Distribution of pores with different radii of pore-developed parts in different cores before and after experiments

表6 实验前后各类型岩心孔隙发育处不同喉道的数量分布Table6 Distribution of throats with different radii of pore-developed parts in different cores before and after experiments

图4 不同类型岩心实验前后孔隙发育处数字岩心和孔隙网络模型Fig.4 Digital pores and pore network models of pore-developed parts in different cores before and after experiments

2.2.3 裂缝发育处

由各类型岩心应力实验前后裂缝发育处的数字岩心和孔隙网络模型（图5）可以直观地发现，应力实验后DS2，DS5 和DS6 裂缝发育处连通的大孔隙和大喉道增多，一些孤立的小孔隙减少；压裂实验后DS4 裂缝发育处连通的孔隙、大喉道以及孤立的小孔喉都增多。结合实验前后各类型岩心裂缝发育处的孔喉尺寸分布（表7，表8），孔洞型岩心DS2 孔隙数量在全尺寸范围内减少；缝洞型岩心DS5孔隙数量在孔隙半径为0.05～1.46 mm 的中孔范围内增加，在＞1.46 mm 的中孔和大孔范围内减少；缝洞型岩心DS6孔隙数量在0.05～1.06 mm的中孔范围内减少，在＞1.06 mm 的中孔和大孔范围内增加；孔洞型岩心DS4孔隙数量在全尺寸范围内减少。孔洞型岩心DS2 喉道数量在喉道半径为0.018～0.138 mm 的微喉和小喉处增加，在＞0.138 mm 的小喉和中喉处减少；缝洞型岩心DS5 喉道数量在0.018～0.066 mm 的微喉和小喉处大幅增加，在＞0.066 mm的小喉和中喉处大幅减少；喉道数量在0.018～0.042 mm 的微喉和小喉处大幅减少，在＞0.042 mm 的小喉和中喉处大幅增加；压裂实验后孔洞型岩心DS4喉道数量在全尺寸范围内大幅度增加。

表7 实验前后各类型岩心裂缝发育处不同孔隙数量分布Table7 Distribution of pores with different radii of fracture-developed parts in various cores before and after experiments

表8 实验前后各类型岩心裂缝发育处不同喉道数量分布Table8 Distribution of throats with different radii of fracture-developed parts in various cores before and after the experiments

图5 各类型岩心实验前后裂缝发育处数字岩心和孔隙网络模型Fig.5 Digital pores and pore network models of fracture-developed parts in different cores before and after experiments

结合全直径岩心和孔隙发育处、裂缝发育处应力实验前后的孔喉发育情况和孔喉分布规律可知，无论孔洞型还是缝洞型岩心，无论孔隙发育处还是裂缝发育处，在应力实验后，孔隙个数均大幅度下降且主要集中在半径在1 mm以下的微孔和中孔，孔隙半径均大幅度增加，孔隙总体积总体呈减小的趋势。应力实验后孔隙发育处和裂缝发育处的孔喉变化趋势基本一致，喉道数量趋于减少，且主要集中在半径＜0.04 mm 的微喉和小喉，喉道平均半径和喉道平均长度趋于增加，但由于微喉数量减少幅度更大，喉道总体积趋于减小。喉道尺寸增加导致应力实验后超深层碳酸盐岩储层岩样渗透率升高。孔洞型岩心DS4在压裂后，孔隙个数大幅度下降，减少的孔隙半径主要集中在0.5 mm 以下的微孔和中孔，孔隙平均半径大幅度上升，增加的孔隙半径主要集中在0.5～0.8 mm 的中孔，孔隙总体积总体呈上升趋势。压裂实验后裂缝发育处的喉道在数量和尺寸上均更发育，而孔隙发育处的喉道被挤压从而变少变细长。

2.3 孔缝洞分布规律及连通性评价

分析不同类型岩心应力实验前后连通性（表9）可知，应力实验后孔洞型岩心DS2 全直径岩心连通孔喉体积占比降低了46.07%，孔隙数量占比降低了51.78%，洞数量占比提高了约78 倍，裂缝数量占比提高了21.47%；缝洞型岩心DS5 全直径岩心连通孔喉体积占比提高了9.21%，孔隙数量占比降低了41.27%，洞数量占比提高了约55 倍，裂缝数量占比降低了44.25%；缝洞型岩心DS6 全直径岩心连通孔喉体积占比降低了5.68%，孔隙数量占比降低了56.29%，洞数量占比提高了约109倍，裂缝数量占比提高了33.29%。压裂实验后，孔洞型岩心DS4 全直径岩心连通孔喉体积占比提高了66.85%，孔隙数量占比降低了75.35%，洞数量占比提高了约26 倍，裂缝数量占比提高了约25 倍。由此可见，应力实验后，孔洞型岩心由于连通性差，连通孔喉体积占比下降幅度较大，缝洞型岩心由于裂缝发育，连通孔喉体积占比下降幅度不大，甚至有小幅上涨；无论孔洞型还是缝洞型岩心，应力实验后，孔隙数量均下降，导致洞数量占比增多，裂缝也更加发育，因此岩心的渗流能力大幅度提升。对比应力实验后的孔洞型岩心DS2，孔洞型岩心DS4 在压裂后，连通孔喉体积占比大幅提高，裂缝数量占比提高的幅度比洞数量更大，这证明压裂主要通过提高孔隙空间中裂缝占比来改善超深层碳酸盐岩储层样品的孔喉连通性。

表9 不同类型岩心实验前后孔缝洞分布及连通性数据对比Table9 Comparison of pore-fracture-vug distribution and connectivity data for different cores before and after experiments

3 结论

不同于中浅层储层，超深层碳酸盐岩储层岩心在经历应力实验后，孔隙和喉道个数均大幅度下降且主要集中在半径小于1 mm 的微孔和中孔以及半径小于0.04 mm 的微喉和小喉，孔隙和喉道半径均大幅度增加，孔隙和喉道总体积总体呈减小的趋势；孔洞型岩心在压裂后孔隙和喉道个数大幅度下降，孔隙和喉道平均半径大幅度上升，增加的孔隙半径主要集中在0.5～0.8 mm 的中孔，孔隙和喉道体积总体呈上升趋势。

不同于以往研究，超深层碳酸盐岩储层缝洞型和孔洞型岩心在承受应力后孔隙平均半径和喉道平均半径增加，洞数量占比增多，裂缝也更加发育，从而导致渗流能力大幅度提高，同应力条件下为承受应力前的1.1～21.0 倍；孔洞型岩心在压裂后连通孔喉体积大幅提高，裂缝数量占比大幅度提高，表明压裂主要通过提高裂缝占比改善超深层碳酸盐岩储层样品的孔喉连通性。