基于数字岩心的碳酸盐岩复杂孔隙特征研究——以普光气田飞仙关组储层为例

李文涛，涂利辉，鲁明宇，宿亚仙，黄长兵，赵学钦

（1.西南科技大学环境与资源学院，四川 绵阳 621000；2.西南科技大学固体废物处理与资源化教育部重点实验室，四川 绵阳 621000；3.中国石油集团西部钻探工程有限公司苏里格气田分公司，内蒙古 鄂尔多斯 017300；4.中国石油集团测井有限公司，陕西 西安 710000；5.中国石化中原油田分公司勘探开发研究院，河南 濮阳 457001）

0 引言

碳酸盐岩储层受到多期成岩作用（包括强胶结、多期溶蚀以及矿物充填等）的影响，导致次生孔隙极度发育。常见的孔隙类型有铸模孔、 粒内溶孔、粒间溶孔、晶间孔、裂缝等，微观孔隙结构极其复杂，严重影响岩石的储集性质，导致储层定量预测难度大［1］。为确地定量化表征碳酸盐岩岩石的孔隙结构，许多学者从多个角度进行了研究。Anselmetti 等［2］利用薄片图像数字化技术表征孔隙结构，并计算了渗透率。李忠新等［3］利用压汞资料表征孔隙结构。YAKOA 等［4］利用核磁共振T2谱表征孔隙结构。这些方法多解性较强，准确度不高。近年来快速发展的数字岩心技术在研究孔隙特征方面具有高精度、高效性、非破坏性和多维度分析等优势，可直观展示岩石储集空间形态和孔喉匹配关系［5］，实现对岩石孔隙结构的精细描述和分析［6］，其视域范围覆盖整个柱塞样品，并在无损情况下可对岩心内部孔隙结构进行三维建模，实现了不同尺度孔隙大小及连通性的计算［7］。另外，数字岩心还可以利用精细的微观成像大数据和大数据图像特征提取和分析技术，对储层孔隙结构进行精细刻画［8-25］。

普光气田飞仙关组发育海相碳酸盐岩储层，其含气井段长，边底水发育，属于超深、高含硫、大型构造-岩性气藏，已探明天然气地质储量4 050.79×108m3［13］。储层受沉积、成岩和构造作用的共同控制，其孔隙结构复杂、多种孔渗关系并存，储层非均质性强，传统的压汞、铸体薄片、扫描电镜等难以对其内部结构进行精细表征［14-16］。本文以普光气田飞仙关组碳酸盐岩为研究对象，利用数字岩心技术对研究区5 口井200 个样品进行图像处理和分析，探讨储层各种孔隙结构特征参数，分析其主控因素，对储层进行了精细分类，为后续气藏储量计算和选择合理的开发方式提供指导。

1 气田概况

普光气田位于四川省东北部的宣汉县境内的北部地区，地处黄家梁胡家场以东、凤凰寨以西、清溪镇老君山以北、卢家山以南，包括了普光镇、黄金口和毛顼场等县（乡），面积约余350 km2。气田范围内地面海拔一般属中低山区，总体地势偏陡，相对高差大。

普光气田主体构造属于川东断褶带东北段双石庙普光向构造带上的一鼻状构造，介于米仓山—大巴山冲断带与川中平缓低裙皱带之间，面积约80 km2。飞仙关沉积期，普光地区整体上为开阔台地环境，发育大量颗粒滩，储层主要为鲕粒溶孔云岩、 颗粒砂屑溶孔云岩、 细粉晶云岩及部分鲕粒灰岩，鲕粒灰岩多为致密层。储层泥质质量分数比较低，多数低于5%。

2 多尺度数字岩心扫描实验

实验采用二维与三维、纳米—厘米级别的多维度、多尺度扫描方法对孔隙结构进行表征。扫描方法包括全直径岩心CT 扫描技术、微米级X-ray CT 扫描技术、大面积扫描电镜拼图成像技术。

全直径岩心CT 扫描实验选用全岩心高精度计算机断层扫描仪（CT）对岩心样品的物性、孔隙度和渗透率等参数进行研究。通过非破坏性探测获取到的高分辨率三维图像，可确定样品的孔隙度、孔隙类型、孔喉尺寸分布等信息，进而计算出渗透率、孔隙连通性等储层物性参数。使用高分辨率X 射线计算机断层扫描仪（HRCT）对微米级的岩心样品进行高分辨率、非破坏性的三维成像，与全直径岩心CT 相比，它的分辨率更高，可以更加详细地描绘储层的孔隙结构、 细节特征等，以指导并研究低孔隙度、高渗透率的储层。大面积扫描电镜拼图成像实验则是通过扫描电子显微镜（SEM）对超薄岩片进行高分辨率成像，然后将所得到的多个高清晰度图像拼合成一个大面积的图像，以获得全面、准确的储层结构信息。与前2 种技术不同，大面积扫描电镜拼图成像技术不能获得完整的三维结构信息，但可以提供高质量的二维图像，并能够分辨不同的矿物组成、孔隙形成与分布等，以指导并研究非均质孔隙结构的储层。

通过多尺度扫描实验，将不同分辨率的数字扫描技术结合起来，对岩心进行了多层次、多尺度的成像和分析，提高了岩心成像的分辨率和精度，更准确表征岩心的物理性质、孔隙结构和微观结构。多尺度CT 扫描法建立数字岩心主要包括3 个步骤：1）对岩样预处理后开展CT 实验获得投影数据；2）选取图像重建方法由投影数据重建岩心灰度图像；3）采用图像二值分割方法分离灰度图像中的孔隙空间和岩石骨架，建立数字岩心。岩心CT 灰度图像由灰度图像的二值分割方法处理后，得到仅由岩石骨架和孔隙空间组成的二值图像［17］。将二值图像在三维空间中组合便得到了真实岩心的数字化表征。

3 微观孔隙结构特征

3.1 微观孔隙类型

根据扫描电镜图像观察结果，研究区目的层存在4 种主要孔隙类型：晶间（溶）孔、粒间（溶）孔、鲕粒铸模孔及微裂缝。

微裂缝在样品中较为常见，但数量一般不多，只有极少数样品出现明显的贯穿缝。另外，微裂缝发育较多的样品中方解石体积分数高于大部分样品，但由于微裂缝上下边缘吻合较好，可能是因压力释放或钻样时形成的。图1 可以看出有较大的微裂缝，对岩心的渗流能力有较大的影响。图像分割识别样品的方解石体积分数约为4.93%，明显高于其余粒间孔和鲕粒孔类型样品（平均值0.4%）。

图1 PG304-1 井10-12/22 号样品放大图Fig.1 Enlarged view of Sample 10-12/22 from Well PG304-1

晶间（溶）孔主要为白云石晶间孔，存在于所有样品中，是样品中最基本的储集空间或渗流通道。由于其孔隙等效直径基本小于1 μm，因此，以晶间（溶）孔为唯一渗流通道的样品渗透率基本在0.01×10-3μm2以下（见图2）。

图2 晶间孔类型样品Fig.2 Sample of intercrystalline pore type

粒间（溶）孔主要为白云石颗粒间孔隙（见图3），粒间（溶）孔孔径主要为1 ～100 μm，多数为不规则状，一般见少量沥青充填。粒内（溶）孔和鲕粒铸模孔的变化范围较大，鲕粒铸模孔孔径主要为100～1 000 μm。样品中粒内孔与粒间孔比例不同，可分为粒间孔型、铸模孔型，以及两者兼有的复合型3 种类型。

图3 典型的粒间孔类型样品和鲕粒孔类型样品发育特征Fig.3 Development characteristics of typical intergranular pore type samples and oolitic pore type samples

3.2 岩心微观孔隙结构分类

根据每块样品的主要孔隙类型差异及粒间孔、晶间孔相近似的孔渗关系，将样品的孔隙结构类型归纳为3 类：粒间（溶）孔和晶间（溶）孔结构，微裂缝结构、铸模孔结构，以及铸模孔+粒间孔过渡带（见图4）。

图4 渗透率与孔隙度的关系Fig.4 Relationship between permeability and porosity

1）微裂缝样品中的微裂缝以水平方向为主，条数较多，可形成渗流通道，渗透性较好。微裂缝结构样品以晶间孔为主，且微裂缝对孔隙度贡献有限；因此，微裂缝结构样品一般表现为低孔中渗或低孔高渗特征。

2）粒间孔和晶间孔具有相似孔渗关系，归为同一类结构。通常粒间孔喉道半径高于晶间孔喉道，渗透性较好（见图5a）。

图5 X-ray CT 扫描图像及孔隙度提取Fig.5 X-ray CT scan image and porosity extraction

3）铸模孔结构样品中粒内孔（铸模孔）构成了主要的孔隙空间，占总孔隙度的90%以上。铸模孔结构样品一般表现为高孔超低渗特征，但是由于渗流通道是晶间孔喉道，因此渗透率非常低，一般小于1×10-3μm2（见图5b）。

4）过渡带区域样品中同时发育铸模孔和粒间孔。由于铸模孔发育，其孔隙度高于粒（晶）间孔区域样品；同时，由于粒间孔的发育，其渗透率略高于纯铸模孔结构的样品（见图5c）。

粒（晶）间孔结构样品中，晶间孔和粒间孔既是孔隙空间，同时也是喉道空间，是此次研究样品中的2 种主要渗流通道类型。

样品的孔隙等效直径分布见图6。由图6 看出，样品的孔隙等效直径分布呈双峰特征，峰值主要在90 μm 左右，样品的喉道等效直径峰值在55 μm 左右。样品的孔隙及喉道等效直径分布范围接近，且样品孔隙连通率在98%以上，因此，粒间孔既是孔隙空间也是喉道空间。

图6 9-40/68 号样品的孔喉网络及等效直径分布Fig.6 Pore throat network and equivalent diameter distribution of Sample 9-40/68

通过对铸模孔结构和过渡带区域的样品中连通域分析认识到，鲕粒本身作为孔隙空间存在，不具备渗透性。渗流通道为粒（晶）间孔的孔隙空间。

对原数字岩心模型中的铸模孔进行去除结果见图7。对比去除铸模孔前后的喉道半径变化发现，样品的主要喉道未发生明显变化，其半径分布主要在1～4 μm。因此，铸模孔并不是决定渗透能力的喉道空间。

图7 14-5/60 样品去除铸模孔前后喉道半径对比Fig.7 Comparison of throat radius before and after removal of moldic pore for Sample 14-5/60

微裂缝结构样品中，微裂缝形成的渗流通道是该类型储层渗透率较高的原因。但由于无法确定微裂缝是否真实存在于地层中，此次研究中没有作为主要渗流通道考虑。

综合分析发现，粒（晶）间孔结构存在于所有样品中，在无微裂缝影响的情况下，粒（晶）间孔结构是样品的主要渗流通道。因此，在不考虑微裂缝影响的情况下，样品孔渗关系可归纳为渗透率主控。粒（晶）间孔结构区，随着粒间孔数量和大小的增加，样品孔隙度、渗透率也随之增加。当样品中出现贯穿的微裂缝时，裂缝对孔隙度贡献有限，而由于裂缝的特性，使得渗透率高于正常孔渗关系。当样品中存在铸模孔时，铸模孔一般较大，对孔隙度有较大贡献；但是铸模孔并不是有效连通孔隙，对渗透能力没有贡献，因此，铸模孔使得渗透率低于正常孔渗关系。

4 孔隙结构微观尺度特征及分类

数字岩心技术从微观尺度上对岩心孔隙特征及连通性等孔隙结构参数进行了更为精准化的研究，揭示渗透率的主控因素为连通孔隙体积的大小（即渗透等效孔隙度），非渗透等效孔隙对渗透率贡献很小（非渗透等效孔隙度）。

在数字岩心分析揭示的4 种孔构关系的规律基础上，本次研究结合测井资料对常规孔渗数据进行了分类分析，将岩性物性孔渗关系归纳为4 个区带： 裂缝区、主控区、过渡带、鲕粒区（见图8）。

图8 岩性物性关系分类Fig.8 Classification of lithology and physical property relationships

主控区以粒间孔、粒间溶蚀孔为主，连通性好。岩性主要为残迹/残余鲕粒云岩，孔隙类型以粒间溶蚀孔缝为主，孔隙连通性较好，孔渗关系正常，其孔渗趋势线本研究定义为主控趋势，所对应的函数，即为主控函数（见式（1））。

式中：K 为渗透率，10-3μm2；ϕ 为岩心反算渗透等效孔隙度。

裂缝区的岩性主要为泥晶/粉晶/细晶云岩，孔隙类型以微裂缝、溶蚀孔为主，连通性比较好，位于孔渗关系主控区左上部。

鲕粒区岩性主要为鲕粒云岩，孔隙类型主要为鲕粒内孔，高孔低渗，中孔低渗，连通性差，位于孔渗关系主控区左下底部。

过渡区带岩性主要为残余/残迹鲕粒云岩、细晶/鲕粒细晶云岩，岩心孔隙类型主要为鲕粒内孔+粒间溶蚀孔，孔渗关系部分较好。靠近主控区的过渡区带，以粒间溶蚀孔为主；靠近鲕粒区的，以鲕粒内孔为主。

4.1 鲕粒区孔隙结构特征

1）主要为鲕粒内孔，孤立、不连通，对渗透率基本无贡献；2）少量的晶间孔决定了渗透率的大小；3）晶间孔为孤立的（高分辨率电镜、CT、MCT 上见），不连通；4）排驱压力较高，并且迅速上升（毛细管压力曲线得知），存在少量晶间孔时，孔喉半径分布表现为双峰；5）孔隙度越小，结晶、重结晶越强，鲕粒内孔越小。

4.2 主控区孔隙结构特征

1）粒间孔较多，粒间孔影响孔渗大小；2）鲕粒重结晶强烈，鲕内基本被充填物填充；3） 孔喉半径一般较大、单峰；排驱压力随孔渗增大而变小，中高孔渗时较低，形态平直；4）在中高渗区带，鲕粒大部分呈残余或残迹，粒内被结晶物填充，晶间孔缝、溶孔发育，部分鲕粒外形清晰，孔渗越好，鲕粒间溶蚀作用越强；5）在低孔低渗区带，部分鲕粒形态完整，粒内重结晶，晶间被充填，部分发育孔缝。

4.3 裂缝区孔隙结构特征

1）裂缝具连通性；2）低孔高渗，孔隙度一般小于10%；3）孔渗关系偏离正常孔渗关系；4）溶蚀作用强，喉道粗或有微裂缝，弯曲度小。

4.4 过渡带孔隙结构特征

1）越靠近主控区带，粒间孔占比越大，铸模孔占比越小；2）越远离主控区，粒间孔占比越小，铸模孔占比例越大；3）部分岩心晶间孔和铸模孔都很少，有微裂缝存在；4）铸模孔+晶间孔缝及溶孔特征，双孔隙结构特征，越偏离主控线左下，进汞压力上升得越快。

5 各类孔隙结构的测井响应特征

利用数岩技术划分出了孔隙类型及孔隙结构等效简化模型，并揭示了渗透等效孔隙度量化规律。量化规律能够较好地表征普光礁滩相白云岩储层孔隙结构特征，但还需与测井资料建立起联系。利用数字岩心，孔隙类型划分成4 大类，结合孔构特征及孔渗关系，与测井曲线、岩性等建立起了关联（见图9）。

图9 孔隙结构类型变化与测井曲线对应关系Fig.9 Relationship between changes in pore structure types and logging curves

孔隙以粒间孔为主的（中孔中渗储层）储层，经井眼环境校正及标准化后的补偿中子曲线、 岩性密度曲线、声波时差曲线，按照岩性密度刻度1.40～2.86 g/cm3，补偿中子刻度60%～0、 声波时差刻度142.34～379.27 μs/m，以及浅侧向孔隙度曲线放在同一道中时，4 条线大部分基本重合或差异很小，浅侧向孔隙度曲线幅度一般稍低。总孔隙度曲线刻度0～25%与浅侧向孔隙度0～23.5%叠合放置时，基本重合，或浅侧向孔隙度大于总孔隙度。

孔隙以粒间孔为主的（高孔高渗储层）储层，储层品质比较好，中子密度曲线会有挖掘效应，中子变小，密度变大，声波孔隙度曲线与浅侧向孔隙度曲线比价接近且幅值比较大，孔隙度曲线一般达15%以上。总孔隙度（计算模型）刻度0～50%与浅侧向孔隙度0～47%叠合放置时，基本重合，或呈负包络面积（总孔隙度在下，浅侧向孔隙度在上）。

孔隙以鲕粒孔为主的（高孔低渗储层）储层，声波曲线和中子孔隙度曲线较低，浅侧向孔隙度曲线幅度较高，密度孔隙度曲线比较大。这4 条孔隙度曲线有较多的包络面积（岩性密度与补偿中子、岩性密度与声波时差、岩性密度与浅侧向孔隙度曲线），总孔隙度（计算模型后面介绍） 刻度0～50%与浅侧向孔隙度曲线0～47%叠合放置时，正包络面积比较大，正包络面积的大小与鲕孔的发育正相关。

孔隙以粒间孔+鲕粒孔为主的储层中，以粒间孔为主的储层，测井曲线特征接近于孔隙以粒间孔为主的（中孔、中渗储层储层），密度幅度与其他曲线的差异比较小；以鲕粒孔为主的储层，测井曲线特征接近于孔隙以鲕粒孔为主的（高孔、低渗储层）储层特征，密度幅度与其他曲线的差异比较大。

6 结论

1）通过分析数字岩心所呈现的丰富的二、三维数据，可将研究区样品的孔渗关系及孔构特征归纳为三区一带。即粒（晶）间孔区、微裂缝区、铸模孔区，以及铸模孔+粒间孔过渡带。三维数字岩心模型分析表明，粒（晶）间孔结构是样品渗透率的主控因素，明确了孔隙结构类型造成了测井曲线差异。

2）白云石晶间孔是最基本的渗流通道，晶间孔等效直径在0.25～0.90 μm，晶间孔对孔隙度的贡献在1%～5%，渗透率总贡献低于0.1×10-3μm2。鲕粒岩中铸模孔相互之间相对孤立，等效直径一般在10 μm～1 mm，大部分在100 μm～1 mm，储集性能好，由晶间孔相互连通。