碳酸鹽巖儲層復雜孔隙結構研究現狀及進展

田 瀚， 王貴文， 馮慶付， 李 昌， 田明智

(1.中國石油大學(北京)地球科學學院， 北京 102249； 2.中國石油杭州地質研究院， 杭州 310023；3.中國石油勘探開發研究院， 北京 100083)

近年來，隨著勘探程度的不斷深入，中國海相碳酸鹽巖油氣勘探獲得重大突破，特別是隨著塔里木、四川、鄂爾多斯盆地深層-超深層一批大型碳酸鹽巖油氣藏的發現，其已然成為中國油氣增儲上產的重要領域[1-7]。與國外相比，中國海相碳酸鹽巖復雜成巖過程決定了其儲層特征與國外有很大差異，國外碳酸鹽巖多為高孔高滲的孔隙性儲層，而中國多數情況下碳酸鹽巖儲層孔隙度小于5%，滲透率小于1 mD，原生孔隙不發育，以次生溶蝕孔洞為主[1,6]。正因如此，中國復雜碳酸鹽巖儲層測井評價工作一直困擾著測井工作者，在實際生產中常常出現“高孔高阻”干層和“高孔低阻”氣層的現象，造成儲層流體評價精度低，傳統儲層“四性”(巖性、物性、電性和含油氣性)評價面臨挑戰，致使不得不認真研究碳酸鹽巖儲層的孔隙結構特征[8]。

在儲層評價中，孔隙結構評價是儲層微觀性質研究的核心[9-11]。儲層的孔隙結構是指巖石孔隙與吼道的幾何形狀、大小、分布及相互連通關系[12-13]。由于碳酸鹽巖儲層受沉積環境及成巖作用等多重因素的影響，其往往表現出強烈的非均質性，孔滲關系復雜，常規宏觀物性參數已無法滿足表征碳酸鹽巖儲層的需求[11,14-16]。因此，只有從孔隙結構研究入手，從微觀機理出發，才能為儲層評價提供可靠的技術支持。

為了更好地了解目前碳酸鹽巖儲層孔隙結構的研究現狀，在對中外相關文獻調研的基礎上，將碳酸鹽巖儲層孔隙結構的評價方法大致歸納為實驗分析法、核磁共振測井評價法、基于分形特征的定量表征法、成像測井孔隙度譜分析法和孔隙結構指數表征法五大類。在實際應用中，各類方法均存在使用局限性，現將詳細闡述各種評價方法的特點，同時對今后孔隙結構評價的發展方向提出個人認識。

1 孔隙結構評價方法

1.1 實驗分析法

實驗分析法主要包括鑄體薄片、毛管壓力曲線、掃描電鏡及電子計算機斷層掃描(computed tomography,CT)等[17],是目前最直觀，也是應用最為廣泛的評價巖石孔隙結構特征的方法。

鑄體薄片可以直觀反映巖石的孔隙類型、孔隙和吼道的分布特征，通過數字圖像處理技術可對孔隙及喉道特征進行提取,從而定量評價[18]；毛管壓力曲線法是研究孔隙結構的主要手段，利用毛管壓力曲線所反映的排驅壓力、孔喉半徑中值等參數可以有效明確巖石孔喉大小；掃描電鏡相對普通光學顯微鏡技術擁有更高分辨率的礦物和孔隙二維圖像，分辨率達到幾個納米[19-20]。作為重要的巖石孔隙結構特征研究手段，掃描電鏡能夠更加清楚地反映儲層的孔隙類型，包括在普通光學顯微鏡下難以觀察到的微孔隙和喉道類型，并且還可以獲得孔喉半徑等參數[17]；CT掃描具有全方位、快速、對巖石樣品無損傷的優點，并且可重建微觀孔隙的三維結構[21]。巖心的CT掃描能夠提供巖石孔喉結構特征，并準確獲取孔隙形狀、類型和連通性等定量信息(圖1)。

圖1 巖心樣品CT掃描結果Fig.1 CT scan results of core sample

實驗分析法雖然能夠有效、直觀地表征巖石樣品的孔隙結構特征，但是局限性也非常明顯。鑄體薄片只能直觀反映二維平面上孔隙結構特征，很難精確定量表征“體”的概念；利用壓汞實驗獲取毛管曲線的方法，其無法獲得孔隙和吼道的分布及形狀，同時由于汞的特殊物理性質，其已慢慢被部分實驗室所廢棄；掃描電鏡和CT掃描雖然能夠清晰反映巖樣孔隙結構特征，但測量視域過小，碳酸鹽巖儲層非均質性強，小巖樣的測量結果無法代表真實儲層情況。對于所有的實驗分析法還存在一個普遍的“通病”，那就是只能測量孤立的、數量有限的巖心樣品，而無法開展連續的孔隙結構評價。

1.2 核磁共振評價法

核磁共振測井因其在儲層孔隙結構評價上具備常規測井所不具有的優勢，為地質學家解決復雜儲層評價提供了全新思路[22]。核磁共振測井T2分布與孔隙結構直接相關，因此如何利用T2譜研究儲層孔隙結構已成為眾多專家學者的研究方向。

核磁共振測井通過對測量的回波串信息進行反演得到核磁T2分布譜。由于T2譜形態與孔隙組分存在對應關系，Liu等[23]、Zhou等[24]提出了利用孔隙組分評價儲層孔隙結構的方法，他們認為控制巖石孔隙結構的關鍵因素是孔隙系統中各孔隙度區間范圍內孔隙占比情況，通過從T2譜中提取各孔隙大小，以此來定量判斷儲層的孔隙結構；Mao等[25]、肖亮[26]通過對不同類型的巖心樣品在不同飽和水狀態下的核磁共振實驗分析發現，當儲層孔隙結構較好和較差時，利用孔隙組分評價儲層孔隙結構效果較好，但是當儲層孔隙結構中等時，部分非潤濕相的烴會進入到儲層孔隙空間而驅趕掉部分的孔隙水，在T2譜上會導致馳豫時間較長的譜的位置向右移動，從而夸大實際儲層特征。同時仔細分析還能發現，孔隙組分分析法將大孔隙發育與孔隙結構好掛鉤，這是無法適用于高孔低滲、中孔低滲儲層。

評價儲層孔隙結構最直接有效的方法就是毛管壓力曲線，為了能夠實現毛管壓力曲線連續評價儲層孔隙結構的目的，不少學者嘗試利用核磁共振測井構建連續的毛管壓力曲線[22]。Ausbrooks[27]于1999年首次提出利用有效馳豫率建立核磁T2分布與孔隙尺寸分布曲線的關系，但是實際操作中，有效馳豫率較難確定；Yakov[28]于2001年首次提出建立橫向馳豫時間和毛細管壓力Pc之間的轉換關系，利用Pc=C/T2(C為轉換系數)線性關系轉換獲得毛管壓力曲線[29]，該方法對于均質的孔隙性儲層，且核磁T2譜形態與毛管壓力曲線形態完全一致時，應用效果較好[8]，但是在實際情況中，兩種形態完全一致的樣品是非常少的，導致轉換系數C難以確定。雖說如此，但這種思路為后續研究提供了很好的啟發，眾多學者在如何準確確定轉換系數C上進行了深入研究。運華云等[30]、劉堂晏等[31]學者開展了利用核磁T2分布進行巖石孔隙結構的研究，并且通過實際巖心實驗也證實了核磁共振T2分布與毛管壓力曲線之間是存在相關性的，同時提出了利用相似對比法來確定轉換系數C，但在實際應用時仍存在較大誤差，尤其是對于孔隙結構復雜的儲層；何雨丹等[32]提出了針對單峰T2譜用單一冪函數構造毛管壓力曲線，對于雙峰T2譜的大孔和小孔部分分別采用不同函數分段的想法，該方法相對傳統線性刻度精度有明顯提高，但是沒有考慮最大進汞飽和度問題，其不能完全反映樣品不同毛管壓力情況進汞飽和度的真實增量[29]；邵維志等[29]提出利用二維分段等面積法來獲取橫向刻度系數以及大、小孔徑的縱向刻度系數(圖2[29])；蘇俊磊等[33]則提出利用壓汞孔徑分布曲線孔徑左右邊界的方法來確定橫向轉換系數，利用改進二維分段等面積刻度方法確定縱向轉換系數，從而來確保構建的偽毛管壓力曲線與實驗室壓毛管壓力曲線基本一致，該方法避免了利用相似對比法的局限性，結合最大進汞飽和度和利用二維等面積法刻度轉換方法確定的縱向轉換系數，可以顯著提高所構建毛管壓力曲線的精度。

圖2 分段等面積刻度示意圖[29]Fig.2 Segmented equal area scale diagram[29]

雖然學者們通過各種辦法來盡量獲取準確的刻度系數，但是這些方法不足之處在于所有樣品的刻度都按照相同的壓力點分段，而不是毛管壓力曲線的拐點，同時該方法的使用條件是在巖石孔隙100%飽和水的情況下，當儲層孔隙空間含有非潤濕相烴時，會對核磁T2譜的形態造成影響[22]。

為了解決線性轉換刻度方法在構造核磁毛管壓力曲線過程中存在的諸多問題，部分學者通過對大量巖心數據分析發現，對于不同孔隙結構的巖心樣品，在相同進汞壓力下，對應不同進汞壓力下的進汞飽和度在一定程度上可以反映巖心樣品的孔隙結構特征[34]。肖忠祥等[35]、肖亮等[36]通過對同時進行了壓汞和核磁共振測量的樣品分析發現，Swanson參數與核磁共振測井橫向馳豫時間幾何平均值之間存在良好的相關性，其中Swanson參數是指毛管壓力曲線拐點處進汞飽和度SHg與毛管壓力Pc的比值(圖3[12])，利用此關系，就可以從核磁共振測井資料中提取Swanson參數。進而通過建立Swanson參數與孔喉半徑、毛管壓力中值、核磁總孔隙度等的關系來構建毛管壓力曲線[12]。利用該方法構建核磁毛管壓力曲線的過程中所用到的是實際核磁共振測井數據，可以消除儲層孔隙含烴對構建結果的影響，具有一定的推廣應用價值。

圖3 進汞飽和度-毛管壓力及汞飽和度/毛管壓力關系[12]Fig.3 Intake mercury saturation-capillary pressure and mercury saturation/capillary pressure relationship[12]

1.3 基于分形特征的定量表征法

分形幾何是20世紀70年代末期發展起來的描述事物不規則形態和隨機現象的一個新興數學分支學科[15]。分形的重要特征是自相似性，定量描述這種具有自相似性的研究對象的參數稱為分形維數[37]。

近幾年，不少學者提出了采用分形維數定量描述孔隙結構特征的可能性，并在定量表征碎屑巖儲層孔隙結構復雜程度中進行了實際應用。張立強等[37]、馬利民等[38]研究發現分形維數與微觀孔隙結構參數之間存在著密切關系，即分形維數越小，儲層微觀非均質性越弱，孔隙結構就越好，并依據分形維數實現了復雜儲層的定量分類與評價；劉航宇等[15]嘗試將分形方法應用于碳酸鹽巖儲層評價中，其利用分形維數建立了孔隙型儲層孔隙結構的定量評價方法，但是對于碳酸鹽巖中裂縫型及縫洞型儲層，由于裂縫、溶蝕孔洞的存在，應用效果較差，導致利用這種分形方法存在局限性。為了能夠將分形理論更好地用于不同類型的碳酸鹽巖儲層中，學者提出了利用二維圖像分形維數評價儲層孔隙結構的思路。隨著測井技術的不斷進步，成像測井已然成為碳酸鹽巖油氣藏中的一種常見測井系列，其相對常規測井而言，能夠以圖像的形式直觀反映儲集空間類型及其分布特征，而碳酸鹽巖儲層品質的好壞往往又與溶蝕孔洞發育程度密切相關，因此，利用圖像分形方法對電成像圖開展量化研究，從而根據分形維數來評價儲層的非均質性強弱，進而從宏觀上表征儲層品質好壞。如學者利用盒維數算法，對成像圖開展盒維數計算，發現計算的分形維數與儲層類型有很好的相關性，分形維數越小，溶蝕孔發育越均勻，在孔隙度一定的條件下，產能越高[39-41]。

雖然基于圖像開展分形維數研究孔隙結構有一定的應用效果，但是計算的分形維數值與圖像的尺寸大小、圖像質量都有很大的關系，而且這種方法純粹只是對圖像像素的分析，圖像的分形維數直接反映的是圖像本身的非均質性強弱，是否與微觀孔隙結構存在聯系有待研究，因此該方法對孔隙結構的表征只能作為一種輔助手段。

1.4 成像測井孔隙度譜分析法

成像測井由于具有極高的縱向分辨率和直觀反映井壁縫洞發育程度的優勢，已然成為測井評價復雜碳酸鹽巖儲層有利手段。目前成像測井多被用于確定儲層孔隙類型和孔、洞、縫發育程度[42-46]。為了能夠充分利用成像測井所包含的豐富信息，不少學者嘗試利用成像測井孔隙度譜開展儲層孔隙結構研究[47-50]。

成像測井孔隙度譜是通過對一定窗長范圍內每個電極測量的電阻率反算得到的孔隙度統計所得。由于后期成巖作用所形成的次生溶蝕孔洞的孔徑通常比基質孔隙的孔徑大，因此認為孔隙度譜靠前部分主要由基質孔隙貢獻，而靠后部分是次生孔隙貢獻。成像孔隙度譜與核磁共振測井T2譜形態相似，不同的譜結構反映不同的孔隙成分組成，故可以通過孔隙度譜的分布形態對儲層孔隙結構表征。吳煜宇等[42]通過對四川盆地川西北棲霞組成像孔隙度譜分析發現，棲霞組成像孔隙度譜形態與儲層孔隙結構具有很好的對應性，其中無峰寬譜型和多峰中譜型主要為Ⅰ、Ⅱ類儲層，儲層孔隙結構好，測試產量高；單峰中譜型主要為Ⅲ類儲層，測試產量低；單峰窄譜型主要為非儲層或無效儲層；李寧[47]通過利用成像測井孔隙度譜的譜均值和譜方差分別建立過四川和塔里木盆地低孔致密灰巖儲層的有效性評價方法，解釋符合率提高20%以上。

對于碳酸鹽巖儲層，在缺少核磁共振測井資料的情況下，利用成像測井孔隙度譜分析儲層孔隙結構特征不失為一種手段，這種方法通過分析孔隙分布情況來間接評價孔隙結構，但是該方法在應用過程中存在明顯局限性，那就是對于裂縫發育地層、或地層中含有高導礦物、或成像測井質量較差時，利用成像測井計算的孔隙度譜均會失真，影響評價結果。

1.5 孔隙結構指數表征法

眾所周知，毛管壓力曲線和核磁共振測井研究孔隙結構是目前的主流思路，但是如何能在缺少核磁共振測井的情況下，開展連續的巖石孔隙結構定量評價也是學者們一直思考的問題，其中孔隙結構指數為人們提供了很好的思路。曾文沖等[51]通過大量的巖心物理實驗分析認為，孔隙結構指數m主要是受巖石孔隙結構控制，m的大小反映了巖石孔隙吼道分布及連通特征(圖4)；趙良孝等[52]通過研究認為，裂縫型儲層的m在1.1～1.5范圍內變化，而對于連通性較好的孔洞型儲層，其m一般為2.0～2.5，連通性較差的孔洞型儲層m值在2.5～3.0，以孤立分散孔洞為主的儲層m一般大于3.0[52]；張龍海等[10]通過巖心實驗進一步證實了孔隙結構指數m與孔隙結構存在著良好相關性，儲層孔隙結構指數反映的是孔隙結構的配置和孔隙之間的連通情況。因此利用孔隙結構指數m表征孔隙結構具有其內在的物理意義，同時還可以彌補在缺少壓汞資料和核磁共振測井情況下評價孔隙結構的可能。

圖4 不同孔隙結構特征與孔隙結構指數m的關系Fig.4 Relationship between different pore structure characteristics and pore structure index m

目前孔隙結構指數m主要通過3種方式獲得：①巖電實驗。但受制于巖心樣品數量且為離散樣本點。②介電掃描測井。斯倫貝謝公司推出的介電掃描測井利用不同頻率的高頻電磁波來測量巖石的介電常數和電導率，根據其特有的頻散特征與巖石孔隙結構的關系，進而獲得連續m。③理論公式推導。為了突破傳統實驗手段以及介電掃描測井測量價格昂貴且應用普及率低的問題，不少學者著手從理論推導方面開展m的計算研究[53-58]，目前關于孔隙結構指數m的計算已取得較大進展，具體研究進程在文獻[16]中有詳細介紹，在此不做闡述，其中，田瀚等[59-60]于2019年提出了基于裂縫形態的多孔介質模型，該模型較全面地考慮了各種孔隙類型及裂縫傾角的影響，能夠連續計算得到孔隙結構指數m。圖5所示為利用多孔介質模型計算的孔隙結構指數m評價儲層孔隙結構的探索，計算的孔隙結構指數m與介電掃描測井得到的m相一致。可以發現在4 669～4 671 m處，計算m為2.6～2.7，成像圖上表現為孤立溶蝕孔洞；而在4 681～4 683 m 處，計算m為1.9～2.2，成像圖上表現為連通的均勻溶蝕孔洞特征，這說明孔隙結構指數m從在測井尺度上對孔隙結構特征進行表征，而且突破了傳統的巖心尺度的束縛，更具使用價值。

圖5 利用孔隙結構指數m反映儲層孔隙結構特征Fig.5 Using the pore structure index m to reflect the pore structure characteristics of the reservoir

2 結論及展望

傳統儲層“四性”關系是建立在均質各向同性、相互連通的粒間孔隙儲層基礎上[53]。而碳酸鹽巖儲層由于各種裂縫和溶洞的存在，其完全改變了孔隙型儲層的性質，不同的孔隙類型和孔隙形態導致儲層性質發生很大的變化，儲層強烈的非均質性使得傳統的“四性”關系遭到破壞，因此要想從本質上弄清楚碳酸鹽巖儲層發育特征，那就必須從微觀機理入手，加大對儲層孔隙結構的研究。從上述分析來看，孔隙度結構研究存在以下特點。

(1)巖石實驗分析。壓汞法、鑄體薄片、CT掃描和掃描電鏡是目前巖石孔隙結構研究的主要手段，壓汞毛管壓力曲線雖然能夠有效反映喉道及其相連通的孔隙空間情況，但是孔隙的大小、孔喉分布及配置關系難以表征；鑄體薄片、CT掃描和掃描電鏡雖然能直觀反映孔隙結構特征，并需要通過數學圖像處理來提取孔隙特征、孔隙大小分布及其特征參數，同時受巖石樣品數量限制，巖石實驗分析只能針對取心巖樣開展研究，無法推廣應用。

(2)核磁T2譜分析。核磁共振T2分布譜與孔隙結構直接相關，與傳統的實驗分析相比，具有快速、無損害、連續等特點，已成為孔隙結構評價的重要方法之一。不管是利用T2譜構建核磁毛管壓力曲線還是譜形態分析，其關鍵就是如何確定核磁T2譜與毛管壓力曲線之間的轉換系數，對于碳酸鹽巖復雜的孔喉配置關系，不同儲層類型的轉換系數不再是一個常數，制約著兩者之間的有效轉換。

(3)巖電機理分析。儲層孔隙結構的差異直接影響著巖石導電特性，因此從導電機理入手，開展孔隙結構已成為新的研究趨勢。成像孔隙度譜雖然采用類似核磁T2譜的分析方式研究儲層孔隙結構，但其是從溶蝕孔洞發育程度上間接表征孔隙結構，與孔隙結構參數并無明顯直接聯系，局限性較強；而孔隙結構指數m與儲層孔隙結構有著相近的物理意義，隨著巖石導電機理的深入研究，利用孔隙結構指數m評價孔隙結構不失為一種有效方法，關鍵在于如何準確計算得到m。

目前所應用的各種孔隙結構分析方法在應用時均存在潛在的假設和使用條件限制，面對復雜的碳酸鹽巖儲層，不同的評價方法存在相應的優劣勢，因此如何能夠建立有效的測井評價方法一直困擾著研究人員。如今隨著數字巖心技術的發展，人們已經可以通過人為加入不同影響因素來進行數值模擬，在人為設置孔隙結構特征的情況，開展數字巖心的巖石導電規律，尤其是孔隙結構指數m與孔隙結構之間的定量關系至關重要，這也是后續開展孔隙結構定量研究的方向。