基于數字巖心建立的評價碳酸鹽巖完整孔喉結構的方法
——以川西北棲霞組為例

李 騫，張鈺祥，李 滔，楊勝來，胡 碟，吳婷婷，王 蓓，李 秋

（1.中國石油西南油氣田分公司勘探開發研究院，四川成都 610041；2.中國石油大學（北京）油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249）

川西北位于四川省廣元市劍閣縣境內，研究區棲霞組氣藏埋深超過7 000 m，原始地層壓力為95 MPa，地層溫度為154 ℃，儲層特低孔低滲透（平均孔隙度為3.4%，平均滲透率為3.35 mD），平均儲層厚度約為20 m，屬于超深高溫高壓海相碳酸鹽巖氣藏［1-2］。受構造和熱液流體改造作用，儲層微裂縫和溶洞發育，儲集空間類型多樣，不同類型儲層滲流能力差異大［3-6］，探井測試日產氣量為3×104～88×104m3/d，由于該超深氣藏的氣井投資大，亟需準確掌握不同類型儲層孔喉結構特征，快速評價氣藏是否具備普遍高產穩產的基礎，對氣藏實現大規模開發至關重要。

目前評價儲層巖石孔喉結構的技術主要分為定性和定量兩類［7-13］。其中，鑄體薄片和掃描電鏡用于定性分析巖石孔喉大小和形態，而高壓壓汞、微米級CT 掃描和核磁共振等用于定量獲取巖石孔喉大小和分布。高壓壓汞理論測試孔喉半徑為0.003～490 μm，具有成本低和測試快的優點，獲得的毛管壓力曲線是進行儲層分類和滲流能力評價的重要依據［14-15］；基于微米級CT掃描圖像建立數字巖心，可直觀展示巖石儲集空間形態和孔喉匹配關系［16-17］；核磁共振具有無損且測試孔徑范圍大等優點。很多學者采用以上方法分別定性或定量分析了碳酸鹽巖孔喉結構［18-22］。但碳酸鹽巖除發育微米級孔喉和裂縫外，毫米級、厘米級溶洞也較為發育，儲集空間具有顯著的多尺度性，現有研究均未能完整獲取不同類型碳酸鹽巖孔喉分布。如：高壓壓汞實驗不能定量評價碳酸鹽巖中溶洞性質，微米級CT掃描難以同時準確獲取巖石中微米級孔隙和厘米級溶洞性質，而核磁共振無法評價巖石表面未飽和水的溶洞性質。因此，仍缺乏準確獲取不同類型碳酸鹽巖儲層完整孔喉分布的方法，對不同類型碳酸鹽巖的孔喉結構特征仍認識不清。

為此，采用川西北棲霞組碳酸鹽巖微米級CT掃描圖像建立三維數字巖心，定量評價巖石表面溶洞和大孔隙性質，校正高壓壓汞實驗得到的毛管壓力曲線，獲取不同類型碳酸鹽巖完整的孔喉分布和真實的孔喉結構特征，進一步提升對川西北棲霞組不同類型儲層產能的認識。

1 實驗器材與方法

1.1 實驗器材

實驗巖樣取自川西北雙魚石區塊棲霞組儲層探井，根據巖心觀察，選取不發育縫洞（圖1a）、只發育裂縫（圖1b）、只發育孔洞（圖1c）和同時發育縫洞（圖1d）的巖樣各一塊。3 號巖樣為孔隙型，表面既無裂縫也無溶洞；7 號巖樣為裂縫-孔隙型，端面發育明顯的貫通微裂縫；S6-1 號和9 號巖樣的端面分別發育毫米級大孔隙和厘米級溶洞，分別為孔洞型和裂縫-孔洞型。

圖1 實驗選取典型巖樣端面照片Fig.1 End faces of typical rock samples

1.2 實驗方法

依據巖心分析方法行業標準［23］，利用OPP-1 高壓孔滲儀測試所選巖樣的孔隙度、滲透率。依據巖石毛管壓力曲線的測定行業標準［24］，利用美國康塔公司生產的Poremaster PM-33-13 型壓汞儀測試得到所選巖樣的毛管壓力曲線。具體步驟包括：①基于巖樣外表體積選擇膨脹計樣品管，放入巖樣后，放置到低壓站。②輸入樣品、樣品管和汞的相關參數，抽真空，隨后從最小起始壓力1.5 kPa注入汞，以確保低壓分析前樣品管已注滿汞；當壓力增至345 kPa，低壓分析完成，測量孔喉半徑為2.1～490 μm，測量站返回大氣壓。③將樣品管從低壓站移走，轉移至高壓艙中，運行高壓分析，壓力為140～231 MPa，測量孔喉半徑為0.003～5.25 μm，高壓分析完成。④實驗結束，卸載并倒空樣品管，處理數據。

2 實驗結果及分析

2.1 儲集類型劃分

各巖樣基礎物性參見表1，結合目的儲層儲集類型分類標準［25］，將所選巖樣分為孔隙型、裂縫-孔隙型、孔洞型和裂縫-孔洞型?？紫缎蜐B透率、孔隙度均較低，物性最差；裂縫-孔隙型滲透率較高、孔隙度較低，物性較好；孔洞型滲透率較低、孔隙度較高，物性較差；裂縫-孔洞型滲透率、孔隙度均較高，物性最好。

表1 高壓壓汞實驗巖樣物性Table1 Physical properties of rock samples in high pressure mercury injection experiment

2.2 高壓壓汞實驗結果

依據碳酸鹽巖儲集空間的劃分標準［26-27］，高壓壓汞實驗結果顯示各類型巖樣的儲集空間均以微孔隙為主（圖2），最大孔喉半徑為105 μm，這顯然與實際不符。需要指出的是，各類型巖樣的毛管壓力曲線呈現先下凹、后上凸的形態，因此無需進行麻皮效應校正［28-29］。排驅壓力、最大汞飽和度和退汞效率共同反映了巖樣孔隙空間的連通性、滲流能力和非潤濕相采收率［30］。裂縫-孔洞型巖樣的排驅壓力比裂縫-孔隙型巖樣高，而最大汞飽和度和退汞效率反而均低于裂縫-孔隙型巖樣。這與巖樣的基本物性矛盾。這是由于高壓壓汞實驗的最大理論測試孔喉半徑為490 μm，獲得的毛管壓力曲線未能計量巖樣表面孔喉半徑大于490 μm 的大孔隙或小溶洞，不能反映裂縫-孔洞型巖樣的真實物性。結果（表2）表明，各類型巖樣不同尺寸孔隙對應不同的進汞飽和度，孔隙型和裂縫-孔隙型中微孔隙含量要遠遠高于孔洞型和裂縫-孔洞型。

圖2 實驗所得毛管壓力曲線Fig.2 Capillary pressure curves obtained from the experiment

表2 實驗所得毛管壓力曲線特征值及孔隙體積分布匯總Table2 Characteristic values of capillary pressure curves and mercury saturation of various pores obtained from experiment

3 數字巖心法校正毛管壓力曲線

三維數字巖心可準確反映巖樣孔喉空間形態，定量評價巖樣孔隙、裂縫和溶洞性質［31］，被廣泛應用于定量分析巖石孔隙結構。三維數字巖心測量孔徑范圍與CT 掃描分辨率密切相關。對比高壓壓汞實驗和數字巖心（分辨率為8 μm）評價碳酸鹽巖不同尺寸孔隙的能力，發現微米級CT掃描可較好地彌補高壓壓汞實驗測量范圍較小的不足。結合三維數字巖心定量評價巖樣表面溶洞和大孔隙性質，進一步校正巖樣毛管壓力曲線，則可得到巖樣較為完整的孔喉分布。本文稱該校正方法為數字巖心法。

3.1 數字巖心法校正原理

壓汞測試前，對切割后的柱塞巖樣進行分辨率為8 μm 的微米級CT 掃描，得到其原始CT 圖像。首先，基于原始CT 圖像，利用Mask 方法，對圖像進行判定，在Mask 區域內的體素被判定為有效體素，在Mask 區域之外的體素被判定為無效體素，從而為構建完整的數字巖心模型提供必要條件。其次，對原始CT 圖像進行中值過濾和圖像二值化。圖像中值過濾是一種非線性的圖像處理方法，能在有效抑制隨機噪聲的同時不使邊緣變得模糊，從而得到原始CT 圖像的灰度圖像（圖3a）。圖像二值化采用分水嶺算法［32］，即基于灰度值頻率直方圖選取適當的閾值對灰度圖像進行二值化處理，得到表征孔隙和巖石骨架的二值化圖像（圖3b），處理后灰度圖像中數據量將大大減少。最后將所有二值化圖像相疊，得到表征孔隙空間的數字巖心（圖3c）。選擇數字巖心孔隙空間中的表面溶洞和大孔隙，使用等效半徑（定義為與該孔隙具有相同體積的球體半徑）定量表征表面溶洞和大孔隙的尺寸?；讷@得的巖樣表面溶洞和大孔隙的等效半徑，計算對應的進汞飽和度；將巖樣表面溶洞和大孔隙對應的毛管壓力和進汞飽和度加入到毛管壓力曲線中，最終獲得反映巖樣完整孔喉分布的毛管壓力曲線。

3.2 校正結果及分析

由全柱塞巖樣的CT 圖像（圖4）可以看出，紅色區域為巖樣孔隙空間，灰色區域為巖樣骨架。由重構三維數字巖心（圖5）可以看出，三維數字巖心展示的各類型巖樣內部孔隙特征十分明顯：3 號巖樣（孔隙型）主要發育小孔隙，7號巖樣（裂縫-孔隙型）主要發育微裂縫，S6-1號巖樣（孔洞型）主要發育大孔隙，9 號巖樣（裂縫-孔洞型）同時發育小溶洞、大孔隙和裂縫。9 號巖樣孔隙體積最大，最大值超過300 mm3，其次是S6-1 和7 號巖樣，3 號巖樣孔隙體積最小，最大的不超過1 mm3。對比表1 和表3 發現，受分辨率影響，CT 掃描不能識別半徑小于4 μm的微孔隙，而孔隙型和裂縫-孔隙型巖樣又以微孔隙為主，因此二者的數字巖心孔隙度小于實驗測試值；實驗測試孔隙度為連通孔隙度，受孤立溶洞的影響，孔洞型和裂縫-孔洞型巖樣數字巖心的孔隙度高于實驗測試孔隙度。分析數字巖心校正不同類型巖樣不同類型孔隙的進汞飽和度，結果（表3）表明，裂縫-孔洞型巖樣表面存在1 個小溶洞，等效半徑為3 558 μm，對應汞飽和度為32.6%；孔洞型巖樣表面存在5 個大孔隙，平均等效半徑為515 μm，對應汞飽和度為0.6%。將巖樣表面溶洞和大孔隙對應的毛管壓力和進汞飽和度加入到對應的毛管壓力曲線中，最終獲得不同類型巖樣數字巖心法校正后的毛管壓力曲線（圖6）。圖6 顯示，校正后裂縫-孔洞型巖樣的毛管壓力曲線變化最大，主要分為小溶洞段（①段）和小微孔隙段（②段），呈現明顯的雙重孔喉特征；孔洞型巖樣分為大孔隙段（③段）和大微孔隙段（④段），校正前后毛管壓力曲線變化不大，仍以微孔隙為主。裂縫-孔隙型巖樣微裂縫發育，汞先進入大微裂縫和基質孔隙（⑤段），然后再進入小微裂縫和基質孔隙（⑥段），最大汞飽和度低于孔隙型，退汞效率高于孔隙型巖樣。校正后裂縫-孔洞型巖樣的毛管壓力曲線更靠近坐標軸左下方，表明校正后其物性優于其他類型巖樣，這與巖樣基礎物性保持一致（表1）。對校正后的毛管壓力曲線進行定量分析，列出不同類型巖樣的毛管壓力曲線特征量見表3。數字巖心法校正后，裂縫-孔洞型和孔洞型巖樣的排驅壓力和汞飽和度中值壓力均大幅度下降，低于裂縫-孔隙型和孔隙型巖樣；裂縫-孔洞型巖樣的最大汞飽和度和退汞效率大幅度提高，其退汞效率高于孔隙型，由于瓶頸孔的存在，溶洞發育的裂縫-孔洞型巖樣退汞效率低于裂縫-孔隙型巖樣；孔洞型巖樣的最大汞飽和度和退汞效率也有輕微增加，但由于瓶頸孔的大量存在且又無有效裂縫溝通，退汞過程中大部分汞滯留在瓶頸孔中，因此孔洞型巖樣的退汞效率最低。

圖3 CT掃描法生成數字巖心Fig.3 Digital core from CT scan

圖4 不同巖樣的CT掃描圖像Fig.4 CT scan images of different rock samples

圖5 不同巖樣的數字巖心Fig.5 Digital cores of different rock samples

表3 數字巖心法校正后不同巖樣的毛管壓力曲線特征量及孔隙體積分布Table3 Characteristic values of capillary pressure curves and mercury saturation of various pores corrected by digital cores

圖6 數字巖心法校正后不同巖樣的毛管壓力曲線Fig.6 Capillary pressure curves of different rock samples corrected by digital cores

3.3 校正方法準確性分析

在高壓壓汞實驗前，對切割前的實驗巖樣進行了滲流能力測試實驗：將巖樣放入巖心夾持器中，并按照流程圖（圖7）連接好實驗裝置，建立地層溫度和壓力條件。實驗圍壓為130 MPa，流體壓力為95 MPa，實驗溫度為95 ℃。實驗開始時保持入口端壓力為95 MPa，控制巖心夾持器下游的回壓閥逐級降低出口端壓力，在每個凈有效應力點同步測量出口端氣體瞬時流量、巖心夾持器入口端和出口端壓力，直至出口端壓力降低至65 MPa。用入口端、出口端壓力和巖樣長度計算巖樣的壓力平方差梯度，并計算實驗過程中巖樣的氣測滲透率。最終得到4種不同類型巖樣的滲流能力變化規律，即氣體流量和巖樣氣測滲透率隨壓力平方差梯度的關系曲線（圖8）。

圖7 實驗流程Fig.7 Flow chart of high pressure mercury injection experiment

圖8 不同巖樣滲流能力變化規律曲線Fig.8 Trends in seepage capacities of different rock samples

相同壓力平方差梯度下，裂縫-孔隙型和裂縫-孔洞型巖樣的氣體流量較大，其次是孔隙型巖樣，而孔洞型巖樣的氣體流量最小。隨著出口端壓力的降低，壓力平方差梯度增大，裂縫-孔隙型和裂縫-孔洞型巖樣的氣測滲透率均表現為先增大后減小（裂縫-孔隙型巖樣滲透率變化更明顯），孔隙型巖樣滲透率逐漸增大而趨于不變，孔洞型巖樣滲透率最小且變化較小。這是由于：隨著出口端壓力下降，凈應力增加，裂縫發生閉合，裂縫-孔隙型和裂縫-孔洞型的氣測滲透率大幅度下降，當裂縫閉合至一定程度不再閉合，滲透率則趨于穩定，此時巖樣依靠裂縫溝通的喉道仍能保持一定的滲流能力。而孔洞型巖樣只發育大孔隙，不發育裂縫，其主要滲流通道為喉道，喉道數量和尺寸較小，在地層應力條件下，細小喉道極易發生閉合導致主要滲流通道關閉，故滲流能力極差?？紫缎蛶r樣喉道數量較多，在地層應力條件下，仍有部分喉道保留有效孔隙，因此其滲流能力能保持一定的水平。

裂縫-孔隙型巖樣的滲流能力最好，該類型儲層的產能最高，對應校正后其退汞效率最高；裂縫-孔洞型的滲流能力略微低于裂縫-孔隙型，該類型儲層的產能較高，對應校正后其退汞效率較高；由于瓶頸孔的存在，孔隙型和孔洞型巖樣的滲流能力分別低于裂縫-孔隙型和裂縫-孔洞型，對應校正后其退汞效率分別低于裂縫-孔隙型和裂縫-孔洞型，孔洞型巖樣喉道數量較少，受瓶頸孔影響最大，因此退汞效率最低，產能最低。滲流實驗得到結果與校正后毛管壓力曲線的結果一致，表明毛管壓力曲線校正方法是正確有效的。

4 儲層巖石孔喉結構特征

基于數字巖心法校正前后的毛管壓力曲線，可進一步得到校正前后巖樣孔喉體積分布曲線，對累積汞飽和度進行歸一化處理可得巖樣孔喉體積累積分布曲線（圖9，圖10）。對比圖9和圖10可知，數字巖心法校正前后孔隙型和裂縫-孔隙型巖樣的孔喉體積（累積）分布曲線無變化，校正后孔洞型和裂縫-孔洞型巖樣的孔喉分布范圍更大，儲集空間非均質性更強。其中，孔隙型巖樣主要發育孔隙半徑小于0.3 μm 的微孔隙；裂縫-孔隙型巖樣主要發育孔隙半徑小于2.76 μm 的微孔隙和裂縫寬度為53.7，1.5 和0.036 μm 的微裂縫；孔洞型巖樣主要發育孔隙半徑為0.54 μm 左右的微孔隙、21.4 μm 左右的中孔隙和515 μm 左右的大孔隙；裂縫-孔洞型巖樣主要發育孔隙半徑為0.089～0.356 μm 的微孔隙、21.4 μm左右的中孔隙和大于1 mm的小溶洞。

圖9 數字巖心法校正前巖樣孔喉結構評價曲線Fig.9 Evaluation curves of pore-throat structure of rock samples before correction by digital cores

圖10 數字巖心法校正后巖樣孔喉結構評價曲線Fig.10 Evaluation curves of pore-throat structure of rock samples after correction by digital cores

根據參考文獻［33-34］公式，進一步評價不同類型碳酸鹽巖巖樣的孔喉結構特征。由數字巖心法校正前后不同類型巖樣的孔喉特征參數（表4）可知，數字巖心法校正后，裂縫-孔洞型巖樣的孔喉半徑中值、孔喉半徑均值均大幅提高，歪度由負值變為正值，儲氣能力增強，孔喉分布曲線呈雙峰分布，分別集中在微孔隙和溶洞，分選系數增大，孔隙空間非均質性變強；孔洞型巖樣的最大孔喉尺寸和平均孔喉尺寸均有較大幅度提高，平均孔喉半徑高于孔隙型和裂縫-孔隙型，呈粗歪度，儲氣能力增強，孔喉分布曲線呈單峰分布，以微孔隙為主（集中在0.539 μm），孔隙分選性優于裂縫-孔隙型。裂縫-孔隙型和孔隙型巖樣的孔喉結構特征校正前后未發生變化。裂縫-孔隙型巖樣平均孔喉半徑大于孔隙型巖樣，呈細歪度，同時發育多尺度微裂縫，孔喉分布曲線呈多峰分布，孔隙分選性比孔隙型巖樣差?？紫缎蛶r樣的平均孔喉半徑最小，孔喉分布曲線呈單峰分布，孔喉尺寸分布最為集中（0.089 μm附近），分選性最好。

表4 不同類型巖樣的孔喉特征參數Table4 Pore-throat characteristic parameters of different rock samples

分析表明，數字巖心法校正后，裂縫-孔洞型巖樣的平均孔喉半徑最大，孔喉分布范圍最廣，分選性最差，孔喉結構最為復雜，儲滲性能最優。裂縫-孔隙型和裂縫-孔洞型巖樣的物性分別優于孔隙型和孔洞型。數字巖心法校正后的毛管壓力曲線和孔喉體積分布曲線更加準確地反映了巖石孔喉結構特征，提升了對川西北棲霞組多類型碳酸鹽巖儲層孔隙空間的認識程度。裂縫發育對于儲層高產十分重要，為進一步研究編制棲霞組氣藏年產10×108m3試采方案、部署新井提供了重要的理論支持。

5 結論

運用數字巖心法定量表征巖樣表面溶洞和大孔隙，校正高壓壓汞法得到的毛管壓力曲線，建立了定量評價碳酸鹽巖微米-厘米級孔喉結構的方法，彌補了高壓壓汞法測試尺度局限。數字巖心法校正后，孔洞型和裂縫-孔洞型巖樣孔喉分布范圍和分選系數均增大，雙重介質特征顯著，與巖石基礎物性更加吻合。本研究提升了毛管壓力曲線評價碳酸鹽巖儲層孔喉結構的準確性，增進了對川西北棲霞組氣藏孔洞型和裂縫-孔洞型碳酸鹽巖滲流能力的認識，進一步提升了碳酸鹽巖氣藏儲層評價準確性。