塔里木盆地柯坪周緣地區肖爾布拉克組白云巖孔隙結構全孔徑表征

柳青兵， 蔡忠賢*， 薛玉芳， 何君毅

(1.中國地質大學(武漢)資源學院， 武漢 430074； 2. 中國地質大學(武漢)構造與油氣資源教育部重點實驗室， 武漢 430074)

塔里木盆地寒武系白云巖具有厚度大、范圍廣、資源量巨大的特征，同時又具有時代老、埋藏深的特點，使得該領域雖然具有廣闊的勘探潛力，但關于碳酸鹽巖儲層非均質性的研究難度大[1]。針對白云巖儲層強非均質性，前人已經做了很多的研究，儲層問題是制約當前勘探的重要因素之一[2]，因此加強儲層的研究，尤其是儲集空間孔喉結構特征的研究，可以有效實現儲層的評價及預測，因而對其定量研究具有重要的意義。

隨著科學技術的發展，目前已經存在大量技術可以刻畫儲層的微尺度孔隙結構[3]。其中成像觀測技術有光學顯微鏡、聚焦離子掃描電鏡和計算機斷層掃描(computed tomography，CT)等[4]；流體侵入技術包括高壓壓汞、恒速壓汞、氮氣吸附和二氧化碳吸附等[5-7]；輻射探測技術有小角中子散射和核磁共振，不同表征技術都有其優缺點。鑄體薄片和掃描電鏡是常用觀察儲層孔喉形態的手段之一[8]；高壓壓汞是定性及半定量評價孔喉結構的經典手段，但反映的孔喉信息雖然為孔隙與喉道的疊加[9]；CT 掃描直觀清晰[10]，但樣品尺寸受限。所以聯合不同的技術手段可以使儲層表征更加全面。Schmitt等[11]聯合高壓壓汞和氮氣吸附技術對蓋層巖石孔隙系統進行了研究，對兩種技術的孔徑分布數據進行融合。采用相同的表征手段和數據融合方法，Xu等[12]得到了阿爾及利亞Sbaa盆地致密砂巖全尺度孔隙大小分布。Zhang等[13]利用核磁共振和氮氣吸附聯合表征得到了松遼盆地致密砂巖全尺度孔隙大小分布。Gou等[14]以相同孔徑下孔隙體積相等為依據，依次將二氧化碳吸附、氮氣吸附、納米CT和微米CT得到的孔隙大小分布進行了拼接，得到了龍馬溪頁巖儲層全尺度孔徑分布。碳酸鹽巖孔隙系統的復雜性體現在孔隙系統和孔隙結構上，并且由于不同手段分析的孔隙結構參數不能表達樣品全孔徑的孔隙結構特征，所以對碳酸鹽巖儲層空間的研究必須著眼于多尺度，需要開展多尺度聯合表征。

現結合以前學者的協同表征方法和分形融合方法，通過塔里木盆地柯坪周緣露頭肖爾布拉克組的4塊碳酸鹽巖樣品聯合表征多尺度孔隙結構特征。

1 實驗方案及選樣

1.1 高壓壓汞實驗

高壓壓汞實驗可分析碳酸鹽巖巖心樣品的孔徑分布。其基本原理是汞入侵巖心時，需要克服相應的毛細管力，測試的每個進汞壓力即對應毛細管阻力[15]。白云巖的壓汞實驗結果通過 AutoPore IV 9520 壓汞儀測量，儀器的壓力測量范圍為 0.036～413.5 MPa,通過Washburn 方程轉換可知，孔喉直徑范圍在145 μm～3.6 nm。在高壓壓汞實驗的過程中，需要提前將碳酸鹽巖樣品通過切割機打造成1 cm×1 cm×1 cm的小正方體，并且在汞注入之前將巖心內部多余的水分去除，要求樣品整體濕度小于9%。通過設置各項實驗參數，便可以得到白云巖的孔隙結構特征。

1.2 微米CT掃描實驗

高分辨率微計算機斷層掃描技術可以用來真實、精確、直觀地表征儲集層巖石的孔隙結構特征，對不同巖性的巖心樣品進行CT掃描成像并構建三維數字巖心，最終實現巖心孔隙結構特征的三維顯示和定量表征[16]。微米CT掃描的樣品制備要求為直徑為2.5 cm的圓柱體，工作原理是通過射線源產生單色X射線最終被放大成像并不間斷采集圖像，儀器采用ZEISS公司的微米級三維立體成像X射線顯微鏡及油氣充注系統掃描設備(型號為Versa 510)，最大分辨率為3 μm。微米CT實驗過程中通常設定工作溫度為20 ℃，8 kV的掃描電壓。分別從X、Y、Z軸方向掃描700張圖片，將2 100余張照片疊加構成原始樣品的三維立體圖像。

1.3 樣品選取

選取的白云巖樣品來源于塔里木盆地柯坪周緣露頭肖爾布拉克組，均為碳酸鹽巖野外露頭巖樣(圖1)。為保證樣品的可區別性，前期對不同樣品進行了巖性識別并進行了物性實驗，篩選了4塊不同巖性類別的白云巖樣品進行高壓壓汞實驗和微米CT掃描實驗，4塊樣品分別為殘余顆粒結構白云巖(L1)、包殼凝塊白云巖(L2)、泡沫棉層白云巖(L3)和泥晶砂屑白云巖(L4)，孔隙類型主要是溶蝕孔和晶間孔，4塊樣品的特征如表1所示。高壓壓汞實驗在中石化無錫石油地質研究所完成，微米CT掃描實驗在中石油勘探開發研究院提高采收率國家重點實驗室完成。

表1 肖爾布拉克組樣品特征Table 1 Characteristics of the Schoerbrake Formation samples

圖1 塔里木盆地構造格局及研究區露頭Fig.1 Tectonic pattern and outcrop of Tarim Basin

2 實驗結果與分析

2.1 孔隙喉道特征

通過巖心手標本和鑄體薄片的觀察，實驗樣品的孔隙類型主要為晶間孔和溶蝕孔，殘余顆粒白云巖為晶間孔，晶間孔半徑介于10～225 μm，其余三種巖石類型主要為溶蝕孔，其孔隙半徑為8～500 μm(圖2)。殘余顆粒白云巖在肖爾布拉克組中上段，宏觀特征表現微灰黃色中-厚層狀，交錯層理發育不明顯。微觀鏡下可觀察到明顯的顆粒組構的形態，巖石內部成分全變成晶粒白云石，巖石結晶程度較高，為粉-細晶結構，泥晶套較易識別，為暗色的微-粉晶結構，顆粒內部為微亮色的微-粉晶結構。微相類型與藻礁伴生，是深緩坡相的上部沉積。包殼凝塊白云巖分布于肖爾布拉克組中部，宏觀上表現為中層狀深灰色白云巖，局部發育暗色條紋，微觀上為亮色微粉晶白云巖，深色組構對應暗色微粉晶白云巖，亮色白云巖在深色白云巖條紋包裹中。其形成為條帶狀白云巖固結之時受改造作用而成風暴作用，形成于深緩坡。泡沫狀棉層白云巖在肖爾布拉克組上段，宏觀特征表現為巖性均勻的米黃色中-厚層狀致密結晶白云巖，針孔(粒模孔)異常發育。微觀鏡下觀察可見大量形似顆粒而非顆粒、富藻層間有大量空腔，形狀如海綿的綿層組構，由藍細菌絲狀體組成格架，其間孔隙為亮晶膠結物全充填或半充填，單個泡沫大小不等，通常介于50～200 μm，周邊環繞著深色的泥晶白云石，內部充填著粉晶白云石膠結物。此類微相經常與砂屑云巖共同存在，多發育于后緩坡瀉湖環境。泥晶砂屑白云巖存在于肖爾布拉克組上段，表現為均質的灰黃色薄層狀，沉積顆粒為次圓狀砂屑。泥晶化作用明顯反映在粒內，而粒間為泥晶基質充填，并含有較少亮晶膠結。沉積于較弱的水動力條件。

2.2 高壓壓汞

塔里木盆地柯坪周緣露頭肖爾布拉克組白云巖各個樣品曲線形態比較相似(圖3)，在小于0.2 MPa的低壓階段，當絕對壓力增大時，累計進汞量也顯著增大，對應存在大量5 μm以上的孔隙；在0.2～1.2 MPa時，毛管壓力曲線形態平緩表明進汞量較少，存在少量孔隙；當壓力高于1.2 MPa，進汞量又出現明顯增大的表現，因為這一范圍有大量小于0.5 μm的孔隙，L1樣品只有很短的平緩曲線，其進汞量一直持續增加，直至壓力達到21 MPa，進汞量沒有變化。在累計退汞曲線表現為逐漸下降后直至平緩，因為高壓壓汞技術存在有效的實驗范圍，難以測量部分微孔和中孔，所以這一范圍可能發育大量的孔隙。在孔體積變化率分布圖中存在兩個波峰，分別是2～5 nm和10～70 nm，很明顯可以觀察到小孔徑的波峰峰值大于大孔徑波峰峰值，在第二個波峰段結束后，孔體積隨孔徑的變化率逐漸變小直至為0。

圖2 肖爾布拉克組4類巖石樣品鑄體薄片和手標本Fig.2 Cast thin sections and hand specimens of four types of rock samples from the Xiaerbulake Formation

圖3 寒武系白云巖毛管壓力曲線形態及孔體積變化率分布Fig.3 Morphology of capillary pressure curve and distribution of pore volume change rate of Cambrian dolomite

高壓壓汞實驗測量結果可以說明碳酸鹽巖孔體積中微孔是主要貢獻者。由于碳酸鹽巖孔隙的強非均質性，同時壓汞實驗測試的精度有限，中孔也可能是影響碳酸鹽巖孔體積的主要貢獻者。

2.3 CT掃描

通過CT掃描實驗，重新構建4塊樣品的三維數字巖心，采用圖像統計的方法計算孔隙度，并利用格子玻爾茲曼方法模擬計算滲透率。表2為肖爾布拉克組白云巖巖心孔滲實測結果和數字巖心模擬結果效果對比，孔隙度絕對誤差范圍在0.44%～1.19%，相對誤差為20.25%，滲透率絕對誤差為0.000 3×10-3～0.057 6×10-3μm2，相對誤差為26.9%。分析可得，巖心實際物性測量數據均大于數字巖心模擬得到的孔滲結果，原因在于，一是微米CT掃描實驗儀器最大分辨率受限于14 μm；二是在數字巖心建立過程中，分割和閾值參數選取所產生的誤差。選取4塊樣品中L1呈現孔隙結構網絡模型(圖4)，灰色柱狀體為連通孔隙的吼道，不同大小孔隙用不同顏色的球體表示。通過對高壓壓汞實驗結果分析可得排驅壓力、孔喉半徑、Swanson參數和迂曲度等孔隙結構參數，數字巖心建立后得到縱橫比、形狀因子、配位數和迂曲度等參數，表3是兩種實驗手段獲得的特征參數對比。微米CT掃描實驗還原巖心的三維孔隙網絡模型可以獲取大量的定量化參數，且這些參數與高壓壓汞實驗結果擬合較好，還能以對樣品0損耗的特點進行定性表征，是擴大多尺度孔隙表征范圍的合適手段。

表2 肖爾布拉克組白云巖孔滲計算對比Table 2 Comparison of pore and permeability calculation in dolomite of Xiaerbulake Formation

圖4 L1樣品重建后孔隙結構模型Fig.4 Pore structure model after L1 sample reconstruction

表3 高壓壓汞和CT掃描孔隙結構參數Table 3 High pressure mercury injection and CT scanning of pore structure parameters

3 多方法聯合表征多尺度孔隙

碳酸鹽巖的孔徑尺度跨越范圍大，從微觀到宏觀尺度，僅用一種技術手段不足以描述碳酸鹽巖全孔徑的孔隙結構。高壓壓汞測量的最小孔徑尺度范圍小于微米CT測量的最小孔徑，微米CT測量的最大孔徑尺度范圍大于高壓壓汞測量的最大孔徑。因此，選取以上兩種方法聯合表征樣品整體的孔徑特征，嘗試將高壓壓汞實驗和微米CT掃描實驗結果相結合，共同表征塔里木盆地寒武系肖爾布拉克組白云巖多尺度孔隙結構特征。

3.1 傳統融合方法

基于高壓壓汞毛細管壓力技術和微米CT掃描技術相結合作為互補技術，兩種技術分別獲得不同尺度孔隙度值和孔徑尺寸分布，傳統的拼接方法可應用Barret-Joyner-Hallenda (BJH)理論對微孔和中孔的尺寸分布進行了研究。聯合高壓壓汞和微米CT實驗測試結果，通過相同孔徑條件下孔隙體積變化相同的拼接方法來確定完整孔隙大小，所以有必要計算高壓壓汞和微米CT的測量值所連接孔隙大小的具體位置即連接點，因此該方法考慮的是從小孔隙中測量的增量體積開始，所有孔隙體積的總和，即高壓壓汞測量的體積，同理微米CT實驗模擬壓汞也存在小孔隙流入體積增量。兩種技術流體充填相同直徑的孔隙時，也就是當觀察到的流過孔隙結構的流體體積變化相等時，因此，兩種技術表征尺度的連接點位于兩個導數的第一個交點，可通過圖解的方法求出這個函數的解，得到的相交點即拼接點。

實驗數據分別為4個巖心樣品高壓壓汞實測不同孔徑下累計進汞量全段和微米CT數字模擬壓汞不同孔徑下累計進汞量片段(圖5)，通過對兩種技術測量的實驗數據進行擬合，顯示了不同孔徑流體體積變化量隨孔徑變化的結果，這兩種方法的流體體積變化相同的情況時，即L1、L2、L3和L4樣品孔徑為38.85、67.10、41.06和30.32 μm，可以得到一階導數曲線的交點，即可通過拼接點孔徑分別為38.85、67.10、41.06和30.32 μm，對4個樣品多尺度孔徑拼接。

3.2 分形融合新方法

在石油和天然氣工業中，供油氣儲集和流通的儲集巖是一種具有復雜微觀結構的天然多孔介質，合理地表征油氣儲集巖孔隙結構對于石油勘探開發具有重要意義。碳酸鹽巖中存在數量巨大、種類繁多的孔隙，這些孔隙在空間中隨機分布，大小跨越幾個數量級，并通過喉道相互連通，形成復雜的孔隙網絡，對于如此復雜的微觀孔隙系統，歐氏幾何不能給予準確的描述和表征。于是，多孔介質的分形表征采用分形方法來分析多孔介質，主要參數是分形維數，通過分形維數可以定量描述樣品孔隙結構的不規則性[17-18]。通過分形幾何學基本理論，以高壓壓汞測試數據、微米CT掃描實驗處理數據為基礎，對碳酸鹽巖孔隙結構分形特征進行研究, 探討孔隙結構分形規律，并探討高壓壓汞和微米CT模擬壓汞之間的分形融合關系。通過高壓壓汞實驗分析得到碳酸鹽巖孔隙結構的分形維數，目前是巖心孔隙結構表征普遍適用的技術手段。孔隙分形維數的計算公式為

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

(1)

D=K+3

(2)

式中：Shg為累計飽和度，%；Pmin為最小孔徑對應的毛細管壓力，MPa；Pc為毛細管壓力，MPa；D為分形維數。選取了塔里木盆地寒武系肖爾布拉克組4個白云巖樣品進行測試，通過高壓壓汞和微米CT掃描實驗，將不同白云巖樣品的壓汞曲線相關數據和微米CT實驗數據數值模擬高壓壓汞得到的結果按照上述公式進行整理，通過lg(1-Shg)和lgr(r為孔喉半徑)的交匯圖可以得到，斜率K+3即為D。曲線不是一條直線而呈明顯的多段式，表明低滲透儲層孔喉結構具有多重分形特征。因此，分別統計4個樣品的4段分形維數D1、D2、D3、D4，可以得到，4段的分形維數都介于2～3，且相關系數R2均大于0.8。第3段和第4段是數據處理后高壓壓汞技術和微米CT模擬壓汞技術的拼接段，4個樣品在這兩段的分形維數值相近，均能表示這兩段孔隙結構相同且具有高度復雜程度，即由圖中紅色圈中部分表示拼接段，相對應拼接范圍。

圖5 巖心不同孔徑下流體體積變化量Fig.5 Variation of fluid volume under different pore sizes of cores

圖6 巖心高壓壓汞和微米CT數值模擬分形拼接特征曲線Fig.6 Fractal splicing characteristic curves of high-pressure mercury injection and micron CT numerical simulation of core

3.3 分形拼接和傳統拼接融合驗證

4個樣品在高壓壓汞和微米CT掃描數值模擬壓汞兩種實驗技術測量下存在相同范圍的孔徑段分別為15.843 4～175.126、14.833～175.171、15.556 6～175.866和14.832～174.608 μm，因為相同孔徑流體體積變化量相同，根據傳統拼接手段的拼接結果可知，4種巖石類型孔徑為38.85、67.1、41.06和30.32 μm時，是兩種手段流體體積變化相同的拼接點；根據對兩種技術進行分形特征研究得到多段式的全孔徑分形特征曲線，呈現明顯的多重分形特征，表明儲層大孔隙和小孔隙的孔隙結構不同，L1有4段分形維數，且第3和第4段的分形維數相近，分別為2.724和2.921，表示這2段孔隙結構相似，對應這一段存在的共同孔徑范圍示為拼接段，拼接范圍為15.55～79.95 μm，尺度范圍擴大為0.015～1 417.128 3 μm；L2樣品有4段分形維數，且第3和第4段的分形維數相近，分別為2.767和2.823，拼接范圍為14.83～73.44 μm，尺度范圍擴大為0.015～675.213 4 μm；L3樣品有4段分形維數，且第3和第4段的分形維數相近，分別為2.921和2.891，拼接范圍為14.83～61.14 μm，尺度范圍擴大為0.015～441.883 8 μm；L4樣品有4段分形維數，且第3和第4段的分形維數相近，分別為2.884和2.786，拼接范圍為13.92～51.73 μm，尺度范圍擴大為0.015～597.169 9 μm。綜上4個樣品傳統手段的拼接點均在分形拼接段范圍內，分形融合多尺度孔徑驗證有效。

4 結論

(1)4塊碳酸鹽巖樣品孔隙主要發育有晶間孔和溶蝕孔，高壓壓汞實驗顯示樣品門檻壓力介于0.4～14.63 MPa，孔喉分布呈雙峰態，晶間孔半徑介于10～225 μm，溶蝕孔孔隙半徑在8～500 μm。微米CT掃描實驗分析得到巖心的平均孔隙半徑為49.12 μm，喉道以細喉道分布為主，孔喉配位數平均3.84，喉道半徑較小是導致巖心樣品滲透率差的直接原因。微孔、中孔和宏孔均十分發育，貢獻了75%的孔體積。

(2)微米CT掃描實驗重建數字巖心的孔滲模擬結果與巖心實測物性近似相同。高壓壓汞實驗和微米CT掃描實驗獲取的孔隙結構參數擬合程度較高。微米CT掃描可以直觀、無損和定量分析孔喉，并通過數值模擬壓汞的手段為研究多技術聯合表征孔隙結構貢獻了新方法。

(3)通過高壓壓汞和微米CT掃描方法的傳統拼接，多尺度地表征了塔里木盆地寒武系肖爾布拉克組白云巖的孔隙結構，孔徑分布范圍變大；利用分形拼接新方法，通過分形維數參數的表征得到兩種技術的拼接范圍，驗證拼接范圍的有效性，進一步延伸可獲得4個樣品的總分形維數表征多尺度孔徑整體的孔隙結構特征。