高精度CT成像技术在致密油储层孔隙结构研究中的应用——以准噶尔盆地玛湖西斜坡风城组为例

孙 乐， 王志章， 于兴河， 潘 潞， 张国印

( 1. 中国地质大学(北京) 能源学院，北京 100083； 2. 中国石油大学(北京) 地球科学学院，北京 102249； 3. 中国石化上海海洋油气分公司 勘探开发研究院，上海 200120 )

高精度CT成像技术在致密油储层孔隙结构研究中的应用
——以准噶尔盆地玛湖西斜坡风城组为例

孙 乐1， 王志章2， 于兴河1， 潘 潞3， 张国印2

( 1. 中国地质大学(北京) 能源学院，北京 100083； 2. 中国石油大学(北京) 地球科学学院，北京 102249； 3. 中国石化上海海洋油气分公司 勘探开发研究院，上海 200120 )

二叠系下统风城组为准噶尔盆地玛湖西斜坡致密油主力产层。基于CT成像的三维高精度储层表征、扫描电镜和压汞测试等方法，分析风城组致密油储层微观孔隙结构。选取并制备直径为65 μm的CT实验样品进行纳米尺度扫描，构建纳米级孔隙三维结构模型，分析不同深度样品物性特征，以及孔喉大小、形态、空间分布和连通性。结果表明：在微米尺度下，实验样品孔喉大小差异大，半径为2～50 μm，呈孤立状或条带状分布于粒间或粒内，数量少但占孔隙体积大；在纳米尺度下，样品孔喉半径为0.05～0.30 μm，纳米级孔隙数量增多，呈管状或球状分布于矿物颗粒(晶体)内部或表面，纳米级球状微孔连通性较差，三维空间呈孤立状，多作为储集空间；计算样品孔隙度与岩心分析孔隙度结果接近。该研究结果可为研究区致密油储层进一步勘探提供指导。

CT三维成像； 致密油储层； 微观孔隙结构； 玛湖西斜坡； 准噶尔盆地

0 引言

近年来，致密油勘探开发引起广泛关注，它与常规油气藏不同，主要表现在油气储集空间微观结构方面，人们对致密油的研究已从微米级扩展到纳米级[1-4]。致密油储层岩性主要为致密砂岩、致密灰岩和致密碳酸盐岩等，储集性能差；孔喉以纳米级为主，连通复杂[5]。中国致密油藏以陆相沉积为主，储层物性较差，目前已在准噶尔盆地二叠系芦草沟组、鄂尔多斯盆地三叠系延长组、四川盆地侏罗系等发现丰富的致密油资源，地质资源量均大于15×108t[6]。致密油储层微观孔隙结构与油气赋存规律、成藏模式、渗流机理、储层保护等关系密切，是衡量和评价储层优劣的重要指标。致密油储层孔隙结构研究发现纳米级孔喉储层类型，可以利用数字岩心技术分析成因。在中国非常规油气储层研究中，应用场发射扫描电子显微镜与纳米CT重构技术，可以发现半径小于1 μm的油气纳米孔[7]。

孔隙结构是影响储集层物性的重要因素，以纳米级孔喉为主的致密油储层的孔隙微观结构对其孔渗特征具有很大影响[8-10]，表征储层微观孔喉结构成为致密油储层研究的主要内容。沉积作用和成岩作用是造成储层孔隙类型多样、结构复杂、不均一性强的主要原因[11]。储层孔隙结构分析是以岩石样本为基础的微观分析技术，呈多学科交叉的特点[12]。偏光显微镜利用矿物折射光学特性进行研究和确定样品结构，极限分辨率为0.2 μm；镜下岩石铸体薄片可以直接观察孔隙、喉道及其相互连通的二维孔隙结构，通过分析孔喉类型、面孔率、孔喉配位数等对孔隙结构进行定量表征。扫描电镜具有极高的分辨率，极限分辨率达0.8～20.0 nm，可以研究储集岩的矿物成分、结构构造、孔隙类型及成因、胶结程度及次生变化，但较难反应孔喉的三维分布和孔隙连通等信息[13-15]。压汞法通过测定毛细管力间接测定岩石的孔隙喉道大小分布，但仅适用于相互连通微孔，且测量微孔尺寸范围有限[16-17]。这些孔隙结构分析方法难以全面反映致密油储层的储集空间特征，在描述储层孔隙类型、形态、连通性和孔隙度等方面具有局限性，且难以兼顾定性分析和定量表征[18-19]。X线断层成像技术能对岩石样品进行三维快速扫描成像，针对不同尺寸样品进行微—纳米CT分析，利用扫描图像数值重构孔喉三维结构模型，获取不同方位微米、纳米级孔喉结构显示，不仅能反映孔喉结构整体信息，也能对致密储层微观孔喉分布非均质性特征进行三维表征[20-22]。笔者采用微—纳米CT技术，结合其他实验方法，对准噶尔盆地玛湖西斜坡风城组致密油储集层微观孔喉结构进行表征。

1 地质背景

乌夏地区地处准噶尔盆地西北缘，位于哈拉阿拉特山南部，西起百口泉地区，东南为玛湖凹陷，包括风乌断裂带、玛湖西斜坡和夏子街地区(见图1)，为走向呈北东—南西向的断褶带。受海西、印支、燕山及喜马拉雅等构造叠加作用，玛湖西斜坡构造表现为东南倾的平缓单斜，局部发育背斜、鼻状构造或低幅度平台[23]。

图1 准噶尔盆地乌夏地区构造位置Fig.1 The structural location of Wuxia area in Junggar basin

玛湖西斜坡是准噶尔盆地致密油气勘探研究的重点地区之一，其主要富烃凹陷——风城组有机质丰度较高、类型较好、成熟度较高，生油岩发育程度较好，是盆地西北缘其他层位油气的主要来源。2011～2012年，风南7井在风城组三段致密凝灰质云岩中首获工业油流(产量为12.3 m3/d)，突破玛湖西斜坡裂缝欠发育区云质岩致密油工业油流产量记录；远离断裂带的斜坡区仅钻井6口，虽然储层致密，但每口井都见油，表明该区具有较大勘探潜力。

研究区沉积充填下二叠统佳木河组(P1j)和风城组(P1f)、中二叠统夏子街组(P2x)、下乌尔禾组(P2w)及下三叠统百口泉组(T1b)，缺失上二叠统上乌尔禾组(P3w)(见表1)。风城组为研究区目的层，厚度为400～1 400 m，地层向东尖灭；自下而上可划分为风城组一段、二段和三段(风一段、风二段和风三段)。风一段主要发育云质粉砂岩、泥质或凝灰质云岩，夹云质凝灰岩，内部稳定发育两期火山碎屑岩；风二段主要发育云质凝灰岩和泥岩，与泥质和凝灰质云岩互层，夹云质粉砂岩，局部发育膏质粉砂岩；风三段主要发育泥岩、云质泥岩和云质凝灰岩，底部夹泥质和凝灰质云岩。

2 储层特征

2.1 岩性

玛湖西斜坡二叠系风城组发育封闭—半封闭的半深湖沉积环境，伴随火山活动，陆源碎屑岩、碳酸盐岩、火山碎屑岩及过渡性岩类混合发育，形成多种岩石类型。地层岩石普遍经历白云石化作用，白云石质量分数为1.1%～60.6%，平均为16.1%，岩性主要为白云岩、云质泥岩、泥质云岩、云质粉砂岩、粉砂质云岩、凝灰质云岩和云质凝灰岩等(见图2)。云质岩类厚度较大，最厚处达300 m，是致密油的主要储层，其中白云质粉砂岩、泥质白云岩为最有利储层岩性类型。

图2 风城组储层主要岩石类型Fig.2 Main reservoir rock types in Fengcheng formation

2.2 物性

物性特征决定储层的储集及渗流性能。玛湖西斜坡二叠系风城组岩性致密，孔渗普遍偏低，受白云石化作用的影响，地层测井响应特征较为复杂(见图3)。分析该区6口取心井中风城组的199块岩心样品，岩心孔隙度分布为2.00%～14.00%，平均为4.65%(见图4(a))；渗透率分布为(0.003～47.900)×10-3μm2，其中85%的样品渗透率小于1.000×10-3μm2，表现为明显的致密储层特征(见图4(b))。风二段和风三段物性相对较好，发育一定比例中孔，具有“甜点”储层特征。

2.3 孔隙类型

由玛湖西斜坡风城组储层物性分布特征可知，风城组储集空间主要由粒内孔、晶间孔、次生溶孔和裂缝等构成，储层物性较差。风城组原始沉积物粒度较细，埋藏较深，受长期压实作用的影响，原始孔隙不易保存，发育的粒内溶孔呈不规则形状，多为孤立或基本不连通。发育的粒间溶蚀孔隙多呈港湾状或长条状，为致密储层的主要孔隙类型，包括晶间溶孔(见图5(a)、(c))、晶内溶孔(见图5(b)、(d))，主要由盐类矿物、方解石、白云石和长石等矿物受溶蚀而形成，属于微米或纳米级孔隙；部分孔隙被有机质充填(见图5(e))，孔径一般不大于5.00 μm，对改善储层有一定贡献[24]。

3 CT成像储层孔隙结构表征

3.1 技术原理

CT成像技术可以表征石油在微、纳米级孔喉系统中的赋存状态。X-CT装置对样品要求较低，既可以是全直径岩心或野外露头，也可以是破损、零碎的岩石碎块；微米CT样品直径为2～50 mm，分辨率为0.5～20.0 μm；纳米CT中HRES模式的分辨率最高(达50 nm)。成像结果准确细致，可以直观分析岩石内部孔隙结构分布及连通情况；对样品可以获取孔隙度、孔隙半径和喉道半径等参数，数据类型丰富[25-26]。

图3 西斜坡带风南1井测井综合解释成果

图4 西斜坡带风城组储层物性分布Fig.4 Reservoir physical properties distribution histogram of Fengcheng formation in west slope belt

X-CT利用X线从不同方向穿透扫描样品断面，探测样品内部结构，通过调整X线强度并进行数模转换，得到与X线有关的CT值[27]。CT成像的核心是建立样品投影数据的二维灰度图像，进而利用图像处理软件实现三维图像重建；得到岩心样品灰度图像后，孔隙周边和基质内的灰度值区别不大，导致边缘比较模糊，需要对样品图像进行二值化分类，将灰度值分为离散的“0”和“1”，便于进行三维孔隙结构显示和计算[28]。

图5 西斜坡带风城组储集空间类型照片Fig.5 Photographs of various reservoir space of Fengcheng formation in west slope belt

3.2 样品优选

文中分析样品取自玛湖西斜坡风城组，该地层纵向分布不均一性强。为表征地层孔隙结构，将孔隙结构参数分为反映孔喉大小、分选、连通性及控制流体运动特征的不同类型参数。分析利用压汞法实验得到的各段储层孔隙结构参数(见表1)，风三段储层孔隙半径较大，最大为0.97 μm；分选因数最小，具有较好的孔喉连通性。不同层段样品毛管平均半径为0.17 μm，风三段最大，为0.29 μm；风一段最小，为0.07 μm。西斜坡非饱和孔喉体积分数较大，表明非润湿相孔喉所占比例较大。

表1 西斜坡带风城组储层样品压汞法实验结果

利用铸体薄片、扫描电镜和微米CT扫描方法，在风城组三个层段内选取适合表征不同岩性储层孔隙发育特征的岩心(见表2)，制备直径为65 μm的圆柱体样品。利用纳米CT扫描方法，构建纳米级微观孔喉三维模型，获得纳米尺度分辨率下微观孔喉结构特征，计算样品孔隙度、孔隙喉道半径等参数，再结合其他微观分析方法，分析西斜坡孔隙结构特征。

表2 西斜坡带风城组储层样品纳米CT实验结果

4 实验结果

由于纳米CT扫描尺度过小，需要在样品上选择合适位置才能得到预期效果。分析微米CT扫描数据，样品2微米级孔隙发育，局部位置孔隙较大，直径约为50 μm，非均质性较强(见图6(a))。样品2在云质泥岩中存在微孔集中发育区，由于微米级图片分辨率不足，需要采用更精细尺度的CT扫描方法，分析样品孔隙结构特征。

图6 风南1井风二段储层样品2多尺度CT图像Fig.6 Multiscale CT graphs of sample 2 in Fengcheng2 member, Fengnan 1 well

针对微米CT扫描结构，在微孔发育区制备标准规格样品并进行纳米CT扫描，获取分辨率为50 nm的901张二维扫描图像(见图6(b))。由图6(b)可见，样品中纳米级孔喉整体发育，局部存在微米级孔喉，微孔呈条带状和弯片状，主要分布于矿物颗粒内部，属于颗粒内孔隙或晶内孔隙。孔喉半径为0.05～0.30 μm。

由风南1井风二段样品三维孔喉分布(见图7(a))可见，纳米级孔喉相互叠加，呈球状或短管状分布于矿物颗粒内部及表面，孔隙连通性较差，多呈孤立状分布；微米级孔隙呈粗大管状、条带状分布于颗粒周边，具有较好的连通性，除了作为储集空间，还是重要的渗流通道，喉道主要位于微米级和管状纳米级孔隙之间(见图7(b))。由风二段样品2的CT扫描计算和数值模拟孔喉大小(见图8、图9)可见，样品2喉道半径分布主要为0.04～0.20 μm，孔隙半径主要在0.05～0.30 μm之间，占总孔隙数量的96.0%，但半径小于0.30 μm的样品孔隙体积占总体积的18.0%；微米级孔隙分布较少，但体积比例较大，半径大于1.00 μm的样品孔隙体积占总体积的58.5%(见图10)；样品2孔喉平均半径为0.16 μm，压汞法测得的风二段样品平均孔喉半径为0.14 μm，两者较为接近。

根据纳米CT扫描数据，建立三维孔喉模型，通过数值模拟统计孔隙所占像素对应的体积，计算样品孔隙度等孔隙结构参数。其中样品2的纳米CT扫描计算孔隙度为1.90%，岩心分析有效孔隙度为2.18%，压汞法测试孔隙度为2.67%，误差原因是受到样品尺度过小和样品选取位置不够精确等因素影响。样品1和样品3纳米CT扫描计算孔隙度分别为3.98%和2.56%，与岩心分析数据非常接近。根据纳米CT技术所获孔隙结构参数，结合薄片分析、扫描电镜和压汞测试等实验结果，研究区风城组致密油储层具有低孔、致密的储层特征，晶间孔的孔径一般小于5.00 μm，最有利储层发育的孔隙类型以次生溶孔为主，孔径大小不一。风城组孔隙结构较差、孔隙分布较为孤立、连通性差，喉道半径较小，多小于1.00 μm，孔喉分布均匀度为中等—差，对应储层的物性参数普遍很低，孔隙度多小于3.00%，渗透率多小于0.100×10-3μm2。因此，高精度CT成像技术为准确认识致密油储层微观孔喉结构特征提供依据，结合其他微观实验方法，可以研究致密储层孔隙结构特征。

图7 风南1井风二段储层样品CT扫描结果Fig.7 Result analysis figure of Nano-CT of sample in Fengcheng2 member, Fengnan 1 well

图8 样品2 CT扫描计算孔喉大小频率分布Fig.8 Pore throat size frequency distribution histogram of sample 2

图9 样品2数值模拟喉道大小频率分布Fig.9 Analog throat size frequency distribution histogram of sample 2

图10 样品2不同尺寸孔喉占总孔喉体积分布

5 结束语

利用高精度CT三维成像技术，在不同尺度下表征准噶尔盆地玛湖西斜坡风城组致密储层孔吼结构特征，分析孔吼形状、大小、空间分布及连通性。该储层具有低孔、致密的储集空间形态，微观孔喉特征在不同尺度下具有不同表现形式。微米级孔隙具有多种形态，其中球状孔隙连通性较差，三维空间呈孤立状，多作为储集空间；纳米级孔隙数量比微米级的增多，孔喉相互叠加，孔喉几何形态多呈短管状及球状，分布于矿物颗粒(晶体)内部和表面，半径主要为0.04～0.50 μm，短管状微孔具有一定连通性，兼具喉道与孔隙的双重功能。

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2016-05-03；编辑：张兆虹

国家科技重大专项(2011ZX05008-004)

孙 乐(1988-)，男，博士研究生，主要从事沉积储层及开发地质方面的研究。

P618.13

A

2095-4107(2016)06-0026-09

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2016.06.004