碳酸盐岩储层多尺度孔洞缝的识别与表征——以川西北双鱼石构造中二叠统栖霞组白云岩储层为例

王俊杰 胡 勇 刘义成 何溥为 兰雪梅 文 雯

1.中国石油西南油气田公司勘探开发研究院 2.中国石油西南油气田公司

0 引言

碳酸盐岩油气藏在全球油气资源中占有极为重要的地位。据美国信息处理服务有限公司（IHS）的统计，碳酸盐岩油气资源量约占全球油气资源量的70%，可采储量约占50%，产量约占60%[1-2]，并且储量大、产量高的油气藏通常为碳酸盐岩油气藏[3]。然而碳酸盐岩储层形成过程中受到沉积、成岩以及构造等多种因素的影响，在不同时期、不同尺度上形成溶孔、溶洞和裂缝，普遍具有孔洞缝发育、强非均质性、基质低孔低渗等特点，孔洞是油气主要的储集空间，裂缝是主要的渗流通道[4]。因此，碳酸盐岩油气藏的开发效果一定程度上受制于储层孔洞缝的搭配关系。研究碳酸盐岩储层缝洞发育特征及其搭配关系，对于该类油气藏的高效开发具有十分重要的意义。

由于碳酸盐岩储集空间的多样性和非均匀性以及各种研究方法的局限性，准确刻画碳酸盐岩多尺度孔洞缝结构非常困难。目前对于储集空间的研究主要分为两大类：①直接观测法，主要观测手段有光学显微镜、扫描电镜等，观测结果为二维图像且半定量[5]；②间接观测法，主要观测手段有压汞、核磁共振等，测试结果主要为孔径的分布曲线，无法刻画孔隙三维的展布以及相互连通关系[6]。

随着CT扫描的精度不断提高以及计算机运行能力的提升，数字岩心在油气储层岩心孔隙结构分析运用逐渐普及。经过多年的发展，CT扫描已经能够比较准确地分析常规油气储层中孔隙的发育规模与分布特征。在孔洞缝识别方面，目前主要的方法是基于单张二维图像二值化，取其中具有狭长特征的目标，并视其为裂缝[7-8]。夏晨木等[9]在裂缝识别过程中，主要依据孔隙形状因子，认为裂缝的形状因子小于0.008。鄢友军等[10]在碳酸盐岩孔洞缝识别过程，依据行业标准划分孔洞缝的尺度大小，并结合孔隙形状因子、外接球半径等参数划分孔洞缝，而裂缝的形状因子小于0.05。在利用形状因子识别裂缝的界限上，目前存在着较大的差别。高树生等[11]利用CT扫描、核磁共振对四川盆地下寒武统龙王庙组白云岩储层岩心的分析结果表明，储集空间存在不同级别大小的基质孔隙、溶洞、微裂缝等，CT扫描识别全直径岩心储集空间以2～8 mm的溶洞为主，而核磁共振识别出储集空间以孔隙为主。Wei等[12]对比全直径岩心样和柱塞岩心样的CT扫描结果发现，全直径岩心样非均质性更强，渗透率也体现出明显的各向异性特征，而小岩心样表现出相对均质特征。对于跨越多个测量尺度储集空间的碳酸盐岩储层，仅采用单一的测试手段难以识别出全部的储集空间。

笔者以四川盆地西北部（以下简称川西北）双鱼石构造中二叠统栖霞组白云岩储层为研究对象，运用岩心图像采集仪和双能CT对不同尺度的碳酸盐岩样品进行孔洞缝扫描，并借助三维可视化软件对重构孔隙空间进行定量化分析，实现对不同尺度观测范围内孔洞缝搭配关系的表征以及对储集类型的划分，以期为碳酸盐岩油气藏精细刻画及高效开发提供技术支撑。

1 研究方法及样品

1.1 研究区储层特征

川西北双鱼石构造位于四川盆地西北部，处于上扬子克拉通北缘龙门山山前褶皱带。2014年，针对川西北二叠系台缘带白云岩储层部署的ST1井发现了栖霞组白云岩气藏。目前，已在双鱼石构造栖霞组钻获多口高产工业气井。其中主力产气层栖霞组埋藏深度超过7 000 m，地层温度为158 ℃，压力系数为1.33，原始地层压力为96 MPa，为超深高温高压气藏[13]。

根据双鱼石构造栖霞组取心井资料统计结果分析，栖霞组主要储层岩石类型以白云岩为主，白云岩呈褐灰色、浅灰色，白云岩晶粒以中—粗晶为主，呈半自形，部分为他形或自形。笔者研究统计了栖霞组49块柱塞岩心样和75块全直径岩心样的氦气法孔隙度和渗透率（图1）。岩心物性分析结果表明，49块柱塞岩心样孔隙度介于1.20%～7.59%，平均值为3.08%；渗透率介于0.002～56.000 mD，平均值为7.780 mD。75块全直径岩心样孔隙度介于0.90%～6.88%，平均值为3.77%；渗透率介于0.013～27.200 mD，平均值为2.150 mD。全直径岩心样物性好于柱塞岩心样物性。基质孔隙度普遍较低，部分岩心裂缝发育具有高渗特征，这也是超深碳酸盐岩储集层的普遍特征[14-15]。依据国家标准《天然气藏分类：GB/T 26979—2011》，栖霞组储层属于特低孔、低渗—特低渗储层。

对研究区栖霞组的岩心、铸体薄片和成像测井等进行观察分析，结果表明栖霞组的储集空间类型多样。依据储集空间的大小、形态以及与岩石结构的关系，可以将栖霞组的储集空间划分为孔（直径小于2 mm）、洞（直径大于或等于2 mm）和缝3大类型，再依据栖霞组主要储集空间形成主控因素，将储集空间类型进一步细分为3大类6种（表1）。

图1 双鱼石构造栖霞组储层岩心物性特征图（N=124）

表1 双鱼石构造栖霞组储集空间类型划分表

由于碳酸盐岩储层次生改造作用的千差万别，使得储层的孔隙结构相当复杂。就其大小而言，小的孔只能用电子显微镜才能观察到，用微米计量；大的洞可达到直径百米级，造成钻井过程中钻具放空。上述分析结果表明，栖霞组白云岩储层发育多个尺度的孔洞缝。而不同研究手段仅能够对特定尺度范围内的单一类型进行表征。因此，要认识与评价碳酸盐岩储集类型及孔洞缝搭配关系，有必要对多个尺度内的孔洞缝特征及搭配关系进行研究。

1.2 测试方法

为了研究碳酸盐岩的孔洞缝发育特征，笔者采用了岩心图像高分辨率采集仪和Phoenix v |tome| x m型3D计算机断层扫描系统。Phoenix v |tome| x m型3D计算机断层扫描系统是由通用电气GE旗下德国Phoenix公司生产，该设备配备高功率CT和高分辨率nanoCT两种探头。高功率探头具备穿透能力强，用于扫描全直径岩心，主要识别全直径岩心内的裂缝、溶洞以及大孔隙，而高分辨率探头用于扫描柱塞岩心样或小圆柱岩心样，主要识别样品内的基质孔隙和微裂缝。设备扫描灯管电压300 kV，最大功率500 W。仪器体素分辨率最高为0.3 μm。

笔者首先利用岩心图像高分辨率采集仪对全直径岩心的柱面进行图像采集，根据岩心观测的孔洞缝发育程度，优选具有代表性的岩心进行取样；再利用Phoenix v |tome| x m型3D计算机断层扫描系统对岩心内部的孔洞缝发育程度进行扫描；最后采用三维可视化软件重构孔隙空间并计算相关几何学参数，实现对储集空间定量化分析。

1.3 实验样品

为了降低缝洞发育非均质性对认识的偏差，研究利用岩心图像采集观测，优选出代表性的储层岩心，再进行制样和CT扫描测试。对不同尺度岩心的表征，研究共对6块全直径岩心样品、13块柱塞岩心样品以及4块小圆柱岩心样品进行CT扫描。所选样品的孔隙度介于1.07%～6.74%，渗透率介于0.002～25.900 mD，所选样品与栖霞组储层物性特征和储集特征基本一致。

笔者选取3块不同尺度的样品，所选样品覆盖了栖霞组裂缝—孔洞型、裂缝—孔隙型和孔隙型等3种储层类型（图2、表2），裂缝—孔洞型岩心以发育毫米级的裂缝、溶洞和大孔隙为主，适宜采用高功率CT探头，裂缝—孔隙型和孔隙型岩心发育微米级的微裂缝和孔隙，宜钻取较小直径的样品，采用高分辨CT探头进行孔隙识别。从图像采集结果看，全直径岩心样（裂缝—孔洞型储层样品，下同）缝、洞较发育，柱塞岩心样（裂缝—孔隙型储层样品，下同）发育裂缝，小圆柱岩心样（孔隙型储层样品，下同）宏观缝洞不发育。3块岩心取样尺度由大到小，对应CT测试分辨率逐渐增大。全直径岩心样可识别洞、缝和大孔隙的搭配关系，柱塞岩心样可识别裂缝和孔隙的搭配关系，小圆柱岩心样可识别微裂缝和中—小孔隙的搭配关系。

全直径岩心样柱面粗糙，溶蚀孔洞较发育，以小洞为主，洞径介于2～5 mm的小洞有15个，洞径介于5～10 mm的中洞有4个，面孔率为4%，见未充填小缝1条（图2-a）。全直径岩心样测试孔隙度为5.49%，渗透率为1.47 mD。CT测试分辨率为39.61 μm，主要识别洞、缝和大孔隙的搭配关系。

柱塞岩心样选自裂缝较发育的全直径岩心，中洞1个，小洞2个，面孔率为2%，发育斜缝3条、平缝2条。取出的柱塞岩心样表面可见1条平行柱面的裂缝，孔隙发育（图2-b）。柱塞岩心样测试孔隙度为2.24%，渗透率为1.19 mD。CT测试分辨率为7.83 μm，主要识别裂缝和孔隙的搭配关系。

小圆柱岩心样选自裂缝、溶洞不发育的全直径岩心，全直径岩心裂缝、溶洞不发育，局部可见孔隙发育。取出小圆柱岩心样柱面结晶颗粒较粗，可见晶间孔、晶间溶孔发育（图2-c）。小圆柱岩心样测试孔隙度为2.76%。CT测试分辨率为2.52 μm，主要识别微裂缝和中—小孔隙的搭配关系。

图2 双鱼石构造栖霞组储层岩心缝洞发育特征照片

表2 双鱼石构造栖霞组储层岩心样品测试基础参数表

2 基于三维信息的缝洞识别

CT扫描技术可以在岩石不被破坏的状态下进行岩石物理参数的测量与描述，可以有效分析储层内部的微观结构，研究孔洞缝的发育情况和连通性，对于认识储层内部特征十分有效。但CT扫描所获取的原始图像仅展示样品不同断层面的灰度图像，需要进行一系列图像处理才能进行孔隙结构分析[16-19]。笔者对孔洞缝的表征与分析主要涉及孔隙三维重构及分割、几何学参数计算以及缝洞识别3项内容（图3），形成适合碳酸盐岩的孔洞缝的精细重构识别技术。其中，孔隙三维重构及分割主要对CT采集原始数据进行图像滤波增强、图像二值化、三维重构以及基于分水岭算法的孔隙分割（图3-a）。笔者重点论述几何学参数计算和缝洞识别。

2.1 几何学参数计算

图3 CT数据处理结果图

三维重构模型经过分割后，每个分割体都代表了1个孔隙，每个孔隙的几何特征由数字信号存储在三维孔隙模型中。因此，对每个孔隙的数字信号进行运算，可以获取孔隙的几何学参数，包括孔隙体积、比表面积、迂曲度、球形度等静态岩石物理参数，并基于孔隙的三维空间展布、孔隙体积等特征获取孔隙的体积等效球半径、外接球半径、外接长方体尺寸、费雷特直径和费雷特形状因子等几何形状参数。根据获取的几何形态参数分析不同尺寸孔隙在三维空间内的大小、延展性等特征，为孔洞缝的划分奠定基础。

2.2 缝、洞划分原则

依据石油行业标准《油气储层评价方法：SY/T 6285—2011》，沉积岩储层储集空间孔洞缝划分界限，裂缝的形态特征为孔隙长宽比大于或等于10，孔洞的孔隙长宽比小于10；直径小于2 mm为孔，直径大于或者等于2 mm为洞。对于三维重构模型中的孔洞缝的区分，笔者利用求取的几何学参数进行划分，主要选取球形度、外接球半径以及体积等效球半径。

球形度指的是孔隙的形状与球体相似的程度，是与孔隙体积相等的圆球的外表面面积与孔隙的外表面积之比。球形度是孔隙三维空间的形状，取值范围介于0～1，标准球体的球形度为1，孔隙越狭长，球形度越小，表现为裂缝特征[20]。球形度计算公式如下：

式中Ψ表示球形度；AS表示与孔隙体积相等的圆球的外表面面积，μm2；AP表示孔隙的外表面积，μm2；VP表示孔隙的体积，μm3。

外接球是指若一个多面体的各顶点都在一个球的球面上，则这个球是这个多面体的外接球。体积等效球是指与多面体具有相同体积的球。对于标准的球体，外接球半径与体积等效球半径的比值为1；对于多面体，等效球体积小于外接球体积，两者半径比值小于1；孔隙越狭长，半径比值越大，该孔隙表现为裂缝的特征。

为了进一步验证裂缝几何参数的合理取值范围，假设裂缝为平板状的长方体，由于实际裂缝的缝长、缝宽远大于裂缝的开度，则可将裂缝缝长、缝宽与开度的关系简化为：

式中Lf表示裂缝长度，μm；Hf表示裂缝宽度，μm；Wf表示裂缝开度，μm；a表示裂缝长度与开度比值；b表示裂缝宽度与开度比值。

裂缝的球形度求取表达式可写为：

等效球半径与外接球半径比值的表达式可写为：

式中req表示与裂缝体积相等的圆球的半径，μm；ro表示与裂缝空间外接球的半径，μm。

通过对裂缝的缝长、缝宽与开度的比值进行赋值，得到裂缝的球形度、球半径比值分布特征。由图4可知，孔隙的球形度、球半径比值受缝长/开度、缝宽/开度共同的影响，且随着缝长、缝宽与开度的比值增大，球形度、球半径比值均减小。结合裂缝形态的定义，即孔隙长宽比大于10，那么裂缝的条件是：缝长/开度大于10。图4为缝长、缝宽与开度比值均大于10的情况下，球形度和球半径比值的分布曲面。由图4可知，孔隙几何参数满足裂缝的充分条件是：球形度小于0.43、半径比小于0.41。为了简便运算，笔者以球形度作为主要划分裂缝的原则，其次使用球半径比。图3-b为利用球形度参数抽提出岩心内的裂缝。裂缝被抽提后，根据行业标准划分孔洞，直径大于或等于2 mm为洞。因此，笔者将等效球半径req≥2 mm作为洞的划分标准。图3-c中红色部分为利用等效半径抽提出的溶洞。

图4 不同裂缝参数几何参数特征图

3 多尺度孔洞缝定量评价

3.1 孔洞缝分布规律

碳酸盐岩油气藏非均质性主要体现在孔洞缝的分布，而孔洞缝是碳酸盐岩油气藏重要的储集空间和渗流通道，表征和认识碳酸盐岩储层储渗特征是油气藏开发首要任务[21]。目前，已经发展了多种技术手段表征和认识碳酸盐岩储层储渗特征，但在表征尺度上，往往只能刻画一定尺度范围内的分布特征，忽略了其他尺度范围内的孔洞缝特征。笔者对不同尺度岩心孔洞缝发育的非均质性进行了表征（图5）。

图5 不同尺度岩心样品孔洞缝分布特征图

不同尺度岩心的球形度分析结果表明，球形度主要介于0.4～0.7，孔隙形状呈扁平状—条带状，且随观测岩心尺度增大，裂缝体积占比增大（图5-a）。将不同尺度样品测试的孔洞分布、裂缝长度分布等进行联合表征，栖霞组碳酸盐岩储层以直径为0.02～10.00 mm的孔洞为主。其中，洞以直径介于2.00～10.00 mm的小洞为主，孔隙以直径介于0.02～2.00 mm的大孔隙为主（图5-b）；裂缝长度介于0.05～100.00 mm，裂缝发育具有多尺度性，随观测岩心尺度增大，裂缝的长度和开度增大（图5-c～ d）。

3.2 孔洞缝搭配关系

碳酸盐岩储层发育不同程度的孔、洞和裂缝，可归类于广义的三重介质，但因孔、洞、缝尺度和搭配关系不同而产生千差万别的储渗特征[22]，定量化、可视化不同尺度内孔洞缝搭配关系具有较强的实用价值。

图6为不同尺度岩心的缝洞搭配关系图。全直径岩心样的孔洞缝均较发育，溶洞分布相对分散，裂缝呈网络状分布于孔隙、溶洞之间，孔隙、溶洞为主要的储集空间，裂缝是主要渗流通道（图6-a）。柱塞岩心样发育裂缝和孔隙，裂缝呈片状且贯通岩心，孔隙间连通性较差，裂缝是主要的渗流通道（图6-b）。小圆柱岩心样以基质孔隙为主，部分孔隙间具有一定连通性（图6-c）。随着观测尺度的缩小，CT测试分辨率提高，部分微孔隙被识别出来，微孔隙间具有一定连通性。

分析3块不同尺度岩心孔洞缝体积占比（图7）。随观测岩心尺度增大，裂缝体积占比增大，孔隙体积占比减小，仅全直径岩心样品可见溶洞。对3块样品按照孔洞缝的体积占比划分储集类型，全直径岩心样为裂缝—孔洞型储层，柱塞岩心样为裂缝—孔隙型储层，小圆柱岩心样为孔隙型储层。全直径岩心样以溶洞、孔隙为主，柱塞岩心样和小圆柱岩心样以孔隙为主，裂缝体积占比相对较小。观测尺度不同，导致储层的孔洞缝搭配差异巨大，对储层储集类型的认识也千差万别。

3.3 连通性

碳酸盐岩储层储渗能力不仅与孔洞缝储集空间的占比相关，还与孔隙连通率、孔喉半径、缝洞尺度及分布密度等因素相关，需要多因素分析才能得到完整认识。

图6 不同尺度岩心缝洞空间展布图（蓝色表示裂缝、红色表示洞、绿色表示孔隙）

图7 不同尺度岩心孔洞缝体积分布图

对不同尺度岩心的连通性分析结果（表3）表明，岩心尺度从大到小，孔隙体积连通率分别为66.87%、47.62%和35.76%。全直径岩心样缝洞发育程度、岩心孔隙度、渗透率相对较高，因此全直径岩心样对应的连通体积占比最大。而对比小圆柱岩心样，小圆柱岩心样溶洞、裂缝基本不发育。可见，缝洞发育程度是影响栖霞组储层岩心物性的关键因素。

将CT识别出的缝洞发育数量与岩心描述结果进行对比。其中，全直径岩心样CT识别出裂缝40条，洞59个，岩心描述识别洞16个、裂缝2条。CT识别出的缝、洞数量多于常规描述手段。但是，受CT测试分辨率下限的影响，岩心样品中还应存在部分未被识别的微裂缝和细喉道，栖霞组储层实际连通性好于常规分析结果。

表3 不同尺度岩心样品孔隙连通性分析表

3.4 储集类型划分

常规储集类型划分主要依据常规测井、成像测井以及试采曲线等资料[23]。然而，这些手段主要利用测试曲线间接反映储层的缝洞发育情况，未能定量化刻画储层岩心孔洞缝发育程度以及多种储渗空间体积搭配关系，划分结果存在一定的主观性。

笔者利用缝洞识别技术对碳酸盐岩气藏的储集类型进行划分，通过对研究区块内栖霞组23块样品进行岩心的柱面扫描、物性测试以及CT扫描分析，将岩心描述和缝洞CT识别作为储层岩心缝洞发育情况的依据。参考国家标准《天然气藏分类：GB/T 26979—2011》[24]，将双鱼石构造栖霞组储层划分为裂缝—孔洞型、裂缝—孔隙型、孔洞型和孔隙型等4种类型（图8）。4种储集类型的物性界限为：储层的孔隙度介于2.0%～3.5%，渗透率小于0.1 mD为孔隙型储层，渗透率大于0.1 mD为裂缝—孔隙型储层；储层的孔隙度大于3.5%，渗透率小于1.0 mD为孔洞型储层，渗透率则大于1.0 mD为裂缝—孔洞型储层。

图8 不同储集类型岩心缝洞发育特征图

表4 双鱼石构造栖霞组储集类型划分表

按照4种储集类型划分标准，对栖霞组获取的49块柱塞岩心样和75块全直径岩心样的物性参数进行统计。结果（表4）表明，以柱塞岩心样的物性资料，栖霞组储层以裂缝—孔隙型、孔隙型和裂缝—孔洞型为主，3类储集类型总占比为69.39%；以全直径岩心样的物性资料，栖霞组储层以裂缝—孔洞型、裂缝—孔隙型和孔洞型为主，3类储集类型总占比为81.33%，其中裂缝发育的储集类型占比基本超过50%，说明栖霞组储层总体渗流能力较好。

4 结论

1）川西北双鱼石构造栖霞组储层发育多个尺度的孔洞缝，主要储集空间类型可划分为3大类6种类型，主要孔隙类型以晶间溶孔、晶间孔为主，溶洞以小洞为主，裂缝以斜交缝为主。

2）采用岩心图像采集仪和双能CT对不同尺度岩心内孔洞缝进行刻画，建立一套基于几何学参数识别缝、洞的方法：球形度小于0.43、球半径比小于0.41为裂缝识别标准；等效球半径大于2 mm为溶洞识别表征。

3）双鱼石构造栖霞组储层的孔洞直径主要介于0.02～10.00 mm，其中洞以直径介于2.00～10.00 mm的小洞为主，孔隙以直径介于0.02～2.00 mm的大孔隙为主，发育多个级别的裂缝。全直径岩心样（裂缝—孔洞型储层）溶洞、孔隙发育，柱塞岩心样（裂缝—孔隙型）和小圆柱岩心样（孔隙型储层）孔隙发育，裂缝体积占比相对较小。缝洞发育程度是影响栖霞组储层岩心物性的关键因素。

4）利用缝洞识别技术建立栖霞组储集类型划分标准，结合物性资料，将双鱼石构造栖霞组储层划分为4类，其中裂缝—孔洞型、裂缝—孔隙型为主，裂缝发育的储集类型占比超过50%，总体渗流能力较好。