碳酸盐岩储层复杂孔隙结构研究现状及进展

田 瀚， 王贵文， 冯庆付， 李 昌， 田明智

(1.中国石油大学(北京)地球科学学院， 北京 102249； 2.中国石油杭州地质研究院， 杭州 310023；3.中国石油勘探开发研究院， 北京 100083)

近年来，随着勘探程度的不断深入，中国海相碳酸盐岩油气勘探获得重大突破，特别是随着塔里木、四川、鄂尔多斯盆地深层-超深层一批大型碳酸盐岩油气藏的发现，其已然成为中国油气增储上产的重要领域[1-7]。与国外相比，中国海相碳酸盐岩复杂成岩过程决定了其储层特征与国外有很大差异，国外碳酸盐岩多为高孔高渗的孔隙性储层，而中国多数情况下碳酸盐岩储层孔隙度小于5%，渗透率小于1 mD，原生孔隙不发育，以次生溶蚀孔洞为主[1,6]。正因如此，中国复杂碳酸盐岩储层测井评价工作一直困扰着测井工作者，在实际生产中常常出现“高孔高阻”干层和“高孔低阻”气层的现象，造成储层流体评价精度低，传统储层“四性”(岩性、物性、电性和含油气性)评价面临挑战，致使不得不认真研究碳酸盐岩储层的孔隙结构特征[8]。

在储层评价中，孔隙结构评价是储层微观性质研究的核心[9-11]。储层的孔隙结构是指岩石孔隙与吼道的几何形状、大小、分布及相互连通关系[12-13]。由于碳酸盐岩储层受沉积环境及成岩作用等多重因素的影响，其往往表现出强烈的非均质性，孔渗关系复杂，常规宏观物性参数已无法满足表征碳酸盐岩储层的需求[11,14-16]。因此，只有从孔隙结构研究入手，从微观机理出发，才能为储层评价提供可靠的技术支持。

为了更好地了解目前碳酸盐岩储层孔隙结构的研究现状，在对中外相关文献调研的基础上，将碳酸盐岩储层孔隙结构的评价方法大致归纳为实验分析法、核磁共振测井评价法、基于分形特征的定量表征法、成像测井孔隙度谱分析法和孔隙结构指数表征法五大类。在实际应用中，各类方法均存在使用局限性，现将详细阐述各种评价方法的特点，同时对今后孔隙结构评价的发展方向提出个人认识。

1 孔隙结构评价方法

1.1 实验分析法

实验分析法主要包括铸体薄片、毛管压力曲线、扫描电镜及电子计算机断层扫描(computed tomography,CT)等[17],是目前最直观，也是应用最为广泛的评价岩石孔隙结构特征的方法。

铸体薄片可以直观反映岩石的孔隙类型、孔隙和吼道的分布特征，通过数字图像处理技术可对孔隙及喉道特征进行提取,从而定量评价[18]；毛管压力曲线法是研究孔隙结构的主要手段，利用毛管压力曲线所反映的排驱压力、孔喉半径中值等参数可以有效明确岩石孔喉大小；扫描电镜相对普通光学显微镜技术拥有更高分辨率的矿物和孔隙二维图像，分辨率达到几个纳米[19-20]。作为重要的岩石孔隙结构特征研究手段，扫描电镜能够更加清楚地反映储层的孔隙类型，包括在普通光学显微镜下难以观察到的微孔隙和喉道类型，并且还可以获得孔喉半径等参数[17]；CT扫描具有全方位、快速、对岩石样品无损伤的优点，并且可重建微观孔隙的三维结构[21]。岩心的CT扫描能够提供岩石孔喉结构特征，并准确获取孔隙形状、类型和连通性等定量信息(图1)。

图1 岩心样品CT扫描结果Fig.1 CT scan results of core sample

实验分析法虽然能够有效、直观地表征岩石样品的孔隙结构特征，但是局限性也非常明显。铸体薄片只能直观反映二维平面上孔隙结构特征，很难精确定量表征“体”的概念；利用压汞实验获取毛管曲线的方法，其无法获得孔隙和吼道的分布及形状，同时由于汞的特殊物理性质，其已慢慢被部分实验室所废弃；扫描电镜和CT扫描虽然能够清晰反映岩样孔隙结构特征，但测量视域过小，碳酸盐岩储层非均质性强，小岩样的测量结果无法代表真实储层情况。对于所有的实验分析法还存在一个普遍的“通病”，那就是只能测量孤立的、数量有限的岩心样品，而无法开展连续的孔隙结构评价。

1.2 核磁共振评价法

核磁共振测井因其在储层孔隙结构评价上具备常规测井所不具有的优势，为地质学家解决复杂储层评价提供了全新思路[22]。核磁共振测井T2分布与孔隙结构直接相关，因此如何利用T2谱研究储层孔隙结构已成为众多专家学者的研究方向。

核磁共振测井通过对测量的回波串信息进行反演得到核磁T2分布谱。由于T2谱形态与孔隙组分存在对应关系，Liu等[23]、Zhou等[24]提出了利用孔隙组分评价储层孔隙结构的方法，他们认为控制岩石孔隙结构的关键因素是孔隙系统中各孔隙度区间范围内孔隙占比情况，通过从T2谱中提取各孔隙大小，以此来定量判断储层的孔隙结构；Mao等[25]、肖亮[26]通过对不同类型的岩心样品在不同饱和水状态下的核磁共振实验分析发现，当储层孔隙结构较好和较差时，利用孔隙组分评价储层孔隙结构效果较好，但是当储层孔隙结构中等时，部分非润湿相的烃会进入到储层孔隙空间而驱赶掉部分的孔隙水，在T2谱上会导致驰豫时间较长的谱的位置向右移动，从而夸大实际储层特征。同时仔细分析还能发现，孔隙组分分析法将大孔隙发育与孔隙结构好挂钩，这是无法适用于高孔低渗、中孔低渗储层。

评价储层孔隙结构最直接有效的方法就是毛管压力曲线，为了能够实现毛管压力曲线连续评价储层孔隙结构的目的，不少学者尝试利用核磁共振测井构建连续的毛管压力曲线[22]。Ausbrooks[27]于1999年首次提出利用有效驰豫率建立核磁T2分布与孔隙尺寸分布曲线的关系，但是实际操作中，有效驰豫率较难确定；Yakov[28]于2001年首次提出建立横向驰豫时间和毛细管压力Pc之间的转换关系，利用Pc=C/T2(C为转换系数)线性关系转换获得毛管压力曲线[29]，该方法对于均质的孔隙性储层，且核磁T2谱形态与毛管压力曲线形态完全一致时，应用效果较好[8]，但是在实际情况中，两种形态完全一致的样品是非常少的，导致转换系数C难以确定。虽说如此，但这种思路为后续研究提供了很好的启发，众多学者在如何准确确定转换系数C上进行了深入研究。运华云等[30]、刘堂晏等[31]学者开展了利用核磁T2分布进行岩石孔隙结构的研究，并且通过实际岩心实验也证实了核磁共振T2分布与毛管压力曲线之间是存在相关性的，同时提出了利用相似对比法来确定转换系数C，但在实际应用时仍存在较大误差，尤其是对于孔隙结构复杂的储层；何雨丹等[32]提出了针对单峰T2谱用单一幂函数构造毛管压力曲线，对于双峰T2谱的大孔和小孔部分分别采用不同函数分段的想法，该方法相对传统线性刻度精度有明显提高，但是没有考虑最大进汞饱和度问题，其不能完全反映样品不同毛管压力情况进汞饱和度的真实增量[29]；邵维志等[29]提出利用二维分段等面积法来获取横向刻度系数以及大、小孔径的纵向刻度系数(图2[29])；苏俊磊等[33]则提出利用压汞孔径分布曲线孔径左右边界的方法来确定横向转换系数，利用改进二维分段等面积刻度方法确定纵向转换系数，从而来确保构建的伪毛管压力曲线与实验室压毛管压力曲线基本一致，该方法避免了利用相似对比法的局限性，结合最大进汞饱和度和利用二维等面积法刻度转换方法确定的纵向转换系数，可以显著提高所构建毛管压力曲线的精度。

图2 分段等面积刻度示意图[29]Fig.2 Segmented equal area scale diagram[29]

虽然学者们通过各种办法来尽量获取准确的刻度系数，但是这些方法不足之处在于所有样品的刻度都按照相同的压力点分段，而不是毛管压力曲线的拐点，同时该方法的使用条件是在岩石孔隙100%饱和水的情况下，当储层孔隙空间含有非润湿相烃时，会对核磁T2谱的形态造成影响[22]。

为了解决线性转换刻度方法在构造核磁毛管压力曲线过程中存在的诸多问题，部分学者通过对大量岩心数据分析发现，对于不同孔隙结构的岩心样品，在相同进汞压力下，对应不同进汞压力下的进汞饱和度在一定程度上可以反映岩心样品的孔隙结构特征[34]。肖忠祥等[35]、肖亮等[36]通过对同时进行了压汞和核磁共振测量的样品分析发现，Swanson参数与核磁共振测井横向驰豫时间几何平均值之间存在良好的相关性，其中Swanson参数是指毛管压力曲线拐点处进汞饱和度SHg与毛管压力Pc的比值(图3[12])，利用此关系，就可以从核磁共振测井资料中提取Swanson参数。进而通过建立Swanson参数与孔喉半径、毛管压力中值、核磁总孔隙度等的关系来构建毛管压力曲线[12]。利用该方法构建核磁毛管压力曲线的过程中所用到的是实际核磁共振测井数据，可以消除储层孔隙含烃对构建结果的影响，具有一定的推广应用价值。

图3 进汞饱和度-毛管压力及汞饱和度/毛管压力关系[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

分形几何是20世纪70年代末期发展起来的描述事物不规则形态和随机现象的一个新兴数学分支学科[15]。分形的重要特征是自相似性，定量描述这种具有自相似性的研究对象的参数称为分形维数[37]。

近几年，不少学者提出了采用分形维数定量描述孔隙结构特征的可能性，并在定量表征碎屑岩储层孔隙结构复杂程度中进行了实际应用。张立强等[37]、马利民等[38]研究发现分形维数与微观孔隙结构参数之间存在着密切关系，即分形维数越小，储层微观非均质性越弱，孔隙结构就越好，并依据分形维数实现了复杂储层的定量分类与评价；刘航宇等[15]尝试将分形方法应用于碳酸盐岩储层评价中，其利用分形维数建立了孔隙型储层孔隙结构的定量评价方法，但是对于碳酸盐岩中裂缝型及缝洞型储层，由于裂缝、溶蚀孔洞的存在，应用效果较差，导致利用这种分形方法存在局限性。为了能够将分形理论更好地用于不同类型的碳酸盐岩储层中，学者提出了利用二维图像分形维数评价储层孔隙结构的思路。随着测井技术的不断进步，成像测井已然成为碳酸盐岩油气藏中的一种常见测井系列，其相对常规测井而言，能够以图像的形式直观反映储集空间类型及其分布特征，而碳酸盐岩储层品质的好坏往往又与溶蚀孔洞发育程度密切相关，因此，利用图像分形方法对电成像图开展量化研究，从而根据分形维数来评价储层的非均质性强弱，进而从宏观上表征储层品质好坏。如学者利用盒维数算法，对成像图开展盒维数计算，发现计算的分形维数与储层类型有很好的相关性，分形维数越小，溶蚀孔发育越均匀，在孔隙度一定的条件下，产能越高[39-41]。

虽然基于图像开展分形维数研究孔隙结构有一定的应用效果，但是计算的分形维数值与图像的尺寸大小、图像质量都有很大的关系，而且这种方法纯粹只是对图像像素的分析，图像的分形维数直接反映的是图像本身的非均质性强弱，是否与微观孔隙结构存在联系有待研究，因此该方法对孔隙结构的表征只能作为一种辅助手段。

1.4 成像测井孔隙度谱分析法

成像测井由于具有极高的纵向分辨率和直观反映井壁缝洞发育程度的优势，已然成为测井评价复杂碳酸盐岩储层有利手段。目前成像测井多被用于确定储层孔隙类型和孔、洞、缝发育程度[42-46]。为了能够充分利用成像测井所包含的丰富信息，不少学者尝试利用成像测井孔隙度谱开展储层孔隙结构研究[47-50]。

成像测井孔隙度谱是通过对一定窗长范围内每个电极测量的电阻率反算得到的孔隙度统计所得。由于后期成岩作用所形成的次生溶蚀孔洞的孔径通常比基质孔隙的孔径大，因此认为孔隙度谱靠前部分主要由基质孔隙贡献，而靠后部分是次生孔隙贡献。成像孔隙度谱与核磁共振测井T2谱形态相似，不同的谱结构反映不同的孔隙成分组成，故可以通过孔隙度谱的分布形态对储层孔隙结构表征。吴煜宇等[42]通过对四川盆地川西北栖霞组成像孔隙度谱分析发现，栖霞组成像孔隙度谱形态与储层孔隙结构具有很好的对应性，其中无峰宽谱型和多峰中谱型主要为Ⅰ、Ⅱ类储层，储层孔隙结构好，测试产量高；单峰中谱型主要为Ⅲ类储层，测试产量低；单峰窄谱型主要为非储层或无效储层；李宁[47]通过利用成像测井孔隙度谱的谱均值和谱方差分别建立过四川和塔里木盆地低孔致密灰岩储层的有效性评价方法，解释符合率提高20%以上。

对于碳酸盐岩储层，在缺少核磁共振测井资料的情况下，利用成像测井孔隙度谱分析储层孔隙结构特征不失为一种手段，这种方法通过分析孔隙分布情况来间接评价孔隙结构，但是该方法在应用过程中存在明显局限性，那就是对于裂缝发育地层、或地层中含有高导矿物、或成像测井质量较差时，利用成像测井计算的孔隙度谱均会失真，影响评价结果。

1.5 孔隙结构指数表征法

众所周知，毛管压力曲线和核磁共振测井研究孔隙结构是目前的主流思路，但是如何能在缺少核磁共振测井的情况下，开展连续的岩石孔隙结构定量评价也是学者们一直思考的问题，其中孔隙结构指数为人们提供了很好的思路。曾文冲等[51]通过大量的岩心物理实验分析认为，孔隙结构指数m主要是受岩石孔隙结构控制，m的大小反映了岩石孔隙吼道分布及连通特征(图4)；赵良孝等[52]通过研究认为，裂缝型储层的m在1.1～1.5范围内变化，而对于连通性较好的孔洞型储层，其m一般为2.0～2.5，连通性较差的孔洞型储层m值在2.5～3.0，以孤立分散孔洞为主的储层m一般大于3.0[52]；张龙海等[10]通过岩心实验进一步证实了孔隙结构指数m与孔隙结构存在着良好相关性，储层孔隙结构指数反映的是孔隙结构的配置和孔隙之间的连通情况。因此利用孔隙结构指数m表征孔隙结构具有其内在的物理意义，同时还可以弥补在缺少压汞资料和核磁共振测井情况下评价孔隙结构的可能。

图4 不同孔隙结构特征与孔隙结构指数m的关系Fig.4 Relationship between different pore structure characteristics and pore structure index m

目前孔隙结构指数m主要通过3种方式获得：①岩电实验。但受制于岩心样品数量且为离散样本点。②介电扫描测井。斯伦贝谢公司推出的介电扫描测井利用不同频率的高频电磁波来测量岩石的介电常数和电导率，根据其特有的频散特征与岩石孔隙结构的关系，进而获得连续m。③理论公式推导。为了突破传统实验手段以及介电扫描测井测量价格昂贵且应用普及率低的问题，不少学者着手从理论推导方面开展m的计算研究[53-58]，目前关于孔隙结构指数m的计算已取得较大进展，具体研究进程在文献[16]中有详细介绍，在此不做阐述，其中，田瀚等[59-60]于2019年提出了基于裂缝形态的多孔介质模型，该模型较全面地考虑了各种孔隙类型及裂缝倾角的影响，能够连续计算得到孔隙结构指数m。图5所示为利用多孔介质模型计算的孔隙结构指数m评价储层孔隙结构的探索，计算的孔隙结构指数m与介电扫描测井得到的m相一致。可以发现在4 669～4 671 m处，计算m为2.6～2.7，成像图上表现为孤立溶蚀孔洞；而在4 681～4 683 m 处，计算m为1.9～2.2，成像图上表现为连通的均匀溶蚀孔洞特征，这说明孔隙结构指数m从在测井尺度上对孔隙结构特征进行表征，而且突破了传统的岩心尺度的束缚，更具使用价值。

图5 利用孔隙结构指数m反映储层孔隙结构特征Fig.5 Using the pore structure index m to reflect the pore structure characteristics of the reservoir

2 结论及展望

传统储层“四性”关系是建立在均质各向同性、相互连通的粒间孔隙储层基础上[53]。而碳酸盐岩储层由于各种裂缝和溶洞的存在，其完全改变了孔隙型储层的性质，不同的孔隙类型和孔隙形态导致储层性质发生很大的变化，储层强烈的非均质性使得传统的“四性”关系遭到破坏，因此要想从本质上弄清楚碳酸盐岩储层发育特征，那就必须从微观机理入手，加大对储层孔隙结构的研究。从上述分析来看，孔隙度结构研究存在以下特点。

(1)岩石实验分析。压汞法、铸体薄片、CT扫描和扫描电镜是目前岩石孔隙结构研究的主要手段，压汞毛管压力曲线虽然能够有效反映喉道及其相连通的孔隙空间情况，但是孔隙的大小、孔喉分布及配置关系难以表征；铸体薄片、CT扫描和扫描电镜虽然能直观反映孔隙结构特征，并需要通过数学图像处理来提取孔隙特征、孔隙大小分布及其特征参数，同时受岩石样品数量限制，岩石实验分析只能针对取心岩样开展研究，无法推广应用。

(2)核磁T2谱分析。核磁共振T2分布谱与孔隙结构直接相关，与传统的实验分析相比，具有快速、无损害、连续等特点，已成为孔隙结构评价的重要方法之一。不管是利用T2谱构建核磁毛管压力曲线还是谱形态分析，其关键就是如何确定核磁T2谱与毛管压力曲线之间的转换系数，对于碳酸盐岩复杂的孔喉配置关系，不同储层类型的转换系数不再是一个常数，制约着两者之间的有效转换。

(3)岩电机理分析。储层孔隙结构的差异直接影响着岩石导电特性，因此从导电机理入手，开展孔隙结构已成为新的研究趋势。成像孔隙度谱虽然采用类似核磁T2谱的分析方式研究储层孔隙结构，但其是从溶蚀孔洞发育程度上间接表征孔隙结构，与孔隙结构参数并无明显直接联系，局限性较强；而孔隙结构指数m与储层孔隙结构有着相近的物理意义，随着岩石导电机理的深入研究，利用孔隙结构指数m评价孔隙结构不失为一种有效方法，关键在于如何准确计算得到m。

目前所应用的各种孔隙结构分析方法在应用时均存在潜在的假设和使用条件限制，面对复杂的碳酸盐岩储层，不同的评价方法存在相应的优劣势，因此如何能够建立有效的测井评价方法一直困扰着研究人员。如今随着数字岩心技术的发展，人们已经可以通过人为加入不同影响因素来进行数值模拟，在人为设置孔隙结构特征的情况，开展数字岩心的岩石导电规律，尤其是孔隙结构指数m与孔隙结构之间的定量关系至关重要，这也是后续开展孔隙结构定量研究的方向。