碳酸鹽巖礁灘相儲層分類

王小敏 ，樊太亮

(1. 中國地質大學(北京) 能源學院，北京，100083；2. 中國地質大學(北京) 海相儲層演化與油氣富集機理教育部重點實驗室，北京，100083)

儲層分類是油氣儲層評價的關鍵環節[1-2]。目前對碳酸鹽巖儲層的分類方案主要有 2種：(1) 按巖石特征和毛管壓力參數分類[3]；(2) 按儲層的孔滲類型分類，即根據孔滲空間種類及其組合特征分類[4-5]。在實際應用中發現，方案1的主要缺陷是與地質成因背景之間的聯系比較薄弱；方案2主要是由于各類空隙空間與物性參數之間不存在嚴格的對應關系，既造成各類儲層的物性參數變化相當大，也使得各類儲層的測井及地震識別具有極大的不確定性，而且對于孔隙結構復雜、非均質性極強的礁灘相儲層尤其如此[6-9]。所以，如何有效地進行儲層分類對晚古生代以后的礁灘相儲層識別和評價就顯得特別重要。以巴麥地區上石炭統小海子組和川東北地區下三疊統飛仙關組[10]為例，它們都廣泛發育碳酸鹽巖礁灘相儲層，區域性的古巖溶和構造裂縫并不發育，原生孔隙和次生孔隙保存良好，粒間(溶)孔、晶間(溶)孔等各種孔隙是主要的儲集空間，孔隙度多達10%以上。因此，本文作者從儲層評價實用的角度，針對這類儲層，按照巖石結構成因類型、優勢孔隙類型、孔隙結構/物性分類進行多層次劃分，將地質成因模式、儲集空隙結構和巖石物理屬性緊密地結合，從而為礁灘相儲層的勘探部署和開發方案設計提供可靠的儲層地質模型。

1 儲層類型劃分

1.1 巖石結構成因分類

按巖石結構成因分類，初步確定不同巖相與孔隙度、滲透率、彈性聲波等巖石物性之間的響應關系。因此，礁灘相儲層劃分為生物灰巖類、顆粒巖-灰泥巖類和結晶碳酸鹽巖類，其中顆粒巖-灰泥巖類又分為以灰泥為主的灰巖和以顆粒為主的灰巖兩個亞類[6]。前三大類都具有沉積組構未消除的特征，包括石灰巖、白云石化的灰巖、具有殘余結構的白云巖；后一大類主要包括因重結晶作用或白云石化作用使沉積組構消失而形成的晶粒碳酸鹽巖。整體上，這四大類碳酸鹽巖各自具有鮮明的物理響應特征(見圖1，圖中碳酸鹽巖數據來自文獻[9])。

生物灰巖類包括格架巖、障積巖、粘結巖3個類型，主要是由原地生長的群體生物如珊瑚、苔蘚、藻類等組成巖石骨架，巖石堅硬、抗壓強度大，彈性聲波速度普遍較快。巖石孔隙發育依賴于造架生物的類型，且易受原始沉積環境中灰泥和細粒沉積物不同程度的充填，導致孔隙網絡體系復雜化，孔隙度與滲透率之間的相關性差。

圖1 不同巖相類型碳酸鹽巖的孔隙度-滲透率交會圖和孔隙度-聲波速度交會圖Fig.1 Permeability-porosity crossplot and sonic velocity-porosity crossplot for carbonate rocks grouped by lithofacies types

顆粒巖-灰泥巖類儲層的巖石骨架由內碎屑、鮞粒、生物顆粒、球粒等顆粒及灰泥堆積而形成，巖石孔聲關系總體上都遵循Wyllie平均時間方程，但兩個亞類的孔滲關系具有截然不同的特征。灰泥為主的灰巖類，原生孔隙為基質微孔隙和孤立的粒內孔，次生孔隙多為灰泥基質發生重結晶作用或白云石化作用形成的晶間孔及少量零散的粒內溶孔，總體上巖石滲透率相對較低，孔滲關系基本符合指數為3或5的函數方程[11]。相反，顆粒為主的灰巖類，主要由各種骨粒通過膠結作用而形成，孔隙空間包括粒間孔、粒內孔、鑄模孔等多種類型。當孔隙度相同時，巖石滲透率、聲速的變化與孔隙網絡結構緊密相關。

結晶碳酸鹽巖類儲層，其顯著特征是晶粒結構發育，常見粉晶、細晶、中晶及粗晶結構。儲集空間主要是晶間孔和溶孔，其中晶間孔徑與晶粒粒徑之間具有良好的正相關性[7]。當孔隙度相同時，相比其他類巖石，結晶碳酸鹽巖滲透率、聲波速度普遍具有高值。但隨著孔隙度增大，巖石物理響應與孔隙網絡結構也緊密相關。

綜上所述，生物灰巖類和以灰泥為主的灰巖類儲層都具有特定的物理響應特征，而顆粒為主的灰巖類和結晶碳酸鹽巖類儲層由于孔隙結構復雜多樣而導致巖石物理響應具有不確定性。

1.2 優勢孔隙類型分類

按巖石內占優勢的孔隙類型，將顆粒為主的灰巖和結晶碳酸鹽巖類儲層進行分類，從而確定不同孔隙類型與滲透率、彈性聲波等物理屬性之間的響應關系。以顆粒為主的灰巖類和結晶碳酸鹽巖類儲層的儲集空間類型較多，主要有粒間孔、粒內孔、晶間孔、粒間溶孔、粒內溶孔、鑄模孔、晶間溶孔及非組構選擇性溶孔。

在一般情況下，巖石孔隙度與滲透率之間呈正向關系，與聲波速度之間呈負向關系。但是，當孔隙度相同時，含不同孔隙類型的巖石卻具有截然不同的滲透率和聲波速度(見圖2)。

(1) 粒間孔占優勢的碳酸鹽巖，孔隙度分別與滲透率、聲波速度之間的相關性都非常差。絕大多數碳酸鹽巖樣品的滲透率變化趨勢符合指數為5的函數方程，聲波速度緊密聚集在Wyllie曲線附近。部分巖石樣品具有異常高的滲透率和聲波速度。

(2) 粒內孔和鑄模孔的顆粒灰巖，當溶蝕作用形成鑄模孔時，其附近的粒間孔隙同時會被膠結物充填，巖石骨架變得相對致密堅硬，孔隙之間主要依靠少量的粒間孔和基質微孔隙相互溝通。該類碳酸鹽巖的孔滲關系基本符合指數為5的函數方程，聲波速度很大程度上正向偏離于Wyllie曲線。

(3) 晶間孔占優勢的碳酸鹽巖滲透率落在Fontainebleau砂巖線附近，占據高滲透率區域(見圖3(a))。同時該類樣品點都落入高聲波速度區域，遠遠地正向偏離于Wyllie曲線(見圖3(b))。前人總結粒間孔和晶間孔具有相似的物理屬性，都負向偏離于Wyllie曲線[8]。但本文認為粒間孔和晶間孔碳酸鹽巖的孔聲變化并不完全遵循Wyllie平均時間方程，其原因是孔隙直徑對巖石物性有著重要影響。

圖2 顆粒為主的灰巖儲層孔隙度-滲透率交會圖和孔隙度-聲波速度交會圖Fig.2 Permeability-porosity crossplot and sonic velocity-porosity crossplot for grain-dominated carbonate rocks grouped by dominant pore types

(4) 非組構選擇性溶孔占優勢的碳酸鹽巖滲透率普遍較高，但規律性并沒有晶間孔的好。聲波速度變化趨勢與晶間孔占優勢的碳酸鹽巖相類似，遠遠地正向偏離于Wyllie曲線。

整體而言，不同孔隙類型的碳酸鹽巖具有典型的物理響應特征。除了粒內孔和鑄模孔碳酸鹽巖具有特定的物性變化規律，粒間孔和晶間孔及非組構選擇性溶孔碳酸鹽巖的物理響應都與傳統的認識也不一致。說明儲集空間即使地質成因模式相同，單種孔隙類型本身的幾何結構特征也顯著地影響著巖石物理屬性。

圖3 結晶碳酸鹽巖儲層孔隙度-滲透率交會圖和孔隙度-聲波速度交會圖Fig.3 Permeability-porosity crossplot and sonic velocity-porosity crossplot for recrystallized carbonate rocks grouped by dominant pore types

1.3 孔隙結構/物性分類

這種分類方法主要借助于光學顯微鏡、掃描電鏡、微CT等技術方法對鉆井取芯、井壁巖屑、鑄體薄片進行數字化成像分析，通過分析計算獲取一系列能夠反映孔隙結構、并且與巖石物理屬性緊密相關的定量參數[12]，從而根據這些參數對儲層進一步分類。對碳酸鹽巖鑄體薄片進行數字化成像分析(2DDIA)，發現其中有3個最重要的2DDIA參數能很好地表征孔隙系統，并且與巖石物性響應之間有著良好的相關性[13-14]。第 1個參數是周長面積比(PoA)，指薄片內囊括所有孔隙的總周長與這些孔隙總面積的比值。周長面積比越大，說明孔隙網絡體系越復雜越曲折。第2個參數是孔徑主尺寸(DomSize)，指薄片內占總孔隙體積50%的孔隙尺寸最大值，表示巖石孔隙網絡體系內絕大多數的孔隙大小。第3個參數是微孔隙度，包括直徑小于30 μm的所有孔隙。當孔隙度相同時，巖石孔隙網絡體系越簡單、且孔喉粗大，即PoA越小和DomSize越大，則巖石滲透性越好，聲波速度和電阻率越高；反之，孔隙網絡體系越復雜曲折、且孔喉細小，即PoA越大和DomSize越小，則巖石滲透性越差，聲波速度和電阻率越低。

考慮到沉積、成巖作用對粒間孔形成或改造的影響，本文將粒間孔型儲層可以分為微粒間孔(直徑＜50 μm)、細粒間溶孔(直徑為 50～250 μm)和粗粒間溶孔(直徑＞250 μm) 3個子類(見圖4)。其中微粒間孔多屬于原始沉積孔隙，細粒間溶孔和微粒間溶孔是通過溶蝕作用擴大而形成的粒間溶孔[15]。L?n?y[7]以改善孔滲關系相關性為目的，將粒間孔分為 10～50 μm，50～100 μm和＞250 μm 3個級別；而本文結合孔隙的地質成因模式，將粒間孔型儲層劃分為3個級別，更能反映巖石物理響應特征(見圖5)。微粒間孔儲層的滲透率變化基本遵循指數為 3的函數方程，聲波速度負向偏離于Wyllie曲線；細粒間溶孔儲層的滲透率變化遵循指數為5或7的函數方程，聲波速度緊密聚集在Wyllie曲線上方；粗粒間溶孔碳酸鹽巖的滲透率變化趨近Fontainebleau砂巖線，聲波速度遠遠地正向偏離于Wyllie曲線。

同樣晶間孔型儲層也可分為微晶間孔(直徑＜50 μm)、細晶間孔(直徑為 50～250 μm)和粗晶間孔(直徑＞250 μm) 3個子類。從而微粒間孔和微晶間孔的碳酸鹽巖具有相同的彈性聲波變化規律。對于成巖晚期經過重結晶作用或交代作用形成的細-粗晶間孔儲層而言，它們的滲透率變化趨近Fontainebleau砂巖線，聲波速度遠遠地正向偏離于Wyllie曲線(見圖3)。

圖4 顆粒為主的粒間孔灰巖周長面積比與孔徑主尺寸交會圖Fig.4 DomSize-PoA crossplot for grain-dominated limestones with interparticle pores

圖5 顆粒為主的粒間孔灰巖孔隙度-滲透率交會圖和孔隙度-聲波速度交會圖Fig.5 Permeability-porosity crossplot and sonic velocity-porosity crossplot for grain-dominated carbonate rocks with interparticle pores grouped by pore structures/petrophysics classifications

非組構選擇性溶孔主要是通過近地表淡水淋濾溶蝕或埋藏期油氣充注過程中有機酸溶蝕形成的次生孔隙，孔隙邊界不規則，多見港灣狀，大小也不均勻，一般在0.5～50 mm之間(見圖6)。溶孔儲層的彈性聲速變化規律與粗晶間孔的類似，都屬于結構簡單的大孔隙。但溶孔之間的連通程度使得部分樣品巖石滲透率存在差異，說明溶孔碳酸鹽巖的孔滲關系極其復雜，需進行進一步研究。

圖6 結晶碳酸鹽巖周長面積比與孔徑主尺寸交會圖Fig.6 DomSize-PoA crossplot for recrystallized carbonate rocks

1.4 討論

針對前述儲層分類方案、孔滲交會圖和孔聲交會圖有3點需簡要說明。

(1) 儲層分類簡表。考慮到高孔高滲相帶的預測、儲集空間的地質成因模式、及孔隙結構對物性參數的影響作用，本文依次按照巖石結構成因類型分類、優勢孔隙類型分類、孔隙結構/物性分類，將碳酸鹽巖礁灘相儲層劃分為4大類、10小類(見表1)。

表1 碳酸鹽巖礁灘相儲層分類方案Table 1 Classification scheme for carbonate reef-shoal reservoir rocks

其中生物格架碳酸鹽巖的孔隙類型主要是格架孔，由于可利用的相關文獻及數據比較缺乏，本文對這一大類沒有再進行精細劃分。灰泥為主的灰巖類儲層，占優勢的基質微孔隙和準同生期晶間孔決定了巖石的滲透性、彈性聲波等物理屬性，從而沒有必要再進一步分類。

(2) 碳酸鹽巖的孔滲關系。Fontainebleau砂巖是等粒多孔介質的一個典型實例，孔隙空間全為粒間孔，其滲透率隨孔隙度變化的曲線可以作為研究孔滲關系時的一個理想參考曲線[11]。指數為3的冪函數K=f(φ3)類似于Kozeny公式。指數為5和7的冪函數K=f(φn)，孔隙度的指數相對增大，其目的是補償孔隙結構變異對巖石滲透率的影響作用[16]。因此通過上述分析，對孔隙型礁灘相儲層而言，能夠成為優質碳酸鹽巖儲層的儲集空間類型主要是細-粗粒間溶孔、細-粗晶間孔和非組構選擇性溶孔。

(3) 碳酸鹽巖的孔聲關系。對于相對純凈的碳酸鹽巖，除了孔隙度，孔隙結構是控制碳酸鹽巖彈性聲波的另一個重要因素[8]。其中Wyllie曲線表示聲波速度隨孔隙度變大而降低的變化趨勢。將Wyllie時間平均方程改寫成：a/vp=(1-φ)/vpM+φ/vpF。其中：vp，vpM和vpF分別為巖石、巖石骨架和孔隙流體的聲速。當a等于1時，Wyllie曲線與微粒間孔、微晶間孔碳酸鹽巖的聲速變化規律相一致；當a不等于1時(通常小于1)，將不遵循Wyllie準則的巖石孔隙用1個類似Wyllie模型來近似表征，稱為擬Wyllie曲線，目的是補償孔隙結構變異對巖石彈性聲波的影響作用；當a等于0.9時，主要表示粒內孔和鑄模孔，及細粒間溶孔碳酸鹽巖的彈性聲速變化趨勢；當a等于0.8和0.7時，主要表示粗粒間溶孔，粗晶間孔和溶孔碳酸鹽巖儲層的聲波速度變化趨勢。

2 應用實例

塔里木盆地巴麥地區晚石炭世小海子組廣泛發育蜓類生屑灘，藻核形石灘，生屑灘，砂(礫)屑灘，薄皮鮞粒灘等5種碳酸鹽巖臺內灘，形成于海侵背景、內緩坡臺地中的微低古隆環境，其發育主要受控于構造變形和相對海平面變化。小海子組優質儲層主要受開闊臺地淺灘沉積作用和(準)同生期成巖作用控制，尤其是淺灘相顆粒灰巖方解石亮晶膠結物在成巖過程中被白云石優先交代，產生的白云石晶間孔促進溶蝕作用發育，形成粒間溶孔、晶間溶孔和溶孔(見圖7)，有效地改善了儲集物性，具有典型的巖石物理響應特征(見圖 8)。

圖7 巴麥地區晚石炭世碳酸鹽巖臺內灘典型優質儲層類型Fig.7 Typical high-quality reservoir rock types for Late Carboniferous carbonate inner platform shoals in BaMai Region, Tarim Basin

圖 7(a)所示為泥晶顆粒云巖，砂屑、生物碎屑等顆粒含量為70%以上，以粒間溶孔為主，次為粒內溶孔；屬于第Ⅲ3-4類，粗粒間溶孔。圖7(b)所示為殘余顆粒云巖，少量顆粒隱約見蜓結構，以晶間溶孔、粒間溶孔為主，次為粒內溶孔；屬于第Ⅳ1類，粗晶間溶孔。圖 7(c)所示為泥晶灰質云巖，晶粒細小且極其均勻，以晶間孔為主；屬于第Ⅱ大類，粉晶級晶間孔。

巴麥地區晚石炭世碳酸鹽巖臺內灘優質儲層的巖石物性響應特征如圖8所示。圖8(a)中樣品孔隙結構是通過鑄體薄片的鏡下觀察，孔隙度和滲透率是通過實驗室測定；圖8(b)中樣品的聲波速度通過校正后的聲波測井換算獲得。很大程度上，這反映了該地區優質儲層主要受控于臺內淺灘沉積作用、白云化作用和溶蝕作用。

圖8 巴麥地區晚石炭世碳酸鹽巖臺內灘典型優質儲層的孔隙度-滲透率交會圖和孔隙度-聲波速度交會圖Fig.8 Permeability-porosity crossplot and sonic velocity-porosity crossplot for typical high-quality reservoir rocks of Late Carboniferous carbonate inner platform shoals in BaMai Region, Tarim Basin

3 結論

(1) 國內晚古生代以后的碳酸鹽巖礁灘相儲層，原生、次生孔隙保存良好，儲集空間主要以粒間(容)孔、晶間(溶)孔等各種孔隙為主。針對這類儲層，本文按照巖石結構成因、優勢孔隙類型、孔隙結構/物性分類進行多層次劃分，發現能夠成為優質碳酸鹽巖儲層的儲集空間主要是細-粗粒間溶孔、細-粗晶間孔和非組構選擇性溶孔。當孔隙度相同時，粗粒間溶孔、粗晶間孔的聲波速度比鑄模孔的高，孔滲關系類似于粗粒砂巖儲層；微粒間孔和微晶間孔具有相似的巖石物理響應。

(2) 實驗室測試數據和儲層評價實例表明，本文以巖石組構、孔隙結構和巖石物性三者之間的相互聯系為基礎的礁灘相儲層分類，有利于儲層類型識別和儲層物性參數的空間預測。但這種分類方法仍需要進一步完善。以“巖石組構-孔隙結構-物理屬性”三者之間的內在聯系為切入點，借助數字化成像分析等定量表征巖石結構的新技術方法，研究儲層微觀孔隙結構與核磁共振(NMR)、成像測井(FMI)等非常規測井響應之間的相互聯系，建立礁灘相儲層類型劃分的NMR、FMI等測井圖版，有利于沉積填充模式、成巖作用史與測井、地震等巖石物理響應之間實現真正的緊密結合、一體化，這將對礁灘相儲層評價和油氣藏分布的預測等方面具有重要的指導意義。

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