崔利凱 孫建孟 黃宏




摘 要:碳酸鹽巖儲層發育有孔隙、洞穴和裂縫3種儲集空間,孔隙空間組合關系復雜多樣,儲層物性差異大,均質性差,連通性評價難度大。為了綜合評價碳酸鹽巖儲層孔隙連通性,以X射線CT掃描成像和數字巖心技術為基礎,以四川盆地川中地區高石梯-磨溪區塊龍王廟組和燈影組碳酸鹽巖為例,將孔隙劃分為主要孔隙、次要孔隙和死孔隙3種類型,從定性與定量2個方面開展碳酸鹽巖孔隙連通性綜合評價。結果表明:研究區儲層以溶蝕孔隙和溶蝕孔洞為主,同時裂縫較為發育,對儲層滲流能力具有顯著的改善作用。此外,連通性計算結果表明巖心主要孔隙連通率較高,平均占總孔隙體積的60%以上。主要孔隙占總孔隙的比值與儲層滲流能力總體呈正相關關系。通過孔隙結構參數綜合分析,對于高孔低滲的樣品,孔隙為主要儲集空間,但儲層滲流能力受喉道半徑和配位數影響較大;對于低孔高滲的樣品,喉道及配位數對流體滲流控制能力很小,但裂縫及溶洞顯著提高了儲層孔隙連通性,有效改善了儲層的滲流能力。
關鍵詞:地質資源與地質工程;孔隙連通性;X射線CT掃描;碳酸鹽巖儲層;孔隙結構;數字巖心
中圖分類號:TE 122.2 ? 文獻標志碼:A
DOI:10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2019.0411 ? 文章編號:1672-9315(2019)04-0634-10
Abstract:There are three types of reservoir spaces in carbonate reservoirs,including pores,caves and fractures.The combination of pore space is diverse,and the reservoir has strong heterogeneity and differs greatly in physical properties,therefore it is difficult to conduct a connectivity evaluation.For comprehensive evaluation of carbonate reservoir pore connectivity,based on X ray CT scanning and digital core physics,taking the carbonate rocks from Longwangmiao Formation and Dengying Formation of Gaoshiti Moxi block in Sichuan basin as examples,the pore space was divided into three types,primary pores,secondary pores and dead pores.The comprehensive evaluation of pore connectivity was carried out from both qualitative and quantitative aspects.The results show that the reservoir in the study area is dominated by dissolution pores and dissolution caves.The fractures are also developed,which can significantly improve the permeability of the reservoir.In addition,the results of connectivity calculation show that the connectivity of primary pores is high,accounting for more than 60% of the total pore volume.The ratio of primary pores to total pores is positively correlated with reservoir permeability.Through the comprehensive analyzation of the pore structure parameters,for the samples with high porosity and low permeability,the pores are the main storage space,while the permeability of reservoir is obviously controlled by throat radius and coordination number.For the samples with low porosity and high permeability,the throat and coordination number have little control over permeability.The existence of fractures and caves,however,can improve the pore connectivity,thus promoting the permeability of reservoirs effectively.
Key words:geological resources and geological engineering;pore connectivity;X ray CT scanning;carbonate reservoir;pore structure;digital core
0 引 言
碳酸鹽巖儲層占世界剩余石油與天然氣資源的一半以上,具有巨大的勘探開發潛力。儲層孔隙是油氣的有效存儲空間,其中連通部分更是為油氣的運移提供通道,進而控制油氣的產出行為[1]。因此,孔隙連通性綜合評價對油氣資源評價、賦存及運移機理研究具有重要意義[2-3]。由于碳酸鹽巖儲層儲集空間復雜,具有明顯的非均質性以及復雜的孔滲關系[4-5]。因此,以滲透率表征為主的常規儲層孔隙連通性表征方法不能準確全面地反映碳酸鹽巖孔隙連通性情況。隨著X射線CT掃描技術在石油地質領域的發展與應用,利用CT掃描對巖心樣品進行無損成像,獲得巖心三維結構信息,通過圖像分割建立數字巖心模型,進而可以對孔隙連通性進行定量分析。相比于利用核磁共振與壓汞評價儲層孔隙連通性[1],基于CT技術的連通性分析更直觀更全面。楊保華等提出了以基于孔隙中軸線結構的孔隙拓撲率來評價孔隙連通性的優劣[6]。鄒才能等提出利用孔隙連通率來描述致密儲層孔隙空間的滲透性[7]。王玉丹等利用同步輻射多能CT技術,結合數據約束模型方法對碳酸鹽巖和頁巖樣品微納孔隙、裂縫進行研究,實現了多尺度三維結構表征和連通性分析。其連通性基于孔隙團簇分析,對連通性表征的定量分析不足[8]。鄭委等針對裂隙多孔介質,提出了一種雙重逾滲模型,并基于模型將分形維數作為表征連通性的依據[9]。趙斌等將孔隙簡化為球棍模型即孔隙網絡模型,采用復雜網絡理論建立孔隙結構的結點-邊數學模型,并引入了網絡連通熵的概念用于孔隙連通性評價[10]。與分形維數一樣,通過單一參數不能完整準確地描述孔隙連通性。孫亮等利用聚焦電子-離子雙束掃描電鏡(FIB SEM)和數字巖心技術對頁巖、致密碳酸鹽巖樣品連通性進行了分析,提出了多級連通域模型進行孔隙連通性分析[11]。
以四川盆地川中地區高石梯-磨溪區塊龍王廟組和燈影組碳酸鹽巖為依托,采用CT掃描對多組碳酸鹽巖樣品進行了微觀孔隙結構提取,利用數字巖心技術重構了真實巖心樣品三維孔隙結構模型。綜合前人研究成果,基于孔隙結構模型將孔隙空間劃分為不同類型的孔隙連通域并計算孔隙連通率,從定性與定量兩方面對孔隙連通性進行評價與分析。同時,通過計算相關的孔隙結構參數,對儲層滲透率的微觀影響因素進行了分析。
1 研究區地質背景
高石梯-磨溪區塊位于四川盆地川中地區平緩構造帶中部、樂山-龍女寺古隆起軸部東部,其主力儲層包括震旦系燈影組及寒武系龍王廟組[12]。高石梯-磨溪潛伏構造帶經歷了多旋回構造運動的同沉積和剝蝕隆起作用,受川中及龍門山基底隆起控制,是具有一定繼承性發育的古隆起[13]。震旦紀時期四川盆地及周緣發育碳酸鹽鑲邊臺地,寒武系龍王廟組沉積期發育碳酸鹽緩坡型臺地[14],形成了復雜裂縫-孔洞型、孔隙型碳酸鹽巖儲層。龍王廟組儲層儲滲空間主要為裂縫-孔隙(洞)型,其次為孔隙型,孔、洞、縫搭配良好,燈影組儲層儲滲空間為裂縫-孔隙(洞)型、孔隙(洞)型2類[15]。燈影組燈二段、燈四段及龍王廟組碳酸鹽巖儲層平均孔隙度分別為3.35%,322%和4.28%,平均滲透率分別為1.160×10-3,0.593×10-3,0.966×10-3 μm2.文中研究目的層為四川盆地川中地區高石梯-磨溪區塊震旦系燈影組、寒武系龍王廟組深層碳酸鹽巖裂縫-孔洞型儲層。
2 碳酸鹽巖儲層儲集特征
2.1 儲集空間特征
碳酸鹽巖儲層孔隙結構復雜,儲集空間以溶蝕孔隙和溶洞為主,溶蝕孔隙有粒間溶孔、粒內溶孔及晶間溶孔等,裂縫也較為發育,主要分為微裂縫、構造裂縫及溶蝕裂縫等[16-17]。基于巖心掃描圖像及巖心分析資料,研究區以溶蝕孔洞(圖1(d)、圖1(e))為主,以各種裂縫及微孔隙為輔,孔隙呈不規則狀,包括粒間溶孔(圖1(f)、圖1(g))、粒內溶孔(圖1(c))及晶間溶蝕孔(圖1(h)、圖1(i));微裂縫(圖1(a))開度較小,溶蝕裂縫(圖1(b))長度小,開度相對較大,邊界有明顯的溶蝕現象,呈鋸齒狀。從儲層儲集空間發育程度著手,研究區儲集空間類型差異較大,可分為裂縫-孔隙(洞)型及溶蝕孔洞型等。孔隙型儲集空間微裂縫發育明顯,無溶蝕孔隙;裂縫型儲集空間存在明顯的張開裂縫,基質中含有少量的溶蝕孔洞;溶蝕孔洞型儲集空間溶蝕孔洞發育,孔洞之間存在大量的微孔隙。
2.2 儲集物性特征
巖心柱塞樣氣測結果表明,研究區碳酸鹽巖儲層以低孔低滲特征為主,局部存在低孔高滲、高孔低滲以及高孔高滲等特征。孔隙度范圍為279%~10.02%,主要分布在3.6%~7.5%,平均值為5.37%;滲透率分布于(0.001 7~0.833 3)×10-3 μm2,主值分布范圍為(0.002 6~0.067 2)×10-3 μm2,平均值為0.082 1×10-3 μm2.
研究區碳酸鹽巖儲層孔滲特征如圖2所示,在低孔隙度段(4%左右)巖心樣品存在滲透率等于甚至高于高孔隙度段滲透率值的特征,即明顯的低孔高滲特征;在高孔隙度段(8%左右)巖心樣品存在滲透率等于甚至低于低孔隙度段滲透率值的現象,即明顯的高孔低滲特征。研究區儲層孔隙度與滲透率具有一定的相關關系,但相關性差,進一步驗證了碳酸鹽巖儲層儲集空間發育程度差異以及組合類型的復雜性。
3 微觀孔隙連通性評價
X射線CT掃描利用射線對掃描樣品的全方位、快速無損成像優勢,將掃描圖像進行數值重構,進而可以將樣品內部的微觀三維結構特征真實地反映出來[18-22]。文中將X射線CT掃描技術應用于碳酸鹽巖柱塞樣品內部結構灰度圖像獲取,通過圖像分割重構能夠反映微觀孔喉結構特征的三維數字巖心模型,例如:原生孔隙、溶蝕孔隙、溶蝕孔洞、微裂縫及構造裂縫等,為準確全面地開展碳酸鹽巖孔隙連通性評價奠定基礎。
3.1 孔隙連通性定性評價
在開展巖石孔隙連通性評價時,為了表達直觀和簡化后續計算過程,將數字巖心劃分為巖石骨架和孔隙2部分,不考慮礦物類型。采用CT掃描成像構建的碳酸鹽巖柱塞樣三維結構模型如圖3所示,柱塞樣直徑為25.4 mm,長度為45.5 mm,掃描分辨率為26.6 μm/像素。
由于研究區碳酸鹽巖具有極強的非均質性,為獲取較大的視野,同時考慮到巖石物理數值模擬計算要求,選取柱塞樣品中孔隙結構較為發育的區域,截取體積為600×600×600體素的三維數字巖心模型。8組巖心樣品的三維數字巖心模型(圖4)和內部孔隙結構模型(圖5)用于孔隙結構、孔隙分布及連通性關系等特征的定性評價。
由碳酸鹽巖數字巖心模型及孔隙結構模型可知,震旦系燈影組、寒武系龍王廟組碳酸鹽巖孔隙類型復雜,發育有微孔隙、裂縫及溶洞等,孔隙尺寸跨度大,形態差異大,溶孔呈管狀(圖5(a))及類球狀(圖5(d)、圖5(h))分布,為流體的主要儲集空間;裂縫呈片狀(圖5(c)、圖5(d)及圖5(g))分布,為流體的主要運移空間和儲集空間;孔隙分布均質性差,呈分散狀(圖5(b)、圖5(e)及圖5(f))或聚集狀(圖5(d))分布,局部較為發育,微孔隙多圍繞大孔洞分布;體積較大的溶孔及裂縫將孔隙空間相互連通,有效地溝通了微孔隙,具有很好的連通性。此外,研究結果表明碳酸鹽巖孔隙度雖然不高,但有效儲集空間尺度較大,滲流能力可能同樣存在較大差別。實例分析表明,孔隙結構模型能夠直觀地了解碳酸鹽巖儲層孔隙空間的結構特征,為孔隙結構及連通性定性評價奠定基礎。
3.2 孔隙連通性定量評價
基于碳酸鹽巖數字巖心模型,采用數值方法開展孔隙連通性定量評價。為直觀地分析巖石微觀孔隙連通性,依據其對滲透率貢獻度將孔隙劃分3類,分別為主要孔隙、次要孔隙及死孔隙。主要孔隙是指孔隙體素貫穿模型相對邊界的區域,對特定方向滲透具有極大的貢獻;次要孔隙是指孔隙體素僅位于模型一個邊界上或相鄰邊界上的區域,雖然在數字巖心表征范圍內不能實現單方向連通,但是在大尺度上可能對孔隙連通具有重要影響;死孔隙是指位于模型內部,與模型邊界沒有任何接觸的區域,其對有效孔隙度、滲透率均沒有貢獻。3種孔隙連通域的區分有利于更加直觀地表征微觀孔隙的連通性,為孔隙連通性定量評價提供了有效支撐。
基于碳酸鹽巖孔隙結構模型,采用色彩標記法,在檢測所有孔隙連通域之后,將不同孔隙連通域進行標記以進行區分,孔隙分區及連通性統計結果如圖6及表1,圖6中不同的顏色代表不同的孔隙,相互連通的孔隙為一個顏色。
連通性計算分析結果表明,高石梯-磨溪區塊龍王廟組和燈影組碳酸鹽巖孔隙以大孔洞及裂縫為主,對滲透率起主要貢獻的孔隙連通率較高,平均占總孔隙體積的64.45%,平均占巖石總體積的4.04%.裂縫樣品(MXYP3,MXYP4)主要孔隙連通率最高達到95%以上,表明該巖心內部大部分孔隙均連接為一體,由裂縫貫通;無裂縫樣品(MXYP2)主要孔隙連通率達60%以上,可知整個巖心內部孔隙的溶洞及孔隙連通性較好,但仍有孤立孔隙作為儲集空間。由此可知,對于碳酸鹽巖而言,雖然孔隙度不高,但有效儲集空間占據的比例較大。
4 儲層連通性微觀影響因素
4.1 儲集空間類型
碳酸鹽巖儲層儲集空間類型復雜,發育有原生孔隙、溶蝕孔隙、溶蝕孔洞及裂縫等[23-25]。由于研究區裂縫發育存在差異,通過對比有裂縫樣品與無裂縫樣品的滲透率(圖7),可知有裂縫樣品滲透率明顯高于無裂縫樣品。此外,孔隙度越低,裂縫使得其滲透率提高的幅度越大。由此可知,裂縫的存在對不同類型和尺寸的孔隙起到了很好的連通作用,在一定程度上優化了儲層的連通性,在宏觀上表現為滲透率值的增大。由于碳酸鹽巖儲層巖石中包含有大量尺寸分布范圍較廣的溶洞,成為儲集流體的主要儲集空間及滲流通道。裂縫及溶洞的存在顯著地提高了儲層的孔隙連通性,改善了儲層物性特征。
4.2 孔喉組合關系
在碳酸鹽巖儲層中,孔喉組合關系多樣性導致了結構特征及連通性差異,這種差異性直接導致了儲層的非均質性[26],表現為孔滲關系的復雜性。孔喉半徑對儲層微觀連通性具有重要影響,也控制著儲層物性特征。孔隙尺寸及體積決定儲集容量,喉道半徑決定滲流能力,因此有必要提取巖石孔隙結構參數。基于數字巖石物理模型,采用最大球算法提取孔隙網絡模型并計算相關孔隙結構參數(圖8)。
由孔隙結構參數分布可知,巖心樣品孔隙喉道尺寸及比例存在明顯的差別,通過與巖石物性參數綜合分析,碳酸鹽巖孔隙半徑與孔隙度相關性較好,孔隙度越大,主要孔隙半徑越大。由于裂縫尺度較小,導致該樣品孔喉比較小的部分占比較大,呈現出曲線隨孔喉比增大而減小的形態,此外巖心內孔洞尺度越大,與孔隙差別越大,將會導致孔喉比曲線峰值位置向右移動,發育孔洞越多峰值越高;孔喉配位數對應于孔隙網絡的發育程度,發育程度越高,配位數越大,發育程度越低,配位數發育程度越低,因為發育有裂縫空間,導致其配位數分布廣,所占比率較大且分布較為均勻。
碳酸鹽巖主要通過喉道和裂縫等連通孔隙空間,由于喉道與裂縫尺寸差異較小,由喉道尺寸分布可知喉道半徑分布呈單峰狀態。在相近孔隙度條件下,儲層滲透率一方面受孔喉半徑分布及大孔喉所占比例影響,大孔喉所占比例越高,孔喉半徑越大,滲透率越大。例如MXYP8孔隙度雖然較大且主要孔隙占比較大,但滲透率卻相對較小,因為是喉道尺寸較小且分布較為集中,此外,MXYP1與MXYP6孔隙度及主要孔隙占比較為接近,但喉道尺寸分布MXYP1優于MXYP6,導致滲透率數值相對較大;儲層滲透率另一方面還受連通孔隙占總孔隙比例的影響(圖9(b))。連通比例越大,孔喉半徑越大,儲層滲透率越高,如MXYP7優于MXYP6.
5 結 論
1)四川盆地川中地區高石梯-磨溪區塊龍王廟組和燈影組為碳酸鹽鑲邊臺地和碳酸鹽緩坡型臺地,儲集空間以溶蝕孔隙和溶蝕孔洞為主,微裂縫、構造裂縫及溶蝕裂縫等也較為發育,裂縫和溶洞極大地改善了儲層的儲集能力和滲透性能。
2)應用孔隙結構三維重建技術全面表征了碳酸鹽巖儲層孔喉結構,明確了儲集空間形狀、大小及分布等特征,進而評價碳酸鹽巖孔隙連通性,研究區鹽酸鹽巖孔隙連通率總體為4.04%,對滲透率起主要作用的孔隙占總孔隙體積的64.45%.儲集空間對孔隙連通性具有很大影響,在相近孔隙度條件下,裂縫或溶洞越發育,其將所有孔隙連通在一起的幾率越大,連通性越好。
3)碳酸鹽巖儲層中,儲集空間組合類型多樣性導致了孔隙結構及孔隙連通性差異,儲層孔隙半徑與孔隙度相關性較好,孔隙度越大,主要孔隙半徑越大。儲層滲透率不僅受孔喉半徑及大孔喉占比影響,還受連通孔隙占總孔隙比例影響。大孔喉所占比例越大,孔喉半徑越大,滲透率越大;連通孔隙比例越大,孔喉半徑越大,儲層滲透率越高。
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