碳酸鹽巖微孔隙的分類、成因及對巖石物理性質的影響

屈海洲，郭新宇，徐 偉，李文皓，唐 松，鄧雅霓，何仕鵬，張云峰，張興宇

（1. 西南石油大學 地球科學與技術學院，四川 成都 610500；2. 中國石油碳酸鹽巖儲層重點實驗室 西南石油大學分室，四川 成都 610500；3. 北京大學 地球與空間科學學院，北京 100871；4. 中國石油 西南油氣田公司 勘探開發研究院，四川 成都 610095；5. 西南油氣田公司 勘探事業部，四川 成都 610095；6. 中國石油 西南油氣田公司 川中油氣礦，四川 遂寧 629000；7. 中國石油 西南油氣田分公司 蜀南氣礦，四川 瀘州 646000；8. 中國石油 西南油氣田公司 川西北氣礦，四川 綿陽 621700）

碳酸鹽巖微孔隙（簡稱微孔）是孔徑范圍屬于微米-納米級的孔隙，既可以發育在石灰巖的基質或膠結物之間、顆粒內［1-4］，也常見于微生物灰巖/白云巖之中［5-7］。微孔可以從孔徑大小及巖石物理特征兩個方面界定。就孔徑大小而言，不同學者對微孔最大孔徑值有多種界定，范圍在2 nm 至100 μm 不等（圖1）；也有以孔喉半徑來劃分，小的在0.3 μm［8］，大的可達50 μm［9］。不同研究目的和技術方法造成了微孔孔徑界限的差異。例如，在光學顯微鏡下，Archie 認為微孔是不可見孔隙，直徑小于10.0 μm［10］；基于多種類型微孔的平均孔徑，Choquette 和Pray 認為微孔直徑小于62.5 μm［11］；在透射電鏡和掃描電鏡下，Pittman 認為至少在一個維度上，微孔直徑小于1.0 μm［12］。從巖石物理尤其是油氣采收率的角度，Fullmer 等劃分微孔與宏觀孔隙的界限是10.0 μm［13］。隨著環境掃描電鏡、納米CT掃描儀等高分辨率設備的應用，納米級孔隙也被納入到微孔的研究范圍中［7，14-15］。

圖1 不同學者對微孔直徑的定義（據參考文獻［1］修改）Fig.1 Delineation of micropore diameters provided by different researchers （modified after reference ［1］）

常見碳酸鹽巖微孔孔徑上限為10 μm［16-22］，而不同的微孔類型會導致孔徑上限不同［23］，在研究中也常見幾十微米的微孔。本文考慮微孔上限的普適性并參考Arve L?n?y 的碳酸鹽巖孔徑分類方案［23］，將微孔的上限定為50 μm。

在國外多個盆地不同埋深和層系的微孔碳酸鹽巖（microporous carbonates）儲集層中均有工業油氣的發現［7，17，19-20，24-29］。與公認的礁灘型儲層、巖溶儲層以及白云巖儲層不同，微孔碳酸鹽巖儲層的微孔率（微孔孔隙度/總孔隙度）大于90 %［21］，屬于非常規儲集巖。微孔不僅發育在海相泥晶灰巖/泥晶白云巖和海相顆粒灰巖/顆粒白云巖中，也發育在湖相微孔碳酸鹽巖中。中國微孔碳酸鹽巖長期未得到重視，近年來在柴達木盆地古近系［30］、塔里木盆地震旦系和奧陶系［31-32］、四川盆地二疊系［33］等均有微孔的報告（表1），最近在四川盆地茅一段的微孔泥灰巖（微孔孔徑僅為4～1 400 nm）中取得了天然氣勘探的突破［33］，展現了非常規（微孔）碳酸鹽巖儲層的巨大潛力。中國西部碳酸鹽巖油氣儲集層普遍具有孔隙度低、埋深大的特點，系統開展碳酸鹽巖微孔的表征、成因和成儲潛力等研究，不僅可以深化碳酸鹽巖微孔形成機理的地質認識，還可為中國西部超深層碳酸鹽巖儲層研究提供新的思路，具有重要的理論和應用價值。

表1 中國碳酸鹽巖微孔研究現狀［21， 31-38］Table 1 Current status of China’s research on micropores in carbonate rocks［21， 31-38］

1 微孔分類及表征方法

1.1 單一因素分類

依據微孔與組分的關系，如基質內、顆粒內、纖維狀膠結物之間、等粒狀膠結物之間，可分為基質孔、粒內孔和晶間孔等［1，39-40］。而依據孔徑大小可分為微米級和納米級孔隙［7，41］，甚至細分為極細孔（0.01～2.00 μm）、細孔（2.00～4.00 μm）、中孔（4.00～6.00 μm）、粗孔（6.00～8.00 μm）和極粗孔（8.00～10.00 μm）。也可以根據孔隙的成因，將微孔分為晶間孔［4，16，19，21］、晶間溶蝕孔、生物體腔孔和有機孔（有機質熱演化形成的瀝青收縮孔）等［42-43］。

1.2 綜合分類

定量的綜合分類方案主要依據的是泥晶礦物晶體結構特征及實驗室內獲得的巖石物理參數值，以Kaczmarek 的劃分方案應用較廣泛［19］。Kaczmarek 對全球顯生宙的灰巖儲層進行了研究，包括對礦物學、地球化學及巖石物性實驗數據等方面的分析，將微孔劃分為Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型。Ⅰ型發育粒狀半自形晶體結構（granular-subhedral），Ⅱ型發育粒狀自形（granulareuhedral）、疏松簇狀（clustered-loose）和緊密簇狀（clustered-fused），Ⅲ型發育部分接合狀（fitted-partial）和緊密接合狀（fitted-fused）晶體結構。3種微孔的各項巖石物性參數依次降低：孔隙度分別為＞20 %，10 %～20 %和＜10 %，滲透率分別為（1.0～20.0）×10-3，（0.1～1.0）×10-3和＜0.1×10-3μm2，平均喉道半徑分別為0.70，0.20 和0.06 μm（圖2）。中國也有類似的分類，衛端（2020）在對塔里木盆地順南地區鷹山組和一間房組的微孔灰巖進行研究時［44］，在巖性和泥晶結構特征的基礎上，結合巖石核磁共振T2譜分布（核磁共振弛豫成像）和巖石物理性質對微孔進行分類。

圖2 微孔碳酸鹽巖儲層3種微孔類型的晶體形態［19］Fig.2 Crystalline morphologies of three major types of micropores in microporous carbonate reservoirs［19］

1.3 表征方法

碳酸鹽巖微孔的表征，對微孔碳酸鹽巖的分類和流體滲流機理等具有指導意義。但針對碳酸鹽巖微孔的表征方法有限，相對于宏孔研究較薄弱。電子計算機斷層掃描（CT）、核磁共振（NMR）、激光掃描共聚焦顯微鏡（CLSM）、場發射掃描電子顯微鏡（FESEM）、數字圖像分析（DIA）、三維納米孔建模、孔隙尺度成像和建模的深度學習等儀器和技術的應用，為微孔的研究提供了方法支撐［1，41，45-53］。部分頁巖和致密砂巖的微觀表征技術方法可以用在碳酸鹽巖微孔的表征上［21］。碳酸鹽巖微孔表征的技術方法根據原理分為3 類：基于流體侵入法（高壓壓汞法HPMI、氣體吸附法、混相驅替法［54］等）及核磁共振法等分析孔隙及吼道特征的定量表征；基于各類圖像分析法（光學顯微鏡、掃描電鏡等）、CT 掃描法等對孔隙形態進行描述的定性表征；以分形維數為代表的數學統計。

目前，微孔的表征更趨向于定性和定量的綜合表征，即用多個方法進行相互驗證，從多個方面對微孔進行表征［21，55-57］。例如在塔里木盆地順南地區中-下奧陶統深層微孔碳酸鹽巖的研究中，用掃描電鏡法、核磁共振法、高壓壓汞法以及分形維數統計法全方面對微孔進行綜合表征［21］。同時，針對微孔的表征方法在非均質碳酸鹽巖的孔隙表征中具有局限性，因此需要復合型孔隙的表征方法，實現對宏觀孔和微觀孔進行分區-分層表征［57］。

而在實際生產應用中，更多關注的是微孔的物性特征。傳統的研究以實測為主，以柴達木盆地英西地區湖相微孔白云巖的研究為例，采用包括常規壓汞及掃描電鏡確定孔喉分布范圍，核磁共振離心聯測可動孔喉下限及物性下限，用壓汞曲線法和分布函數法進行驗證，綜合確定微孔白云巖儲層的物性特征［56］。同時，還可以利用兩種表征方法的互補性對微孔物性特征進行研究，例如通過核磁共振法和高壓壓汞法曲線相減的方法，低成本和高效地得到微孔中連通孔隙和不連通孔隙的分布特征［34，58］。在計算機技術的支持下，以孔隙連通性為核心，提出三維成像、數字巖心，連通域形態學分析和連通域數字模型提取等研究技術和方法［59-60］。這類研究方法能夠更好地反映微米-納米級孔隙空間的本質特點，兼顧微米-納米級孔隙的動態和靜態特性，但這些技術受限制于其代表性、分辨率以及成本。

2 微孔成因與典型發育模式

微孔廣泛分布在碳酸鹽巖顆粒內部、基質以及膠結物中，賦存于泥晶-粉晶之間［1，4，16，19，21，61］（圖3），因此前人在研究碳酸鹽巖微孔成因時更關注原生礦物學特征的變化、沉積相的影響以及成巖作用的改造。

圖3 不同尺度下各組分中的微孔Fig.3 Micropores in mineral components on different scales

2.1 原生沉積物與沉積條件

古老碳酸鹽巖中幾乎所有的微孔都發育在泥晶低鎂方解石和泥晶白云石中，與現代碳酸鹽沉積物相比，在礦物成分和結構等方面均有所差異［1，4，18，62-66］。因此，學者們大量討論了原生碳酸鹽沉積物的結構和礦物成分對微孔發育的控制作用［2，16，20，67］。除此之外，沉積條件對微孔的形成也有一定的影響。

2.1.1 原生礦物成分決定微孔形成的潛力

在文石海和方解石海的不同時期，沉積物礦物成分的差異影響了微孔的發育，古老微孔碳酸鹽巖的原生礦物成分是低鎂方解石還是文石/高鎂方解石，學界尚無統一定論。本文認為，不論是低鎂方解石還是高鎂方解石/文石，都可以形成微孔，但高鎂方解石和文石更有利于微孔的產生，而礦物成分的差異影響微孔發育的潛能和成巖過程。

微孔灰巖多發育于白堊紀方解石海時期以及新生代方解石海向文石海過渡時期［28］，特別是中東地區白堊系發育大量微孔灰巖，這表明低鎂方解石有利于形成微孔。通過對其機理展開研究，有學者認為文石和高鎂方解石在向低鎂方解石轉化的過程中，體積增加，孔隙度減少，原生結構遭到破壞，從而不利于微孔的保存［22，68］，而低鎂方解石會在Ostwald 熟化（Ostwald ripening）影響下發生重結晶作用，使得低鎂方解石泥晶排列更加均一，有利于晶間微孔的形成［18，69］。

然而在文石海時期，同樣能夠發育微孔碳酸鹽巖（石炭系、新近系）［1，12，65，70-71］。通過實驗證明，文石向方解石的轉化對孔隙度的影響很小［72］，更多人認為從亞穩的文石和高鎂方解石轉化為低鎂方解石這個過程［2，16，20，73-75］，對于微孔的形成來說是一個建設性的過程（孔隙不是在這個過程中產生的，而是從原始沉積物中繼承的）。事實上，無論是在基質還是顆粒中，高鎂方解石和文石都表現得更容易發育微孔，特別是在高鎂方解石的顆粒中更有利于微孔的形成［16］。例如，在德克薩斯州Pawnee 油田中，文石質顆粒（雙殼類）被溶解形成鑄模微孔，而HMC顆粒（包括有孔蟲、紅藻以及其他類似顆粒）形成了晶間微孔［20］。而且高鎂方解石向低鎂方解石轉化為孔隙流體提供大量Mg2+，當Mg2+過剩時將導致白云石化，有利于形成白云石晶間微孔。反應機制表明，當文石轉化為白云石時體積縮小6.15 %，而方解石轉化為白云石時體積縮小14.81 %［76］。另外值得一提的是，原生礦物成分控制成核位點的數量，對泥晶尺寸起到控制作用［64，72，77-78］，從而影響微孔的形態。高鎂方解石相較于文石，具有更多成核位點，形成的低鎂方解石晶體較細，更有利于微孔的形成［64，72，78］。

2.1.2 開放的原生微觀結構利于微孔形成

當顆粒內部的微觀結構為泥晶-粉晶結構或是有利于液體通過的開放結構時，均有利于微孔的形成。在全球顯生宙微孔灰巖統計中，發現似球粒、鮞粒、珊瑚、有孔蟲和藻類等顆粒更容易發育微孔［19］。Walter和Morse 通過實驗證明，在某些化學條件下，顆粒顯微結構可以超越礦物溶解的熱力學約束［79-80］。在實驗室條件下，在低鎂方解石欠飽和溶液中，具有泥晶-粉晶結構的文石顆粒溶解速度更快［80-81］。同樣，開放的骨骼結構有利于液體通過，也更容易形成微孔［2］。

2.1.3 沉積環境影響泥晶發育及微孔豐度

沉積條件的差異影響泥晶的形態，不同沉積環境中碳酸鹽巖的微孔率也有所不同。①沉積條件控制泥晶發育程度，進而影響微孔的形態。沉積環境水體能量越高，結晶程度越高。Matthieu對中東地區3個白堊紀微孔碳酸鹽巖的沉積環境進行統計，發現沉積水動力條件與微孔分布有一定相關關系，高能淺灘相更多發育的是粗泥晶（泥晶直徑＞2 μm）晶間孔，而低能泥質內臺地相中主要發育細泥晶晶間孔［17］（圖4）。現代碳酸鹽巖沉積物同樣表明了泥晶結晶程度與水動力強度具有函數關系［82-83］，但是在古老的碳酸鹽巖中，由于受到成巖作用的改造，而很難精確描述這種關系［17，84］。②沉積條件與微孔豐度具有相關性，伴隨水動力減弱，灰泥含量增加，總孔隙度減少，微孔的總比例上升（圖5）。有學者對微孔碳酸鹽巖儲層提出嚴格定義，即微孔占總孔隙90 %、甚至95 %的碳酸鹽巖儲層為微孔碳酸鹽巖儲層［21，85］。因此認為微孔碳酸鹽巖儲層主要分布在大孔隙發育少、灰泥含量較高的低能沉積相中［86-87］。

圖4 不同沉積環境中基質泥晶直徑箱狀圖［17］Fig.4 Box plot showing the diameters of aphanocrystallines in matrix in different sedimentary settings［17］

圖5 不同沉積巖相微孔率與總孔隙度交會圖［17］Fig.5 Cross plot of microporosity and total porosity for different sedimentary lithofacies［17］

2.2 成巖作用

在微孔形成的過程中，成巖作用是必要的改造條件，包括了早期成巖過程的改造和埋藏期間的改造［22］。其中同生期的礦物轉化作用是微孔形成的關鍵，準同生期的白云石化則形成白云石晶間微孔，重結晶作用和溶蝕作用等對微孔起積極改造作用。

2.2.1 礦物轉化在微孔形成中起關鍵作用

礦物的轉化作用是指同沉積期高鎂方解石/文石質泥向低鎂方解石泥晶轉化，沉積期的暴露環境以及大氣淡水形成的潛水透鏡體促進礦物的轉化，形成微孔［22，27，29］。形狀較好、物性較好且發育微孔的泥晶一般都是靠近層序界面之下［17，21，88］。

從文石、高鎂方解石到低鎂方解石的轉化是一個事實［26，64，71-72，78，89-91］，且不論是文石還是高鎂方解石，轉化形成的低鎂方解石泥晶與原生低鎂方解石泥晶無明顯差別［24，29，69，92-93］。礦物成分的轉化作用有利于晶間微孔的排列，是微孔形成的一個重要成巖作用［2，16，20，73-75］。前人對轉化方式進行研究，提出了多種轉化方式，包括晶粒生長作用［89，94］、新生變形作用［95］、Ostwald 熟化作用［96］以及溶解-膠結作用［2，4，16，18-20，71，73，97-98］。這些轉化方式均指示：礦物成分的轉化是在熱力學的驅動下，文石和高鎂方解石組成的原生灰泥溶解，等量低鎂方解石在空隙之間有序地形成泥晶。這個過程使得原本存在的不規則孔隙轉化為均一排列的微孔。

2.2.2 早期白云石化作用收縮形成白云石晶間微孔

白云石化作用不僅有利于形成常規的孔隙，也有利于形成晶間微孔。白云石化作用包括交代白云石化作用和微生物誘導白云石化作用。

交代白云石化作用過程中，由于收縮作用會形成晶間孔和收縮縫［99］，特別是形成廣泛的晶間微孔［100］，如在柴達木盆地英西地區湖相致密碳酸鹽巖中，發現大量晶間微孔［100-103］。在渤海灣盆地東營凹陷的白云巖中也觀察到在顆粒內部形成晶間微孔［76］。

在多個盆地、多個層位的微孔間都發現藻絲體等微生物的存在。例如在南海西沙地區西科1 井中，可在掃描電鏡下見到白云石晶間微孔中存在藻絲體［104］（圖6a），在四川盆地高石梯地區龍王廟組的白云石晶間微孔也發現藻絲體（圖6b），推斷微生物可能與誘導白云石化而形成晶間微孔有關。另外，白云石化作用增強微孔的抗壓實能力，使得孔隙在埋藏過程中的保存能力更強［76］。

圖6 白云巖晶間微孔中存在的藻絲體SEM照片Fig.6 Algal filaments in intercrystalline micropores of dolomites

2.2.3 重結晶作用促進微孔形成及保存

大量的研究表明，經過泥晶化的顆粒更容易形成微孔［12，16，20，73，105］。Bathurst 提出的泥晶化是指原始組構顆粒轉變為泥晶的過程，泥晶從較小的晶粒生長成較大晶粒，包括鉆孔內沉淀無機泥晶碳酸鹽巖，巖石內部文石的生物誘導沉淀以及骨骼重結晶。雖然這個過程與礦物轉化作用相互混雜，但是該過程主要是微觀結構上的變化，并主要由Ostwald 熟化引導［106-111］。另外一種重結晶是淺埋藏期，低鎂方解石在Ostwald熟化影響下發生重結晶作用，使得低鎂方解石泥晶排列更加均一，有利于晶間微孔的形成［18，69］。

2.2.4 溶蝕作用積極改造擴大微孔

溶蝕作用主要是擴大孔隙空間或者增大孔隙之間的連通性［87］，主要包括了同生期選擇性溶蝕、埋藏期微生物熱降解生酸溶蝕、油氣生成和轉化過程中的有機酸溶蝕、TSR（硫酸鹽熱化學還原反應）相關富含CO2和H2S流體溶蝕以及深層熱液溶蝕［112-114］。

同生期選擇性溶蝕作用是在沉積物未固結成巖時，受到大氣淡水淋濾對粒徑較小的生屑顆粒內部進行溶蝕作用，形成鑄模微孔［23］。

在埋藏環境中，微生物熱降解產生有機酸和CO2，產生的溶蝕作用不僅有利于微孔的形成，而且可以抑制膠結物的形成，有利于孔隙的保存［31，115-118］。真菌和細菌等組分的腐爛，也會形成微孔［119-120］。深埋藏期，由于受到由烴類成熟、降解而產生的CO2和有機酸［121］等酸性埋藏流體的改造，在深層條件下也可以有較高的孔隙度［122］，在塔里木盆地順南地區中-下奧陶統的實例中，提出生烴規模也可能影響孔隙的發育方式，生烴強度低可能導致孔隙僅發育于顆粒內部而非顆粒間［31，42］。深部溶蝕作用也受巖漿熱液作用影響［123］，同時熱液溶蝕作用還受到熱液上升速度、溫度變化和構造斷層裂縫位置等因素的影響［124-125］。

2.2.5 膠結作用選擇性充填保留微孔

受到表面化學相關的動力學影響，碳酸鹽巖表現為微孔的選擇性保留，在大孔與小孔共存時，表現為大孔隙先充填，微小的孔喉不易被方解石等膠結物充填，可以成為主要和有效的孔隙空間［20，112，126］，也使得微孔率得到有效提高。

2.3 碳酸鹽巖微孔典型發育模式

微孔的發育與成巖作用密不可分，其中礦物的轉化作用以及埋藏期溶蝕作用的重要性得到廣泛的認可。基于上述沉積條件以及成巖作用的調研，認為文石海時期的低能沉積環境更有利于發育碳酸鹽巖微孔，而成巖作用則起關鍵作用，并依據成巖序列建立理想條件下的微孔發育模式（圖7）。

圖7 典型碳酸鹽巖微孔發育模式Fig.7 Typical development model of micropores in carbonate rocks

當沉積海洋環境為文石海環境時，海水鎂/鈣比高，碳酸鹽巖的原生沉積物以高鎂方解石和文石為主。由于海平面短暫下降，低沉積地貌區域的沉積物暴露接受大氣淡水淋濾，在靠近海平面附近形成潛水透鏡體，高鎂方解石和文石質的灰泥/顆粒在“Ostwald 熟化”作用的推動下，先溶解再沉淀結晶，形成排列整齊、形狀相似的低鎂方解石泥晶（具有開放的骨骼格架或經具泥晶-粉晶結構的顆粒，更容易實現礦物成分的轉化作用）。在這個過程中，早期存在的孔隙得到調整，從不規則的孔隙轉化為晶間微孔。進入淺埋藏期后，受到Ostwald 熟化作用的引導，低鎂方解石泥晶進一步重結晶形成更多晶間微孔；基質中的一些微型藻類、真菌和細菌等微組分，由于埋深增大、溫度升高開始熱降解，形成溶蝕微孔；烴類物質成熟產生有機酸和CO2，以及與TSR 相關的富含CO2和H2S 的流體開始對微孔進行溶蝕改造，并使得微孔保存。

晚埋藏期，構造裂縫為熱液的流動提供通道，一方面受到腐蝕性流體和巖漿熱液的改造，微孔溶蝕擴大，改善了孔隙空間；另一方面受到飽和流體的影響，在孔隙之間形成膠結物，特別是大孔的膠結充填，導致微孔率上升。

3 微孔對巖石物性的影響

碳酸鹽巖微孔的存在對巖石的物理性質，包括巖石的孔滲特征、聲波響應以及電阻率等有重要的影響［17，19，127］。在以顆粒為主的碳酸鹽巖中，宏觀孔隙控制巖石物理性質，顆粒的大小對巖石的物理性質起主要的控制作用。而在微孔碳酸鹽巖中，微孔構成巖石中唯一的孔隙類型，幾乎所有的孔隙度都歸因于微孔，孔隙率在2 %～35 %，滲透率在（0.01～100）×10-3μm2［1］。泥晶體形態和排列方式決定微孔的空間幾何結構，從而決定巖石的物理性質［17，19］。

3.1 孔隙度和孔喉半徑

在石油開采中，發現了部分灰巖具有高孔隙度、低滲透率的特征［128-129］，稱為微孔的“增孔”效應［42］。微孔可以為碳酸鹽巖儲層提供大量孔體積［130］，例如柴達木盆地英西地區微孔白云巖儲集層最大孔隙度可達20 %［131］。通過對全世界多個微孔灰巖的調研發現微孔的孔隙度和孔喉半徑與泥晶類型關系明顯，其中半自形結構的微孔孔隙度和孔喉半徑更大，自形結構的微孔次之，接合狀結構的微孔最差［17，21，88］（圖8）。

圖8 以微孔為主的灰巖的孔隙度-滲透率對數關系曲線［1］Fig.8 Relationship between porosity and permeability of limestones dominated by micropores［1］

3.2 滲透率

微米-納米級的微孔完全有能力賦存油氣并允許其流動運移［132-133］。一方面，微孔的發育在一定程度上可以改善儲層的孔隙結構，起到連接孤立孔隙的作用，對儲集性能的提高有很大的作用［31］。通過實驗證明，在總孔隙度一定的情況下，微孔率越高，滲透率越低［13］。而另一方面，影響巖石滲透率的因素很多，包括泥晶的直徑、孔隙類型以及泥晶的形態等等［134］。例如，相同粒徑的自形泥晶和接合狀泥晶，滲透率范圍變化明顯；隨著孔徑分布范圍減小或者是微孔之間的連通度增大，都會導致流體速度更加集中等［17］。對于微米-納米尺度的孔隙空間，滲透率不能完全表征巖石的滲透性，鄒才能提出孔隙連通率，同樣能夠對微米-納米級孔隙空間的滲透性進行描述［135］。實驗表明影響滲透率的因素依次為裂縫、孔隙連通性、孔喉半徑［42］。

3.3 微孔對其他物性的影響

碳酸鹽巖中的微孔還對巖石的電阻率、聲學和力學等物理特性產生影響。微孔的存在使得電阻率明顯下降：當儲集空間主要為細微孔喉時，受導電迂回曲度的影響，在相同飽和度條件下，微孔型儲層電阻率更低［136］。另外，在研究中發現地層因素（飽和鹽水電阻率與純地層的電阻率之比）隨孔隙度增加而減小，且泥晶結構類型與地層因子的分布關系密切［88］。

微孔的存在使得聲波速度減小，在孔隙度相同的情況下，微孔率越高，聲波速度越小［137］（圖9）。而泥晶直徑和結構同樣對聲波速度產生影響，通過建立聲波速度與孔隙度交會圖，表明泥晶的直徑減小以及半自形結構將會導致波速減小［88］（圖10）。

圖9 微孔率和聲速之間的反比關系［137］Fig.9 Cross plot showing the inverse relationship between microporosity and P-wave velocity［137］

圖10 總孔隙度與縱波速度交會圖［88］Fig.10 Cross plot of total porosity and P-wave velocity［88］

另外，微孔有效地增加了巖石體積壓縮系數，使得巖石受到應力后主要發生彈性形變，骨架剛度變大［138-139］。在實例的巖石壓縮實驗中，可觀察到微孔碳酸鹽巖的骨架體積彈性模量幾乎不變［140］。

4 研究趨勢

一方面，原位微區的沉積、成巖環境定性-定量分析技術不斷更新，原位微區元素、團簇同位素、U-Pb同位素測年等技術的發展，結合激光剝蝕和高精度質譜儀應用［141］，使得恢復沉積成巖的環境和過程更加準確，對明確微孔成因有重要意義。另一方面，微孔表征技術在進一步發展。新技術相較于傳統的掃描電鏡和顯微CT掃描，能夠更精確、更全面地表征微孔，如太赫茲成像技術（terahertz imaging）［142］、激光掃描共聚焦顯微鏡（CSLM）［143］以及掃描電鏡大視域拼接技術［144］等。其中激光掃描共聚焦顯微鏡不僅精度更大（2 μm/像素），而且能夠識別微孔與宏孔的連接，評估孔隙的連通性，更有效對碳酸鹽巖微孔進行定性和定量分析。

在不同研究目的和需求下，微孔表征技術方法在不斷優化。①討論微孔在包含大孔或裂縫的復合型孔隙系統中的貢獻，通過數字模型的建立去討論微孔的動態和靜態特性，包括多物理場仿真、數字巖心等技術，如何使得數字模型更加真實地反應出流體在復合型孔隙系統中的流動特性是值得討論的問題。②微孔碳酸鹽巖孔、滲明顯低于常規碳酸鹽巖儲層，需要建立一個標準去確定微孔碳酸鹽巖的物性下限。

目前，碎屑巖微孔的物性下限研究已較為豐富，如通過驅替實驗中壓差飽和度關系［145］、驅替啟動壓力與物性關系圖拐點［146］、兩倍水膜厚度與油氣分子集合體之和［147］、掃描電鏡實測［148］、流體性質受力［133，149］等方法和角度研究和確定孔喉的下限。但以上方法受到樣品數量和區域差異等因素影響較大，研究致密碳酸鹽巖儲層物性下限的方法要考慮流體滲流過程、孔隙結構、界面性質、流體性質以及溫壓條件等［56］。

5 結論

1） 碳酸鹽巖微孔是孔徑小于50 μm 的微米-納米級的孔隙，根據不同的研究目的有多種分類方案，以Kaczmarek的劃分方案應用較為廣泛，將泥晶形態和物性相結合，微孔分為Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型等3 種，分別發育粒狀半自形、粒狀自形或疏松簇狀或緊密簇狀以及部分接合狀或緊密接合狀結構，物性依次變差。微孔的表征方法主要分為流體侵入法、圖像分析法和數學統計法，各類表征方法通過定性-定量組合實現對微孔的綜合表征。

2） 微孔主要發育于碳酸鹽巖的基質，其形成受到礦物、沉積條件以及成巖作用的控制。原生礦物成分是高鎂方解石和文石以及顆粒具有開放原生微觀結構的更容易發育微孔。海水環境為文石海、受大氣的淡水影響且水體能量低的沉積相更容易發育微孔。同生期的礦物轉化作用、白云石化作用是微孔形成的主要成巖作用，重結晶作用、溶蝕作用以及微組分熱解生烴等對微孔起建設作用。

3） 微孔類型、孔徑、泥晶形態、微孔連通性和孔喉半徑等特征對微孔的物性有不同程度的影響。泥晶結晶程度越高，泥晶直徑越小，孔喉半徑越大，導致孔隙度和滲透率越高，電阻率越低，聲波波速越小。