王小敏 ，樊太亮

(1. 中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 能源學(xué)院，北京，100083；2. 中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 海相儲層演化與油氣富集機(jī)理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100083)

儲層分類是油氣儲層評價的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[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(shù)分類[3]；(2) 按儲層的孔滲類型分類，即根據(jù)孔滲空間種類及其組合特征分類[4-5]。在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，方案1的主要缺陷是與地質(zhì)成因背景之間的聯(lián)系比較薄弱；方案2主要是由于各類空隙空間與物性參數(shù)之間不存在嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，既造成各類儲層的物性參數(shù)變化相當(dāng)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(jié)構(gòu)復(fù)雜、非均質(zhì)性極強(qiáng)的礁灘相儲層尤其如此[6-9]。所以，如何有效地進(jìn)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(qū)上石炭統(tǒng)小海子組和川東北地區(qū)下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組[10]為例，它們都廣泛發(fā)育碳酸鹽巖礁灘相儲層，區(qū)域性的古巖溶和構(gòu)造裂縫并不發(fā)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(dá)10%以上。因此，本文作者從儲層評價實(shí)用的角度，針對這類儲層，按照巖石結(jié)構(gòu)成因類型、優(yōu)勢孔隙類型、孔隙結(jié)構(gòu)/物性分類進(jìn)行多層次劃分，將地質(zhì)成因模式、儲集空隙結(jié)構(gòu)和巖石物理屬性緊密地結(jié)合，從而為礁灘相儲層的勘探部署和開發(fā)方案設(shè)計(jì)提供可靠的儲層地質(zhì)模型。

1 儲層類型劃分

1.1 巖石結(jié)構(gòu)成因分類

按巖石結(jié)構(gòu)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(yīng)關(guān)系。因此，礁灘相儲層劃分為生物灰?guī)r類、顆粒巖-灰泥巖類和結(jié)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?guī)r和以顆粒為主的灰?guī)r兩個亞類[6]。前三大類都具有沉積組構(gòu)未消除的特征，包括石灰?guī)r、白云石化的灰?guī)r、具有殘余結(jié)構(gòu)的白云巖；后一大類主要包括因重結(jié)晶作用或白云石化作用使沉積組構(gòu)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(yīng)特征(見圖1，圖中碳酸鹽巖數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)[9])。

生物灰?guī)r類包括格架巖、障積巖、粘結(jié)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(jiān)硬、抗壓強(qiáng)度大，彈性聲波速度普遍較快。巖石孔隙發(fā)育依賴于造架生物的類型，且易受原始沉積環(huán)境中灰泥和細(xì)粒沉積物不同程度的充填，導(dǎo)致孔隙網(wǎng)絡(luò)體系復(fù)雜化，孔隙度與滲透率之間的相關(guān)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(nèi)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(guān)系總體上都遵循Wyllie平均時間方程，但兩個亞類的孔滲關(guān)系具有截然不同的特征。灰泥為主的灰?guī)r類，原生孔隙為基質(zhì)微孔隙和孤立的粒內(nèi)孔，次生孔隙多為灰泥基質(zhì)發(fā)生重結(jié)晶作用或白云石化作用形成的晶間孔及少量零散的粒內(nèi)溶孔，總體上巖石滲透率相對較低，孔滲關(guān)系基本符合指數(shù)為3或5的函數(shù)方程[11]。相反，顆粒為主的灰?guī)r類，主要由各種骨粒通過膠結(jié)作用而形成，孔隙空間包括粒間孔、粒內(nèi)孔、鑄模孔等多種類型。當(dāng)孔隙度相同時，巖石滲透率、聲速的變化與孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。

結(jié)晶碳酸鹽巖類儲層，其顯著特征是晶粒結(jié)構(gòu)發(fā)育，常見粉晶、細(xì)晶、中晶及粗晶結(jié)構(gòu)。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(guān)性[7]。當(dāng)孔隙度相同時，相比其他類巖石，結(jié)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(yīng)與孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也緊密相關(guān)。

綜上所述，生物灰?guī)r類和以灰泥為主的灰?guī)r類儲層都具有特定的物理響應(yīng)特征，而顆粒為主的灰?guī)r類和結(jié)晶碳酸鹽巖類儲層由于孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣而導(dǎo)致巖石物理響應(yīng)具有不確定性。

1.2 優(yōu)勢孔隙類型分類

按巖石內(nèi)占優(yōu)勢的孔隙類型，將顆粒為主的灰?guī)r和結(jié)晶碳酸鹽巖類儲層進(jìn)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(yīng)關(guān)系。以顆粒為主的灰?guī)r類和結(jié)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(nèi)孔、晶間孔、粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔、鑄?？?、晶間溶孔及非組構(gòu)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(guān)系，與聲波速度之間呈負(fù)向關(guān)系。但是，當(dāng)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(yōu)勢的碳酸鹽巖，孔隙度分別與滲透率、聲波速度之間的相關(guān)性都非常差。絕大多數(shù)碳酸鹽巖樣品的滲透率變化趨勢符合指數(shù)為5的函數(shù)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(nèi)孔和鑄模孔的顆?；?guī)r，當(dāng)溶蝕作用形成鑄?？讜r，其附近的粒間孔隙同時會被膠結(jié)物充填，巖石骨架變得相對致密堅(jiān)硬，孔隙之間主要依靠少量的粒間孔和基質(zhì)微孔隙相互溝通。該類碳酸鹽巖的孔滲關(guān)系基本符合指數(shù)為5的函數(shù)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(yōu)勢的碳酸鹽巖滲透率落在Fontainebleau砂巖線附近，占據(jù)高滲透率區(qū)域(見圖3(a))。同時該類樣品點(diǎn)都落入高聲波速度區(qū)域，遠(yuǎn)遠(yuǎn)地正向偏離于Wyllie曲線(見圖3(b))。前人總結(jié)粒間孔和晶間孔具有相似的物理屬性，都負(fù)向偏離于Wyllie曲線[8]。但本文認(rèn)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?guī)r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(gòu)選擇性溶孔占優(yōu)勢的碳酸鹽巖滲透率普遍較高，但規(guī)律性并沒有晶間孔的好。聲波速度變化趨勢與晶間孔占優(yōu)勢的碳酸鹽巖相類似，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(yīng)特征。除了粒內(nèi)孔和鑄?？滋妓猁}巖具有特定的物性變化規(guī)律，粒間孔和晶間孔及非組構(gòu)選擇性溶孔碳酸鹽巖的物理響應(yīng)都與傳統(tǒng)的認(rèn)識也不一致。說明儲集空間即使地質(zhì)成因模式相同，單種孔隙類型本身的幾何結(jié)構(gòu)特征也顯著地影響著巖石物理屬性。

圖3 結(jié)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(jié)構(gòu)/物性分類

這種分類方法主要借助于光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、微CT等技術(shù)方法對鉆井取芯、井壁巖屑、鑄體薄片進(jìn)行數(shù)字化成像分析，通過分析計(jì)算獲取一系列能夠反映孔隙結(jié)構(gòu)、并且與巖石物理屬性緊密相關(guān)的定量參數(shù)[12]，從而根據(jù)這些參數(shù)對儲層進(jìn)一步分類。對碳酸鹽巖鑄體薄片進(jìn)行數(shù)字化成像分析(2DDIA)，發(fā)現(xiàn)其中有3個最重要的2DDIA參數(shù)能很好地表征孔隙系統(tǒng)，并且與巖石物性響應(yīng)之間有著良好的相關(guān)性[13-14]。第 1個參數(shù)是周長面積比(PoA)，指薄片內(nèi)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(wǎng)絡(luò)體系越復(fù)雜越曲折。第2個參數(shù)是孔徑主尺寸(DomSize)，指薄片內(nèi)占總孔隙體積50%的孔隙尺寸最大值，表示巖石孔隙網(wǎng)絡(luò)體系內(nèi)絕大多數(shù)的孔隙大小。第3個參數(shù)是微孔隙度，包括直徑小于30 μm的所有孔隙。當(dāng)孔隙度相同時，巖石孔隙網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)體系越復(fù)雜曲折、且孔喉細(xì)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(xì)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(xì)粒間溶孔和微粒間溶孔是通過溶蝕作用擴(kuò)大而形成的粒間溶孔[15]。L?n?y[7]以改善孔滲關(guān)系相關(guān)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(jié)合孔隙的地質(zhì)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(yīng)特征(見圖5)。微粒間孔儲層的滲透率變化基本遵循指數(shù)為 3的函數(shù)方程，聲波速度負(fù)向偏離于Wyllie曲線；細(xì)粒間溶孔儲層的滲透率變化遵循指數(shù)為5或7的函數(shù)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(xì)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(guī)律。對于成巖晚期經(jīng)過重結(jié)晶作用或交代作用形成的細(xì)-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(yuǎn)遠(yuǎn)地正向偏離于Wyllie曲線(見圖3)。

圖4 顆粒為主的粒間孔灰?guī)r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?guī)r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(gòu)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(jī)酸溶蝕形成的次生孔隙，孔隙邊界不規(guī)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(guī)律與粗晶間孔的類似，都屬于結(jié)構(gòu)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(guān)系極其復(fù)雜，需進(jìn)行進(jìn)一步研究。

圖6 結(jié)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(diǎn)需簡要說明。

(1) 儲層分類簡表。考慮到高孔高滲相帶的預(yù)測、儲集空間的地質(zhì)成因模式、及孔隙結(jié)構(gòu)對物性參數(shù)的影響作用，本文依次按照巖石結(jié)構(gòu)成因類型分類、優(yōu)勢孔隙類型分類、孔隙結(jié)構(gòu)/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(guān)文獻(xiàn)及數(shù)據(jù)比較缺乏，本文對這一大類沒有再進(jìn)行精細(xì)劃分?；夷酁橹鞯幕?guī)r類儲層，占優(yōu)勢的基質(zhì)微孔隙和準(zhǔn)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(jìn)一步分類。

(2) 碳酸鹽巖的孔滲關(guān)系。Fontainebleau砂巖是等粒多孔介質(zhì)的一個典型實(shí)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(guān)系時的一個理想?yún)⒖记€[11]。指數(shù)為3的冪函數(shù)K=f(φ3)類似于Kozeny公式。指數(shù)為5和7的冪函數(shù)K=f(φn)，孔隙度的指數(shù)相對增大，其目的是補(bǔ)償孔隙結(jié)構(gòu)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(yōu)質(zhì)碳酸鹽巖儲層的儲集空間類型主要是細(xì)-粗粒間溶孔、細(xì)-粗晶間孔和非組構(gòu)選擇性溶孔。

(3) 碳酸鹽巖的孔聲關(guān)系。對于相對純凈的碳酸鹽巖，除了孔隙度，孔隙結(jié)構(gòu)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(dāng)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(guī)律相一致；當(dāng)a不等于1時(通常小于1)，將不遵循Wyllie準(zhǔn)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(bǔ)償孔隙結(jié)構(gòu)變異對巖石彈性聲波的影響作用；當(dāng)a等于0.9時，主要表示粒內(nèi)孔和鑄模孔，及細(xì)粒間溶孔碳酸鹽巖的彈性聲速變化趨勢；當(dāng)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(yīng)用實(shí)例

塔里木盆地巴麥地區(qū)晚石炭世小海子組廣泛發(fā)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(nèi)灘，形成于海侵背景、內(nèi)緩坡臺地中的微低古隆環(huán)境，其發(fā)育主要受控于構(gòu)造變形和相對海平面變化。小海子組優(yōu)質(zhì)儲層主要受開闊臺地淺灘沉積作用和(準(zhǔn))同生期成巖作用控制，尤其是淺灘相顆?；?guī)r方解石亮晶膠結(jié)物在成巖過程中被白云石優(yōu)先交代，產(chǎn)生的白云石晶間孔促進(jìn)溶蝕作用發(fā)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(yīng)特征(見圖 8)。

圖7 巴麥地區(qū)晚石炭世碳酸鹽巖臺內(nèi)灘典型優(yōu)質(zhì)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(nèi)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(jié)構(gòu)，以晶間溶孔、粒間溶孔為主，次為粒內(nèi)溶孔；屬于第Ⅳ1類，粗晶間溶孔。圖 7(c)所示為泥晶灰質(zhì)云巖，晶粒細(xì)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(qū)晚石炭世碳酸鹽巖臺內(nèi)灘優(yōu)質(zhì)儲層的巖石物性響應(yīng)特征如圖8所示。圖8(a)中樣品孔隙結(jié)構(gòu)是通過鑄體薄片的鏡下觀察，孔隙度和滲透率是通過實(shí)驗(yàn)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(qū)優(yōu)質(zhì)儲層主要受控于臺內(nèi)淺灘沉積作用、白云化作用和溶蝕作用。

圖8 巴麥地區(qū)晚石炭世碳酸鹽巖臺內(nèi)灘典型優(yōu)質(zhì)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(jié)論

(1) 國內(nèi)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(jié)構(gòu)成因、優(yōu)勢孔隙類型、孔隙結(jié)構(gòu)/物性分類進(jìn)行多層次劃分，發(fā)現(xiàn)能夠成為優(yōu)質(zhì)碳酸鹽巖儲層的儲集空間主要是細(xì)-粗粒間溶孔、細(xì)-粗晶間孔和非組構(gòu)選擇性溶孔。當(dāng)孔隙度相同時，粗粒間溶孔、粗晶間孔的聲波速度比鑄?？椎母?，孔滲關(guān)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(yīng)。

(2) 實(shí)驗(yàn)室測試數(shù)據(jù)和儲層評價實(shí)例表明，本文以巖石組構(gòu)、孔隙結(jié)構(gòu)和巖石物性三者之間的相互聯(lián)系為基礎(chǔ)的礁灘相儲層分類，有利于儲層類型識別和儲層物性參數(shù)的空間預(yù)測。但這種分類方法仍需要進(jìn)一步完善。以“巖石組構(gòu)-孔隙結(jié)構(gòu)-物理屬性”三者之間的內(nèi)在聯(lián)系為切入點(diǎn)，借助數(shù)字化成像分析等定量表征巖石結(jié)構(gòu)的新技術(shù)方法，研究儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)與核磁共振(NMR)、成像測井(FMI)等非常規(guī)測井響應(yīng)之間的相互聯(lián)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(yīng)之間實(shí)現(xiàn)真正的緊密結(jié)合、一體化，這將對礁灘相儲層評價和油氣藏分布的預(yù)測等方面具有重要的指導(dǎo)意義。

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