基于CT成像技术的白云岩储层微观表征——以川中磨溪—龙女寺台内地区震旦系灯影组四段为例

田兴旺，杨岱林，钟佳倚，孙奕婷，王云龙，杨雨，文龙，张玺华，彭瀚霖，何家欢，蒲治锦，马奎

中国石油西南油气田分公司勘探开发研究院，成都 610041

0 引言

2011年7月，四川盆地中部（以下简称川中）高石梯—磨溪地区震旦系灯影组风险探井GS1井获得重大勘探突破，灯影组累计测试天然气高达138.25万方/天，明确了其发育一套丘滩相+大规模岩溶作用改造联合控制的储集层的基本地质认识[1-16]。截至2019年底，川中高石梯—磨溪地区已明确震旦系灯影组四段气藏富集区面积7 500 km2，累计提交天然气探明地质储量近6 000×108m3，其中台缘区4 300×108m3，台内区1 700×108m3，试采井51口，累产气近60×108m3，展现了良好的勘探开发前景。

目前，川中高磨地区震旦系灯影组的勘探重心已从台缘区向台内区转移，但台内区探井效果明显不如台缘区。分析研究表明，台缘区、台内区勘探效果差异的主要原因是灯影组储层品质的变化，由台缘向台内整体储层非均质性更强，厚度变薄，物性变差，储层孔隙度平均仅3.2%，为特低孔—低孔、低渗储层[3-6,11-14]。加强磨溪—龙女寺台内区灯影组储层储集空间孔喉结构特征的研究，对该地区油气勘探具有重要意义。但传统储层微观研究方法如薄片鉴定、扫描电镜及压汞等实验对复杂孔喉结构的碳酸盐岩具有一定的局限，不能识别微米级孔隙及岩心样品内部孔隙特征，更不能进行三维表征[17-25]。因此，针对储层非均质性强的磨溪—龙女寺台内地区，本文应用CT成像技术对川中磨溪—龙女寺台内地区震旦系灯影组四段白云岩储层样品进行三维可视化刻画，提取表征不同类型储层孔隙和吼道结构特征的参数，对孔隙结构进行分类评价和定量表征，分析其形态、大小及其相互连通关系，定量计算其孔隙及喉道半径及数量等表征连通性能关键特征参数，深入揭示储层内部三维空间结构特征，为储层有效性评价和预测、发育与分布规律研究提供重要依据，对提高该地区单井储层钻遇率和产能至关重要。

1 储层基本地质特征

震旦系灯影组属于四川盆地沉积的第一套碳酸盐台地建造沉积为主的盖层和第一套含气系统（震旦系—下古生界含气系统），与上覆麦地坪组灰岩或筇竹寺组泥页岩不整合接触，与其下伏陡山沱组整合接触[6-11]，是目前川中地区油气勘探开发的主力产层之一。按岩性、电性等特征将灯影组地层分为四段，灯影组三段以沉积海相泥页岩夹石英砂岩为特征，其余层段均为白云岩地层，灯影组四段岩性以富藻环境下发育的藻凝块白云岩夹藻纹层白云岩、藻砂屑白云岩为主，中间夹硅质层[6]。灯影组灯四段发育一套受岩溶作用控制的丘滩相储层，储层段孔、洞、缝发育，连通性好，储层类型以裂缝—孔隙型及裂缝—孔洞型储层为主。储层多以沉积期海水回流渗透与准同生—早成岩期岩溶作用多期改造为成因，储集空间类型复杂多样，包括粒内溶孔、粒间溶孔、晶间孔、藻格架孔等各类孔隙，裂缝与溶洞[5-10]。

2 储层微观结构

应用铸体薄片和扫描电镜等直接观察方法，发现台内区灯四段储层主要发育缩颈、片状和管束状三类喉道类型，以缩颈和片状喉道为主。缩颈喉道常见于台内地区具有明显砂屑颗粒结构特征的砂屑白云岩粒间溶孔中，片状喉道在晶粒白云岩储层中占绝对优势，此外当储层中沥青十分发育时可见沥青收缩孔，其可部分形成管束状连接残余孔隙，如图1所示。磨溪—龙女寺地区台内灯四段储层全直径孔隙度平均值4.34%，按照储层孔隙度分类标准，属于低孔储层；磨溪—龙女寺地区的压汞分析统计结果表明，灯四段存在中—大喉道和小—微喉道两类，对渗透率贡献最大的主要是中—大喉道。样品以微喉道为主（50%），其次为小喉道（33.33%），主要以小喉道贡献渗透率，中喉最少（16.67%），但对渗透率的贡献较大。

图1 台内灯四段储层铸体薄片和扫描电镜照片（a）缩颈喉道，磨溪17井，5 078.79 m，灯四段，泥晶砂屑云岩，溶孔充填沥青和白云石，蓝色铸体，单偏光，×25；（b）缩颈喉道，磨溪17井，5 082.3 m，灯四段，砂屑云岩，溶孔充填沥青，蓝色铸体，单偏光，×50；（c）管状喉道，磨溪17井，5 077.04 m，灯四段，砂屑云岩，溶孔充填沥青，蓝色铸体，单偏光，×25；（d）磨溪109井，灯四段，5 109.06～5109.25 m，砂屑云岩，片状喉道；（e）磨溪109井，灯四段，5 126.43～5 126.56 m，砂屑云岩，缩颈喉道；（f）磨溪109井，灯四段，5 109.06～5 109.25 m，砂屑云岩，沥青收缩片状喉道Fig.1 Thin sections and SEM photographs of Dengsi reservoir in inner platform(a)necking throat,Moxi 17 well,5 078.79 m，Dengsi Fomation,micrite arenite dolomite,pores are filled with bitumen and dolomite,blue casting,plane⁃polarized light,×25;(b)necking throat,Moxi 17 well，5 082.3 m,Dengsi Fomation,arenite dolomite,pores are filled with bitumen,blue casting，blue casting,plane⁃polarized light,×50;(c)tubu⁃lar throat,Moxi 17 well,5 077.04 m,Dengsi Fomation,arenite dolomite,pores are filled with bitumen,blue casting，blue casting,plane⁃polarized light,×25;(d)Moxi 109 well,Dengsi Fomation,5 109.06⁃5 109.25 m,arenite dolomite,flake throat;(e)Moxi 109 well,Dengsi fomation,5 126.43⁃5 126.56 m,arenite dolomite,necking throat;(f)Moxi 109 well,Dengsi Fomation,5 109.06⁃5 109.25 m,arenite dolomite,asphalt contraction flake throat

3 CT扫描测试方法及实验样品

3.1 测试方法

伴随着科技进步的推动，储层微观孔隙结构研究手段由最初的简单物性分析向更为先进的实验测试发展。常规研究手段能够还原沉积成岩过程，明确储层孔洞成因、类型以及发育程度，但台内储层压汞数据表明该地区孔喉结构复杂，其在对储层空间展布特征研究上的局限性使其无法满足研究区目前勘探、开发工作中对储层整体非均质性以及有效性分析的需求。本文采用CT扫描技术尝试研究台内灯影组广义的“孔喉结构”。此次样品的分析测试在中国石油西南油气田公司勘探开发研究院碳酸盐岩成藏与开发重点实验室完成。测试仪器由美国通用公司生产，仪器型号为phoenix v|tome|x M，其基本工作原理是将样品放置于射线管及探测器之间，利用X-射线对样品进行穿透，根据不同岩石组分的原子序数、密度及内部的厚度不同，导致射线穿过后的衰减程度具有明显的差异，应用灵敏度极高的phoenix v|tome|x M仪器对岩样进行测量，然后将测量所获取的相关参数数据输入电子计算机，经过处理，便可形成被检查岩石样品三维立体的图像。通过该技术可展示三维立体图像的储层形态，清晰、准确、直观地展示储层的内部结构、组成。其突出特点为能够精确无损地对储层岩石样品进行高精度三维图像CT扫描，空间分辨率为14.9μm，样品尺寸为25 mm。具体工作流程为：准备样品—样品放置于射线管及探测器之间—设置射线相关参数—探测器校准—设置扫描参数—扫描样品保存数据—扫描数据重建—分类导出图像—编写报告。

3.2 实验样品

针对川中台内区灯影组四段3种储集类型，本文优选磨溪—龙女寺台内地区3个储层实验样品（图2）进行高精度三维图像CT扫描，并开展了相应的三维重构、定量分析与评价：①MX39井灯影组四段溶蚀孔洞的砂屑白云岩—孔洞型；②GS16井灯影组溶蚀孔洞发育的藻凝块白云岩—溶孔型；③MX13井灯影组四段针孔发育的藻纹层白云岩—溶孔型。在CT扫描之前，进行孔隙度鉴定实验分析，测得样品①、样品②、样品③孔隙度分别为4.54%、4.93%、2.49%，样品①宏观发育大孔—中孔，样品②宏观发育中孔—小孔，样品③宏观溶蚀孔洞欠发育。

图2 CT扫描实验岩心样品宏观照片（a）MX39（5 299.99）岩心；（b）GS16（5 455.05）岩心；（c）MX13（5 046.9）岩心；（d）MX39（5 299.99）薄片；（e）GS16（5 455.05）薄片；（f）MX13（5 046.9）薄片Fig.2 Photographs of core samples in CT scanning experiment(a)MX39（5 299.99）core;(b)GS16（5 455.05）core;(c)MX13（5 046.9）core;(d)MX39（5 299.99）section;(e)GS16（5 455.05）section;(f)MX13（5 046.9）section

4 测试结果

通过CT扫描，我们获取了直观的岩心横纵切面视图、岩心3D视图、孔隙3D视图以及岩心孔隙分布直方图，并从微观上定量分析了碳酸盐岩储层孔喉的分布特征。

4.1 储集空间性质

4.1.1 样品①CT成像特征

在14.9μm分辨率下，根据X、Y、Z3个方向的二维CT成像切片分析，溶蚀孔洞较为发育，储集空间类型复杂，不同尺度溶蚀孔洞和裂缝共生，充填情况介于未充填—半充填状态之间。在三维空间上，孔洞分布不均匀，非均质性强。孔隙类型以晶间孔为主，呈弧形，孔隙边缘平滑，孔径介于0.1～2 mm，洞穴直径最高达到6 mm（图3）。裂缝空间上呈片状发育，有平直型和弯曲型，空间连续性强，沟通孤立溶蚀孔洞，有效提高了储层有效性（图3）。

借助色标能够直观、定量反映样品上孔洞的孔径分布情况，粉红色指示孔径大于等于6 mm，4～6 mm孔径为黄色至红色渐变，1～4 mm孔径为浅蓝向绿色渐变，1 mm以下孔径由深蓝色渐变显示。样品①在三维空间上洞穴、大孔发育连续，中小孔隙欠发育，储层非均质性强，岩心主要储集空间由孔径大于4 mm的大孔、洞组成，孔洞间直接接触或由孔径较小的微裂缝沟通（图3）。

图3 样品①储层CT三维扫描成像及孔径分布图Fig.3 Three⁃dimensional CT scans and core section analysis image of sample from No.1 reservoir

4.1.2 样品②CT成像特征

根据X、Y、Z3个方向的二维CT成像切片看出，溶蚀孔洞非常发育，储集空间类型复杂，以溶蚀孔隙为主体，洞穴、裂缝伴生，几乎不充填。三维空间上，孔洞发育连续性好，各向分布均匀。孔隙类型以晶间孔为主，呈弧形，孔隙边缘平滑，孔径介于0.02～1.5 mm，洞穴直径最高达3.5 mm。各种形态裂缝在空间上呈片状发育，切穿溶孔、溶洞使后者达到相互沟通的效果，有力提升储集空间的有效渗流能力（图4）。

借助色标对孔径的反映看出，样品②在三维空间上大孔洞与微孔隙非常发育，岩心主要储集空间由孔径达到4 mm大孔以及孔径小于1 mm的微孔隙提供，孔洞间直接接触或由不同尺度的裂缝沟通（图4）。

图4 样品②储层CT三维扫描成像及孔径分析图Fig.4 Three⁃dimensional CT scans and core section analysis diagram of sample from No.2 reservoir

4.1.3 样品③CT成像特征

根据X、Y、Z3个方向的二维CT成像切片看出，溶孔、溶洞欠发育，空间上不连续，非均质性强，大型溶蚀孔洞全充填，部分针孔未受充填，孔径介于0.01～1mm之间。裂缝发育规模小，空间上连续性不强，少有与溶蚀孔洞切割，无法有效改善储集空间连通性（图5）。

借助色标对孔径的反映看出，样品③在三维空间上孔洞欠发育，且展布不连续，岩心储集空间不足，虽有个别大孔洞存在，但孔洞相对孤立存在，缺少微裂缝沟通（图5），渗流能力较差。

图5 样品③储层CT三维扫描成像及孔径分析图Fig.5 Three⁃dimensional CT scans and core section analysis diagram of sample from No.3 reservoir

4.2 储集空间连通性定量表征

孔隙的有效性直接由孔隙之间连通性决定，对储层的三维定量评价仅对孔隙连通性的评价远远不够的，需对构成储层本身的孔隙和喉道进行定量表征，更加直观，更加具体。因此本文利用三维数据体进行二值化分割重构，在e-core软件中将数据体设定为孔隙与基质两种相态，用0、1分别表征，将两种相态边界作为起点，确定两相之间的中轴位置，并测量中轴上各点距边界的距离。在孔隙相中将测到的最大距离嵌入等效的红色球体，代表孔隙半径；寻找其中最小距离嵌入等效的白色圆柱形棒体（白色），代表吼道半径[17-18]。通过对储层孔隙、喉道的提取，建立三维孔喉网络模型，能够将孔隙发育情况与喉道分布在一个三维立方体中直观展现出来，并能定量计算孔喉半径、孔隙体积、表面积、孔喉数等参数（图6）。

图6 样品①、②、③孔喉球棍模型图Fig.6 Images of hole throat bat models of samples No.1,2 and 3

样品①（MX39）中喉道最为发育，在三维空间上大量代表喉道的圆柱形棒体密集叠加在模型上构成蛛网状结构，且喉道发育位置与孔洞位置匹配良好，样品物性条件好，渗流能力强。样品②（GS16）喉道较为发育，能观察到三维空间中在孔隙之间均分布有指代喉道的白色棒体，局部上有圆柱形棒体叠加形成的片状结构。样品③（MX13）中喉道欠发育，孔隙之间关系孤立，少有喉道连接，样品物性条件差，渗流能力弱（图7）。

图7 样品①②③喉道数字化三维图Fig.7 Digital three⁃dimensional map of throat samples No.1,2 and 3

将喉道数据单独提取，并加入色标定量表征喉道孔径，建立三维模型，能够更加直观判定喉道自身性质，并定量计算喉道相关参数（表1）。样品①（MX39）喉道品质最优，共识别出7 230条喉道，单个喉道发育规模大，延伸长平均18.43 mm，平均喉道半径1.75 mm，总长度达1.30×105mm，总体积达8.16×106mm3，图像上喉道组合呈花状向周围发散或相互交错叠加，喉道延伸长、半径大，有利于连通样品中大尺度孔洞。样品②（GS16）喉道品质较优，共识别出9 041条喉道，单个喉道发育长度较长，平均11.24 mm，喉道半径较小，平均0.99 mm，总长度达1.08×105mm，总体积达0.56×106mm3，图像上喉道组合相互交错叠加，喉道数量多、延伸长，有利于与样品中大量发育的中、小孔隙相互切割、交汇。样品③（MX13）喉道品质较差，共识别出5 581条喉道，单个喉道发育长度平均10.26 mm，喉道半径平均1.47 mm，总长度较短，仅0.59×105mm，总体积1.43×106mm3，图像上喉道组合相互独立存在，局部有重叠，喉道数量少、延伸短，不利于对样品中孔隙之间的相互连通。

表1 样品①②③喉道结构参数表Table1 Throat structure parameters for samples No.1,2 and 3

5 储层品质微观参数表征

不同储集空间受其形态、大小的影响在成藏过程中起着不同的作用，据此将其分为孔隙与喉道两种微观类型，喉道的大小、类型及分布直接决定了储层的渗透性，孔喉的优越配置关系则制约着储层的有效性。通过对孔隙半径分布、喉道半径、单喉道延伸长度分布等参数的定量表征，能够充分反映台内区储层微观复杂结构性质。

5.1 微观孔隙定量分析

运用数字化孔隙模型分析孔隙发育程度和分布特征：样品①（MX39）共发育8 288个孔隙，其中小于0.1 mm孔隙7 321个，0.1～1 mm孔隙955个，大于1 mm的孔隙12个，孔洞较为发育；样品②（GS16）共发育32 323个孔隙，其中小于0.1 mm孔隙26 733个，0.1～1 mm孔隙5 576个，大于1 mm的孔隙14个，孔洞十分发育；样品③（MX13）共发育4 034个孔隙，其中小于0.1 mm孔隙3 787个，0.1～1 mm孔隙239个，大于1 mm的孔隙8个，孔洞欠发育（表2）。因此确定样品②（GS16）孔隙最为发育，且大于0.1 mm孔隙占比最大，达18%；样品①孔隙较为发育，大于0.1 mm孔隙占比12%；样品③孔隙发育少，且大于0.1 mm孔隙占比仅7%（图8）。

表2 样品①②③孔径分布参数表Table2 Aperture distribution parameter table of samples No.1,2 and 3

图8 样品①②③孔隙半径频率分布图Fig.8 Pore radius frequency distribution of samples No.1,2 and 3

5.2 微观喉道定量分析

定量统计喉道半径与单喉道长度分布规律，样品①（MX39）喉道总数较多，半径大于1 mm喉道占比达84%，长度大于10 mm喉道占比92%，有利于流体运移与孔隙间的连通，储层有效性高；样品②（GS16）喉道总数多，半径大于1 mm喉道占比63%，长度大于10 mm喉道占比85%，较有利于流体运移与储集体内部沟通，储层有效性较高；样品③（MX13）喉道总数少，半径大于1 mm喉道占比仅45%，长度大于10 mm喉道占比仅67%，不利于流体运移与储集体内部沟通，储层有效性低（图9）。

图9 样品①②③喉道半径、单喉道长度频率分布图Fig.9 Throat radius and single throat length frequency distribution of samples No.1,2 and 3

6 储层孔隙地质控制因素分析

储层物性受沉积环境和成岩作用共同控制，造成储集层中孔隙类型多样、孔隙内部结构复杂，导致储层非均质性强。沉积过程主要控制了岩石矿物成分、结构、分选、磨圆等，而这些因素不同程度的影响了储层物性。随着沉积岩埋藏深度的不断增大，后期的成岩作用不断改造储层，导致储层微观孔隙结构更加多样化和复杂化。一般来讲，在储层形成过程中，白云石化作用、表生岩溶作用、埋藏溶解作用对储层孔隙起建设性成岩作用，压实、胶结及各种矿物充填作用抑制储层孔隙发育起破坏性成岩作用[8-10,19-20]。磨溪—龙女寺台内地区震旦系灯影组四段白云岩储层非均质性更强，储集空间类型复杂多样，发育原生基质孔隙、溶蚀孔洞及不同尺度的裂缝等[18-21]，主要受丘滩复合体发育和桐湾II幕表生岩溶作用共同控制。

（1）有利丘滩复合体发育程度

灯影组有利沉积相组合类型，无论是垂向演化序列还是平面分异格局，都突出表现为丘滩复合体。丘核以藻凝块云岩为主，并富含层状晶洞及窗格构造；丘盖由藻叠层云岩构成；丘翼发育藻砂屑云岩。从台缘至台内地区灯四段沉积相和储层对比中发现优质储层主要发育在丘、滩相中，相控作用明显。丘滩相纵向上主要发育在灯四上亚段的中上部或顶部，自台缘带向东发育程度减弱，台缘发育厚层藻丘微相，台内以薄层的藻丘、颗粒滩互叠置。与之对应，灯四段储层也主要发育在台缘带，向东发育程度逐渐减弱。藻丘和颗粒滩复合体决定了储层的发育位置和储集性能，但丘滩复合体发育程度存在差异，存在较强的非均质性。西部台缘带灯四段地层厚度较大，介于260～340 m，藻丘、颗粒滩体发育程度高（丘地比>50%）；台内区地层厚度整体减薄，介于250～290 m，有利丘滩体发育程度小于台缘地区（丘地比30%～50%）[6]。

（2）桐湾II幕表生岩溶作用强度

根据下寒武统印模厚度，结合灯四段顶部灰岩段发育分布趋势，编制川中安岳气田桐湾末期岩溶古地貌图，其整体表现为东南高、西北低的古地貌格局。由东南向西北方向可划分为岩溶台地、岩溶斜坡、岩溶洼地三个地貌单元。岩溶台地区主要位于东南部的高石梯东和龙女寺地区，该地区顶部侵蚀作用强，孔洞层主要发育在顶部40 m以内，顶部孔洞层发育较为稳定。岩溶斜坡区岩溶作用垂向影响范围加深（主要在80 m以内），上部孔洞层发育，但磨溪地区顶部孔洞层非均质性较强。岩溶洼地区受剥蚀、灰岩充填影响，垂向影响范围加深、顺层岩溶作用强，上部孔洞层稳定发育，但顶部孔洞层非均质性较强，主要在距寒武系底界80 m以内。岩溶洼地区位于台缘带磨溪以北的磨溪110井区附近，为地下水的汇聚泄流区，垂直渗流岩溶带很薄或不发育，水平潜流岩溶带也发育较差，孔洞层发育程度低。高石梯主体及磨溪北地区发育岩溶残丘，储层整体发育较好，为灯四上顶部优质储层发育有利区（图10）。

图10 安岳气田桐湾末期岩溶古地貌图Fig.10 Karst paleogeomorphology map of the end of Tongwan tectonization in the Anyue gas field

丘滩复合体发育规模与遭受表生岩溶作用强度共同决定了储层微观孔喉结构差异，结合岩心与3D孔喉模型微观分析：样品①发育于丘滩相沉积有利区，岩性为藻凝块白云岩，沉积期具有良好原生孔基础，受后期岩溶作用改造，小孔、缝连通合并形成大尺度孔洞、裂缝搭配的储集空间（图2），微观上孔喉半径、喉道长度以及喉道体积相对最大，为优质储层（图3、表1，2）；样品②岩性为藻砂屑白云岩，丘滩相沉积基础相对减弱，主要依靠后期强烈溶蚀改造形成密集发育的孔洞—孔隙搭配溶蚀缝提供储集空间（图2），微观上孔喉半径相对较小，孔隙数量多、发育密集，喉道长度最长，依靠孔喉高匹配度提升了储层有效性（图4、表1，2）；样品③为受白云石胶结充填泥晶白云岩，非丘滩相沉积形成，岩溶作用效果较差（图2），微观上孔隙数量少、孤立发育，喉道发育长度短，孔喉匹配程度低，整体储层空间少、储层有效性差。

7 结论

（1）川中磨溪—龙女寺地区灯影组为是一套碳酸盐台地建造，灯四上亚段储集空间以溶蚀孔洞为主，具有孔洞类型复杂、储层非均质性强、孔隙度低、厚度薄的特点。

（2）CT扫描成像技术全面表征了台内区灯四段碳酸盐岩非均质性储层内部结构，深入揭示了不同品质储集空间孔隙和吼道在立体上其形态、大小、分布以及相互连通关系等特征。优质储层在三维空间上孔洞十分发育，充填少，孔径大，各向连续性好，不同尺度裂缝密集发育，沟通相邻孔洞，增加连通性；差储层孔洞在三维空间上欠发育，受充填严重，孔径小，各向非均质性强，裂缝发育少且难与孔洞相匹配。

（3）不同品质储层微观孔喉定量分析证实，储集性能受孔喉共同控制，孔隙发育越多、孔径越大，喉道发育越多、半径越大、延伸越长，越有利于油气富集成藏。磨溪东—龙女寺台内区裂缝发育区孔洞型储集空间是台内优质储层关键勘探目标。