熊健，唐勇，劉向君，瞿建華，劉凱，尤新才

（1.西南石油大學(xué) 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610500；2.中國(guó)石油 新疆油田分公司 勘探開發(fā)研究院，新疆 克拉瑪依 834000）

隨著勘探開發(fā)技術(shù)的進(jìn)步，砂礫巖油氣藏的勘探與開發(fā)受到越來越多的關(guān)注[1-4]。砂礫巖油氣藏主要發(fā)育在沖積扇、近岸水下扇等相帶內(nèi)，具有近源、快速堆積的特征[5-6]。砂礫巖油氣藏儲(chǔ)集層由多期次扇體堆積而成，在縱向上沉積厚度及巖性差異大，儲(chǔ)集層非均質(zhì)性強(qiáng)，這不利于砂礫巖油氣藏的勘探開發(fā)[7]。近年來發(fā)現(xiàn)了大量的砂礫巖油氣藏，如準(zhǔn)噶爾盆地西北緣、遼河盆地西部凹陷、渤海灣盆地廊固凹陷、東營(yíng)凹陷和車鎮(zhèn)凹陷等，其中準(zhǔn)噶爾盆地西北緣為沖積扇低孔低滲砂礫巖油氣藏最主要的分布區(qū)[8-9]。

瑪湖凹陷是準(zhǔn)噶爾盆地最具規(guī)模的油氣聚集帶與勘探區(qū)。隨著勘探的深入，已在瑪湖凹陷西斜坡下三疊統(tǒng)百口泉組發(fā)現(xiàn)了2個(gè)探明儲(chǔ)量約5 000×104t的區(qū)塊[10-11]。瑪湖凹陷百口泉組主要為沖積扇沉積，以砂礫巖儲(chǔ)集層為主，埋藏深度普遍大于3 000 m，具有典型低孔低滲的特點(diǎn)[9,12]。針對(duì)瑪湖凹陷下三疊統(tǒng)百口泉組砂礫巖儲(chǔ)集層進(jìn)行了大量的研究，主要集中在沖積扇沉積特征[13-14]、成巖作用特征[15-16]、烴源巖特征[10,17-18]、成藏控制因素[10-11,19]、地震沉積學(xué)應(yīng)用[12]、巖相及成因模式[6]等的研究，但針對(duì)百口泉組砂礫巖儲(chǔ)集層巖石的孔隙結(jié)構(gòu)特征的研究尚有待深入。

以儲(chǔ)集層巖石孔隙結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了不同的表征方法。文獻(xiàn)［20］利用小角度中子散射和低壓氮?dú)馕椒ㄑ芯苛酥旅苌皫r的孔隙結(jié)構(gòu)特征；文獻(xiàn)［21］利用高壓壓汞法、場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡和透射電子顯微鏡研究了北美五大盆地頁(yè)巖的孔隙結(jié)構(gòu)特征；文獻(xiàn)［22］利用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡和聚焦離子束掃描電鏡研究了四川盆地龍馬溪組頁(yè)巖的孔隙結(jié)構(gòu)特征；文獻(xiàn)［23］—文獻(xiàn)［25］利用低壓氮?dú)馕椒ㄑ芯苛硕鯛柖嗨古璧匮娱L(zhǎng)組長(zhǎng)7段、四川盆地龍馬溪組和五峰組頁(yè)巖的孔隙結(jié)構(gòu)特征。這些研究結(jié)果主要從定性或定量角度描述巖石的二維孔隙結(jié)構(gòu)信息，有助于深入了解巖石孔隙結(jié)構(gòu)特征，但未對(duì)巖石三維孔隙結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行描述。針對(duì)這個(gè)問題，部分學(xué)者基于微CT技術(shù)研究了不同類型巖石的三維孔隙結(jié)構(gòu)特征。文獻(xiàn)［26］利用X-CT技術(shù)對(duì)巖石的三維孔喉結(jié)構(gòu)進(jìn)行重構(gòu)；文獻(xiàn)［27］利用微CT提取了Berea砂巖的三維孔隙結(jié)構(gòu)信息，研究了其三維孔隙結(jié)構(gòu)特征；文獻(xiàn)［28］利用微CT/納CT技術(shù)提取了延長(zhǎng)組致密砂巖巖石的三維孔隙結(jié)構(gòu)信息，研究了其二維和三維的孔喉分布特征；文獻(xiàn)［29］研究了油頁(yè)巖的熱解過程，同時(shí)也利用微CT技術(shù)表征了其孔隙結(jié)構(gòu)的變化過程；文獻(xiàn)［30］利用微CT技術(shù)提取了煤巖三維孔隙結(jié)構(gòu)信息，研究了其三維孔隙結(jié)構(gòu)特征；文獻(xiàn)［31］利用微CT技術(shù)研究了大安油田扶余油層致密砂巖的二維和三維孔隙結(jié)構(gòu)特征；文獻(xiàn)［32］和文獻(xiàn)［33］基于微CT技術(shù)實(shí)現(xiàn)了川西地區(qū)致密砂巖三維孔隙結(jié)構(gòu)的重構(gòu)，并研究了其二維和三維孔隙結(jié)構(gòu)特征。這些研究成果表明，對(duì)于不同類型巖石三維孔隙結(jié)構(gòu)特征的研究，基于微CT的表征技術(shù)是一種有效的方法。然而利用微CT技術(shù)從微米尺度角度提取瑪湖凹陷百口泉組砂礫巖儲(chǔ)集層巖石的三維孔隙結(jié)構(gòu)信息（或研究百口泉組砂礫巖的二維和三維的孔隙結(jié)構(gòu)特征）的研究成果存在不足，還需要開展深入研究。

本文以瑪湖凹陷百口泉組砂礫巖儲(chǔ)集層巖石為研究對(duì)象，以MicroXCT-400試驗(yàn)分析系統(tǒng)和Avizo7.1軟件系統(tǒng)為手段，基于掃描試驗(yàn)獲取砂礫巖樣品的圖像，研究砂礫巖樣品的二維孔隙結(jié)構(gòu)特征；同時(shí)，對(duì)掃描圖像進(jìn)行二值化分割處理，并重構(gòu)得到砂礫巖樣品的三維數(shù)字巖心，從而研究砂礫巖樣品的三維孔隙結(jié)構(gòu)特征，為進(jìn)一步開展致密砂礫巖滲流機(jī)理的研究打下基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)樣品及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)樣品采自準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖凹陷下三疊統(tǒng)百口泉組，該層組巖性主要為灰色砂礫巖、含礫粗礫巖、砂質(zhì)礫巖、中—粗礫巖等。實(shí)驗(yàn)樣品主要取自瑪湖凹陷的風(fēng)南區(qū)塊、艾湖區(qū)塊和瑪湖區(qū)塊，根據(jù)研究區(qū)已鉆井的試油解釋資料，選擇了不同儲(chǔ)集層類型的4個(gè)實(shí)驗(yàn)樣品，樣品的詳細(xì)信息見表1.

表1 瑪湖凹陷百口泉組實(shí)驗(yàn)樣品基本信息

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

本文研究的砂礫巖巖樣圖像的采集在美國(guó)Xra?dia公司生產(chǎn)的MicroXCT-400試驗(yàn)分析系統(tǒng)上完成，該套系統(tǒng)的最高采用分辨率可達(dá)1.000 μm，該儀器的工作原理和測(cè)試步驟其可參考文獻(xiàn)［32］和文獻(xiàn)［33］。4個(gè)砂礫巖樣品均在相同的參數(shù)設(shè)置下進(jìn)行掃描，掃描過程中的實(shí)際分辨率為5.075 μm，每個(gè)砂礫巖樣品可獲得983幅988 pix×1 012 pix的二維灰度圖像，從而可獲取砂礫巖樣品的三維灰度圖像。實(shí)驗(yàn)樣品從大塊砂礫巖巖樣中鉆取，近似圓柱體，直徑約為8 mm.

圖1a為微CT掃描獲取巖心樣品的二維灰度圖像，圖1a中的黑色區(qū)域?yàn)榭紫犊臻g，而灰色和白色區(qū)域?yàn)閹r石骨架。前人研究結(jié)果[31-33]表明，微CT掃描得到的灰度圖像需要通過濾波算法增強(qiáng)信噪比來識(shí)別巖石骨架和孔隙間的邊緣。在本次研究中，將采用中值濾波法對(duì)圖1a中的灰度圖像進(jìn)行處理，得到濾波后的圖像（圖1b）。在此基礎(chǔ)上，通過二值化分割得到二值化圖像（圖1c），圖1c中藍(lán)色區(qū)域代表孔隙空間，白色區(qū)域代表巖石骨架。此外，對(duì)二值化處理后得到的圖像還可利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)算法作進(jìn)一步精細(xì)化處理[32]，圖1d為精細(xì)化處理后的圖像，在此基礎(chǔ)上可獲取樣品的三維數(shù)字巖心。在研究中，還需要對(duì)二值化后的圖像進(jìn)行代表元分析，獲取數(shù)字巖心的表征單元體尺寸，砂礫巖樣品的代表體積元分析結(jié)果見圖2.從圖2可以看出，4個(gè)砂礫巖樣品的表征單元體尺寸統(tǒng)一選取為400 pix×400 pix×400 pix，用以開展三維數(shù)字巖心構(gòu)建。

圖1 瑪湖凹陷百口泉組實(shí)驗(yàn)樣品微CT掃描圖像

圖2 瑪湖凹陷百口泉組砂礫巖巖心樣品的表征單元體分析

2 結(jié)果與討論

2.1 二維孔隙結(jié)構(gòu)特征

瑪湖凹陷下三疊統(tǒng)百口泉組砂礫巖樣品的CT二維灰度圖像下的孔隙類型見圖3.從圖3可看出，微米尺度下，研究區(qū)砂礫巖的孔隙類型主要包括以下3種。

（1）殘余粒間孔 二維灰度圖像上殘余粒間孔的孔隙與顆粒間接觸邊緣清晰（圖3a—圖3d），是由于顆粒間孔隙未被充填物充填而得以保存。

（2）溶蝕孔 主要分為粒內(nèi)溶蝕孔隙（圖3b，圖3d—圖3i）和粒間溶蝕孔隙（圖3e，圖3f，圖3h，圖3i），二維灰度圖像上溶蝕孔的形狀各異，邊緣不規(guī)整，呈凹凸?fàn)睢⒏蹫碃畹?。研究區(qū)溶蝕孔的成因主要分為2大類：①不穩(wěn)定礦物的溶蝕，如沿長(zhǎng)石解理縫溶蝕孔（圖3b）或是巖屑中不穩(wěn)定礦物溶蝕孔（圖3e，圖3f），可見不穩(wěn)定礦物被完全溶蝕而形成的鑄模孔（圖3i）；②早期膠結(jié)物充填孔隙后，由于水巖反應(yīng)導(dǎo)致膠結(jié)物被溶蝕而發(fā)育的粒間溶蝕孔，如早期方解石膠結(jié)后被后期酸性流體溶蝕形成粒間溶孔（圖3h）。

（3）微裂縫 在二維灰度圖像上可見沿著顆粒間邊緣彎曲分布的礫緣縫（圖3f，圖3g），或者貫穿顆粒的穿礫縫（圖3e，圖3f，圖3g），這可能是因?yàn)楹笃跇?gòu)造運(yùn)動(dòng)擠壓或機(jī)械壓實(shí)作用，該類微裂縫不僅起到了儲(chǔ)集功能，而且很大程度上提高了儲(chǔ)集層的滲透性。

從圖3還可看出，F(xiàn)N15井和MH13井樣品中孔隙以殘余粒間孔為主，同時(shí)發(fā)育少量粒內(nèi)溶孔；AH2井和AH9井樣品中孔隙以溶蝕孔為主，其中AH2井樣品中發(fā)育較多粒內(nèi)溶孔，同時(shí)發(fā)育微裂縫，而AH9井樣品中主要發(fā)育較多粒間溶孔，同時(shí)發(fā)育少量殘余粒間孔，但礫石顆粒間的孔隙空間被部分填充，造成殘余粒間孔的孔隙空間減少。這說明研究區(qū)百口泉組的砂礫巖中的孔隙類型在空間分布上存在較大差異，儲(chǔ)集層物性好的樣品多發(fā)育殘余粒間孔（FN15井和MH13井），而儲(chǔ)集層物性差的樣品多發(fā)育溶蝕孔（AH2井和AH9井）。

圖3 瑪湖凹陷百口泉組CT二維灰度圖像下的孔隙類型

研究區(qū)百口泉組的砂礫巖中孔隙類型組合有殘余粒間孔+少量粒內(nèi)溶孔、粒內(nèi)溶孔+微裂縫+粒間溶孔和粒間溶孔+粒內(nèi)溶孔+少量殘余粒間孔。

2.2 三維孔隙結(jié)構(gòu)特征

在二值化圖像的基礎(chǔ)上，利用Avizo7.1軟件系統(tǒng)重構(gòu)得到的4個(gè)砂礫巖樣品的三維數(shù)字巖心（圖4），圖4中藍(lán)色區(qū)域?yàn)榭紫犊臻g，紅色區(qū)域?yàn)閹r石骨架。從圖4可清晰看出巖石孔隙空間和巖石骨架之間的接觸邊界。同時(shí)，微米級(jí)尺度下，砂礫巖樣品具有孔隙形狀不規(guī)則、孔喉大小不一等特點(diǎn)，其中AH2井樣品的三維數(shù)字巖心存在微裂縫，這與AH2井樣品的CT二維灰度圖像中微裂縫的發(fā)育一致。該研究結(jié)論與前人研究結(jié)果（致密砂巖巖石中的孔隙形狀同樣不規(guī)則）相似[31，33]。

圖4 瑪湖凹陷百口泉組砂礫巖樣品的三維重構(gòu)圖

在重構(gòu)的砂礫巖樣品三維數(shù)字巖心的基礎(chǔ)上，提取出砂礫巖樣品的三維孔隙模型，其結(jié)果如圖5所示，圖5中透明部分為巖石骨架，藍(lán)色部分為孔隙。從圖5可以看出，微米級(jí)尺度下砂礫巖樣品中孔喉主要包括連片狀孔隙和孤立狀孔隙，前者的連通性要明顯好于后者，其中孤立孔隙在空間中分布多為孤立體且不連通。同時(shí)，從圖5可看出，F(xiàn)N15井和MH13井樣品中連片狀孔隙較多而孤立狀孔隙較少，其主要與殘余粒間孔有關(guān)；而AH2井和AH9井樣品中孤立狀孔隙較多而連片狀孔隙較少，其主要與溶蝕孔有關(guān)。此外，從圖5還可看出，微米級(jí)尺度下，砂礫巖樣品中部分孔隙較富集，而部分孔隙較分散，其中孔隙較富集的區(qū)域在空間上多呈片狀或條帶狀分布，這主要與殘余粒間孔或粒間溶蝕孔有關(guān)，而孔隙較分散的區(qū)域在空間上主要表現(xiàn)為孤立狀，這主要與粒內(nèi)溶蝕孔有關(guān)。這說明砂礫巖樣品中孔隙分布不均，具有微觀非均質(zhì)性，其中孔隙的微觀非均質(zhì)性在儲(chǔ)集層物性較差的樣品（AH2井和AH9井）中表現(xiàn)更明顯。該研究結(jié)論與致密砂巖樣品的研究結(jié)果相似[31,33]。

圖5 瑪湖凹陷百口泉組砂礫巖樣品的三維孔隙模型

在砂礫巖樣品的三維孔隙模型基礎(chǔ)上，還可提取出礫巖樣品的三維連通孔隙模型（圖6），圖6中透明部分為巖石骨架，藍(lán)色部分為孔隙。從圖6可以看出，砂礫巖樣品中的連通孔隙主要呈片狀或條帶狀，其中FN15井和MH13井樣品中連通孔隙的分布區(qū)域較分散，而AH2井和AH9井樣品中連通孔隙的分布區(qū)域較集中，這主要是因?yàn)锳H2井和AH9井樣品中粒內(nèi)溶孔和粒間溶孔較多，而FN15井和MH13井樣品中殘余粒間孔多，且后者的連通性要好于前者，特別是粒內(nèi)溶孔集中發(fā)育時(shí)才可能具有連通性。這說明研究區(qū)百口泉組砂礫巖儲(chǔ)集層物性好的樣品（FN15井和MH13井）比儲(chǔ)集層物性差（AH2井和AH9井）的樣品的均質(zhì)性和連通性要好。

圖6 瑪湖凹陷百口泉組砂礫巖樣品的三維連通性孔隙模型

在三維孔隙模型中孔隙之間接觸緊密，孔隙之間的邊界很難區(qū)別，不利于定量分析三維孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)。因此，本文采用快速分水嶺算法進(jìn)行孔隙標(biāo)記，并對(duì)每個(gè)孔隙進(jìn)行定量分析。依據(jù)標(biāo)記孔隙的體積，可獲取該數(shù)字巖心的孔隙度：

且根據(jù)等效原理，可獲取每個(gè)標(biāo)記孔隙的等效孔隙半徑

式中 Vp——單個(gè)孔隙體積，pix3；

Vv——總體積，pix3；

deq——等效孔隙半徑，pix.

在此基礎(chǔ)上，可統(tǒng)計(jì)得到該數(shù)字巖心的孔隙半徑分布的直方圖。

研究區(qū)百口泉組砂礫巖樣品的三維孔隙和連通孔隙模型的微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征見表2.從表中可以看出，砂礫巖樣品的計(jì)算絕對(duì)孔隙度要大于計(jì)算有效孔隙度，這主要是因?yàn)橛行Э紫抖鹊挠?jì)算中是不包含三維孔隙模型中的孤立孔隙。AH2井和AH9井樣品的有效孔隙度占絕對(duì)孔隙度的比例要小于FN15井和MH13井的樣品，這說明儲(chǔ)集層物性差的樣品中含有更多的孤立狀分布的孔隙。從表2還可以看出，砂礫巖樣品的計(jì)算有效孔隙度都小于巖心的實(shí)測(cè)孔隙度，該結(jié)果與前人研究結(jié)果相似[31-33]。造成這種差異的原因可能與圖像二值化閾值的選取和微CT掃描分辨率的大小有關(guān)，其中閾值的選取不合適可能會(huì)造成一部分微孔隙不能被識(shí)別，造成砂礫巖樣品統(tǒng)計(jì)有效孔隙度偏小[33]；微CT掃描分辨率較低可能會(huì)造成巖心中一些納米級(jí)孔隙或喉道不能被識(shí)別，造成砂礫巖樣品統(tǒng)計(jì)的有效孔隙度小于巖心實(shí)測(cè)孔隙度[33]。

表2 瑪湖凹陷百口泉組基于三維連通孔隙模型的孔隙結(jié)構(gòu)特征

圖7為瑪湖凹陷下三疊統(tǒng)百口泉組砂礫巖樣品的三維連通孔隙模型的等效孔隙半徑的直方圖，從圖7可以看出，砂礫巖樣品的等效孔隙半徑分布主要呈單峰分布，等效孔隙半徑小于160 μm，等效孔隙半徑主要分布在50 μm以下，其中AH2井和AH9井樣品的孔隙半徑小于15 μm所占比例要大于FN15井和MH13井的樣品，說明前者的小孔要多于后者，可能是因?yàn)榍罢咧饕l(fā)育溶蝕孔的孔隙空間要小于后者主要發(fā)育的殘余粒間孔的孔隙空間。此外，從表2也可看出，AH2井和AH9井樣品的平均等效孔隙半徑小于FN15井和MH13井的樣品，其中AH2井樣品的等效孔隙半徑最??；AH2井和AH9井樣品的迂曲度大于FN15井和MH13井的樣品，這說明AH2井和AH9井樣品的孔喉彎曲程度較大，即儲(chǔ)集層物性差的樣品（AH2井和AH9井）孔隙結(jié)構(gòu)要比儲(chǔ)集層物性好（FN15井和MH13井）的樣品復(fù)雜，且前者的小孔所占比例高。

圖7 瑪湖凹陷百口泉組三維連通孔隙模型的等效孔隙半徑頻率分布

此外，利用文獻(xiàn)［34］開發(fā)的最大球算法對(duì)砂礫巖樣品的三維連通孔隙結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行提取，并對(duì)喉道半徑、喉道長(zhǎng)度、孔隙半徑、配位數(shù)、孔隙形狀因子等結(jié)構(gòu)特征參數(shù)進(jìn)行定量統(tǒng)計(jì)。砂礫巖樣品的孔隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3，從表中可以看出，F(xiàn)N15井樣品的平均喉道半徑最大，為11.89 μm，而其他3口井樣品的平均喉道半徑相差較??；MH13井的平均喉道長(zhǎng)度最長(zhǎng)，為35.00 μm，而AH9井的平均喉道長(zhǎng)度最短，為26.34 μm；AH2井和AH9井樣品的平均孔隙半徑小于FN15井和MH13井的樣品，其中AH2井樣品的平均孔隙半徑最小，為16.84 μm，這與等效孔隙半徑的結(jié)果一致；4個(gè)樣品的平均孔隙形狀因子相差較小，平均孔隙形狀因子都小于正三角形的孔隙形狀因子（0.048 0），說明研究區(qū)砂礫巖大部分孔隙的截面形狀比正三角形不規(guī)則的多，其中AH2井和AH9井樣品的平均孔隙形狀因子總體上要小于FN15井和MH13井樣品，即AH2井和AH9井樣品的孔隙截面形狀比FN15井和MH13井樣品更不規(guī)則。同時(shí)，從表3還可以看出，F(xiàn)N15井和MH13井樣品的平均孔喉配位數(shù)相差較小，大于AH9井樣品的平均孔喉配位數(shù)，但小于AH2井樣品的平均孔喉配位數(shù)，說明FN15井和MH13井樣品的滲透性較好，而AH9井樣品的滲透性較差。此外，從圖8可以發(fā)現(xiàn)，AH9井樣品的平均孔喉配位數(shù)為1的占比較高，F(xiàn)N15井和MH13井樣品平均孔喉配位數(shù)為2的占比較高，而AH2井樣品的平均孔喉配位數(shù)為4，5和6的占比相對(duì)較多，這可能與AH2井樣品中存在微裂縫有關(guān)，這將使巖心的滲透性升高。

表3 瑪湖凹陷百口泉組基于最大球算法的孔隙結(jié)構(gòu)特征

圖8 瑪湖凹陷百口泉組砂礫巖樣品孔喉配位數(shù)的頻率分布

3 結(jié)論

（1）微米尺度下，瑪湖凹陷下三疊統(tǒng)百口泉組砂礫巖樣品以殘余粒間孔、溶蝕孔和微裂縫為主，孔隙類型組合有殘余粒間孔+少量粒內(nèi)溶孔、粒內(nèi)溶孔+微裂縫+粒間溶孔和粒間溶孔+粒內(nèi)溶孔+少量殘余粒間孔。

（2）微米尺度下，瑪湖凹陷下三疊統(tǒng)百口泉組砂礫巖巖心樣品的孔喉分布狀態(tài)包括連片狀和孤立狀，其中連片狀孔隙主要與殘余粒間孔或粒間溶蝕孔有關(guān)，而孤立狀孔隙主要與粒內(nèi)溶蝕孔有關(guān)；孔隙分布具有微觀非均質(zhì)性，其在儲(chǔ)集層物性較差的樣品中表現(xiàn)更明顯。

（3）微米尺度下，瑪湖凹陷下三疊統(tǒng)百口泉組砂礫巖巖心樣品的平均孔隙半徑19.54 μm，平均喉道半徑10.88 μm，孔喉配位數(shù)平均3.1，等效孔隙半徑分布主要呈單峰分布，且儲(chǔ)集層物性差的樣品中小孔所占比例低。

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