應用微CT技術研究砂礫巖孔隙結構特征
——以瑪湖凹陷百口泉組儲集層為例

熊健，唐勇，劉向君，瞿建華，劉凱，尤新才

（1.西南石油大學 油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室,成都 610500；2.中國石油 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)技術的進步，砂礫巖油氣藏的勘探與開發(fā)受到越來越多的關注[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，具有近源、快速堆積的特征[5-6]。砂礫巖油氣藏儲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，儲集層非均質性強，這不利于砂礫巖油氣藏的勘探開發(fā)[7]。近年來發(fā)現了大量的砂礫巖油氣藏，如準噶爾盆地西北緣、遼河盆地西部凹陷、渤海灣盆地廊固凹陷、東營凹陷和車鎮(zhèn)凹陷等，其中準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百口泉組發(fā)現了2個探明儲量約5 000×104t的區(qū)塊[10-11]?，敽枷莅倏谌M主要為沖積扇沉積，以砂礫巖儲集層為主，埋藏深度普遍大于3 000 m，具有典型低孔低滲的特點[9,12]。針對瑪湖凹陷下三疊統百口泉組砂礫巖儲集層進行了大量的研究，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]、地震沉積學應用[12]、巖相及成因模式[6]等的研究，但針對百口泉組砂礫巖儲集層巖石的孔隙結構特征的研究尚有待深入。

以儲集層巖石孔隙結構為研究對象，國內外學者提出了不同的表征方法。文獻［20］利用小角度中子散射和低壓氮氣吸附法研究了致密砂巖的孔隙結構特征；文獻［21］利用高壓壓汞法、場發(fā)射掃描電鏡和透射電子顯微鏡研究了北美五大盆地頁巖的孔隙結構特征；文獻［22］利用場發(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巖的孔隙結構特征；文獻［23］—文獻［25］利用低壓氮氣吸附法研究了鄂爾多斯盆地延長組長7段、四川盆地龍馬溪組和五峰組頁巖的孔隙結構特征。這些研究結果主要從定性或定量角度描述巖石的二維孔隙結構信息，有助于深入了解巖石孔隙結構特征，但未對巖石三維孔隙結構信息進行描述。針對這個問題，部分學者基于微CT技術研究了不同類型巖石的三維孔隙結構特征。文獻［26］利用X-CT技術對巖石的三維孔喉結構進行重構；文獻［27］利用微CT提取了Berea砂巖的三維孔隙結構信息，研究了其三維孔隙結構特征；文獻［28］利用微CT/納CT技術提取了延長組致密砂巖巖石的三維孔隙結構信息，研究了其二維和三維的孔喉分布特征；文獻［29］研究了油頁巖的熱解過程，同時也利用微CT技術表征了其孔隙結構的變化過程；文獻［30］利用微CT技術提取了煤巖三維孔隙結構信息，研究了其三維孔隙結構特征；文獻［31］利用微CT技術研究了大安油田扶余油層致密砂巖的二維和三維孔隙結構特征；文獻［32］和文獻［33］基于微CT技術實現了川西地區(qū)致密砂巖三維孔隙結構的重構，并研究了其二維和三維孔隙結構特征。這些研究成果表明，對于不同類型巖石三維孔隙結構特征的研究，基于微CT的表征技術是一種有效的方法。然而利用微CT技術從微米尺度角度提取瑪湖凹陷百口泉組砂礫巖儲集層巖石的三維孔隙結構信息（或研究百口泉組砂礫巖的二維和三維的孔隙結構特征）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集層巖石為研究對象，以MicroXCT-400試驗分析系統和Avizo7.1軟件系統為手段，基于掃描試驗獲取砂礫巖樣品的圖像，研究砂礫巖樣品的二維孔隙結構特征；同時，對掃描圖像進行二值化分割處理，并重構得到砂礫巖樣品的三維數字巖心，從而研究砂礫巖樣品的三維孔隙結構特征，為進一步開展致密砂礫巖滲流機理的研究打下基礎。

1 實驗樣品及方法

1.1 實驗樣品

實驗樣品采自準噶爾盆地瑪湖凹陷下三疊統百口泉組，該層組巖性主要為灰色砂礫巖、含礫粗礫巖、砂質礫巖、中—粗礫巖等。實驗樣品主要取自瑪湖凹陷的風南區(qū)塊、艾湖區(qū)塊和瑪湖區(qū)塊，根據研究區(qū)已鉆井的試油解釋資料，選擇了不同儲集層類型的4個實驗樣品，樣品的詳細信息見表1.

表1 瑪湖凹陷百口泉組實驗樣品基本信息

1.2 實驗方法

本文研究的砂礫巖巖樣圖像的采集在美國Xra?dia公司生產的MicroXCT-400試驗分析系統上完成，該套系統的最高采用分辨率可達1.000 μm，該儀器的工作原理和測試步驟其可參考文獻［32］和文獻［33］。4個砂礫巖樣品均在相同的參數設置下進行掃描，掃描過程中的實際分辨率為5.075 μm，每個砂礫巖樣品可獲得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。實驗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)域為孔隙空間，而灰色和白色區(qū)域為巖石骨架。前人研究結果[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信噪比來識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圖1a中的灰度圖像進行處理，得到濾波后的圖像（圖1b）。在此基礎上，通過二值化分割得到二值化圖像（圖1c），圖1c中藍色區(qū)域代表孔隙空間，白色區(qū)域代表巖石骨架。此外，對二值化處理后得到的圖像還可利用數學形態(tài)學算法作進一步精細化處理[32]，圖1d為精細化處理后的圖像，在此基礎上可獲取樣品的三維數字巖心。在研究中，還需要對二值化后的圖像進行代表元分析，獲取數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果見圖2.從圖2可以看出，4個砂礫巖樣品的表征單元體尺寸統一選取為400 pix×400 pix×400 pix，用以開展三維數字巖心構建。

圖1 瑪湖凹陷百口泉組實驗樣品微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 結果與討論

2.1 二維孔隙結構特征

瑪湖凹陷下三疊統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，呈凹凸狀、港灣狀等。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?？祝▓D3i）；②早期膠結物充填孔隙后，由于水巖反應導致膠結物被溶蝕而發(fā)育的粒間溶蝕孔，如早期方解石膠結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），這可能是因為后期構造運動擠壓或機械壓實作用，該類微裂縫不僅起到了儲集功能，而且很大程度上提高了儲集層的滲透性。

從圖3還可看出，FN15井和MH13井樣品中孔隙以殘余粒間孔為主，同時發(fā)育少量粒內溶孔；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)育較多粒內溶孔，同時發(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，儲集層物性好的樣品多發(fā)育殘余粒間孔（FN15井和MH13井），而儲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+少量粒內溶孔、粒內溶孔+微裂縫+粒間溶孔和粒間溶孔+粒內溶孔+少量殘余粒間孔。

2.2 三維孔隙結構特征

在二值化圖像的基礎上，利用Avizo7.1軟件系統重構得到的4個砂礫巖樣品的三維數字巖心（圖4），圖4中藍色區(qū)域為孔隙空間，紅色區(qū)域為巖石骨架。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，微米級尺度下，砂礫巖樣品具有孔隙形狀不規(guī)則、孔喉大小不一等特點，其中AH2井樣品的三維數字巖心存在微裂縫，這與AH2井樣品的CT二維灰度圖像中微裂縫的發(fā)育一致。該研究結論與前人研究結果（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圖

在重構的砂礫巖樣品三維數字巖心的基礎上，提取出砂礫巖樣品的三維孔隙模型，其結果如圖5所示，圖5中透明部分為巖石骨架，藍色部分為孔隙。從圖5可以看出，微米級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，從圖5可看出，FN15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；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。此外，從圖5還可看出，微米級尺度下，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，而孔隙較分散的區(qū)域在空間上主要表現為孤立狀，這主要與粒內溶蝕孔有關。這說明砂礫巖樣品中孔隙分布不均，具有微觀非均質性，其中孔隙的微觀非均質性在儲集層物性較差的樣品（AH2井和AH9井）中表現更明顯。該研究結論與致密砂巖樣品的研究結果相似[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，這主要是因為AH2井和AH9井樣品中粒內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，特別是粒內溶孔集中發(fā)育時才可能具有連通性。這說明研究區(qū)百口泉組砂礫巖儲集層物性好的樣品（FN15井和MH13井）比儲集層物性差（AH2井和AH9井）的樣品的均質性和連通性要好。

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構參數。因此，本文采用快速分水嶺算法進行孔隙標記，并對每個孔隙進行定量分析。依據標記孔隙的體積，可獲取該數字巖心的孔隙度：

且根據等效原理，可獲取每個標記孔隙的等效孔隙半徑

式中 Vp——單個孔隙體積，pix3；

Vv——總體積，pix3；

deq——等效孔隙半徑，pix.

在此基礎上，可統計得到該數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構特征見表2.從表中可以看出，砂礫巖樣品的計算絕對孔隙度要大于計算有效孔隙度，這主要是因為有效孔隙度的計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孔隙度的比例要小于FN15井和MH13井的樣品，這說明儲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，砂礫巖樣品的計算有效孔隙度都小于巖心的實測孔隙度，該結果與前人研究結果相似[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，其中閾值的選取不合適可能會造成一部分微孔隙不能被識別，造成砂礫巖樣品統計有效孔隙度偏小[33]；微CT掃描分辨率較低可能會造成巖心中一些納米級孔隙或喉道不能被識別，造成砂礫巖樣品統計的有效孔隙度小于巖心實測孔隙度[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構特征

圖7為瑪湖凹陷下三疊統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，可能是因為前者主要發(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小；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，即儲集層物性差的樣品（AH2井和AH9井）孔隙結構要比儲集層物性好（FN15井和MH13井）的樣品復雜，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［34］開發(fā)的最大球算法對砂礫巖樣品的三維連通孔隙結構網絡模型進行提取，并對喉道半徑、喉道長度、孔隙半徑、配位數、孔隙形狀因子等結構特征參數進行定量統計。砂礫巖樣品的孔隙結構特征參數統計結果見表3，從表中可以看出，FN15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井的平均喉道長度最長，為35.00 μm，而AH9井的平均喉道長度最短，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果一致；4個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，從表3還可以看出，FN15井和MH13井樣品的平均孔喉配位數相差較小，大于AH9井樣品的平均孔喉配位數，但小于AH2井樣品的平均孔喉配位數，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，AH9井樣品的平均孔喉配位數為1的占比較高，FN15井和MH13井樣品平均孔喉配位數為2的占比較高，而AH2井樣品的平均孔喉配位數為4，5和6的占比相對較多，這可能與AH2井樣品中存在微裂縫有關，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構特征

圖8 瑪湖凹陷百口泉組砂礫巖樣品孔喉配位數的頻率分布

3 結論

（1）微米尺度下，瑪湖凹陷下三疊統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+少量粒內溶孔、粒內溶孔+微裂縫+粒間溶孔和粒間溶孔+粒內溶孔+少量殘余粒間孔。

（2）微米尺度下，瑪湖凹陷下三疊統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，而孤立狀孔隙主要與粒內溶蝕孔有關；孔隙分布具有微觀非均質性，其在儲集層物性較差的樣品中表現更明顯。

（3）微米尺度下，瑪湖凹陷下三疊統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，孔喉配位數平均3.1，等效孔隙半徑分布主要呈單峰分布，且儲集層物性差的樣品中小孔所占比例低。

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