0 引言

缝洞型碳酸盐岩气藏是经多期构造运动与古岩溶共同作用形成的一种特殊类型气藏，其储集介质由溶洞、孔隙和裂缝组成，具有构造复杂、储层非均质性强、孔缝洞宏观发育及渗流规律复杂等特征，典型代表为四川盆地震旦系—寒武系特大型气田^[1-2]，这些不同于常规储层的特性使其形成了多类型储集层交替分布的特征。孔隙结构是指储集岩中孔隙和喉道的几何形状、大小、分布及其相互连通关系^[3]，是直接影响储集层储集和渗流能力的重要因素^[4-5]。对于缝洞型碳酸盐岩气藏，裂缝与溶洞的加入使得多重介质之间的孔隙结构特征更加复杂，能否准确全面表征储集层的微观孔隙结构特征是提高该类气藏产能的关键^[6-9]。

目前，能直观反映和表征储集层微观孔隙结构的方法多在实验室内进行，主要包括铸体薄片法、扫描电镜法、压汞法和CT扫描法^[10-12]。各种方法都有其优缺点：铸体薄片和扫描电镜可以获得样品截面图像，直接观察截面面孔率、孔喉类型、孔喉形貌、孔喉大小及分布特征，但多为定性刻画，且无法获取三维孔隙结构特征；压汞法虽然能够得到孔喉参数及其连通性，但仅能反映连通孔喉的整体信息，无法反映孔喉分布的非均质性与三维孔隙结构；CT扫描法可以针对不同尺度的样品，快速获取微观的二维、三维孔隙结构特征，并能进行精确的定量表征，但在定性刻画孔隙结构方面还无法代替扫描电镜、铸体薄片等功能，且成本高，无法进行大量测试^[13-20]。

前人对不同类型油气藏的孔隙结构特征已经开展了一定的研究：白斌等^[21]对致密砂岩储集层样品进行纳米-微米CT三维成像，全面表征了致密储集层微观孔喉分布及结构特征；高树生等^[22]应用CT扫描与核磁共振技术研究了四川盆地龙王庙组气藏储集层的孔缝洞分布特征与规律；薛华庆等^[10]利用CT扫描技术对油砂、致密砂岩和页岩样品的微观结构进行了表征研究，并对比了常规测试方法与CT扫描表征技术的差异性；高树生等^[23]通过压汞和核磁共振实验研究了低渗砂岩、火山岩和碳酸盐岩储层的孔隙结构，并分析了这3类储层存在物性与开发差异的根本原因。然而，目前还未有针对缝洞型碳酸盐岩气藏多类型储集层进行孔隙结构特征及储渗能力方面的研究。

本文在前人研究的基础上，综合运用多种测试技术，对四川盆地高石梯—磨溪地区灯四段气藏储集层样品进行了研究与分析。首先利用铸体薄片和扫描电镜技术定性刻画了储集层的岩性、物性、储集空间和喉道特征，然后根据高压压汞实验得到的毛管压力曲线对储集层进行分类，最后基于多尺度CT扫描定量表征了3类储集层的二维、三维孔隙结构特征，实现了缝洞型碳酸盐岩气藏多类型储集层孔隙结构特征在定性和定量上的精准刻画。并据此分析了不同类型储集层的储集和渗流能力，形成了一套较为完善的孔隙结构特征与储渗能力的研究测试方法，以期对该类气藏的有效、高效开发和提产、稳产方案的设计提供指导。

基于铸体薄片和扫描电镜技术，选取四川盆地高石梯—磨溪地区灯四段气藏典型井岩心资料进行储集层岩性、物性、储集空间及喉道特征研究，定性刻画了研究区域储集层的多类型孔隙结构特征，为后续进行储集层类型的划分与孔隙结构的定量表征奠定了研究基础。

通过观察岩心照片(图 1)与铸体薄片(图 2)可以看出，灯四段储集层均发育在白云岩中，主要以丘滩复合体的藻凝块云岩、藻叠层云岩和藻砂屑云岩为主。藻凝块云岩是灯四段最主要的储集岩，面孔率集中在3%~6%，主要储集空间为凝块间残余溶蚀孔洞及后期溶蚀孔洞，局部充填沥青或云质。藻叠层云岩发育仅次于藻凝块云岩，岩溶改造作用强，溶蚀孔洞发育，面孔率主要在4%~8%，部分达10%以上，主要储集空间为藻丝体腐烂后形成的鸟眼孔洞或窗格孔洞，顺层溶蚀作用明显。当沉积界面处于浪基面之上的高能带时，早期的泥晶岩类或藻白云岩被破碎，形成砂屑云岩，主要储集空间为粒间(溶)孔。

a.高石102井，5 300.0 m，藻凝块云岩；b.高石1井，4 977.7 m，藻叠层云岩；c.高石102井，5 091.3 m，藻砂屑云岩。 图 1 灯四段气藏典型井岩心照片 Fig. 1 Core photos of typical gas wells in Deng-4 Member

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a.藻凝块云岩；b.藻叠层云岩；c.藻砂屑云岩。 图 2 灯四段气藏典型井岩石铸体薄片 Fig. 2 Rock thin sections of typical gas wells in Deng-4 Member

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通过对灯四段气藏9口井966个孔渗实验数据进行分析，得到的储集层物性特征如下：孔隙度总体分布在2.00%~13.90%，主要分布在2.00%~ 6.00%，平均为3.91%；渗透率总体分布在0.000 1~ 10 000 mD^①，主要分布在0.01~10 mD，平均为1.02 mD；储集层物性总体具有低孔、低渗特征，局部发育高孔、高渗层段。

① 毫达西(mD)为非法定计量单位，1 mD=0.987×10^-3 μm²，下同。

缝洞型碳酸盐岩气藏的储集空间类型多样，既有受组构控制的粒间溶孔、粒内溶孔、格架孔和晶间溶孔等，又有不受组构控制的溶洞、溶缝和构造缝。通过对灯四段储层剖面、钻井岩心及薄片微观的详细观察，根据成因、形态、大小及分布位置，其储集空间具有以下特征：1)以粒间溶孔和晶间溶孔为主的次生孔隙是灯四段气藏的主要储集空间，局部发育晶间孔、格架孔和粒间孔等(图 3)。多类型孔隙的形成主要与粒间或格架孔保存、准同生期和成岩早期溶蚀作用以及多期埋藏岩溶叠加有关。2)灯四段气藏发育不同成因且各具特色的溶洞，多呈层状或沿裂缝呈串珠状分布，也有围绕岩溶角砾分布。各类型溶洞中以中、小溶洞为主，大溶洞发育较少，洞径在2~5 mm的小溶洞占79%，洞径在5~10 mm的中溶洞占15%，洞径大于10 mm的大溶洞仅占6%。因此，多类型中、小溶洞构成另一类重要储集空间(图 1)。3)裂缝在灯四段气藏中普遍发育，主要为构造缝、压溶缝和扩溶缝，其中对储渗性贡献较大的有效缝主要包括白云石-沥青部分充填的构造缝和沿构造缝分布的溶缝(图 4)。裂缝虽然对储集空间的贡献较小，但它们有效沟通了孔洞型储集空间，起到了改善储集层渗透性的作用。宏、微观裂缝与各种有效孔洞的良好搭配，是安岳气田灯四段优质储集层形成和气井高产的重要原因。

a.粒间溶孔；b.晶间孔及晶间溶孔；c.格架孔。 图 3 灯四段气藏多类型孔隙岩石薄片 Fig. 3 Rock thin section of multi-type pores in Deng-4 Member

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a.高石1井，4 958.7 m，构造缝；b.高石102井，5 034.8 m，压溶缝；c.高石1井，4 966.98 m，扩溶缝。 图 4 灯四段气藏多类型裂缝图像 Fig. 4 Images of multi-type fractures in Deng-4 Member

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岩层中喉道的大小与类型决定了油气储集层的渗流能力，孔喉的配置关系则影响着岩石的储集性能。借助扫描电镜技术，研究了灯四段气藏储集层喉道类型及特征，主要发育缩颈、片状和管束状3类喉道类型(图 5)。1)缩颈喉道是孔隙缩小部分形成的喉道，宽度一般大于10 μm，在砂屑云岩粒间溶孔之间常见，是灯四段储集层最主要的喉道类型之一。2)片状喉道宽度一般在1 μm以下，常见于晶粒白云岩储层中，是另一种主要的喉道类型。3)连接孔隙与孔隙的细长管道称为管束状喉道，其端面近似为圆形，半径一般小于10 μm，见于胶结或压实作用较强的砂屑云岩中，在灯四段喉道中所占比例较少。

a.缩颈和片状喉道；b.片状喉道；c.管束状喉道。 图 5 灯四段气藏主要喉道类型扫描电镜照片 Fig. 5 SEM photograph of main throat types in Deng-4 Member

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通过利用铸体薄片与电镜扫描等实验手段对灯四段气藏储集层特征进行精细表征，证明该地区碳酸盐岩储集层主要发育孔隙、溶洞与裂缝3类孔隙结构，是典型的缝洞型碳酸盐岩气藏。各类孔隙结构相互组合匹配，增强了非均质性，形成了多种类型储集层。为了更好地研究缝洞型碳酸盐岩气藏多类型储集层的孔喉结构特征，对GS1井灯四段7块特征明显的岩心样品进行了高压压汞测试。压汞法的基本原理为：相对于大部分固体界面，汞表现为非润湿相，当汞被注入多孔介质时，毛管压力表现为阻力；随着外部压力的增大，汞逐渐进入半径更小的孔隙，通过测量不同外压下进入孔隙中汞的量即可知相应孔的体积。在油气藏物理模拟试验中，压汞结果被用来绘制毛管压力曲线，可以描述多项储集层的特征。

常规储集层大多基于孔隙度范围进行分类，再对区域内岩心进行高压压汞实验研究不同类型储集层的孔隙结构特征。而对于缝洞型碳酸盐岩气藏，裂缝与溶洞发育，储集层非均质性强，孔隙度分类方法难以用于对其多类型储集层的孔隙结构和储渗能力进行研究。因此，笔者以是否存在溶洞与裂缝作为分类标准，在岩心表面观察的基础上，对岩心进行初步分类并进行高压压汞实验。然后，将同一类型的多条毛管压力曲线放在一起，对比分析曲线特征，判断初步分类结果的正确性，并对部分曲线进行类型调整，防止部分岩心内部存在裂缝或溶洞导致初步分类出现偏差。最后，将同一类型储集层的毛管压力曲线进行归一化处理，得到如图 6所示的4类储集层毛管压力曲线：Ⅰ类平台段较长且区间较宽，分选好、粗歪度，进汞压力小于0.17 MPa，最大进汞饱和度大于70%，代表最优质的缝洞型储集层，孔喉结构粗大且分布均匀，连通性好，具有高孔、高渗特征，储集和渗流能力好；Ⅱ类具有双台阶，反映储集层具有粗、细两套不同的孔喉系统，平直段主要出现在粗孔喉段，分选较好，粗歪度，进汞压力0.28~0.71 MPa，中值压力较小，最大进汞饱和度55%~70%，代表溶洞发育的孔洞型储集层，储集能力好，但渗流能力中等；Ⅲ类分选性中偏好，略细歪度，进汞压力0.26~1.10 MPa，中值压力中等，最大进汞饱和度45%~55%，代表物性一般的孔隙型储集层，粗、细孔喉较散，储集与渗流能力差；Ⅳ类分选较好，细歪度，进汞压力大于5 MPa，最大进汞饱和度极低，具有微孔喉集中分布的特征，储集和渗流能力差，代表不具有开发价值的非储集层。因此，灯四段碳酸盐岩气藏储集层类型可划分为缝洞型、孔洞型和孔隙型，而后面关于各种类型储集层孔隙结构特征的研究结果也验证了这一分类的准确性与必要性。

图 6 灯四段气藏多类型储集层毛管压力曲线 Fig. 6 Mercury intrusion curves of multi-type reservoirs in Deng-4 Member

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为了对灯四段缝洞型碳酸盐岩气藏多类型储集层的孔隙结构进行三维重构并定量表征孔缝洞分布规律，依据储集层分类结果，选取了缝洞型、孔洞型和孔隙型3类典型岩心进行CT扫描实验。通过上述孔隙结构特征定性研究结果可知，3种类型储集层既包含大尺度的溶洞和裂缝，也包含小尺度的孔隙，如果仅进行一个分辨率尺度下的CT扫描将无法完全反映缝洞型碳酸盐岩气藏所有类型的孔隙结构特征。因此，根据高压压汞实验对3类储集层孔喉尺寸的初步研究，对岩心进行了两个分辨率尺度下的CT扫描，其中：分辨率13.15 μm可用来研究较大尺度的孔喉、溶洞结构特征以及裂缝参数；分辨率0.98 μm则可以较好地观察小尺度的孔喉结构特征。

由于CT图像反映的是X射线在穿透物体过程中能量衰减的信息，因此三维CT图像能够真实反映出岩心内部的孔隙结构特征与分布规律。本实验采用MicroXCT-400型微米扫描仪，电压40~150 kV，功率1~10 W，最大测量岩样直径为50 mm，最大岩样高度40 mm，像素分辨率0.7~40.0 μm，能够实现精准刻画研究区域不同尺度下孔隙结构的要求。本文采用“最大球(maxima-ball)法”在三维数字岩心中进行孔隙网络结构的提取与建模，既提高了网络提取的速度，也保证了孔隙分布特征与连通特征的准确性。

“最大球法”一次性把不同尺寸的球体填充到三维岩心图像的全部孔隙空间中，整个岩心内部的不规则孔隙结构将通过相互交叠及包含的球串来表征(图 7)。孔隙网络结构中“孔隙”和“喉道”的确定通过在球串中寻找局部最大球以及两个最大球之间的最小球，从而形成“孔隙-喉道-孔隙”的配对关系来完成。最终，整个球串结构被快速地简化为以孔隙和喉道为单元的规则孔隙网络结构模型。表征连通性的“配位数”即为最大球代表的“孔隙”所连接最小球代表的“喉道”的数量。

a.不同尺寸球体填充孔隙空间；b. “孔隙-喉道-孔隙”填充图。 图 7 “最大球法”提取孔隙网络结构 Fig. 7 Pore network structure extract by the "maxima-ball" method

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基于CT扫描的孔隙结构特征分析流程如下。1)二维孔隙结构分析。根据二维CT扫描图像，分析表观孔隙结构特征。2)样品区域选取(图 8a)。基于二维CT扫描图像，选取最大和最能代表样品的区域建立三维孔隙模型，同时避免扫描质量较差的区域，以免对图像后期处理造成影响。3)样品区域预处理(图 8b)。对样品进行平滑处理，去除样品扫描中的噪音，避免在分割过程中造成噪声影响。4)样品分割(图 8c)。图像预处理完后，在此基础上将其分割成孔隙和骨架颗粒。5)孔喉参数计算(图 8d、e)。根据分割的样品对孔隙基本参数进行计算，主要包括孔隙度、连通孔隙度、孔喉半径等。6)孔隙网络提取(图 8f)。基于图像分割的结果，利用iCore软件对孔隙网络进行提取。7)三维孔隙网络分析(图 8g、h)。在提取的孔隙网络基础上进行定量分析，包括孔喉半径、孔喉体积分布特征以及孔喉配位数分布规律。

a.区域选取；b.预处理结果；c.分割结果；d.总孔隙体积；e.连通孔隙体积；f.孔隙网络提取结果；g.孔隙网络孔隙特征；h.孔隙网络喉道特征。 图 8 基于CT扫描的孔隙结构特征分析流程 Fig. 8 Analysis process of pore structure characteristics based on the CT scanning

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首先对3类岩心进行不同尺度条件下的二维CT扫描及分析。通过观察和对比俯视图与正视图(图 9)可见，缝洞型碳酸盐岩气藏非均质性强，3类储集层在孔隙结构上存在较大差别：1)缝洞型样品中存在宏观缝与微缝，发育程度总体较高，构造缝断面较平直且多以高角度缝出现，微裂缝与溶洞串接呈串珠状分布，有效沟通了各储集空间，微裂缝孔隙度为0.5%，宽度为20~332 μm，平面延伸800 μm左右；2)孔洞型样品中溶洞发育，多呈层状或围绕岩溶角砾分布，形状主要为不规则圆形、三角形和长条状，以直径在2 mm左右的小型溶洞为主；3)小尺度条件下，孔洞型和缝洞型储集层微观孔喉结构仍然发育，可见直径大于100 μm的粗大孔喉，但无法观察到宏观裂缝与溶洞；4)孔隙型样品在大尺度条件下只能在部分区域观察到极小的孔隙结构，但大部分区域孔喉不发育，表现为致密层，在小尺度下可见微观孔喉，但大都呈椭球状、三角状孤立分布，多为发育在矿物颗粒和晶体之间的溶孔，大小为0.7~4.6 μm。

a.深度4 963.2 m，深灰色缝洞型白云岩，分辨率13.15 μm；b.深度4 963.2 m，深灰色缝洞型白云岩，分辨率0.98 μm；c.深度4 979.5 m，灰色孔洞型白云岩，分辨率13.15 μm；d.深度4 979.5 m，灰色孔洞型白云岩，分辨率0.98 μm；e.深度5 047.8 m，灰褐色孔隙型白云岩，分辨率13.15 μm；f.深度5 047.8 m，灰褐色孔隙型白云岩，分辨率0.98 μm。图中图形图像为俯视图，长方形图像为正视图。 图 9 不同类型岩心不同尺度下CT扫描表观图像 Fig. 9 Apparent CT scanning images of multi-type cores under different scales

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选取样品中孔喉集中发育的区域，建立3类储集层的三维孔隙结构模型，对比分析孔隙体积、孔喉大小及其分布规律和连通关系等三维结构特征。图 10为3类岩样孔隙结构提取的“球棍模型”，球代表孔隙，棍代表喉道，其大小表示孔喉的尺寸，分别描述岩样的储渗能力，每个球连接棍的数量表示孔喉配位数。由于常规三维孔隙模型无法对微裂缝进行提取分析，基于二值分割后的岩石图像，以5×10⁵个像素的体积为微裂缝分割阈值，对二值图像进一步分割，提取图像中的微裂缝，缝洞型样品的三维裂缝提取结果如图 11所示。图 12为利用iCore软件进行定量分析得到的多类型孔隙结构的体积大小及分布特征。综合铸体薄片、扫描电镜、高压压汞、多尺度CT扫描研究结果，灯四段缝洞型碳酸盐岩气藏多类型储集层孔隙结构特征如表 1所示。综合分析图 10—图 12与表 1可以得出3类储集层的三维孔隙结构特征：1)孔隙型样品孔隙半径多为0.7~4.6 μm，喉道半径多为0.5~3.8 μm，最大孔喉半径170.4 μm，孔隙体积多在3×10⁶ μm³以下，细小孔隙发育且分布不均，大部分区域被岩石骨架占据，总孔隙度小于4%，连通孔隙度小，储集空间以微孔隙为主，渗流通道为喉道，但喉道数量少且孔喉连通性差，配位数低，储集和渗流能力均很差；2)孔洞型样品孔隙半径多为2.5~20.3 μm，喉道半径多为1.7~14.0 μm，最大孔喉半径为470.7 μm，孔隙体积多在7×10⁶ μm³以下，发育不同尺度的孔隙与溶洞，总孔隙度大于4%，连通孔隙度较高，溶洞体积占比大，储集空间以溶洞和大孔隙为主，储集能力强，渗流通道为喉道和顺层溶洞，喉道粗大但数量较少，孔喉连通性较差，配位数较低，各储集空间之间无法形成有效沟通，渗流能力受限；3)缝洞型样品孔隙半径多为1.9~13.2 μm，喉道半径多为1.2~12.9 μm，最大孔喉半径为392.2 μm，孔隙体积多在1×10⁷ μm³以上，大孔隙与溶洞发育且分布均匀，总孔隙度大于6%，多条微裂缝的存在沟通了孤立的储集空间，连通孔隙度占比高达83%，溶洞与孔隙体积占比较高，储集空间以溶洞和大孔隙为主，渗流通道以裂缝和喉道为主，喉道粗大且数量较多，配位数较高，储集和渗流能力最好。CT扫描分析结果与高压压汞实验结果相对应，也进一步验证了多类型储集层分类结果的准确性。

a.缝洞型(13.15 μm)；b.孔洞型(13.15 μm)；c.孔隙型(13.15 μm)；d.缝洞型(0.98 μm)；e.孔洞型(0.98 μm)；f.孔隙型(0.98 μm)。 图 10 不同类型岩心不同尺度下三维孔隙结构模型 Fig. 10 Three dimensional pore structure model of multi-type cores under different scales

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图 11 缝洞型样品微裂缝模型 Fig. 11 Microfracture model of fracture-cavity type core

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a.缝洞型；b.孔洞型；c.孔隙型。 图 12 不同类型储集层孔隙体积大小及分布特征 Fig. 12 Pore size and distribution characteristics of multi-type reservoirs

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结合宏观、微观、静态、动态等资料分析认为：灯四段缝洞型碳酸盐岩储集层储集类型以裂缝-孔洞型储集层为主，发育的微裂缝、宏观裂缝及水平顺层溶洞在改善储层渗流能力方面起重要作用，且溶洞的发育是储集能力的重要补充，裂缝与溶洞的合理搭配是缝洞型碳酸盐岩气藏能否实现有效开发的基础，寻找缝洞发育区是气藏能否高效开发的重点，而针对孔洞发育区进行压裂改造则是提高采收率的关键。

1) 铸体薄片与扫描电镜结果表明，灯四段缝洞型碳酸盐岩气藏储集空间以粒间溶孔和晶间溶孔为主，中、小型溶洞发育是储集能力的重要补充；构造缝、压溶缝和扩溶缝的发育有效沟通了孔洞型储集空间，改善了储渗能力；喉道类型以缩颈状、片状和管束状为主。

2) 依据高压压汞实验得到的毛管压力曲线，可将研究区储集层划分为缝洞型、孔洞型、孔隙型和非储集层。其中：缝洞型储集层进汞压力＜0.2 MPa，进汞饱和度＞70%，分选性好；孔洞型储集层进汞压力0.2 ~1.0 MPa，进汞饱和度55%~70%，分选性较好；孔隙型储集层进汞压力0.2 ~2.0 MPa，进汞饱和度45%~55%，分选性中偏好。

3) 基于多尺度CT扫描技术，采用“最大球法”对3类储集层不同尺度下的孔隙结构进行了三维重构，研究结果表明：缝洞型样品孔喉尺寸大，大孔隙与溶洞发育，分布均匀且连通性好，喉道粗大且数量较多，微裂缝与溶蚀孔洞串接沟通了孤立的储集空间，储渗能力最好；孔洞型样品孔喉尺寸大，不同尺度的孔隙与溶洞发育，储集能力强，喉道粗大但数量较少，连通性较差，各储集空间之间无法有效沟通，渗流能力受限；孔隙型样品孔喉尺寸小，细小孔隙发育且分布不均，多为发育在矿物颗粒和晶体之间的溶孔，储集空间以微孔隙为主，喉道数量少且连通性极差，储流能力最弱。