2017, Vol. 32
碳酸盐岩油气藏已成为国内重要的油气接替资源(赵文智, 2014)，亦成为中国各石油企业在海外投资的主力油藏类型(穆龙新, 2013)，因而碳酸盐岩储层研究日趋重要.碳酸盐岩与国内含油气盆地常见的碎屑岩相比具有巨大差异，其沉积过程受生物作用、化学作用和机械作用共同控制，多种多样的成岩作用更加剧了碳酸盐岩孔隙结构的复杂程度(Moore and Druckman, 1981; Moore, 1989; Tucker and Wright, 1990; Moore and Wade, 2001).因此，碳酸盐岩往往比碎屑岩具有更强的非均质性.如何对碳酸盐岩储层进行精确描述与表征，已经成为储层地质建模、油藏岩石渗流规律和油藏数值模拟研究中的一项重要内容(裘亦楠和薛叔浩, 1997; 罗平等, 2003; Salman and Bellah, 2013).
碳酸盐岩储层岩石类型划分是国内外碳酸盐岩储层研究的热点，是更加充分认识储层和合理有效开发储层的关键步骤(Frank et al., 2005; Salman and Bellah, 2013; Moradi et al., 2017).碳酸盐岩储层岩石分类即是在油藏描述阶段，储层具强非均质性背景下，将储层划分为若干相对均质的类别的过程.是以储层储渗能力研究及物性空间分布预测为目的, 以服务油气藏开发，对储层岩石进行分类的过程，非简单的岩性分类.Salman和Bellah(2013)的对储层岩石类型定义为“经历了相似沉积过程和成岩过程，具有相似的孔隙结构，在润湿性一致的条件下，具有统一的的φ-K关系、相似的毛管压力曲线分布和相对渗透率的一类岩石的集合”准确的概括了碳酸盐岩储层岩石分类的理想结果.然而，在实际应用中，目前尚未形成统一的碳酸盐岩储层岩石类型划分标准.现今的国内外众多分类方法多受单因素控制，可归属于地质、岩石物理、生产动态三大类：(1) 以地质成因为依据的岩石分类：结合沉积环境和成岩过程，以碳酸盐岩成分、结构成因为依据.(2) 以岩石物理特征为依据的岩石分类：依靠岩石物性参数资料，如孔隙度、渗透率、毛管压力曲线参数等作为分类依据.(3) 以油气藏生产动态特征为依据的岩石分类：以油气生产开发动态参数作为分类依据.在实际应用中，三大类方法各自具有优势和局限性.有关各类方法研究进展、发展现状和优劣势及未来碳酸盐岩储层岩石分类发展方向将在下文展开论述.
1 碳酸盐岩储层岩石的地质分类 1.1 结构成因分类Folk(1959)、Dunham(1962)、Embry Ⅲ和Klovan(1971)先后提出结构成因分类.其中Folk和Dunham的分类应用最广泛.Folk借鉴陆源碎屑分类提出以异化颗粒、泥晶方解石基质、亮晶方解石胶结物为三端元的分类方法，总结了不同结构类型的沉积环境意义，对颗粒类型灰岩划分最为实用；Dunham等根据沉积环境，采用了灰泥的有无、支撑类型作为分类基础，对非颗粒碳酸盐岩类划分很有意义.国内沉积学家冯增昭(1993)基本沿用了Dunham的内涵，划分为颗粒-灰泥灰岩、晶粒灰岩、生物格架-礁灰岩三类.其中颗粒-灰泥灰岩在可根据颗粒和灰泥的相对含量划分为颗粒灰岩和灰泥灰岩两类(Lucia, 2007).
结构分类受沉积环境、岩石结构、颗粒类型的控制，本质上反映了碳酸盐岩岩相特征.然而，同种岩石类型的孔渗关系不明确，在储层地质建模过程中，其难以约束空间物性分布，为物性预测带来了很大的不确定性，对于孔隙结构复杂、非均质性极强的复杂碳酸盐储层尤其如此(Eberli et al., 2003; Lønøy, 2006; Lucia et al., 2007).
1.2 孔隙类型分类Choquette和Pray (1970)的基于孔隙类型岩石分类长期以来被岩石学家和石油地质学家广泛应用(表 1).这种分类方法紧密的结合了沉积组构、孔喉类型，因此，一定程度上可以基于沉积环境和成岩演化来推测岩石类别，尤其是适用于孔隙演化研究，但是碳酸盐岩孔隙类型较为复杂，如伊拉克白垩系Mishrif组生屑灰岩，多为铸模孔、粒间孔、粒内孔多种类型孔隙复合储层(王君等，2016).Archie(1952)和Lucia(1983, 1995)的分类方法更被岩石物理学家和油藏工程师所接受，因为其分类与孔隙几何形状和流体流动特性相关联(表 1).这两种分类方法应用到挪威某碳酸盐岩油藏(Lønøy, 2006)，研究表明同类型岩石样品的孔-渗关系平均相关系数R2分别为0.680和0.688，孔-渗相关程度并不理想(表 1).
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表 1 Lucia(1983, 1995)、Choquette和Pray (1970)分类方法所得孔-渗相关系数(据Lønøy, 2006) Table 1 Porosity-Permeability Coefficients of Determination(R2) for the Lucia (1983, 1995, 1999) and Choquette and Pray(1970) classification systems(Lønøy, 2006) |
Lønøy(2006)对Choquette和Pray (1970)和Lucia(1983, 1995)的分类方法进行改进，用孔隙尺寸取代颗粒粒径，引入孔喉分布特征，将孔喉分布分为均匀分布孔隙和杂乱分布两类，增加微孔隙泥质这一大类，共划分出20种岩石类型.与Choquette和Pray(1970)、Lucia(1983, 1995)分类相比，孔渗关系有较大改善(表 2).但其研究样品以粒(晶)间孔为主的单峰孔隙结构，在发育多种孔隙类型的复杂孔喉结构碳酸盐岩储层中适用性有待验证.同时，分类过多，难以建立与20种分类一一对应的测井响应特征，而为无取心井的岩石类型划分提出挑战，具有研究意义，但难以应用于生产.
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表 2 Lønøy(2006)分类方法所得孔-渗相关系数(据Lønøy, 2006) Table 2 Porosity-Permeability Coefficients of Determination(R2) for Lønøy (2006) classification systems(Lønøy, 2006) |
毛细管压力曲线可以直接反映孔喉半径大小，基于这一原理诸多学者提出使用进汞量达到一定程度对应的孔喉半径进行岩石类型划分.Purcel(1949)认为毛管压力曲线上对应的连通孔喉都对岩石的渗透率有贡献，Schowalter(1979)认为汞饱和度10%对应的孔喉大小是决定岩石渗流能力的主要孔喉大小，提出使用R10划分岩石类型.Swanson(1981)认为只有当汞饱和度达到一定量能够连通岩石的主要空间时，才对渗透率起控制作用.Katz和Thompson(1987)认为毛管曲线开始端顶点对应连通孔喉网络中的最大孔喉半径.Winland在研究砂岩储层时发现R35(进汞饱和度35%所对应的喉道半径)与孔隙度和渗透率之间具有较好的相关性(Gunter et al., 2014), Kolodzie(1980)和Pittman(1992)将其应用到碳酸盐岩储层中扩大其适用范围.R35被认为反映了粒间孔为主要孔隙类型的岩石中最大连通孔喉半径，与岩石孔渗具有直接关系，可根据R35大小进行储层岩石分类，谭学群(2013)将R35应用到伊朗某碳酸盐岩油藏储层中划分了储层岩石类型.它与孔隙度和渗透率通常具有关系为
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(1) |
(1) 式中:R35为压汞实验过程中进汞饱和度为35%时对应的孔喉半径, μm; K为渗透率, 10-3 μm2; Φ为孔隙度, %.
Spearing等(2001)论述R35是一个测量值而非计算值，并且对其本质意义提出质疑.Pittman(1992)提出使用R30作为关键点，但是这个值仍被学者质疑.Warren和Pulham(2001)通过对碎屑岩样品的分析, 认为中值半径R50与渗透率之间具有较好的相关性.Torres-Verdin和Nelson(2005)进一步论证了R50与渗透率、孔隙度之间的关系，认为R50具有区分碳酸盐岩岩石类型的能力.颜其彬等(2015)在分析对比了碳酸盐岩毛管曲线上诸多特征点后，认为对于非均质性较强的碳酸盐岩，拐点处喉道半径与渗透率相关性最好(图 1).
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图 1 毛管压力曲线拟合及重要孔喉分布点(颜其彬等, 2015, 修改) Figure 1 Capillary pressure curve and key pore-throat points(Yan et al., 2015, modified) |
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图 2 FZI法岩石物性分类(据Rebelle, 2014) Figure 2 Relationship betweenPorosity and Permeability by FZI rock-typing method(Rebelle, 2014) |
此类方法是基于统计孔隙度、渗透率与孔喉半径关系提出的经验公式，能反映不同岩石类型的渗流能力，但不考虑沉积和成岩过程.事实上，毛管压力曲线上对应的所有喉道都对渗透率起作用(Hulea and Nicholls, 2012; Hulea, 2013)，用任何一点毛管压力对应的孔喉大小区分岩石类型都带有一定的片面性.根据喉道半径划分岩石类型只适用于毛管压力曲线相似的的样品，对于碎屑岩和较均质的碳酸盐岩有一定实际意义，对于含有微孔隙、孔洞这些孔隙类型的多模式的非均质性强的碳酸盐岩来说，毛管压力曲线复杂多样，这些方法多不适用.除此之外，这些方法不容易与岩心或者测井响应结合.
2.1.2 函数法分类(1)J函数
物性综合指数(
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(2) |
其中Pc表示毛管压力, psi；σ表示界面张力, mN/m；θ表示润湿角.
但是，同类型的孔、渗关系及其结构系数之间对应关系不明确，并且使用物性综合指数Z在碳酸盐岩物性分类中仍然具有较大的局限性(郭振华等, 2011).
(2) THOMEER函数
THOMEER函数是对毛管压力曲线提出的数学表达式(Thomeer, 1960).定义了表征孔隙结构的孔隙几何因子G与毛管压力曲线各参数之间的定量关系.以孔隙几何因子G、起始排驱压力Pd两个参数作为区分岩石类型分类的依据.公式为
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(3) |
其中G表示孔隙几何因子；Pd表示起始排驱压力, psi；SHg表示汞饱和度, %.
此法由Clerke (Clerke, 2003; Clerke et al., 2008)加以修正并广泛应用于加瓦尔油田.Clerke的研究证明THOMEER函数在双峰孔喉系统中的适用性较高，特别是在具有大量微孔隙的岩石中应用具有优势.函数分类法局限在于，不能反映地质特征，且压汞毛管压力曲线须有很大的压力范围才能获取评价参数.
2.2 FZI/RQI分类Amaefule等(1993)通过大量的研究，基于渗透率和有效孔隙度的关系，提出FZI(流动带指标)和RQI(储层品质因子)这两个储层物性分类的指标，用来评价储层的渗流能力，二者值与储层岩石渗流能力呈现正相关性.计算FZI和RQI的计算公式为
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(4) |
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(5) |
(4) 和(5) 式中，Φe表示有效孔隙度, %；Φz表示孔隙体积与杂基基质体积之比, 即Φe/(1-Φe), %
从有效孔隙度与渗透率交会图中可以看出(图 3)，基于FZI和RQI可以有效的将将样品分为若干组.
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图 3 基于孔喉分布的三端元孔隙系统分类(据Frank, 2005) Figure 3 Pore class system for porosity partitioning (Frank, 2005) |
依据FZI/RQI进行物性分类的优势在于，基于孔隙度和渗透率，无需借助压汞等测试分析手段，且同类样品一般具有较好的孔渗关系.Haro(2004)、Kharrat等(2009)、Burrowes等(2010)将FZI/RQI应用于中东等地区碳酸盐岩岩石分类中.这种方法在某些碎屑岩或者成岩作用微弱的较均一碳酸盐岩中可以成立，但在一般的强非均质性碳酸盐中，FZI/RQI将不具有物性分类意义.除此之外，K/Φe中，有效孔隙包括一部分与孔喉网络联通的微孔隙，但是这些微孔隙对于流体的渗流作用是没有意义的，将K/Φe中的有效孔隙度改为除去微孔的有效孔隙度将改善其岩石物理意义(Clerke, 2003).
2.3 测井资料分类 2.3.1 核磁共振测井分类核磁共振T2谱通过饱和流体，利用流体充填在不同孔隙中的比例大小，反映孔隙体积分布，从而反映岩石的孔隙结构(白松涛等, 2016).而且，李天降分析认为岩心中可能会存在的超毛细管孔隙在毛细管压力所得到的孔径分布中得不到正确的反映，核磁共振T2谱却能很好地反映出超毛细管孔径分布(李天降等, 2006).
Frank等(2005)在研究中东碳酸盐岩储层时，基于核磁共振T2谱能反映岩石孔隙结构组成特征这一特性，提出使用核磁共振T2谱划分岩石类型.碳酸盐岩孔隙可划分为微孔、中孔和大孔三种类型.通过毛管压力或者岩石气水离心试验来标定核磁共振T2谱弛豫时间截止值，便可在T2谱上划分微孔、中孔、大孔三种孔隙的分布特征，中孔和大孔的孔隙度控制了岩石的储集能力，除微孔(不能渗滤流体)外的孔喉平均半径控制了岩石的渗流能力，因此大、中、微三种孔喉的相对含量可以反映储层的孔-渗能力，据此建立8种岩石孔隙结构类型(图 3).用岩样薄片分析和室内核磁共振试验T2谱分布，标定孔隙结构类型.T2谱分布特征得以与岩石类型建立联系，使用核磁共振测井资料可完成全连续的井段岩石类型识别.但是，当应用于具有双峰形态孔隙分布的复杂碳酸盐岩样品时时，当出现现微孔隙与粗孔隙相互连通时，岩石孔隙内流体氢质子会发生扩散弛豫，即“孔隙耦合效应”，造成T2分布形态不能反映真实孔隙大小分布特征这一异常现象(Vincent et al., 2011).
2.3.2 常规测井分类当缺少成像、核磁共振特殊测井资料时，可借助常规测井曲线，将常规测井响应集合接近的层段划分为一种岩石类型，这种方法需要由岩心对测井响应进行标定.
基于常规测井资料的岩石类型划分需要针对每个岩石类型建立独特的的测井响应特征，因此，需要建立标准化的测井曲线集合同时处理所有的井.对人为因素误差和岩性之外其他干扰因素(压实程度、流体性质)的影响的消除是关键步骤.
岩心标定建立的测井响应模式形成一个确定性识别模型，可将已有岩心的井的岩石类型分类传播到其他没有岩心样品的井中，再由井数据外推到井间建立平面岩石类型分类.
在缺少岩心样品，无法对测井曲线进行校正时，可依靠神经网络(Ross et al., 1995)、KNN分类算法(Theologou et al., 2015)等统计算法分析构建一个不确定识别模型.模型建立过程中样品已被分组，人工赋予每个分组的地质或岩石物理含义.模型首先传播到已知井来验证其相关性，如果相关性好，再应用于其他井.
仅依靠测井建立岩石分类模式，一定程度上会平滑垂向非均质性.因此岩心描述分类结果有较大差异(Rebelle, 2014).
2.4 截止值分类物性截止值法进行储层岩石分类是生产中常见的一种岩石类型划分方法.截止值的获取一般根据岩心物性分析、试油和生产测试资料来确定, 由于不同储层物性，对油气的储集能力和渗流能力不同，因此这种方法的思想是根据样品的孔隙度或(和)渗透率值将样品划分在不同的值域范围内，朱国璋等(2014)将此法用于四川盆地缝洞型碳酸盐岩储层中.
碳酸盐岩含油产状可划分为不含油、贫含油、中等含油、高含油四类(张耀文等, 2014).将取心井试油结果与岩心含油级别物性建立关系，确定各种类型含油产状的出油下限，求出各种岩石类型相应的物性下限(郭睿, 2004).除上述含油产状法外，测试法、经验统计法、钻井液侵入法等方法也可以用于截止值法岩石类型分类.但是同一个类别中孔隙度-渗透率不具有相关性.
3 碳酸盐岩储层岩石的动态分类与静态岩石分类相比，动态岩石分类增加了润湿性这一参数，该方法可用来用来识别岩心尺度上的流动单元，可将岩相、结构等地质信息、孔隙度、渗透率和孔隙网络等岩石物理特征和流体相关信息整合进去.将具有相似孔隙结构、相同的润湿性，并具有相似的相对渗透率关系的岩石分为一类.在自由水界面之上，依靠润湿性对含水饱和度的影响建立饱和度函数，可指导毛管压力、相对渗透率曲线的多相态动态参数在动态模型网格中的分布预测，适合于厚层碳酸盐岩油藏(Ghedan et al., 2012).一般动态岩石类型可以和静态岩石类型相关联，储层从油润湿到水润湿的渐变，可以使动态岩石分类油水过渡带上部到油藏顶部之间产生对应的静态岩石分类(Asgari and Sobhi, 2006; Ghedan, 2007).但是测试过程耗时长，一些油藏条件下，如Hamon(2003)研究认为，动态岩石类型和静态岩石类型之间没有找到直接的关系；再如混合润湿的油藏，注水部位与自由水界面的距离控制了岩石物理性质.
上述单因素分类法都具有各自适用条件和不足.地质储层岩石类型揭示了沉积和成岩演化特征，但是对于物性的空间分布预测不确定性高，同时不易建立地球物理响应模型；物性储层岩石类型具有理想的孔渗关系，但是缺乏地质内涵，对于非均质性强的复杂孔喉结构碳酸盐岩适用性差；动态储层岩石类型可以识别宏观流动单元，但是不能揭示微观特征，一些油藏条件下无法与静态储集岩分类建立联系.
4 多层次碳酸盐岩储层岩石分类随着2D/3D数字化成像技术等多种实验技术的发展，一系列与孔隙结构相关的定量参数得以获取，促进了岩石分类新方法的发展.Hollis等(2010)在阿曼北部某碳酸盐岩的岩石分类中，首先根据岩相特征划分大类，再根据孔隙成因划分亚类，最后通过成像技术获得的定量表征孔隙结构参数划分子类.将4个小层划分了13种岩石类型.其中，类型RT4、RT5、RT6、RT7均为台缘滩相，RT4为砾屑灰岩，孔喉分布为弱双峰, 以非组构选择型溶孔和铸模孔为主；RT5为生屑颗粒灰岩，具有单峰型孔喉大小分布, 以粒间溶孔和铸模孔为主；RT6为含有孔虫颗粒灰岩，胶结作用和溶蚀作用很弱，具有单峰型孔喉大小分布, 以原生粒间孔为主；RT7为含泥质有孔虫颗粒灰岩，胶结作用强，以粒内微孔为主，具有似单峰型孔喉大小分布.每种储集岩类型即具有相似的地质成因和成岩演化意义，又具有统一的孔喉分布和孔隙结构特征，还具有理想的孔-渗关系(图 4).如此分类，使地质信息与岩石物性参数建立联系，将复杂的强非均质性碳酸盐岩划分为岩性、物性相对均质的多个类型，提高了储层地质模型准确度.
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图 4 多层次划分储集岩类型(Hollis et al., 2010) Figure 4 Carbonate reservoirmultilevel rock-typing (Hollis et al., 2010) |
王小敏和樊太亮(2012)以岩石组构、孔隙结构和岩石物性之间联系为切入点，按照结构成因、孔隙类型和物性对礁滩相碳酸盐岩储层进行多层次划分.首先以结构成因分类，分析不同岩相类型孔-渗、弹性声波等物性间响应关系，其中颗粒为主的灰岩和结晶灰岩岩石物理响应具有不确定性；按照孔隙类型对颗粒为主的灰岩和结晶灰岩再分，粒间孔和晶间孔以及非组构选择性溶孔为主的碳酸盐岩物理响应不确定；再次借助物性参数，根据周长面积比(PoA)、孔径主尺寸(DomSize)、微孔隙度三个物性参数可以将粒间孔和晶间孔以及非组构选择性溶孔分为具有特定孔渗关系和物理响应的类别.最终，将碳酸盐岩礁滩相储层划分为4大类、10小类(表 3).此类分类方法兼顾储层的地质成因模式和控制流体储层的物性参数，提高了测井等地球物理手段识别储层类型的效果，降低了岩石类型和物性参数空间分布预测的不确定性，对碳酸盐岩储层地质建模及油藏开发具有重要意义.
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表 3 碳酸盐岩礁滩相分类方案(王小敏和樊太亮, 2012) Table 3 Classification scheme for carbonate reef-shoal reservoir rocks (Wang and Fan, 2012) |
Rebelle(2014)综合岩样、岩心、测井和试井等信息，结合传统岩心分析、毛管压力、矿物学分析、成像信息(CT扫描、成像测井)、动态数据等资料.整合多种单因素分类方法，建立地质和岩石物理之间相关联的岩石分类.
首先，基于孔隙度、渗透率、颗粒密度以及毛管压力曲线资料，依靠神经网络方法进行岩石物理分组后，然后依靠沉积学、岩石物理学和油藏工程理论的内在联系，分析每种岩石物理类型的地质意义.一旦完成岩心尺度上的分类，再建立在侧井尺度上，意味着有地质内涵的岩石物理分类与测井响应相对应，然后依靠测井响应传播到其他没有岩心的井中.
新的岩石类型整合了多种尺度获得的参数，代表了在地质和岩石物理上参数上具有均一性的集群.定义于岩心尺度，然后传播到测井尺度.平衡了地质和岩石物理、微观薄片数据到井数据之间的关系(Rebelle, 2014).
5 结论 5.1目前尚无统一的碳酸盐岩储层岩石分类方法，国内外常见碳酸盐岩储集岩类型划分方法可根据分类依据，归属到地质、物性、生产动态三大类.地质分类有结构成因分类和孔隙类型分类；岩石物理分类有毛管压力曲线相关分类(孔喉半径分类、函数分类)、FZI/RQI分类、测井资料分类(核磁共振测井分类、常规测井分类)、截止值分类等方法；动态分类有基于润湿性动态岩石分类法.
5.2地质分类法反映了岩石的沉积成因和成岩演化特征，能够建立储层空间三维岩相约束条件，但同类岩石的物性关系和物理响应不理想；岩石物理分类能够依据岩石物性关系区分岩石类型，但是缺乏地质内涵，在井间空间岩石类型和物性分布预测具有很大不确定性，同时，对于非均质性强的双峰复杂孔隙结构碳酸盐岩适用性差；动态参数分类多用于油藏开发阶段，但划分尺度较大，不能揭示储层微观特征.
5.3协同地质学、岩石物理和油藏动态的多层次碳酸盐岩岩石类型划分方法，兼顾地质和岩石物理、微孔定量尺度和宏观定性尺度、静态和动态特征，能够消除单一学科分类局限性，既可以建立三维空间内沉积-成岩地质约束条件，同种岩石类型又具有理想的孔渗关系与物理响应特征，降低了空间物性预测的不确定性.对碳酸盐岩储层评价预测和油藏数值模拟具有重要的指导意义，是复杂碳酸盐岩储集岩最有效的分类方法，也是未来碳酸盐岩储集岩岩石分类的主要发展方向.
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