佘 敏, 沈安江, 吕玉珍, 陈 薇,李 昌, 张 友, 郝 毅

(1.中国石油杭州地质研究院,浙江杭州 310023; 2.中国石油集团碳酸盐岩储层重点实验室,浙江杭州 310023)

近年来,中国油气勘探目的层由中浅层向深层和超深层、资源类型由常规向非常规快速延伸,在白云岩储层中发现了若干大型—超大型(油)气田,如四川盆地普光气田[1-2]、鄂尔多斯盆地靖边气田[3]、四川盆地磨溪-高石梯气田[4]和塔里木盆地富满油田[5]等。勘探实践表明,白云岩储层具有储集空间类型复杂多样和物性变化大特征,既可以在超深层发育高孔渗的孔隙和孔洞[6],也可能在中浅层主要发育裂缝和低孔渗的孔隙,要在中国300多万平方公里的碳酸盐岩发育地区取得油气勘探的更大突破,对白云岩储层孔隙成因及其保存规律的合理认识至关重要。前人较多关注白云岩孔隙成因研究[7-8],认识到储集空间主要是对先存孔隙的继承,近地表低温条件下溶蚀改造至关重要[9],然而对于孔隙保存及其控制因素研究进展缓慢,主要认识是白云岩比灰岩更具抗压实属性[10],但该认识既不严谨也缺乏指导意义。经过埋藏压实作用后,白云岩厚度减小,孔隙度和渗透率降低,那么在中—深埋藏成岩阶段,不同类型白云岩是否存在差异压实,白云岩抗压实效率如何定量评价,又如何识别出更具抗压实能力的白云岩,这些都是制约当前深层和非常规白云岩储层勘探与开发的关键问题。20世纪50年代以来,国内外学者陆续开展了碳酸盐岩在有效应力作用下的孔隙度和渗透率演化试验[11-20],但是,以往试验样品多以低孔或裂缝型灰岩为主,缺乏针对中—深成岩阶段白云岩物性保存机制研究,尤其缺少对比不同岩石物性和孔隙空间类型白云岩的压实模拟。笔者采用天然岩心进行试验,模拟白云岩孔隙度和渗透率随有效应力的变化,对比不同物性和孔隙空间类型白云岩孔隙度和渗透率的演化规律及其保存效率,初步明确压实作用下白云岩孔隙空间和连通属性的保存机制,为深层和致密型白云岩储层预测和高效开发提供理论参考。

1 试验方法

1.1试验样品

本次试验主要通过模拟压实作用过程中白云岩的孔隙度和渗透率变化,分析不同初始物性和孔隙空间类型白云岩的抗压实效应。试验所用样品主要采自四川盆地,显微镜下薄片鉴定岩性包括砂屑白云岩、鲕粒白云岩、细中晶白云岩、含生屑细晶白云岩和残留生屑结构中粗晶白云岩(图1,蓝色为铸体)。根据碳酸盐岩储集空间的形态,可将其孔隙空间分为孔隙和裂隙两大类。储集空间长宽比小于10∶1者称为孔隙,大于10∶1者称为裂缝。强子同[21]将碳酸盐岩储集层孔隙结构划分为孔隙与喉道、孔洞和裂缝3种类型,其中孔隙是指储集岩中几个颗粒之间较大的孔隙空间,而连接两个孔隙的狭窄部分称为喉道,孔隙孔径限定在2 mm以下,孔隙类型包括粒间孔、晶间孔、铸模孔、生物骨架孔和鸟眼孔等;孔洞是指孔径大于2 mm的孔隙空间,大多是溶蚀作用形成的。根据碳酸盐岩孔隙结构划分方法,将13块次白云岩样品划分为孔隙型、孔洞型和裂缝型3种类型,其中孔隙型样品孔隙类型主要包括粒间孔、晶间孔和鲕模孔;孔洞型样品孔隙类型主要是溶蚀孔洞;裂缝型样品孔隙类型发育裂缝且显孔不发育。试验样品孔隙度为2.107%～20.316%、渗透率为(0.073～61 744.96)×10-3μm2,并通过X射线衍射仪测定了白云岩样品的矿物组成(表1)。

1.2 试验设备和方法

试验采用美国岩心公司生产的CMS300覆压孔渗测量仪,开展非稳态压力衰减孔渗联测方法,渗透率采用达西-克氏-费氏综合计算模型,孔隙度采用改进型波义尔定律结合的标定技术。试验采取气测法,用氦气作为测试流体,利用施加于岩心样品围压代表岩石有效应力。参考龙王庙组白云岩气藏MX13气井参数,储层渗透率1.5×10-3μm2,埋深4 600 m,原始气藏压力75 MPa,上覆岩层压力110 MPa,有效应力35 MPa。试验设计岩心样品初始围压为3.5 MPa,再逐级增加至5、10、15、20、30、40和50 MP。试验流程为,钻取直径2.5 cm、高度3～5 cm的柱塞样,在105 ℃下烘干至恒重,将柱塞样装入岩心夹持器,出口通大气,依次模拟不同上覆压力下压实作用,每个围压点达到后先稳定60 min[22],再测量对应有效应力下柱塞样机械压实下的孔隙度和渗透率,初始状态下样品(围压为3.5 MPa)的孔隙度为φ0,渗透率为k0,其他压力点下样品的孔隙度为φi,渗透率为ki。考虑到本次试验主要讨论不同类型白云岩在有效应力作用下的物性保存规律,为了避免温度因素干扰,试验统一在室温25 ℃条件下进行。

图1 光学显微镜下白云岩薄片的照片Fig.1 Thin section of dolomite observed with optical microscopy

表1 白云岩孔隙度、渗透率和X衍射全岩分析

2 试验结果与讨论

白云岩在持续埋深或在衰竭式开采过程中,岩石骨架承受的有效应力会增加,随着有效应力增大,白云岩中微粒被挤碎、压实,充填于裂缝间隙,孔隙结构发生变化,裂缝的微凸体发生压缩、错动和啮合等,导致储集层的渗透率和孔隙度发生变化。白云岩初始物性和孔隙空间类型的不同可能导致白云岩抗压实能力存在明显差异。参考李传亮[23]提出的储层岩石的应力敏感指数定义,给出白云岩在有效应力作用下孔隙度和渗透率保存指数。

白云岩在机械压实作用下孔隙度保存程度定义为外应力增大一定数值时孔隙度与初始孔隙度的比值, 即

(1)

式中,Sφ为白云岩机械压实过程中孔隙度保存指数;φi为岩心样品在升压过程中各压力点的孔隙度,%;φ0为岩心样品在初始压力点下的孔隙度,%。

白云岩在机械压实作用下渗透率保存程度定义为外应力增大一定数值时渗透率占初始渗透率的比值, 即

(2)

式中,Sk为白云岩机械压实过程中渗透率保存指数;ki为岩心样品在升压过程中各压力点的渗透率,10-3μm2;k0为岩心样品在初始压力点下的渗透率,10-3μm2。

2.1 白云岩储层物性保存与有效应力之间的关系

2.1.1 孔隙度保存规律

根据式(1)计算，白云岩有效应力作用下孔隙度保存指数曲线见图2。试验数据表明，有效应力由3.5 MPa升至50 MPa过程中，由于压实作用，导致白云岩孔隙度逐渐降低，但压实过程中不同白云岩的孔隙度保存指数不尽相同，最高可达0.89，最低只有0.40，说明不同类型白云岩抗压实能力存在显著差异，而不能简单认为白云岩抗压实。另外，在有效应力逐渐加大过程中，白云岩压实减孔效应明显具有分段性，存在两种特征：

(1)早期快速减孔、后期基本保持不变，主要是孔隙度大于5%的白云岩。以编号4-1样品为例，有效应力由3.5 MPa升至10 MPa时，白云岩压实减孔效应最显著，孔隙度由5.111%降至3.830%，保存指数为0.75；当围压升至50 MPa后，孔隙度降至3.300%，保存指数为0.65；早期10 MPa范围内，机械压实作用减孔量占总减孔量的71.4%。

(2)早期持续快速减孔、后期持续缓慢减孔，适用于孔隙度小于5%的白云岩。以编号9-1样品为例，有效应力由3.5 MPa升至10 MPa过程中，白云岩压实减孔效应最显著，孔隙度由初始2.550%降至2.165%，保存指数为0.85；当围压升至50 MPa后，孔隙度降至1.579%，保存指数为0.62；早期10 MPa范围内，机械压实作用减孔量占总减孔量的39.5%。对于孔隙度大于5%的白云岩来说，压实减孔主要发生在有效应力施压的早期阶段，当有效应力超过10 MPa后，孔隙度基本不变；对于孔隙度小于5%的白云岩来说，随着有效应力增加，早期孔隙度快速减少周期比较长，一直到30 MPa，之后压实减孔作用仍然持续进行，只是进入缓慢降低阶段。试验数据对比说明，在有效应力增加过程中，由于初始孔隙度的差异，白云岩孔隙度保存能力也不同，压实作用会导致白云岩孔隙度进一步差异化，初始孔隙度大于5%的白云岩更有利于孔隙保存。

图2 白云岩有效应力作用下孔隙度保存指数演化曲线Fig.2 Evolution curve of porosity preservation index of dolomite under effective stress

2.1.2 渗透率保存规律

根据式(2)计算的白云岩有效应力作用下渗透率保存指数曲线见图3。试验数据表明，有效应力由3.5 MPa升至50 MPa过程中，压实作用导致白云岩渗透率逐渐降低，但压实过程中不同白云岩的渗透率保存指数不尽相同，最高可达0.95，而最低只有0.001，说明白云岩渗透率抗压实属性存在显著差异。另外，在有效应力逐渐加大过程中，白云岩渗透率下降也具有分段性，存在两种特征：

(1)早期快速降低、后期基本保持不变。以编号3-1样品为例，有效应力由3.5 MPa升至10 MPa时，白云岩渗透率下降显著，由16.521×10-3μm2降至9.850×10-3μm2，保存指数为0.60；当围压升至50 MPa后，渗透率降至8.310×10-3μm2，保存指数为0.50；早期10 MPa范围内，机械压实作用导致渗透率减少量占总减少量的80.0%。

图3 白云岩有效应力作用下渗透率保存指数演化曲线Fig.3 Evolution curve of permeability preservation index of dolomite under effective stress

(2)早期持续快速降低、后期持续缓慢降低。以编号4-2样品为例，有效应力由3.5 MPa升至10 MPa过程中，白云岩渗透率减少最显著，由初始0.581×10-3μm2降至0.183×10-3μm2，保存指数为0.31；当围压升至50 MPa后，渗透率降至0.023×10-3μm2，保存指数为0.04；早期10 MPa范围内，机械压实作用下样品渗透率减少量占总减少量的71.9%。对比13块次样品压实作用效果来看，白云岩渗透率保存效应与其初始孔隙度之间相关性不明显。因此当评价白云岩压实过程中孔隙度和渗透率保存效应能时，有必要基于孔隙空间类型进行深入分析。

2.2 不同类型白云岩储层物性保存差异

2.2.1 孔隙型白云岩

孔隙型白云岩有效应力作用下孔隙度和渗透率保存指数曲线见图4。对比来看，在有效应力逐渐加大过程中，孔隙型白云岩的孔隙度和渗透率保存指数曲线演化特征基本一致，均存在两种类型：

(1)一种是早期快速下降、后期基本不变，对应样品为发育粒间孔和晶间孔的白云岩，且孔隙度大于5%。以编号7-1样品为例，围压加至10 MPa之前孔隙度和渗透率下降幅度较快，孔隙度和渗透率保存指数分别是0.87和0.96，渗透率应力保存指数是孔隙度应力保存指数的1.10倍；当围压达到50 MPa时，孔隙度和渗透率保存指数分别是0.80和0.91，渗透率应力保存指数是孔隙度应力保存指数的1.13倍，说明该类型白云岩的渗透率保存能力大于孔隙度，原因可能是样品发育孔隙以细、中孔为主，且喉道类型以孔隙收缩喉道为主，孔隙空间调整有限，喉道收缩相对更加有限，宏观结果是孔隙度和渗透率抗压实能力强。

图4 孔隙型白云岩在有效应力作用下孔隙度和渗透率保存指数演化曲线Fig.4 Preservation index evolution curve of porosity & permeability of porosity type dolomite under effective stress

(2)另一种是早期快速下降、后期持续缓慢下降，对应样品为发育鲕模孔白云岩或孔隙度小于5%的粒间孔和晶间孔白云岩。对于7-2样品，围压加至10 MPa之前孔隙度和渗透率下降幅度较快，孔隙度和渗透率保存指数分别是0.75和0.71，渗透率应力保存指数是孔隙度应力保存指数的0.95倍；当围压从10 MPa升到50 MPa过程时，孔隙度和渗透率均逐渐变小，50 MPa时样品保存指数均是0.36。原因可能是样品初始孔隙度只有4.118%，发育孔隙占比以微孔为主，且喉道类型以管状和片状喉道为主，持续施加围压过程中，此类喉道抗压实能力较弱，导致部分喉道闭合，从而使部分微孔隙不连通，孔隙度也相应持续下降，宏观表现为孔隙度和渗透率抗压实能力弱。对于8-1样品，围压加至10 MPa之前孔隙度和渗透率下降幅度较快，孔隙度和渗透率保存指数分别是0.78和0.49，渗透率应力保存指数是孔隙度应力保存指数的0.95倍；当围压从10 MPa升到50 MPa过程时，孔隙度和渗透率保存指数分别是0.57和0.11，渗透率应力保存指数是孔隙度应力保存指数的0.19倍，说明该类型白云岩的渗透率保存率远小于孔隙度。发育鲕模孔的白云岩初始孔隙度为5.58%，当围压加至10 MPa时，孔隙度降至4.34%，样品中晶间微孔占比较高，当围压增加时，晶间微孔持续调整导致孔隙度继续下降，在压实过程中发育的微缝和晶间片状喉道抗压实能力非常弱，导致渗透率持续下降，宏观表现为孔隙度和渗透率抗压实能力弱。可见，孔隙孔径分布占比和喉道产状对白云岩抗压实有着重要影响。

2.2.2 孔洞型白云岩

孔洞型白云岩在有效应力作用下孔隙度和渗透率保存指数曲线见图5。对于孔洞型白云岩来说,白云岩样品发育溶孔和溶洞,且孔隙度大于5%,在有效应力逐渐加大过程中,样品孔隙度和渗透率保存指数曲线演化规律明显不同。孔隙度保存指数曲线特征是早期快速下降、后期基本不变;而渗透率保存指数曲线特征是早期快速下降、后期持续缓慢下降。以2-1样品为例,围压加至10 MPa时孔隙度和渗透率下降幅度较快,孔隙度和渗透率保存指数分别是0.80和0.40,渗透率应力保存指数是孔隙度应力保存指数的0.50倍;当围压从10 MPa升到50 MPa过程时,孔隙度和渗透率保存指数分别是0.74和0.08,渗透率应力保存指数是孔隙度应力保存指数的0.11倍,说明该类型白云岩的渗透率保存率远小于孔隙度,这与发育鲕模孔的孔隙型白云岩特征基本一致。对于孔隙度大于5%的孔洞型白云岩来说,溶孔和溶洞在总孔隙体积中占比较高,而该类型孔隙具有很强抗压实能力,宏观表现为样品孔隙度抗压实能力强;另外,孔洞型样品中连通孔隙空间主要靠裂缝,而裂缝应力敏感性强[18],宏观表现为渗透率抗压实能力较弱。

图5 孔洞型白云岩在有效应力作用下孔隙度和渗透率保存指数演化曲线Fig.5 Preservation index evolution curve of porosity & permeability of porosity-vuggy type dolomite under effective stress

孔洞型白云岩初始渗透率不同,对应渗透率保存能力也不同,具体见图5(b)。以编号1-2、3-1和4-1样品为例,初始渗透率分别是61 744.96×10-3、16.521×10-3、0.073×10-3μm2,对应围压加至10 MPa时渗透率分别下降至27 829×10-3、9.85×10-3、0.023×10-3μm2,保存指数相应是0.45、0.60和0.32;围压加至50 MPa时渗透率对应下降至1 036×10-3、8.31×10-3、0.005×10-3μm2,保存指数分别是0.02、0.50和0.07。为明确孔洞型白云岩渗透率保存能力差异原因,通过CT分析上述3个样品内部的孔洞缝特征(图6),并依据李林等[24]的碳酸盐岩孔、洞、缝系统分类,对白云岩样品中的裂缝按照宽度进行划分。图6(a)显示1-2样品发育宽度约1～10 mm的特宽缝,主裂缝几乎贯穿岩心样品;图6(b)显示3-1样品发育溶孔、溶洞和裂缝,其中裂缝主要是宽度约0.1 mm的中等缝;图6(c)显示4-1样品发育溶孔、溶洞,未见明显裂缝,或许存在小于CT分辨率的微缝或依靠晶间片状喉道连通孔隙。初步推断,孔洞型白云岩渗透率保存能力既与裂缝宽度有关,更与裂缝延伸方向和有效应力作用方向有关,当裂缝延伸方向与有效应力作用方向相垂直时,有效应力发挥全部作用;当裂缝延伸方向与有效应力作用方向相交时,有效应力发挥部分作用;当裂缝延伸方向与有效应力作用方向平行时,有效应力发挥作用非常有限。

2.2.3 裂缝型白云岩

裂缝型白云岩有效应力作用下孔隙度和渗透率保存指数曲线见图7。对于裂缝型白云岩来说,样品发育裂缝和微孔,孔隙度小于5%,且显微镜下未见显孔。在有效应力逐渐加大过程中,样品孔隙度和渗透率保存指数曲线演化具有相同规律,即早期快速下降、后期持续下降。以9-1样品为例,围压加至10 MPa之前孔隙度和渗透率下降幅度较快,孔隙度和渗透率保存指数分别是0.85和0.62,渗透率应力保存指数是孔隙度应力保存指数的0.73倍;当围压从10 MPa升到50 MPa过程时,孔隙度和渗透率保存指数分别是0.31和0.04,渗透率应力保存指数是孔隙度应力保存指数的0.13倍,说明该类型白云岩的渗透率保存率远小于孔隙度,这与孔隙度小于5%的孔隙型白云岩特征基本一致。原因可能是样品初始孔隙度只有2.550%,发育孔隙占比以微孔为主,且发育晶间片状喉道,持续施加围压过程中,片状喉道抗压实能力较弱,导致部分裂缝闭合,从而使部分微孔隙变成不连通,孔隙度也相应持续下降,加之裂缝应力敏感性强,导致渗透率保存指数下降更快,宏观表现为孔隙度和渗透率抗压实能力弱。

图6 孔洞型白云岩CT图像Fig.6 CT image of porosity-vuggy type dolomite

图7 裂缝型白云岩在有效应力作用下孔隙度和渗透率保存指数演化曲线Fig.7 Preservation index evolution curve of porosity & permeability of fracture type dolomite under effective stress

3 白云岩储层物性保存评价模型及地质意义

在相同有效应力作用下,孔隙型、孔洞型和裂缝型3种孔隙空间类型白云岩的物性保存能力明显存在差异,其中孔隙型白云岩的孔隙度和渗透率保存指数曲线演化特征均存在两种类型,因此进一步将孔隙型白云岩分为孔隙Ⅰ型和孔隙Ⅱ型,孔隙Ⅰ型是指初始孔隙度大于5%、主要发育粒间孔或晶间孔且显微镜下未见裂缝;孔隙Ⅱ型是指初始孔隙度小于5%、主要发育粒间孔或晶间孔且显微镜下未见裂缝;孔洞型白云岩包含裂缝-孔洞型和发育鲕模孔的白云岩;裂缝型白云岩是指岩石发育裂缝且显微镜下未见显孔、初始孔隙度小于5%,也包含了初始孔隙度小于5%的裂缝-孔隙型。为了便于预测白云岩储集空间和连通属性的抗压实能力,按多项式、指数、幂函数等不同形式,分别对孔隙Ⅰ型、孔隙Ⅱ型、孔洞型和裂缝型4种类型白云岩的孔隙度和渗透率保存指数进行拟合,比较发现幂函数形式相关系数最高。图8为4种类型白云岩孔隙度和渗透率保存指数与有效应力的幂函数关系式。

根据白云岩孔隙度和渗透率保存指数与有效应力拟合公式来看,孔隙Ⅰ型、孔隙Ⅱ型、孔洞型和裂缝型4种类型白云岩储层孔隙空间和连通属性的抗压实能力明显不同(表2)。对比4种类型白云岩孔隙度保存幂函数关系式中指数值可知,在有效应力逐渐加大过程中,白云岩储集空间保存能力由高到低依次为孔隙Ⅰ型、孔洞型、裂缝型和孔隙Ⅱ型,其中孔隙Ⅰ型和孔洞型白云岩储集空间具有强抗压实能力,当有效应力超过10 MPa后,其储集空间基本保持不变;裂缝型和孔隙Ⅱ型白云岩储集空间抗压实能力弱,随着有效应力增加,其储集空间持续减小。这很好地解释了高孔渗的孔隙和孔洞可以保存至超深层;裂缝型和孔隙度小于5%的孔隙型白云岩储集空间抗压实能力弱,随着有效应力增加,储集空间持续减小,因此该类型孔隙保存受控于有效应力,即埋藏深度相对浅和异常高压是孔隙保存的关键。

图8 不同类型白云岩孔隙度和渗透率保存指数拟合曲线Fig.8 Fitting curve of preservation index of porosity & permeability of different types of dolomite

表2 不同类型白云岩孔隙度和渗透率保存指数拟合公式和评价

渗透率,10-3μm2。

对比4种类型白云岩渗透率保存幂函数关系式中指数值来看,在有效应力作用下白云岩连通属性保存能力由高到低依次为孔隙Ⅰ型、孔隙Ⅱ型、孔洞型和裂缝型,其中孔隙Ⅰ型白云岩连通属性具有强抗压实能力,且有效应力超过10 MPa后,它们的连通属性基本保持不变;孔隙Ⅱ型、孔洞型和裂缝型白云岩连通属性抗压实能力弱,随着有效应力增加,它们的连通性持续降低。该试验结果有两方面地质意义:

(1)有助于白云岩储层油气成藏期的认识。对于孔隙度小于5%的孔隙型、孔洞型和裂缝型白云岩储层,孔隙连通主要依靠小喉道和裂缝,当有效应力达到30 MPa时,储层连通性分别只有初始阶段的47%、23%和6%,严重影响油气的高效充注。

(2)有助于白云岩储层开发过程中产能变化的认识。白云岩气藏衰竭式开采过程中,随着气藏流体压力下降,有效应力也会随之逐渐增大,这必然要影响储层中流体的渗流能力,但不同储渗空间类型白云岩产能保存能力也不同,孔隙Ⅰ型白云岩抗压实能力强,产能受有效应力基本可以忽略,依靠裂缝连通的孔洞型和裂缝型白云岩抗压实能力弱,产能影响大,说明在产能预测的开发过程中必须考虑应力敏感效应,使井底流压控制在合理范围内,以及油藏压力保持较高水平,从而保持生产井的产能稳定。

4 结 论

(1)随着有效应力增加,白云岩孔隙度和渗透率相应下降,且初始物性和孔隙空间类型不同,白云岩孔隙度和渗透率的抗压实能力存在明显差异,按照孔隙空间类型划分为孔隙型、孔洞型和裂缝型3种类型白云岩,其中孔隙型根据初始孔隙度进一步划分为孔隙Ⅰ型和孔隙Ⅱ型。

(2)在有效应力逐渐加大过程中,白云岩储集空间保存能力由高到低依次为孔隙Ⅰ型、孔洞型、裂缝型和孔隙Ⅱ型,其中孔隙Ⅰ型和孔洞型白云岩储集空间具有强抗压实能力,当有效应力超过10 MPa后,储集空间基本保持不变,孔隙度保存指数曲线特征是早期快速下降、后期基本不变;裂缝型和孔隙Ⅱ型白云岩储集空间抗压实能力弱,随着有效应力增加,储集空间持续减小,孔隙度保存指数曲线特征是早期快速下降、后期持续下降。

(3)在有效应力逐渐加大过程中,白云岩连通属性保存能力由高到低依次为孔隙Ⅰ型、孔隙Ⅱ型、孔洞型和裂缝型,其中孔隙Ⅰ型白云岩连通属性具有强抗压实能力,当有效应力超过10 MPa后,其连通属性基本保持不变,渗透率保存指数曲线特征是早期快速下降、后期基本不变;孔隙Ⅱ型、孔洞型和裂缝型白云岩连通属性抗压实能力弱,随着有效应力增加,其连通性持续降低,渗透率保存指数曲线特征是早期快速下降、后期持续下降。