碳酸盐岩礁滩相储层分类

王小敏^{1, 2}，樊太亮^{1, 2}

(1. 中国地质大学(北京) 能源学院，北京，100083；

2. 中国地质大学(北京) 海相储层演化与油气富集机理教育部重点实验室，北京，100083)

摘要：研究以岩石组构、孔隙结构和岩石物性三者之间的相互联系为基础，按照岩石结构成因类型、优势孔隙类型、孔隙结构/物性分类进行多层次划分，将晚古生代以后的孔隙型礁滩相储层分为4大类、10小类，其中细-粗粒间溶孔的残余颗粒灰岩、细-粗晶间孔的残余颗粒云岩、非组构选择性溶孔的结晶碳酸盐岩是主要的优质储层类型。此种分类方法兼顾储层的地质成因模式与其自身特定的渗透性、弹性声波等物理属性，有助于改善储层类型的测井等地球物理手段识别效果，对碳酸盐岩礁滩相储层建模及评价具有重要意义。

关键词：碳酸盐岩礁滩；储层类型；孔隙结构；渗透率；物理属性；储层评价与预测

中图分类号：TE122.2⁺2            文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2012)05-1837-08

Classification of carbonate reef-shoal reservoir rocks

WANG Xiao-min^{1, 2}, FAN Tai-liang^{1, 2}

(1. School of Energy Resources, China University of Geosciences, Beijing 10083, China;

2. Key Laboratory of Marine Reservoir Evolution and Hydrocarbon Enrichment Mechanism,

Ministry of Education, China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083, China)

Abstract: Based on the relationships between rock fabrics and pore structure and reservoir petrophysical characteristics, carbonate reef-shoal reservoir rocks from the Late Paleozoic can be grouped into four broad categories and ten subcategories, successively according to genetic rock fabric types and dominant pore types, and pore structure/ petrophysics classifications. Among these reservoir rock types, the high-quality reservoirs mainly comprise residual grain limestones with medium-coarse interparticle pores, and residual grain dolostones with medium-coarse intercrystalline pores, and carbonate rocks with non-fabric selective dissolution pores. This rock-typing approach incorporates the geological genetic model and its own specific petrophysical properties including permeability and acoustic wave and electric conductivity, thereby helpful to facilitating the identification of reservoir rock types from various geophysical loggings, and fundamental to the modeling and characterization of carbonate reef-shoal reservoirs.

Key words: carbonate reef-shoals; reservoir rock types; pore structure; permeability; petrophysical property; reservoir characterization and prediction

储层分类是油气储层评价的关键环节^[1-2]。目前对碳酸盐岩储层的分类方案主要有2种：(1) 按岩石特征和毛管压力参数分类^[3]；(2) 按储层的孔渗类型分类，即根据孔渗空间种类及其组合特征分类^[4-5]。在实际应用中发现，方案1的主要缺陷是与地质成因背景之间的联系比较薄弱；方案2主要是由于各类空隙空间与物性参数之间不存在严格的对应关系，既造成各类储层的物性参数变化相当大，也使得各类储层的测井及地震识别具有极大的不确定性，而且对于孔隙结构复杂、非均质性极强的礁滩相储层尤其如此^[6-9]。所以，如何有效地进行储层分类对晚古生代以后的礁滩相储层识别和评价就显得特别重要。以巴麦地区上石炭统小海子组和川东北地区下三叠统飞仙关组^[10]为例，它们都广泛发育碳酸盐岩礁滩相储层，区域性的古岩溶和构造裂缝并不发育，原生孔隙和次生孔隙保存良好，粒间(溶)孔、晶间(溶)孔等各种孔隙是主要的储集空间，孔隙度多达10%以上。因此，本文作者从储层评价实用的角度，针对这类储层，按照岩石结构成因类型、优势孔隙类型、孔隙结构/物性分类进行多层次划分，将地质成因模式、储集空隙结构和岩石物理属性紧密地结合，从而为礁滩相储层的勘探部署和开发方案设计提供可靠的储层地质模型。

1  储层类型划分

1.1  岩石结构成因分类

按岩石结构成因分类，初步确定不同岩相与孔隙度、渗透率、弹性声波等岩石物性之间的响应关系。因此，礁滩相储层划分为生物灰岩类、颗粒岩-灰泥岩类和结晶碳酸盐岩类，其中颗粒岩-灰泥岩类又分为以灰泥为主的灰岩和以颗粒为主的灰岩两个亚   类^[6]。前三大类都具有沉积组构未消除的特征，包括石灰岩、白云石化的灰岩、具有残余结构的白云岩；后一大类主要包括因重结晶作用或白云石化作用使沉积组构消失而形成的晶粒碳酸盐岩。整体上，这四大类碳酸盐岩各自具有鲜明的物理响应特征(见图1，图中碳酸盐岩数据来自文献[9])。

生物灰岩类包括格架岩、障积岩、粘结岩3个类型，主要是由原地生长的群体生物如珊瑚、苔藓、藻类等组成岩石骨架，岩石坚硬、抗压强度大，弹性声波速度普遍较快。岩石孔隙发育依赖于造架生物的类型，且易受原始沉积环境中灰泥和细粒沉积物不同程度的充填，导致孔隙网络体系复杂化，孔隙度与渗透率之间的相关性差。

颗粒岩-灰泥岩类储层的岩石骨架由内碎屑、鲕粒、生物颗粒、球粒等颗粒及灰泥堆积而形成，岩石孔声关系总体上都遵循Wyllie平均时间方程，但两个亚类的孔渗关系具有截然不同的特征。灰泥为主的灰岩类，原生孔隙为基质微孔隙和孤立的粒内孔，次生孔隙多为灰泥基质发生重结晶作用或白云石化作用形成的晶间孔及少量零散的粒内溶孔，总体上岩石渗透率相对较低，孔渗关系基本符合指数为3或5的函数方程^[11]。相反，颗粒为主的灰岩类，主要由各种骨粒通过胶结作用而形成，孔隙空间包括粒间孔、粒内孔、铸模孔等多种类型。当孔隙度相同时，岩石渗透率、声速的变化与孔隙网络结构紧密相关。

图1  不同岩相类型碳酸盐岩的孔隙度-渗透率交会图和孔隙度-声波速度交会图

Fig.1  Permeability-porosity crossplot and sonic velocity-porosity crossplot for carbonate rocks grouped by lithofacies types

结晶碳酸盐岩类储层，其显著特征是晶粒结构发育，常见粉晶、细晶、中晶及粗晶结构。储集空间主要是晶间孔和溶孔，其中晶间孔径与晶粒粒径之间具有良好的正相关性^[7]。当孔隙度相同时，相比其他类岩石，结晶碳酸盐岩渗透率、声波速度普遍具有高值。但随着孔隙度增大，岩石物理响应与孔隙网络结构也紧密相关。

综上所述，生物灰岩类和以灰泥为主的灰岩类储层都具有特定的物理响应特征，而颗粒为主的灰岩类和结晶碳酸盐岩类储层由于孔隙结构复杂多样而导致岩石物理响应具有不确定性。

1.2  优势孔隙类型分类

按岩石内占优势的孔隙类型，将颗粒为主的灰岩和结晶碳酸盐岩类储层进行分类，从而确定不同孔隙类型与渗透率、弹性声波等物理属性之间的响应关系。以颗粒为主的灰岩类和结晶碳酸盐岩类储层的储集空间类型较多，主要有粒间孔、粒内孔、晶间孔、粒间溶孔、粒内溶孔、铸模孔、晶间溶孔及非组构选择性溶孔。

在一般情况下，岩石孔隙度与渗透率之间呈正向关系，与声波速度之间呈负向关系。但是，当孔隙度相同时，含不同孔隙类型的岩石却具有截然不同的渗透率和声波速度(见图2)。

(1) 粒间孔占优势的碳酸盐岩，孔隙度分别与渗透率、声波速度之间的相关性都非常差。绝大多数碳酸盐岩样品的渗透率变化趋势符合指数为5的函数方程，声波速度紧密聚集在Wyllie曲线附近。部分岩石样品具有异常高的渗透率和声波速度。

(2) 粒内孔和铸模孔的颗粒灰岩，当溶蚀作用形成铸模孔时，其附近的粒间孔隙同时会被胶结物充填，岩石骨架变得相对致密坚硬，孔隙之间主要依靠少量的粒间孔和基质微孔隙相互沟通。该类碳酸盐岩的孔渗关系基本符合指数为5的函数方程，声波速度很大程度上正向偏离于Wyllie曲线。

(3) 晶间孔占优势的碳酸盐岩渗透率落在Fontainebleau砂岩线附近，占据高渗透率区域(见图3(a))。同时该类样品点都落入高声波速度区域，远远地正向偏离于Wyllie曲线(见图3(b))。前人总结粒间孔和晶间孔具有相似的物理属性，都负向偏离于Wyllie曲线^[8]。但本文认为粒间孔和晶间孔碳酸盐岩的孔声变化并不完全遵循Wyllie平均时间方程，其原因是孔隙直径对岩石物性有着重要影响。

图2  颗粒为主的灰岩储层孔隙度-渗透率交会图和孔隙 度-声波速度交会图

Fig.2  Permeability-porosity crossplot and sonic velocity-porosity crossplot for grain-dominated carbonate rocks grouped by dominant pore types

(4) 非组构选择性溶孔占优势的碳酸盐岩渗透率普遍较高，但规律性并没有晶间孔的好。声波速度变化趋势与晶间孔占优势的碳酸盐岩相类似，远远地正向偏离于Wyllie曲线。

整体而言，不同孔隙类型的碳酸盐岩具有典型的物理响应特征。除了粒内孔和铸模孔碳酸盐岩具有特定的物性变化规律，粒间孔和晶间孔及非组构选择性溶孔碳酸盐岩的物理响应都与传统的认识也不一致。说明储集空间即使地质成因模式相同，单种孔隙类型本身的几何结构特征也显著地影响着岩石物理属性。

图3  结晶碳酸盐岩储层孔隙度-渗透率交会图和孔隙度-声波速度交会图

Fig.3  Permeability-porosity crossplot and sonic velocity-porosity crossplot for recrystallized carbonate rocks grouped by dominant pore types

1.3  孔隙结构/物性分类

这种分类方法主要借助于光学显微镜、扫描电镜、微CT等技术方法对钻井取芯、井壁岩屑、铸体薄片进行数字化成像分析，通过分析计算获取一系列能够反映孔隙结构、并且与岩石物理属性紧密相关的定量参数^[12]，从而根据这些参数对储层进一步分类。对碳酸盐岩铸体薄片进行数字化成像分析(2DDIA)，发现其中有3个最重要的2DDIA参数能很好地表征孔隙系统，并且与岩石物性响应之间有着良好的相关      性^[13-14]。第1个参数是周长面积比(PoA)，指薄片内囊括所有孔隙的总周长与这些孔隙总面积的比值。周长面积比越大，说明孔隙网络体系越复杂越曲折。第2个参数是孔径主尺寸(DomSize)，指薄片内占总孔隙体积50%的孔隙尺寸最大值，表示岩石孔隙网络体系内绝大多数的孔隙大小。第3个参数是微孔隙度，包括直径小于30 μm的所有孔隙。当孔隙度相同时，岩石孔隙网络体系越简单、且孔喉粗大，即PoA越小和DomSize越大，则岩石渗透性越好，声波速度和电阻率越高；反之，孔隙网络体系越复杂曲折、且孔喉细小，即PoA越大和DomSize越小，则岩石渗透性越差，声波速度和电阻率越低。

考虑到沉积、成岩作用对粒间孔形成或改造的影响，本文将粒间孔型储层可以分为微粒间孔(直径＜50 μm)、细粒间溶孔(直径为50~250 μm)和粗粒间溶孔(直径＞250 μm) 3个子类(见图4)。其中微粒间孔多属于原始沉积孔隙，细粒间溶孔和微粒间溶孔是通过溶蚀作用扩大而形成的粒间溶孔^[15]。L?n?y^[7]以改善孔渗关系相关性为目的，将粒间孔分为10~50 μm，50~100 μm和＞250 μm 3个级别；而本文结合孔隙的地质成因模式，将粒间孔型储层划分为3个级别，更能反映岩石物理响应特征(见图5)。微粒间孔储层的渗透率变化基本遵循指数为3的函数方程，声波速度负向偏离于Wyllie曲线；细粒间溶孔储层的渗透率变化遵循指数为5或7的函数方程，声波速度紧密聚集在Wyllie曲线上方；粗粒间溶孔碳酸盐岩的渗透率变化趋近Fontainebleau砂岩线，声波速度远远地正向偏离于Wyllie曲线。

同样晶间孔型储层也可分为微晶间孔(直径＜50 μm)、细晶间孔(直径为50~250 μm)和粗晶间孔(直径 ＞250 μm) 3个子类。从而微粒间孔和微晶间孔的碳酸盐岩具有相同的弹性声波变化规律。对于成岩晚期经过重结晶作用或交代作用形成的细-粗晶间孔储层而言，它们的渗透率变化趋近Fontainebleau砂岩线，声波速度远远地正向偏离于Wyllie曲线(见图3)。

图4  颗粒为主的粒间孔灰岩周长面积比与孔径主尺寸交会图

Fig.4  DomSize-PoA crossplot for grain-dominated limestones with interparticle pores

图5  颗粒为主的粒间孔灰岩孔隙度-渗透率交会图和孔隙度-声波速度交会图

Fig.5  Permeability-porosity crossplot and sonic velocity-porosity crossplot for grain-dominated carbonate rocks with interparticle pores grouped by pore structures/petrophysics classifications

非组构选择性溶孔主要是通过近地表淡水淋滤溶蚀或埋藏期油气充注过程中有机酸溶蚀形成的次生孔隙，孔隙边界不规则，多见港湾状，大小也不均匀，一般在0.5~50 mm之间(见图6)。溶孔储层的弹性声速变化规律与粗晶间孔的类似，都属于结构简单的大孔隙。但溶孔之间的连通程度使得部分样品岩石渗透率存在差异，说明溶孔碳酸盐岩的孔渗关系极其复杂，需进行进一步研究。

图6  结晶碳酸盐岩周长面积比与孔径主尺寸交会图

Fig.6  DomSize-PoA crossplot for recrystallized carbonate rocks

1.4  讨论

针对前述储层分类方案、孔渗交会图和孔声交会图有3点需简要说明。

(1) 储层分类简表。考虑到高孔高渗相带的预测、储集空间的地质成因模式、及孔隙结构对物性参数的影响作用，本文依次按照岩石结构成因类型分类、优势孔隙类型分类、孔隙结构/物性分类，将碳酸盐岩礁滩相储层划分为4大类、10小类(见表1)。

表1  碳酸盐岩礁滩相储层分类方案

Table 1  Classification scheme for carbonate reef-shoal reservoir rocks

其中生物格架碳酸盐岩的孔隙类型主要是格架孔，由于可利用的相关文献及数据比较缺乏，本文对这一大类没有再进行精细划分。灰泥为主的灰岩类储层，占优势的基质微孔隙和准同生期晶间孔决定了岩石的渗透性、弹性声波等物理属性，从而没有必要再进一步分类。

(2) 碳酸盐岩的孔渗关系。Fontainebleau砂岩是等粒多孔介质的一个典型实例，孔隙空间全为粒间孔，其渗透率随孔隙度变化的曲线可以作为研究孔渗关系时的一个理想参考曲线^[11]。指数为3的幂函数K=f(φ³)类似于Kozeny公式。指数为5和7的幂函数K=f(φⁿ)，孔隙度的指数相对增大，其目的是补偿孔隙结构变异对岩石渗透率的影响作用^[16]。因此通过上述分析，对孔隙型礁滩相储层而言，能够成为优质碳酸盐岩储层的储集空间类型主要是细-粗粒间溶孔、细-粗晶间孔和非组构选择性溶孔。

(3) 碳酸盐岩的孔声关系。对于相对纯净的碳酸盐岩，除了孔隙度，孔隙结构是控制碳酸盐岩弹性声波的另一个重要因素^[8]。其中Wyllie曲线表示声波速度随孔隙度变大而降低的变化趋势。将Wyllie时间平均方程改写成：a/v_p=(1-φ)/v_pM+φ/v_pF。其中：v_p，v_pM和v_pF分别为岩石、岩石骨架和孔隙流体的声速。当a等于1时，Wyllie曲线与微粒间孔、微晶间孔碳酸盐岩的声速变化规律相一致；当a不等于1时(通常小于1)，将不遵循Wyllie准则的岩石孔隙用1个类似Wyllie模型来近似表征，称为拟Wyllie曲线，目的是补偿孔隙结构变异对岩石弹性声波的影响作用；当a等于0.9时，主要表示粒内孔和铸模孔，及细粒间溶孔碳酸盐岩的弹性声速变化趋势；当a等于0.8和0.7时，主要表示粗粒间溶孔，粗晶间孔和溶孔碳酸盐岩储层的声波速度变化趋势。

2  应用实例

塔里木盆地巴麦地区晚石炭世小海子组广泛发育蜓类生屑滩，藻核形石滩，生屑滩，砂(砾)屑滩，薄皮鲕粒滩等5种碳酸盐岩台内滩，形成于海侵背景、内缓坡台地中的微低古隆环境，其发育主要受控于构造变形和相对海平面变化。小海子组优质储层主要受开阔台地浅滩沉积作用和(准)同生期成岩作用控制，尤其是浅滩相颗粒灰岩方解石亮晶胶结物在成岩过程中被白云石优先交代，产生的白云石晶间孔促进溶蚀作用发育，形成粒间溶孔、晶间溶孔和溶孔(见图7)，有效地改善了储集物性，具有典型的岩石物理响应特征(见图8)。

图7  巴麦地区晚石炭世碳酸盐岩台内滩典型优质储层类型

Fig.7  Typical high-quality reservoir rock types for Late Carboniferous carbonate inner platform shoals in BaMai Region, Tarim Basin

图7(a)所示为泥晶颗粒云岩，砂屑、生物碎屑等颗粒含量为70%以上，以粒间溶孔为主，次为粒内溶孔；属于第Ⅲ3-4类，粗粒间溶孔。图7(b)所示为残余颗粒云岩，少量颗粒隐约见蜓结构，以晶间溶孔、粒间溶孔为主，次为粒内溶孔；属于第Ⅳ1类，粗晶间溶孔。图7(c)所示为泥晶灰质云岩，晶粒细小且极其均匀，以晶间孔为主；属于第Ⅱ大类，粉晶级晶间孔。

巴麦地区晚石炭世碳酸盐岩台内滩优质储层的岩石物性响应特征如图8所示。图8(a)中样品孔隙结构是通过铸体薄片的镜下观察，孔隙度和渗透率是通过实验室测定；图8(b)中样品的声波速度通过校正后的声波测井换算获得。很大程度上，这反映了该地区优质储层主要受控于台内浅滩沉积作用、白云化作用和溶蚀作用。

图8  巴麦地区晚石炭世碳酸盐岩台内滩典型优质储层的孔隙度-渗透率交会图和孔隙度-声波速度交会图

Fig.8  Permeability-porosity crossplot and sonic velocity-porosity crossplot for typical high-quality reservoir rocks of Late Carboniferous carbonate inner platform shoals in BaMai Region, Tarim Basin

3  结论

(1) 国内晚古生代以后的碳酸盐岩礁滩相储层，原生、次生孔隙保存良好，储集空间主要以粒间(容)孔、晶间(溶)孔等各种孔隙为主。针对这类储层，本文按照岩石结构成因、优势孔隙类型、孔隙结构/物性分类进行多层次划分，发现能够成为优质碳酸盐岩储层的储集空间主要是细-粗粒间溶孔、细-粗晶间孔和非组构选择性溶孔。当孔隙度相同时，粗粒间溶孔、粗晶间孔的声波速度比铸模孔的高，孔渗关系类似于粗粒砂岩储层；微粒间孔和微晶间孔具有相似的岩石物理响应。

(2) 实验室测试数据和储层评价实例表明，本文以岩石组构、孔隙结构和岩石物性三者之间的相互联系为基础的礁滩相储层分类，有利于储层类型识别和储层物性参数的空间预测。但这种分类方法仍需要进一步完善。以“岩石组构-孔隙结构-物理属性”三者之间的内在联系为切入点，借助数字化成像分析等定量表征岩石结构的新技术方法，研究储层微观孔隙结构与核磁共振(NMR)、成像测井(FMI)等非常规测井响应之间的相互联系，建立礁滩相储层类型划分的NMR、FMI等测井图版，有利于沉积填充模式、成岩作用史与测井、地震等岩石物理响应之间实现真正的紧密结合、一体化，这将对礁滩相储层评价和油气藏分布的预测等方面具有重要的指导意义。

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(编辑 杨幼平)

收稿日期：2011-08-13；修回日期：2011-11-11

基金项目：国家科技重大专项专题(2008ZX05005-002-009HZ，2009ZX05009-002)

通信作者：王小敏(1982-)，男，陕西洛川人，博士研究生，从事油气田勘探与开发综合地质研究；电话：15801000546；E-mail: bpmt@sina.com