Identification of Pore Types and Study of Poroperm Relationships Based on Logging Data in Puguang Carbonate Reservoir
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摘要: 普光地区长兴组和飞仙关组碳酸盐岩储层孔隙度与渗透率之间没有严格通用的数学关系，导致储层渗透率计算具有很大困难.通过对该地区测井资料、常规薄片、铸体薄片和岩心物性等资料进行分析，表明碳酸盐岩孔隙类型是影响孔渗关系的主要因素.基于常规测井资料构造出对孔隙结构比较敏感的测井特征：声波时差与密度比值和深浅侧向电阻率比值，可用于对该地区碳酸盐岩孔隙类型进行识别，再针对不同的孔隙类型建立相应的孔渗关系模型，用于计算该地区储层渗透率.实例资料处理结果表明，模型计算渗透率与岩心分析渗透率符合较好，且井间规律具有一致性，基于孔隙结构建立的储层孔隙度与渗透率模型能较好地确定储层渗透率.Abstract: There is no strict general mathematical relationship between the porosity and permeability of the carbonate reservoir in Changxing Formation and Feixianguan Formation in Puguang area, which results in difficulty of reservoir permeability calculation. In this study, we establish a model to solve this issue. By the analysis of the logging data, conventional slices, casting slices and core physical properties in this area, it is found that the carbonate rock pore type is the main factor influencing the porosity and permeability relationship. Based on the conventional logging data, the more sensitive logging characteristics of pore structure are constructed: AC/DEN (the ratio of acoustic transit-time and density) and LLD/LLS (the ratio of deep lateral resistivity and shallow lateral resistivity) are used to identify the carbonate pore types; then the poroperm relationship model is established according to different pore types to calculate the reservoir permeability in this area.The site data processing results show that the model calculated permeability is in good agreement with the core analysis permeability, also the law among wells is consistent, and the reservoir porosity and permeability model that based on the pore structure can well determine the reservoir permeability.
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Key words:
- carbonates /
- well log characteristics /
- porosity and permeability relationship /
- pore type /
- permeability /
- geophysics
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普光气田位于四川省宣汉县境内，地表属中-低山区，地面海拔在300~900 m，其主体构造属于川东断褶带东北段双石庙-普光NE向构造带上的一个鼻状构造，介于大巴山推覆带前缘断褶带与川中平缓褶皱带之间.该构造带西侧由3条断层控制，东部紧邻NW的清溪场-宣汉东、老君山构造带(郭彤楼，2011).
普光地区长兴组主要为海相碳酸盐与海陆过渡相碳酸盐夹页岩沉积，顶部为青灰色含白云质、硅质、泥质灰岩，含生物层、局部富集发育礁或滩，中、上部为中厚层状灰色白云质灰岩，富含燧石结核，底部为灰岩(秦建中等, 2008; 王存武，2008)，台地边缘-台地鲕粒滩相沉积，目的层段岩性为灰色、深灰色结晶白云岩、溶孔状白云岩、鲕状白云岩，总体以溶孔状白云岩较发育为特征，形成于台地边缘暴露浅滩相(刘宏等, 2009)，几组储层经历多种成岩环境和成岩事件，如泥晶化作用、胶结作用、溶蚀作用、压实压溶作用、白云石化作用及重结晶作用(陈志斌等，2010).普光地区海相碳酸盐岩与常规碳酸盐岩相比，其储集空间厚度较大，岩性、孔隙结构比较复杂，具有高孔隙发育特点，局部发育少量裂缝(储昭宏, 2006).一般情况下，孔隙度与渗透率没有严格通用的数学关系，普光地区碳酸盐岩孔渗关系复杂多变，储层在纵向和横向上均表现出明显的非均质性(靳秀菊等, 2011).
一般影响碳酸盐岩孔渗关系的因素有很多，如：岩性；基质孔隙类型、基质孔隙度和基质孔隙分布；孔洞类型、孔洞充填状况、孔洞半径、孔洞孔隙度及其分布；裂缝类型、裂缝充填状况、裂缝产状、裂缝孔隙度、裂缝张开度、裂缝几何形态(Chen et al., 2008；张玺华, 2010).由于影响因素众多，故无法直接建立孔渗关系(徐炳高, 2004；Chilingar et al., 2008；曾大乾等，2011).笔者通过对岩心资料分析发现，由于普光地区碳酸盐岩储层的特性，孔隙类型对孔渗关系的影响占主导地位.针对此问题，笔者在不同孔隙类型情况下分别建立相应的孔渗关系模型，并通过交会图技术分析对孔隙结构最敏感的测井特征，识别该地区碳酸盐岩的孔隙类型.
1. 孔隙类型分类
普光地区碳酸盐岩孔隙结构类型丰富多样，但相似孔隙类型的孔渗规律相差不大(苏立萍等, 2005).为便于研究孔渗关系，笔者根据孔隙类型特征进行分类：将粒内溶孔、鲕模孔和鲕粒内溶孔等合并为粒内孔，晶间孔、晶间溶孔、晶间溶蚀扩大孔与溶洞等合并为粒间孔，同时具有粒内孔和粒间孔结构的则合并为混合孔.因此可将碳酸盐岩储层分为两大类：孔隙型和裂缝型.孔隙型又分为粒内孔隙型、粒间孔隙型和混合孔隙型.如图 1所示为不同孔隙类型的薄片资料.从图中可见粒间孔、粒内孔、混合孔及裂缝的孔隙结构形态具有明显差别，物理性质也有很大不同.
1.1 粒内孔隙
粒内孔隙是由于地层水的性质发生变化，导致鲕粒内部的易溶物质发生溶解而形成的孔隙(杨有星等，2012).岩心观察结果显示，由鲕粒部分或全部溶蚀形成的粒内溶孔和鲕模孔保留了岩石颗粒形态，大多数鲕模孔未被充填，少数被沥青充填.笔者通过对岩性分析并观察岩心薄片资料，发现粒内孔隙主要发育于鲕粒白云岩类岩性，如亮晶鲕粒白云岩、粉晶鲕粒白云岩、泥晶鲕粒灰质白云岩等.
1.2 粒间孔隙
粒间孔隙可分为与溶蚀无关的孔隙和与溶蚀有关的孔隙.与溶蚀无关的粒内孔隙主要为晶间孔(何幼斌和王文广, 2007；杨永飞等，2016).作为该地区主要的储集空间，晶间孔的发育非常丰富，晶体大小可分为粉晶、细晶、中晶、粗晶等.与溶蚀有关的粒内孔隙主要为晶间溶孔、晶间溶蚀扩大孔、溶洞等.晶间溶孔、晶间溶蚀扩大孔普遍发育于各种结晶白云岩、残余鲕粒白云岩和砂屑白云岩中.由颗粒间胶结物或部分颗粒溶蚀扩大形成的粒间溶孔，主要发育于鲕粒白云岩及砂屑白云岩中.溶蚀作用形成的溶洞直径一般为3~4 cm，且溶洞形态不规则，溶洞壁大部分未被充填，少量生长有白云石、方解石和石英.
1.3 混合孔隙
在混合孔隙类型岩石中，同时具有粒内孔隙和粒间孔隙，这种孔隙结构主要发育于残余鲕粒细晶白云岩中，其孔隙结构复杂多样(赖锦等，2013；张创等，2014).
1.4 裂缝
碳酸盐岩中因构造或溶蚀作用可形成相应的构造缝和溶蚀缝.岩心薄片和电阻率成像测井等资料表明，该研究区块裂缝发育很少，且大部分被充填，主要有3期裂缝：第1期裂缝形成于浅埋藏阶段，为张性缝，多被方解石等矿物充填；第2期裂缝形成于中-深埋藏阶段，为压性缝，多被沥青充填；第3期裂缝形成于深埋藏环境的气烃阶段，为张性缝，大多数未被充填.该研究区裂缝主要发育于粉晶白云岩和细晶白云岩中.
根据岩心资料，笔者统计了研究区1 161个岩样，粒内孔隙、粒间孔隙、混合孔隙和裂缝在研究区所占比例如图 2所示，可见粒间孔在该地区最为发育，粒内孔和混合孔发育程度次之，裂缝发育则非常少.
2. 孔渗关系建立
碳酸盐岩储层由于孔隙结构不同，其渗流特征也不同，由于复杂的成岩及成岩后作用，可形成复杂多样的储集空间(Zhao et al., 2013).该地区孔隙度分布范围为1%~25%，渗透率为0.01×10-12~1 000×10-12 m2.对研究区4口取心井中共1 161个岩心进行物性分析，通过实验测量出每个岩心的孔隙度和渗透率，并建立孔渗关系(图 3).
由图 3可以看出，岩心孔隙度与岩心渗透率在整体上没有显著相关性，其原因在于多种孔隙类型导致孔渗关系较为复杂(王小敏和樊太亮，2012).为研究不同孔隙类型情况下的孔渗关系，笔者按上述孔隙合并方法，通过对常规薄片、铸体薄片和油层物性等资料分析，对不同的孔隙类型进行合理归类，共分4类：粒间孔隙型、粒内孔隙型、混合孔隙型(粒内孔和粒间孔并存)和裂缝型.
将孔隙类型分类后再建立相应的孔渗关系，如图 4所示.不同的孔隙类型明显具有不同的孔渗关系，说明在该地区通过划分不同孔隙类型的方法研究碳酸盐岩孔渗关系是合理的.
图 4 不同储层孔隙类型对应的孔渗关系Fig. 4. Relationship between porosity and permeability corresponding to different pore types在半对数坐标系下，岩心孔隙度与岩心渗透率呈正相关.研究区粒间孔隙类型岩心渗透率随岩心孔隙度增大而增大，当岩心孔隙度超过12%时，其岩心渗透率增大速率明显比之前小，故可将粒间孔隙类型以岩心孔隙度12%为界限进一步细分为两部分.
通过最小二乘法对裂缝、粒内孔、混合孔、孔隙度＞12%的粒间孔和孔隙度＜12%的粒间孔共5类样本点进行拟合，建立该研究区不同孔隙类型的孔渗模型，如表 1所示.
表 1 不同储层孔隙类型的孔渗关系模型Table Supplementary Table Model of porosity and permeability corresponding to different pore types孔隙类型 孔渗关系模型 拟合模型点数 拟合模型相关系数 粒内孔 lnK=0.105 0·POR-3.241 6 220 0.702 3 粒间孔(孔隙度＜12%) lnK=0.800 2·POR-4.756 0 553 0.651 8 粒间孔(孔隙度＞12%) lnK=0.520 9·POR-1.216 0 99 0.625 5 混合孔 lnK=0.138 4·POR-0.672 4 236 0.322 3 裂缝 lnK=3.928 8·POR-9.845 2 53 0.588 1 注：K表示渗透率；POR表示孔隙度. 整体上各孔隙类型的岩心渗透率随岩心孔隙度增大而增大，但不同孔隙类型表现出不同的孔渗规律.将粒间孔与粒内孔比较，粒间孔的岩心渗透率随岩心孔隙度增加而增加的速率更大，粒间孔具有低孔高渗特性，而粒内孔则具有高孔低渗特性.混合孔的孔渗特性介于粒间孔和粒内孔之间，其中存在多种孔隙类型及相互之间组合的情况，导致其样本点相对比较发散，其孔渗规律相对复杂，但整体上其岩心渗透率随岩心孔隙度增大而增大.研究区裂缝发育较少，且主要发育于致密岩性段(岩心测量孔隙度小于5%)，虽然岩石总孔隙度较小，但岩心渗透率随岩心孔隙度增加速率比其他孔隙类型大得多，充分说明裂缝对岩心渗透率提高具有显著作用.
3. 孔隙类型常规测井识别
3.1 识别依据
笔者研究发现, 不同孔隙类型在常规测井曲线上的响应特征有差别，从而可对不同孔隙类型进行识别.由于该研究区发育少量裂缝，且主要为高孔隙地层，裂缝发育的岩石又受其产状、张开度不同等的影响，导致裂缝的常规测井响应特征不明显.所以本文主要针对粒内孔、粒间孔及混合孔的岩石进行识别.
岩石颗粒发生粒内溶蚀作用使颗粒内部大部分被溶蚀，形成的粒内孔隙结构复杂、曲折度高，且粒内孔隙被地层流体充填.粒间孔隙主要发育于结晶白云岩等，重结晶作用形成的晶粒不易发生粒内溶蚀作用，这种情况主要形成粒间孔隙.声波在岩石中的传播具有选择性传播特征，即始终沿着岩石颗粒骨架传播.声波在粒内孔隙岩石中的传播路径相对于粒间孔隙岩石更为曲折复杂，从而具有更长的传播时间.密度测井可反映岩石整体密度，由于粒内孔隙岩石中颗粒内部被溶蚀，故具有更低的密度值.将声波时差(AC，单位：μs/3.28 μs/m)与密度测井值(DEN，单位：g/cm3)相除，构造出新特征AC/DEN(单位：(μs·cm3)/(3.28 μs/m·g))，能反映粒内孔隙和粒间孔隙的差别，即：粒内孔隙岩石的AC/DEN值相对较高，粒间孔隙岩石的AC/DEN值相对较低.深浅侧向电阻率比值LLD/LLS(单位：无量纲)反映岩石渗透性，粒内孔隙岩石渗透性相对较差，具有高孔低渗的特点，其LLD/LLS值较小；粒间孔隙岩石渗透性相对较好，具有低孔高渗的特点，其LLD/LLS值较高.基于常规测井曲线对孔隙类型的判别具有重要意义，是针对不同孔隙类型建立孔渗关系模型的前提.
3.2 识别方法
笔者通过对取心井测井曲线深度校正、岩心归位等资料预处理后，以AC/DEN值和LLD/LLS值为判别特征，对孔隙结构类型进行识别，结果如图 5所示.
图 5 常规测井特征识别孔隙结构类型1 ft=30.48 cmFig. 5. Identification of pore types based on conventional logging从各孔隙类型在常规测井特征交会图版上的分布情况可见，粒间孔样本点(孔隙度＜12%)的AC/DEN值相对较低，值域较窄，主要分布范围为16~19，LLD/LLS值域较宽，主要分布范围为2~20；粒间孔样本点(孔隙度＞12%)的AC/DEN值相对较高，值域较宽，主要分布范围为19~25，LLD/LLS值相对较高，值域较宽，主要分布范围为20~60；粒内孔样本点的AC/DEN值相对较高，值域较宽，主要分布范围为19~29，LLD/LLS值相对较低，值域较窄，主要分布范围为1~5.混合孔隙样本点的AC/DEN值主要分布范围为19~27，LLD/LLS主要分布范围为5~11(表 2).在该图版上，粒间孔与粒内孔样本点相互之间有明显界限，而混合孔样本点与粒间孔和粒内孔有少部分重合区域.
表 2 不同的孔隙类型综合评价Table Supplementary Table Comprehensive evaluation of different pore types孔隙类型 常规测井识别 孔隙结构及储集性能 孔渗关系模型 拟合模型相关系数 粒内孔 AC/DEN：19~29
LLD/LLS：1~5鲕粒粒内溶孔非常发育，粒间孔不发育，溶蚀作用强，高孔低渗，连通性很差 lnK=0.105 0·POR-3.241 6 0.702 3 粒间孔
(孔隙度＜12%)AC/DEN：16~19
LLD/LLS：2~20砂屑粒间孔、晶间孔及晶间溶蚀扩大孔比较发育，溶蚀作用较强，较低孔、高渗，连通性较好 lnK=0.800 2·POR-4.756 0 0.651 8 粒间孔
(孔隙度＞12%)AC/DEN：19~25
LLD/LLS：20~60砂屑粒间孔、晶间孔及晶间溶蚀扩大孔非常发育，溶蚀作用很强，高孔高渗，连通性非常好 lnK=0.520 9·POR-1.216 0 0.625 5 混合孔 AC/DEN：19~27
LLD/LLS：5~11粒间孔和粒内孔同时发育，渗透性及连通性介于粒间孔和粒内孔之间 lnK=0.138 4·POR-0.672 4 0.322 3 由鲕粒及其他颗粒发生内溶蚀作用而形成的粒内孔隙在岩石中相对独立、彼此之间连通性差，虽然这类岩石具有较高的孔隙度，但其渗透率普遍很低，表现为高孔低渗的特性.岩心照片分析结果表明，连通粒间孔隙之间的喉道相对较短，喉道半径较大，这种孔隙结构连通性非常好，渗透性相对较高，表现为高孔高渗的特性.混合孔隙结构的岩石，由于同时发育粒内孔及粒间孔，其渗透性介于粒内孔与粒间孔之间.
4. 应用实例
针对4口取心井共1 161个岩心点，基于常规测井三孔隙度系列曲线(声波AC、中子密度CNL、体积密度DEN)，笔者采用多元线性回归模型拟合岩心孔隙度，回归模型如下：
POR=0.571 2·AC-0.027 1·CNL-21.279 9·DEN+35.790 3，
式中：POR为孔隙度，回归模型相关系数为0.85.
笔者通过计算AC/DEN和LLD/LLS值来判别层段所属的孔隙类型，针对不同孔隙类型层段选择相应的孔渗关系模型计算渗透率，孔渗关系模型为：lnK=A·POR+B，系数A、B参考表 2.计算结果如图 6和图 7所示.
图 6中，第1、2、3道为常规测井曲线；第4道中POR为回归模型计算的孔隙度(单位：%)，PORcore为岩心孔隙度(单位：%)；第5道中K为孔渗关系模型计算的渗透率(单位：10-12 m2)，Kcore为岩心渗透率(单位：10-12 m2)；第6道储层孔隙类型判别结果.其中5 340~5 366 m层段为粒间孔，5 366~5 390 m层段为粒内孔，回归模型计算的孔隙度和孔渗关系模型计算的渗透率与岩心孔隙度和岩心渗透率变化趋势较为一致.该层段中粒间孔层段比粒内孔层段的孔隙度低，而两层段的渗透率相差不大，说明粒间孔具有低孔高渗特性.
图 7中，5 725~5 755 m层段和5 762~5 771 m层段发育粒间孔隙，5 755~5 762 m层段发育混合孔隙.该层段主要为粒间孔隙，其中夹有混合孔隙发育段，整体上回归模型计算的孔隙度和孔渗关系模型计算的渗透率与岩心孔隙度和岩心渗透率变化趋势较为一致.5 750~5 765 m层段计算渗透率与岩心渗透率误差较大，主要原因为该段夹有混合孔隙类型，其孔渗关系不显著，且该层段计算孔隙度与岩心孔隙度误差相对较大.
5. 结论
(1) 普光地区碳酸盐岩储层的孔隙结构复杂多样，但大致可将孔隙结构类型分为4类：粒内孔隙、粒间孔隙、混合孔隙和裂缝.这4类孔隙结构类型分别具有不同的孔渗关系，相对而言，粒内孔隙具有高孔低渗特性，粒间孔具有低孔高渗特性，混合孔的孔渗特性则介于粒内孔和粒间孔之间.裂缝发育对岩石渗透率具有明显提高的作用.
(2) 声波时差与密度比值和深浅侧向电阻率比值特征能较好识别粒内孔隙、粒间孔隙和混合孔隙，原因在于声波在岩石中的选择性传播、密度测井可测量岩石体积密度以及深浅侧向电阻率比值能反映岩石渗透性的特点，不同的碳酸盐岩孔隙结构的上述测井特征具有一定差异.
(3) 该研究区裂缝发育很少且受孔洞影响非常严重，从而导致常规测井特征不能很好地识别裂缝，需通过其他测井方法(例如成像测井等)进一步研究.
(4) 为便于对孔渗关系进行分析，找出研究区影响碳酸盐岩孔渗关系的主要因素，笔者先将复杂多样的孔隙类型按相同的特点进行归类，再针对不同孔隙类型建立相应的孔渗关系模型，该方法是合理且有效的.在研究区内不同井中的验证表明，井间孔渗规律具有一致性.
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图 4 不同储层孔隙类型对应的孔渗关系
Fig. 4. Relationship between porosity and permeability corresponding to different pore types
图 5 常规测井特征识别孔隙结构类型
1 ft=30.48 cm
Fig. 5. Identification of pore types based on conventional logging
表 1 不同储层孔隙类型的孔渗关系模型
Table 1. Model of porosity and permeability corresponding to different pore types
孔隙类型 孔渗关系模型 拟合模型点数 拟合模型相关系数 粒内孔 lnK=0.105 0·POR-3.241 6 220 0.702 3 粒间孔(孔隙度＜12%) lnK=0.800 2·POR-4.756 0 553 0.651 8 粒间孔(孔隙度＞12%) lnK=0.520 9·POR-1.216 0 99 0.625 5 混合孔 lnK=0.138 4·POR-0.672 4 236 0.322 3 裂缝 lnK=3.928 8·POR-9.845 2 53 0.588 1 注：K表示渗透率；POR表示孔隙度. 
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表 2 不同的孔隙类型综合评价
Table 2. Comprehensive evaluation of different pore types
孔隙类型 常规测井识别 孔隙结构及储集性能 孔渗关系模型 拟合模型相关系数 粒内孔 AC/DEN：19~29
LLD/LLS：1~5鲕粒粒内溶孔非常发育，粒间孔不发育，溶蚀作用强，高孔低渗，连通性很差 lnK=0.105 0·POR-3.241 6 0.702 3 粒间孔
(孔隙度＜12%)AC/DEN：16~19
LLD/LLS：2~20砂屑粒间孔、晶间孔及晶间溶蚀扩大孔比较发育，溶蚀作用较强，较低孔、高渗，连通性较好 lnK=0.800 2·POR-4.756 0 0.651 8 粒间孔
(孔隙度＞12%)AC/DEN：19~25
LLD/LLS：20~60砂屑粒间孔、晶间孔及晶间溶蚀扩大孔非常发育，溶蚀作用很强，高孔高渗，连通性非常好 lnK=0.520 9·POR-1.216 0 0.625 5 混合孔 AC/DEN：19~27
LLD/LLS：5~11粒间孔和粒内孔同时发育，渗透性及连通性介于粒间孔和粒内孔之间 lnK=0.138 4·POR-0.672 4 0.322 3
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