碳酸盐岩缝洞储层孔隙结构的定量评价一直是一个世界级难题，由于基质孔隙、裂缝、溶蚀孔洞三重孔隙介质同时存在，储层非均质性极强。而且国内碳酸盐岩储层孔隙度普遍较低，油气主要赋存于裂缝和溶蚀孔洞中^[1-8]。核磁共振实验测试，即是利用氢质子自身的磁性及其与外加磁场的相互作用，依据仪器接收到的100%饱和样品孔隙中氢核的信号，获得T₂图谱，根据T₂谱的形态和分布评价不同尺度孔隙在岩心中的赋存状态。核磁共振技术可以对实验样品的孔径分布、渗透率、可动流体指数等储层参数进行精确测定，尤其是在评价具有多重孔隙介质的碳酸盐岩储层评价中具有广泛的应用前景，可以为油气储层非均质性的研究提供可靠参照^[9-20]。国内外众多学者在碳酸盐岩储层孔隙结构特征、渗流特征等方面开展了大量的核磁共振理论、实验测量方法及分析技术研究，并取得了较好的应用效果^{[1-6, 9-13]}，但是对于碳酸盐岩缝洞储层孔隙结构的定量评价主要集中在单一的T₂谱截止值与孔隙度、渗透率的相关性及如何利用核磁共振测量信息计算孔隙度、渗透率及评价流体性质等方面，而针对具有孔洞缝三重介质的碳酸盐岩储层开展岩电、核磁共振、孔隙度、渗透率及CT等系列岩石物理实验测量及综合评价孔隙结构的研究少有报道。

四川盆地碳酸盐岩储层主要特征表现为：岩性复杂，缝洞发育，具有三重孔隙结构，储层类型多样，基质孔隙度普遍偏低，储集空间以裂缝及溶蚀孔洞为主，具有“埋藏深、低孔、低渗”等特征^[10-13]。储层主要包括：缝洞型石灰岩、基质型白云岩、缝洞型白云岩。勘探开发中测井岩石物理面临的一个关键技术问题是如何准确评价储层孔隙结构。孔隙结构的复杂性是由多种因素引起的，包括碳酸盐颗粒大小、形状变化程度，生物颗粒内部复杂构造及碳酸盐胶结物充填孔隙的多期性和不均匀性等，溶解作用更是影响储层孔隙结构的重要因素之一。孔隙成因的复杂性包括孔隙形成时间的多样性及形成方式的多样化。目前，评价孔隙结构的岩石物理手段主要有CT岩心扫描、核磁共振、薄片鉴定等。本文针对四川盆地碳酸盐岩岩心优选了共计45块样品开展系统的孔隙度、渗透率、核磁共振等岩石物理实验。

本文所采用的测量仪器为AniMR-150岩心核磁共振分析系统，系统采用稀土钕铁硼材料永磁体，配套最新一代全数字化谱仪，在提高样品图像分辨率的同时，能满足不同尺寸样品的测试需求。该仪器具有测试速度快、重复测试稳定性好、信噪比高等特点，回波间隔、等待恢复时间、接受增益、回波个数均可任意调整。

根据四川盆地目前重点勘探层系储层类型的特点，主要选取了直径为25mm标准岩心样品进行实验研究，包括川中及川西北地区三叠系雷口坡组白云岩样品分别为21块、14块，川南地区二叠系茅口组致密石灰岩样品10块。岩性主要有泥晶云岩、亮晶砂屑云岩、泥晶灰岩、生屑灰岩等。上述样品同时制作了铸体薄片，其鉴定结果初步表明孔隙类型存在四大类（图 1）：基质—溶洞型、裂缝—溶洞型、基质—微裂缝型、溶洞型。

图 1

图 1 岩心样品孔隙类型 Fig. 1 Pore types of core samples

岩心气测孔隙度测量实验，是基于波义耳定律，应用岩心气测孔隙度仪，在常温下通过注入一定量的氮气，然后经过一系列初始压力和平衡压力的测量和数据处理，最终获取岩心孔隙度。岩心渗透率测量实验，是基于达西定律，对处于不同压差下的岩心流量进行测量，并对气体线性流进行验证，最终依据岩心气测渗透率，拟合获取岩心等效液体渗透率。孔隙度和渗透率测量结果表明，样品孔隙度分布范围为0.19%~6.32%，渗透率分布范围为0.01~65mD，雷口坡组白云岩及茅口组致密石灰岩以低孔低渗储层为主。通过与铸体薄片分析结果对比认为：孔隙度较大的样品其孔隙类型一般为裂缝—溶洞型或者溶蚀孔洞型，渗透率较大的样品其孔隙类型一般为裂缝—溶洞型。

岩电实验所得到的胶结指数（m）在一定程度上可以反映孔隙结构的复杂性，m越大表明孔隙的连通性越差，渗透率越低。岩电实验测量装置由基本信息测量系统、抽真空加压饱和系统、岩心加压驱替系统和电阻测量系统组成。岩电实验的基本原理公式为阿尔奇公式，包括两个基本公式，分别为：地层因素与孔隙度关系式[公式(1)]和电阻增大系数与含水饱和度关系式[公式(2)]。

式中   F——地层因子或地层电阻率因子；

ф——孔隙度，%；

m——胶结指数；

R_o——100%含水时的电阻率，Ω·m；

R_w——地层水电阻率，Ω·m；

a——与岩性有关的岩性系数；

R_t——含油气地层电阻率，Ω·m；

n——饱和度指数；

b——与岩性有关的常数。

本次测量的实验条件：温度为28℃；饱和溶液为矿化度120000×10^-6mg/L的CaCl₂溶液；围压为5MPa；驱替压力为0.12~3MPa；数字电桥测量范围为0.001~10.000MΩ，相对误差为±0.25%；游标卡尺测量范围为0~15mm，误差为±0.02mm；数字天平测量范围为0~1000g，误差为±0.01g。根据薄片鉴定和孔隙度、渗透率测量结果，本次优选了川中地区雷口坡组16块白云岩样品和川西北地区雷口坡组14块白云岩样品进行岩电实验。图 2a、b分别是两次样品的地层因素与孔隙度数据归一化后的关系图，其m值分别为1.638和1.42，图 3a、b分别为两次样品数据归一化后的电阻增大系数与含水饱和度关系图，其n值分别为2.73和1.52。对比两次样品的岩电关系可知，虽然样品属于同一套层系，但其m值存在较大差别，川西北地区雷口坡组的岩心连通性要好于川中地区。

图 2

图 2 雷口坡组白云岩样品地层因素与孔隙度关系 Fig. 2 Relationship between formation factors and porosity of dolomite samples of Leikoupo Formation

图 3

图 3 雷口坡组白云岩样品电阻增大系数与含水饱和度关系 Fig. 3 Relationship between resistivity index and water saturation of dolomite samples of Leikoupo Formation

本次实验的测量参数：回波间隔为0.2ms，等待时间为6s，回波个数为8000，扫描次数为32次；测量温度为32℃，室温为20℃，磁场强度为0.25T，共振频率为8.5~12.8MHz，信噪比为80~200。

第一批次的16块岩心样品来自川中地区雷口坡组，铸体薄片鉴定结果表明其岩性以泥晶云岩及砂屑云岩为主，发育石膏溶孔及粒间溶孔、粒内溶孔，早期裂缝石膏全充填，晚期裂缝未充填，整体致密，属于潮坪相沉积。从岩心照片及常规物性分析可知岩心普遍致密，部分岩心含有微裂缝。孔隙度、渗透率数据分析结果表明岩心孔隙度主要分布在2%~4%、大部分岩心渗透率低于0.01mD，因此岩心总体呈现低孔低渗特征。图 4是16块样品的核磁共振T₂谱图，从图中可以看出整体岩心核磁T₂谱呈现明显的单峰、双峰、三峰特征，所有岩心T₂谱第一峰值均位于20ms以下，部分岩心T₂谱峰值低于1ms，第二峰值为10~100ms，第三峰值为100~600ms，表明岩心孔隙结构非均质性强，整体物性较差，与常规气测孔隙度及铸体薄片分析结果的对应性较好。岩心的渗透率与核磁T₂之间的相关性较差，分析认为造成这种差异性的主要原因是由于微裂缝及裂缝的影响，部分岩心微裂缝的充填程度不同及次生孔隙的尺寸存在较大的差别。时间分布范围可以划分为两类，第一类小孔组分分布在0.25~89.02ms或0.18~10.72ms，流体主要受表面弛豫影响，衰减速度快，以束缚流体为主；第二类大孔组分分布在14.85~3764ms或3.43~6135ms，此部分流体受表面弛豫影响减弱，受自由弛豫增强，主要存在于裂缝当中，T₂谱的最大值在1s左右。

图 4

图 4 川中地区雷口坡组白云岩样品T2谱 Fig. 4 T2 spectrum of dolomite samples of Leikoupo Formation in the central Sichuan Basin

将核磁共振测量孔隙度与气测孔隙度进行对比，误差在-0.03%~0.59%，符合测量精度要求，且误差相对较大的值，均为核磁共振测量孔隙度大于气测孔隙度（图 5）。而造成核磁共振测量孔隙度小于气测孔隙度的原因可能有以下两个方面：首先，在核磁共振测量预处理时，裂缝中饱和的水流失，造成最终核磁共振测量孔隙度相对偏低；其次，当回波间隔为0.2ms时，尺寸很小的微纳米孔隙难以被测量到。

图 5

图 5 川中地区雷口坡组核磁共振测量孔隙度与气测孔隙度交会图 Fig. 5 Cross plot of NMR porosity and gas porosity of Leikoupo Formation in the central Sichuan Basin

以SDR模型为基本形式，基于8块气测渗透率大于1mD的样品进行拟合计算，得出了该类储层的渗透率计算模型。并计算了核磁共振渗透率，误差在±0.31mD以内（表 1）。

表 1

表 1 川中地区雷口坡组核磁共振渗透率与气测渗透率计算结果对比表 Table 1 Comparison of calculation results of NMR permeability and gas permeability of Leikoupo Formation in the central Sichuan Basin 气测渗透率/mD 核磁共振渗透率/mD 误差/mD 2.54 2.70 0.16 3.59 3.38 -0.21 2.54 2.70 0.16 3.06 2.94 -0.12 1.57 1.26 -0.31 1.88 2.01 0.14 2.17 2.17 0.00 1.62 1.66 0.05

表 1 川中地区雷口坡组核磁共振渗透率与气测渗透率计算结果对比表 Table 1 Comparison of calculation results of NMR permeability and gas permeability of Leikoupo Formation in the central Sichuan Basin

第二批次测量10块川南地区二叠系茅口组致密石灰岩的岩心样品，孔隙度、渗透率数据分析结果表明，岩心孔隙度主要分布在1%~3.2%，岩心渗透率均低于0.5mD，因此岩心总体呈现极低孔低渗特征。图 6为其中3块样品（孔隙度分别为1.59%、2.98%、3.17%）的核磁共振T₂谱。3块岩心T₂谱具有相似特征：呈现显著的双峰形态，且不同岩心T₂谱左边峰值基本稳定在0.1ms左右（图 6）。本次测量的致密石灰岩样品在0.1ms处具有明显的T₂谱峰，而其他碳酸盐岩核磁共振测量结果通常未见此短弛豫信号，岩心薄片鉴定结果表明其岩性为泥晶灰岩，孔隙以晶间微孔、粒间微孔为主，同时样品灰泥含量较高。为了进一步验证核磁共振实验T₂谱特征及测量结果的可靠性，同时对这3块样品进行CT岩心扫描。CT图像中的红色代表孔隙空间，从二者的对比可以看出，同一样品其核磁共振的T₂谱特征与CT扫描三维岩心的孔隙结构特征具有很好的一致性。样品1的核磁共振T₂谱明显表现出双峰特征，前端峰值代表微孔隙，后端峰值代表较大的孔隙空间，从其CT扫描三维图像中也可以看出岩心既存在较大的溶蚀孔洞，也存在微小的孔隙空间。而且3个样品的气测总孔隙度与CT扫描三维图像的特征具有很好的一致性。

图 6

图 6 川南地区茅口组致密石灰岩核磁共振T2谱及CT扫描三维成像对比图 Fig. 6 Comparison of NMR T2 spectrum and CT-scanning 3D imaging of tight limestones of Maokou Formation in the southern Sichuan Basin

第三批次从川西北地区雷口坡组的14块岩心样品中优选了4块砂屑云岩样品。其岩心气测孔隙度为2.08%~4.52%，图 7是4块样品的核磁共振T₂谱。

图 7

图 7 川西北地区雷口坡组砂屑云岩核磁共振T2谱 Fig. 7 NMR T2 spectrum of dolarenite of Leikoupo Formation in the northwestern Sichuan Basin

从图 7中可以看出，4块岩心的T₂谱具有相似特征：呈现显著双峰，左边峰值基本稳定在0.1ms左右；右边峰值大于100ms；从T₂谱形态分布可判断：岩心样品含泥质，但泥质含量远低于致密石灰岩；粒间溶孔及晶间溶孔较发育，次生粒间溶孔及晶间溶孔间的连通性较差，该类孔隙对渗透率的贡献较小；渗透率与T₂谱左边峰值相关性较好，随着左边峰值的增大，渗透率降低，这体现了泥质对渗透率的影响。

通过对四川盆地雷口坡组白云岩及二叠系茅口组致密石灰岩储层共计45块柱塞样品的孔隙度、渗透率、核磁共振、岩电实验测量及3块样品的CT扫描结果的研究表明，这两套层系整体上基质孔隙不发育，储层储集空间主要为溶蚀孔洞及裂缝。其中雷口坡组白云岩储层核磁共振T₂谱呈现双峰或者三峰特征，主要信号集中于后端，说明储层储集空间以大的裂缝和溶蚀孔洞为主。二叠系致密石灰岩储层以双峰特征为主，其储集空间以基质微孔和溶蚀缝洞为主。研究认为，核磁共振T₂谱反演的孔隙度、渗透率与气测测量的孔隙度、渗透率一致性较好，对于碳酸盐岩缝洞储层可以用核磁共振反演孔隙度、渗透率代替气测孔隙度、渗透率。

核磁共振T₂谱特征可以表征极低孔隙度的致密石灰岩样品，T₂谱前端峰值及分布特征能够较好反映泥质含量，泥质含量越高，弛豫时间越靠前，T₂谱的后端信号主要反映溶蚀孔洞及微裂缝的信息。核磁共振测量结果与CT扫描三维成像结果及气测总孔隙度大小具有很好的一致性。建议开展CT三维图像的孔隙结构定量分析，同时与核磁共振的反演孔隙度、渗透率及孔隙尺寸大小进行对比研究，建立系统的碳酸盐岩缝洞储层孔隙结构定量分析技术系列。