生物擾動油氣水儲層的研究現狀及展望

牛永斌，荊楚涵，邵威猛，程怡高，李志遠

1.河南理工大學資源環境學院，河南焦作 454003

2.河南省生物遺跡與成礦過程國際聯合實驗室，河南焦作 454003

0 引言

生物擾動指生物在生命活動過程中對生存環境周圍的沉積物顆粒所進行的攪動、混合和破壞，所形成的各類生物成因沉積構造[1]，它是一種典型的小規模但潛在的重要地質過程，能改造或改變巖石的性質[2-3]，比如巖石的孔隙度、滲透率和連通性[4]。這一過程會對原生沉積巖性造成破壞和蝕變，也是生物調節沉積物物理和化學特征的結果[5-6]。生物擾動可增強或減弱油氣水儲層質量及其流動特性[7]。目前，生物擾動對儲集層物性存在不同程度的影響[8]，一些學者研究發現生物擾動可以使砂泥混合物中的泥質含量降低，使其儲集性能變好，從而提高油氣的可采率[9]；而另外一部分學者發現，生物擾動初始提高了儲集層的孔隙度和滲透率，但在后期成巖過程中由于成巖流體的充注，產生多期次的膠結物，使得儲集層的巖石物性又變差[9]，并增加了儲層的非均質性或沉積物的均質化[10]，從而導致油氣在運移過程中發生淤塞或沉淀。

目前，生物擾動儲集層研究主要集中在儲集空間和孔隙結構特征、儲集層內流體的傳輸特征、影響生物擾動儲集層滲透性的主控因素和生物擾動儲集層類型劃分及其屬性特征等方面。在生物擾動儲集層儲集空間和孔隙結構研究方面，眾多研究學者采用了多種不同的方法表征巖石孔隙結構，比如鑄體薄片、掃描電鏡（SEM）、場發射掃描電鏡（FESEM）、聚焦離子束掃描電鏡（FIB-SEM）、核磁共振（NMR）、壓汞法（MIP）、低壓氣體吸附法（N2、CO2）、場發射掃描電子顯微鏡（FESEM）和能量色散X 射線光譜（EDS）[11]等，這些方法可直接定性或定量分析巖石孔隙結構特征，如孔隙半徑、孔隙幾何形狀、孔隙類型等，或者通過計算參數來定量描述巖石孔隙結構特征，如孔隙半徑、孔徑分布、孔喉大小、孔體積、比表面積、分形維數等[12]。但這些方法通常會對樣品有損傷，或者由于各種人為因素和儀器的原因造成的誤差可能比較大，或者無法獲得非連通孔隙的參數[13-15]。近年來，微納米CT（micro-CT、nano-CT）等新型無損檢測技術被用來三維可視化表征生物擾動儲集空間的內部結構[16-20]，提高了相關資源量評估的準確性和推動制定出更合理的開發方案[21]。然而，上述相關研究以野外露頭和巖心詳細觀測為基礎，難免受到野外露頭分布或井下取心數量的限制；因此，利用高精度電成像測井資料進行生物擾動儲集層研究將可能成為最有潛力的手段之一[22]。

在綜合分析前人關于生物擾動儲層相關研究的基礎上，分別從生物擾動碎屑巖和碳酸鹽巖儲層的儲集空間類型、孔隙結構、儲層介質類型、流體傳輸特征、儲層類型及其屬性特征等方面綜述生物擾動儲集層特征，這對了解這類非常規油氣水儲集層的研究進展，指導這類油氣藏的遠景勘探、儲量計算以及選擇合理的開發方案具有重要的借鑒意義[23]。

1 生物擾動儲集層儲集空間特征

生物擾動已被證明可以改變沉積物的結構和結構屬性[24-27]。在生物擾動碎屑巖儲集層中，典型的儲集空間主要為原生粒間孔、次生溶蝕孔和生物鑄?？椎?。例如Tonkinet al.[28]在對Jeanne d’arc盆地白堊系Ben Nevis組研究發現，富泥的細粒砂巖巖石礦物組成以石英為主，含少量的長石、方解石、巖屑、黏土礦物和有機碎屑，發育良好的原生粒間孔隙，這些原生粒間孔隙存于分選中等—良好、次角狀—次圓狀松散堆積的顆粒之間（圖1，2），孔隙度為4.9%～27.2%。Ophiomorpha生物潛穴是整口井最顯著的遺跡化石，Ophiomorpha生物潛穴降低了原始地層的孔隙度和滲透率，然而砂質充填的Thalassinoides生物潛穴被認為提高了巖石物性[28]。在其他生物擾動碎屑巖儲層研究實例中發現，早期的原生孔隙因為經歷了廣泛的成巖溶蝕后再被方解石膠結[29-30]，差異性充填方解石膠結物顯著降低了儲層的孔隙度和滲透率[31]。但若在隨后的成巖過程中這些方解石膠結物又被溶解，則又可以使得這些粒間孔隙得以保留[28]。此外，生物擾動還可能通過分離物理分選的顆粒來增加各向同性，或者通過分選顆粒和創建潛穴系統來減少各向同性[28]。

圖1 Ben Nevis L-55 巖心樣品1，2，3 切片和薄片詳細信息（2 475～2 388 m）（據文獻[28]修改）（a）樣品1的巖心切片（2 475 m），具有強烈的生物擾動（＞90%）和蛇形洞穴；（b）過大的孔隙集中在Ophiomorpha 生物潛穴的邊緣；（c）大的藍色超大孔隙的特寫；（d）粒間孔隙率藍色、被溶蝕的顆粒和顆粒狀孔洞。樣品孔隙率為20.3%；（e）樣品2巖心切片（2 460 m），具有強烈的生物擾動（＞90%）和Ophiomorpha生物潛穴；（f）生物潛穴斑點結構；（g）富含石英的極細砂巖；（h）粒間孔隙度（藍色）和充填孔隙的黏土礦物；樣品孔隙度為27.2%；（i）樣品3巖心切片（2 388 m），具有強烈的生物擾動（＞90%）、Ophiomorpha和Thalassinoides；（j）清潔的沙子，Thalassinoides 生物潛穴暈圈和泥質的Ophiomorpha生物潛穴襯壁；（k）Thalassinoides生物潛穴邊緣特寫；（l）粒間孔隙（藍色）、黏土次生加大和充填孔隙的黏土礦物集中在生物潛穴襯壁中；樣品孔隙度為23.4%；薄片（b～d、f～h和j～l）中注入了藍色的環氧樹脂，藍色顯示孔隙，灰白色為石英顆粒，深色為有機質、黏土礦物或黃鐵礦；圖a、圖e和圖i中的黑色虛線矩形表示獲取薄片樣本的位置，圖b、c、f、g、j和k中的黑色虛線框表示拍攝單偏振光顯微照片的位置Fig.1 Porosity and petrographic details of samples 1,2,and 3 from bioturbated sandstone from Ben Nevis L-55 (2 475-2 388 m) (modified from reference [28])(a) core-slab sample 1 (2 475 m) with intense bioturbation (＞90%) and Ophiomorpha burrows;(b) oversized pores are concentrated at Ophiomorpha burrow margins;(c) close-up of large gray over-sized pores;(d) interparticle porosity (gray),corroded grains,and grain-shaped voids.sample porosity is 20.3%;(e) core-slab sample 2 (2 460 m) with intense bioturbation (＞90%) and Ophiomorpha burrows;(f) burrow-mottled texture;(g) quartz-rich very fine sandstone;(h) interparticle porosity (gray) and porefilling clay minerals.Sample porosity is 27.2%;(i) core-slab sample 3 (2 388 m) with intense bioturbation (＞90%),Ophiomorpha and Thalassinoides;(j) clean sand Thalassinoides burrow halo and mudstone-rich Ophiomorpha burrow lining;(k) close-up of Thalassinoides burrow margin;(l) interparticle porosity (gray),clay overgrowths,and pore-filling clay minerals concentrated in burrow lining.Sample porosity is 23.4%;Thin sections (b-d,f-h,and j-l) are impregnated with blue epoxy,gray shows pore space,off-white is quartz grains,and dark colors are organic matter,clay minerals,or pyrite;Dashed black rectangles in panels a,e,and i delineate where thin-section samples were taken,and dashed black boxes in panels b,c,f,g,j,and k delineate where plane-polarized light photomicrographs were taken

圖2 Ben Nevis L-55 巖心樣品4，5 切片和薄片詳細信息（2 357～2 356 m）（據文獻[28]修改）（a）樣品4巖心切片（2 357 m），具有低生物擾動（5%～30%）、垂直定向的Ophiomorpha生物潛穴和紋層；（b）分散的紋層和模糊的生物潛穴；（c）黏土豐富的生物潛穴襯壁的特寫；（d）顆粒間孔隙（灰色）和充填孔隙的黏土、方解石和黏土膠結物，封堵了可用的孔隙空間；樣品孔隙度為4.9%；（e）樣品5巖心切片（2 356 m），具有中等生物擾動（30%～60%）、Ophiomorpha生物潛穴、Chondrites生物潛穴和紋層；（f）泥巖充填的Chondrites在粉細砂巖中形成生物潛穴；（g）Chondrites特寫；（h）Chondrites生物潛穴中的粒間孔隙度（藍色）和充填孔隙的黏土礦物。樣品孔隙度為16.8%；薄片（b～d、f～h）注入了藍色的環氧樹脂，藍色為孔隙，灰白色為石英顆粒，深色為有機質、黏土礦物和黃鐵礦。圖a和圖e中的黑色虛線矩形表示采集薄片樣品的位置，圖b、c、f和g中的黑色虛線框表示拍攝單偏振光顯微照片的位置Fig.2 Porosity and petrographic details of samples 4,5 from bioturbated sandstone from Ben Nevis L-55 (2 357-2 356 m) (modified from reference [28])(a) core-slab sample 4 (2 357 m) with low bioturbation (5%-30%),vertically oriented Ophiomorpha burrow,and laminations;(b) diffuse laminations and indistinct burrow;(c) close-up of clay-rich burrow lining;(d) interparticle porosity (blue) and pore-filling clay,calcite,and clay cements occluding available pore space.Sample porosity is 4.9%;(e) core-slab sample 5 (2 356 m) with moderate bioturbation (30%-60%),Ophiomorpha burrow,Chondrites burrows,and laminae;(f) mudstone-filled Chondrites burrows in mud-rich,diffusely laminated very fine sandstone;(g) close-up of Chondrites;(h) Interparticle porosity (gray) and pore-filling clay minerals in Chondrites burrow;Sample porosity is 16.8%

在生物擾動碳酸鹽巖儲集層中，典型的儲集空間為原生粒間孔、晶間孔和溶蝕孔等。如柴達木盆地南緣石炭系碳酸鹽巖中的Chondrites潛穴多被方解石充填，而方解石質的潛穴充填物后期又多被溶蝕，形成了有效的儲集空間[32]。生物潛穴充填物的孔隙類型還有白云石晶間孔、晶間次生溶孔和晶內次生溶孔[33-34]。白云巖填充的潛穴中存在硫酸鹽還原細菌、還原條件和海洋有機物[35-36]。溶蝕作用是生物擾動儲集層形成有效儲集空間的重要作用[37-44]，且同生期—早成巖期溶蝕作用是儲集空間發育的關鍵因素；白云化作用也對儲集性能具有積極意義[45-47]。眾多研究表明儲集空間差異化的保存，取決于埋藏膠結強度、白云化程度與烴類充注程度[48-49]。生物通常通過諸如沉積物壓實、沉積物分選和向沉積物中添加胞外多糖（即EPS或黏液）等活動來改變基質的物理和化學組成[50]。

在不同的地質時期，伴隨著生物演化和沉積環境變化的影響生物擾動構造也發生變化，總體形態上呈現由簡到繁，分布范圍由小到大。在寒武紀生命大爆發時期，開始出現具有垂向分量的生物潛穴；到奧陶紀生物大輻射時期，海相遺跡化石的分布得到擴展，逐漸從濱、淺海擴展至半深海和深海；而中生代海洋革命時期，海相和陸相遺跡化石同時增多，形態類型多樣，生物對生態空間的利用也增強[51]。這些遺跡化石或生物擾動構造的變化又會改造原始地層的儲集空間，進而在不同程度上影響地層的儲集能力。

2 生物擾動儲層介質類型及流體的傳輸特征

前人眾多研究表明生物擾動可以影響儲層的滲透率和孔隙度[10,52-53]。根據生物擾動儲層的物性特征和流體傳輸特征。Pembertonet al.[54]和Gingraset al.[55-56]將生物擾動儲層劃分兩種類型：雙孔隙度生物成因儲層介質和雙滲透率生物成因儲層介質。雙孔隙度生物成因儲層介質是指潛穴滲透率與基質滲透率之間的差異小于兩個數量級的層段[55-56]，生物擾動可以施加較小對比的滲透場。雙滲透率生物成因儲層介質是指基質滲透率與地層滲透率相差3 個數量級以上的層段[55]，生物擾動可以形成顯著的、高度對比的滲透場。兩種生物成因儲層介質都影響含流體巖石的儲層質量[56-57]，它們可以存在于同一生物擾動層內，也可以發育在不同的區域[35]。

在雙孔隙度生物成因儲層介質中，巖石體積的大部分用于導流[56]。盡管通過高滲透率區域的流體通量較大，但生物潛穴與基質之間的流動相互作用非常廣泛（圖3）。這對儲層行為有三點重要影響：（1）更大的孔隙體積有助于產液或產氣；（2）由于毛細管效應，在多相流動中，不同流體相可能發生分離（油可能被分離在儲層的細粒部分）；（3）平流作用大于擴散作用（資源在地層中的流動響應于水力梯度）。Knaustet al.[58]對Gullfaks 油田馬斯特里赫特的分析表明，孔隙度在基質中提供了一個連通域，形成了開放的生物潛穴和裂縫，從而提高了油氣產量[58]。一般來說，在雙孔隙度生物成因儲層介質中輸送的流體不可能均勻運動，因此生物潛穴直徑和彎曲度就顯得很重要[59]。流體優先沿著高滲透率地層流動，其中流動路徑根據生物潛穴形態可以變得彎曲[56]。

圖3 雙重孔隙度生物成因儲層中的流體流動行為（據文獻[56]修改）（a）包裹在砂巖基質中的砂質充填的潛穴的巖心切片圖像（Ophiomorpha和模糊的類Thalassinoides是不可見的）；（b）帶有生物擾動的沉積巖示意圖顯示為深灰色；（c）在雙重孔隙流動介質中，流體通過基質和生物潛穴充填物進行平流；在生物潛穴滲透率較高的地方，存在更大的流體流動通量Fig.3 Fluid-flow behavior in dual-porosity biogenic reservoir (modified from reference [56])(a) slabbed core image of sand-filled burrows encased in a sandstone matrix (Ophiomorpha and vague Thalassinoides are discernible);(b) schematic sedimentary rock with bioturbation shown as darker gray;(c) within dual-porosity flow media,fluid is advected through both the matrix and the trace-fossil fill;Where the trace-fossil permeability is higher,a greater flux exists in the burrows

雙滲透率生物成因儲層介質指的是基質和裂縫相互連通的儲層，因此兩者都對流體流動有重要貢獻[60]。在雙滲透率生物成因儲層介質中（圖4），基質相對于生物潛穴具有較差的流體流動特性（盡管生物潛穴可能提供良好的氣藏）[56]。雙滲透率生物成因儲層介質對儲層和含水層的影響包括：（1）只有巖石的高滲透部分有助于流動；（2）基質主要通過擴散與流動管道相互作用；（3）高度對比的滲透場可能導致油藏“水竄”或降低二次采油技術（如水驅）的有效性[56,61]。另一方面，雙滲透率生物成因儲層介質的存在可能不影響產氣。這是因為氣體比液體更容易通過彎曲的網絡流動，并且氣體可以儲存在基質中并通過滲透條紋輸送。雙滲透率生物成因儲層介質是生物潛穴通過粗顆粒被動充填、粗粒物質主動回填或碳酸鹽地層中與潛穴有關的成巖作用形成[56]。

圖4 雙滲透生物成因儲層中的流體流動行為（據文獻[56]修改）（a）巖心切片圖像顯示石灰巖基質中的生物潛穴相關的白云石；（b）生物擾動沉積介質示意圖顯示為深灰色；（c）在雙重滲透儲層介質中，流體通過生物潛穴和基質進行平流；滲透率較低的基質僅通過擴散來促進流動Fig.4 Fluid-flow behavior in dual-permeability biogenic reservoir (modified from reference [56])(a) slabbed core image showing trace-fossil-associated dolomite in a limestone matrix;(b) schematic sedimentary medium with bioturbation shown as darker gray;(c) within dual-permeability flow media,fluid is advected through both the trace fossils and the matrix (dominantly by advection);The lower permeability matrix contributes to flow only via diffusion

關于生物擾動儲層中流體的傳輸特征研究，目前主要有物理（實驗）模擬和數值（實驗）模擬兩種研究思路。物理實驗模擬的優點是巖樣直接源于真實地層，給人感官上更可信；它的缺點是花費成本比較高，同時實驗過程中，巖心分析技術會受到一定的限制（主要是因為暴露表面狹窄），并且涉及巖心時技術性質的表征比較復雜[62]，由于各種人為因素和儀器的原因造成的誤差可能比較大。而數值實驗模擬的優點是成本相對低廉，人為和儀器原因造成的誤差??；缺點是由于數據不是直接來源于真實地層，給人的感官沒那么可靠[18]。

在物理模擬方面，加拿大學者Gingraset al.[57]做過一個實驗，采用便攜式探針滲透率儀（CoreLabs PP-250型），以氮氣作為孔隙流體對流體傳輸特征進行測量。使用分散儀來測定體積滲透率和分散特性（圖5）。在樣品中建立N2氣體的穩態流動，并在出口端測量氣體體積。有效滲透率采用達西定律計算，該定律針對可壓縮氣體輸運進行了修正。將一定濃度的O2作為示蹤氣體引入穩態流場，然后，使用手持式探測計隨時測量出口處O2濃度（該儀器分辨率為千萬分之一，精度為±1.5%）。這些數據被用來比較樣本之間的相對分散程度[57,63]。

圖5 分散儀的工藝及儀表示意圖，入口和出口氣流由壓力調節器控制，示蹤氣體O2 在裝置氣體出口處測量（據文獻[57]修改）Fig.5 Process and instrumentation schematic of the dispersometer.Inlet and outlet gas streams are controlled with pressure regulators.The tracer gas,O2,is measured at the outflow of the device (modified from reference [57])

分散儀測量結果顯示為示蹤劑濃度（y 軸）和充注氣體的突破曲線（圖6）。突破曲線顯示了示蹤氣體（O2）濃度在出口處的增加速率。突破的發生是因為O2取代了最初用于充注孔隙的N2。突破曲線的形狀與示蹤劑波及的效率有關，也與巖石中滲透系統的性質有關。

圖6 分散儀流動實驗結果：示蹤氣體相對濃度（C/C0）與交換的總孔隙體積（V*）附圖顯示了更大的孔隙體積交換范圍，以更好地說明裂縫性和含生物潛穴碳酸鹽巖所表現出的領先性（據文獻[57]修改）Fig.6 Results from the dispersometer flow experiments: relative tracer-gas concentration (C/C0) vs.gross pore volumes exchanged (V*).The inset shows a broader range for pore volumes exchanged to better illustrate the leading exhibited by the fractured and the burrowed carbonate rocks (modified from reference [57])

該物理實驗表明：生物擾動儲層中流體的流動路徑是彎曲的，流體在生物潛穴和圍巖基質之間的交互作用要遠遠高于裂縫型碳酸鹽巖和砂巖儲層。識別這種流體路徑尤為重要，因為這類儲層的油氣生產受儲層介質的非均質性影響很大，特別是對油氣二次回采方案的選取具有重要影響[56,64]，這個模擬結果對于碳酸鹽巖儲層的開發具有重要意義，可以很好地說明目前生物潛穴儲層采收率低的主要原因[65]。

除了物理模擬，目前還常用數值模擬研究生物擾動儲層中流體的傳輸特征。數值模擬是對生物擾動地層的生物潛穴豐度、孔隙度和滲透率進行模擬[66]，數值模擬可以分為宏觀模擬傳輸特征和微觀數值模擬流體的傳輸特征。在宏觀數值模擬的流體傳輸特征實驗方面，Eltomet al.[67]利用Petrel 軟件模擬Thalassinoides潛穴網絡（ThalassinoidesBurrowNetworks，TBN）的流體傳輸特征，依據的是英國英格蘭地區Birdsall 露頭上侏羅統的砂屑灰巖中的TBN。Eltom 的數值實驗模擬了三種情況：（1）關掉TBN的孔隙度（設置TBN的孔隙度設為0%），確保氣流只能從潛穴的宿主圍巖基質中產出；（2）關掉TBN宿主圍巖基質的孔隙度（將潛穴基質的孔隙度設為0%），確保氣體只能從TBN中產出；（3）將TBN和宿主圍巖基質的孔隙度設置為一定的值，確保氣體從TBN 和潛穴基質中產出。

三種模擬情況下不同TBN 強度（生物潛穴所占比例）累計產氣的情況（圖7），從a，b 兩幅圖可以發現條件2 和條件3，隨著TBN 強度（生物潛穴所占比例）的增加產氣量都有較大的變化，確保氣流只能從生物潛穴的宿主圍巖基質中產出的模擬情況下，累計產氣量變化不大。并且在氣體僅從TBN 內產出下，TBN 的強度達到30%的時候才出現具有工業開采價值的產氣量（＞10 SM3），而在氣體從TBN和基質中都產出情況下，TBN 的生物擾動強度到10%的時候，就可以達到具有工業開采價值的產氣量（＞10 SM3）[67]。

圖7 三種模擬條件下的累積產氣量（GPC）結果（據文獻[67]修改）實驗條件1：僅從潛穴基質（BM）生產；實驗條件2：僅從TBN 生產；實驗條件3：BM和TBN同時生產；（a）條形圖，顯示三種模擬條件下GPC之間的變異性；（b）三種實驗模擬條件的產氣量百分比繪制的GPCFig.7 Cumulative gas production (GPC) results for the three simulation conditions (modified from reference [67])condition 1: production from burrow matrix (BM) alone;condition 2: production from TBN (Thalassinoides Burrow Networks) alone;condition 3: production from both BM and TBN;(a) bar chart showing variability among GPC of the three simulation conditions;(b) GPC plotted based on TBN percentages for each simulation condition

三維TBN 模型表明：潛穴的連通性取決于生物潛穴占比[68]，一個完善的、連通的生物潛穴網絡可以在只有12%的生物潛穴占比下建立起來。TBN的流體流速主要由TBN連通性和基質滲透率控制。宿主圍巖基質與TBN之間的相互作用似乎連接了更多孤立的TBN 體積，可能有助于氣體從圍巖基質擴散到TBN[67]。這些連通性模式決定了生物潛穴相關儲層的滲透率是各向同性還是各向異性[68]。數值模擬為研究生物擾動儲層中流體的傳輸特征提供富有成效的方法[69-71]。

在微觀數值模擬的流體傳輸特征實驗方面，牛永斌等[19]選取塔河油田奧陶系生物擾動儲層樣品，使用X 射線對巖石進行掃描成像[19,67,72]，利用數字巖心軟件三維重構出生物擾動儲層的微觀孔隙結模型，再進行生物擾動儲層的微觀滲流數值模擬（圖8，9）。微觀滲流數值模擬發現，隨著樣品尺寸的增大，樣品孔隙度降低，滲透率也隨之降低，這是因為巖心樣品尺寸越大，潛穴的圍巖基質就越多，這些圍巖基質沒有滲透性。樣品尺寸越大，其孔隙度與滲透率越低，因為受到了圍巖基質的影響。通過對滲流模擬得到的迂曲度與絕對滲透率的數據進行的分析能看出，滲透率與樣品尺寸為負相關關系，迂曲度與樣品尺寸呈正相關關系，從迂曲度和滲透率兩者相關性分析發現，樣品模型的迂曲度和滲透率是具有一定的相關性的?？紫队厍群蜐B透率呈反比關系且相關性較強（圖10）。

圖8 塔河油田奧陶系典型巖心樣品孔隙結構定量表征工作流程Fig.8 Workflow for the quantitative characterization of the pore structure of typical Ordovician core samples from Tahe oilfield

圖9 塔河油田奧陶系典型巖心樣品孔隙空間網絡模型的提?。╝）樣品1孔隙分割模型；（b）樣品1球棍模型；（c）樣品2孔隙分割模型；（d）樣品2球棍模型Fig.9 Pore space network model of typical Ordovician core samples in Tahe oilfield(a) sample 1 pore segmentation model;(b) sample 1 ball-and-stick model;(c) sample 2 pore segmentation model;(d) sample 2 ball-and-stick model

圖10 塔河油田奧陶系典型巖心樣品迂曲度與絕對滲透率的數據（a）樣品邊長體素與絕對滲透率交會圖；（b）樣品邊長體素與迂曲度交會圖；（c）樣品邊長體素與絕對滲透率、迂曲度交會圖；（d）迂曲度與絕對滲透率交會圖Fig.10 Tortuosity and absolute permeability of typical Ordovician core samples in Tahe oilfield(a) cross plot of sample length voxels and absolute permeability;(b) cross plot of sample length voxels and tortuosity;(c) cross plot of sample side length voxels with absolute permeability and tortuosity;(d) cross plot of tortuosity and absolute permeability

生物擾動的影響也在核磁共振巖心柱塞尺度上被識別出來。以大孔喉類為主導的兩種不同孔喉類的雙峰特征行為表明：生物潛穴提升了儲層的孔喉連通性[12]。前人研究表明許多因素直接影響生物擾動油藏的體積流量參數。這些特征包括生物潛穴和基質之間的滲透性比值、生物擾動強度、潛穴連通性、潛穴表面積和潛穴結構，將整體滲透率估計與生物擾動強度聯系起來時，應考慮生物潛穴連通性[73]。要進行全面綜合的研究（包括沉積學、開發技術、巖石物理分析和地質統計建模）來了解儲層質量[61]。

在計算地層滲透率中，有三個計算公式可以使用。它們分別適用于三種生物擾動儲層介質[74]（圖11）。在潛穴低連通性的情況下，整體滲透率可以使用調和平均值來表征。然而，隨著潛穴網絡連通性越來越好，需要應用一種改進的算術平均值。在潛穴網絡過渡性情況下，流體可滲透的生物潛穴結構只是零星連接，則廣泛采用幾何平均值，加權體積（di/d）以潛穴所占體積表示，與生物潛穴占比成正比[74]。

圖11 滲透率算術平均值、調和平均值、幾何平均值的模型示意圖（據文獻[74]修改）Fig.11 Schematic showing how the averaging of permeability data (arithmetic,harmonic,geometric)from different layers can be applied to achieve an equivalent representative volume (modified from reference [74])

（1）在平行于地層總滲透率，高潛穴連通性的條件下[75-76]，確定沿連續平行滲透率域的平均體滲透率（K）由算術平均值（式（1））表示[56,77-78]：

式中：Ki為巖性滲透率，d為地層厚度，di/d為加權體積（即各巖性所占體積的比例）。

（2）在低潛穴連通性的條件下，垂直地層的總滲透率（K），由調和平均值（式（2））表示[75,79]：

（3）用于過渡性情況，即可滲透的潛穴結構僅局部相連的非層狀地層的總滲透率（K），由體積加權幾何平均值（式（3））表示[75,80]：

3 生物擾動儲層類型及其屬性特征

對生物擾動儲層進行分類及其屬性研究，對儲層預測和儲層表征具有重要意義。Gingraset al.[55]根據沉積學、遺跡學、成巖作用和地層背景將生物擾動儲層介質分為五大類：（1）界面控制的生物擾動儲層（SCD）；（2）非界面控制的生物擾動儲層（NCD）；（3）邊界弱清晰的生物擾動儲層（WDH）；（4）隱蔽性生物擾動儲層（CBH）；（5）成巖成因的生物擾動儲層（DTH）[54-56]（圖12）。

圖12 五類生物擾動儲層特征及其分布，它們受強烈沉積環境的影響（據文獻[74]修改）界面控制的生物擾動儲層不均勻沿堅硬底和硬底暴露面是常見的，圖片來自美國華盛頓州Willapa灣的露頭，代表了一個Glossifungities遺跡相例子；非界面控制的生物擾動儲層在淺海和潟湖環境中很常見，圖片來自挪威海上白堊統Lysing組的巖心，顯示粉砂巖基質中充滿砂巖的Thalassinoides和Planolites。邊界不清晰的生物擾動儲層在濱海下部和富砂的淺海沉積中很常見，圖片來自挪威北海上侏羅統Ula組的巖心，顯示了一組重復排列的垂Ophiomorpha nodosa橫切面，包含Ophiomorpha irregulaire和Palaeophycus的斑狀組構；隱蔽性的生物擾動儲層在河道（河口灣和分支河道）和近岸岸線沉積（前濱、臨濱上部、三角洲前緣）中很常見，圖片來自加拿大艾伯塔省下白堊統Clearwater組的巖心，照片顯示了一塊隱蔽性生物擾動的斑狀砂巖；成巖成因的生物擾動儲層，從潟湖環境到近海環境均可發現，反映了同沉積到沉積后過程，圖片來自加拿大薩斯喀徹溫省一座政府大樓上露出的晚奧陶世Tyndall巖（紅河組Selkirk段）照片，顯示了白云化的生物洞穴Fig.12 Characteristics and distribution of five types of bioturbated reservoirs, is highly influencedby the depositional environment (modified from reference [74])Surface?constrained bioturbated reservoirs are common along firmground and hardground exposure surfaces; Outcrop photo from Willapa Bay, Washington, USA repre?sents an example of aGlossifungities ichnofacies. Nonsurface?constrained bioturbated reservoirs are common in offshore and lagoonal settings; Core photo example from the Upper Cretaceous Lysing Formation, Norwegian Sea, showing sandstone?filled Thalassinoides and Planolites in a siltstone matrix. Weakly defined bioturbated reser?voirs are common in lower shoreface and sand?rich proximal offshore deposits; Core photo example from the Upper Jurassic Ula Formation, Norwegian North Sea, showing an assemblage of heavily lined vertical Ophiomorpha nodosa cross?cutting a burrow mottled fabric containing Ophiomorpha irregulaire and Palaeophycus;Cryptic biotur?bated reservoirs are common within channels (estuarine and distrib-utary) and paralic shoreline deposits (foreshore, upper shoreface, delta front); Core photo example from the Lower Cretaceous Clearwater Formation, Alberta, Canada showing a cryptic mottled sandstone; Diagenetic bioturbated reservoirs can be found from lagoonal to offshore settings and are a reflection of syn?to post?depositional processes; Photo example of an outcropping Late Ordovician Tyndall Stone (Selkirk member of the Red River Formation) from a government building in Saskatchewan, Canada showing dolomitized burrows

3.1 界面控制的生物擾動儲層（SCD）

界面控制的生物擾動儲層在固底和硬底暴露表面上很常見。這類生物擾動儲層的最常見特征包括無襯里的潛穴，從單一表面下降到堅固的沉積物（壓實基質），生物潛穴包含與圍巖基質巖性不同的物質[81-82]，并且通常不會在整個界面上普遍存在[83-84]。由于充填砂的生物潛穴位于泥巖基質中（或充填白云石的生物潛穴位于灰巖基質中），界面控制的生物擾動儲層介質通常為雙滲透率生物成因儲層介質[56,74]。

界面控制的生物擾動儲層在碎屑巖中常見，碳酸鹽巖極少。這類儲層受控于沉積不連續面（海侵面/潮到侵蝕面），一般生物潛穴發育在低滲透基質中后被粗粒沉積物充填，比如泥巖中的生物潛穴被砂質充填；生物潛穴類型一般與Glossifugites遺跡相關系密切，常見Skolithos，Diplocraterion等生物潛穴，常與Thalassinoides和Zoophycos交切。此外，深海濁積扇短期置居窗內廣泛發育的生物潛穴也屬于這一類。這類生物擾動儲層一般為雙滲透率生物成因儲層介質；儲層滲透率大小受控于潛穴滲透率與圍巖基質滲透率的比值、潛穴連通性和潛穴密度。一般生物潛穴直徑為0～10 cm，長度為0～70 cm，極端情況下可達3 m，平面延伸100 m 至數千米。這類生物擾動儲層的沉積環境有泥質潮坪、泥質濱岸和淺海陸棚等[56,74]。

Gingraset al.[56]對美國華盛頓州Willapa灣更新統的巖石進行測試，確定了三個變量控制Glossifungites遺跡相界面的流動特征：（1）潛穴滲透性（Kb）和基質滲透性（Km）之間的對比程度；（2）潛穴互滲量；（3）潛穴密度。計算機模擬結果表明，主要影響因素是滲透率對比（Kb/Km）和生物潛穴連通性[76,85]。這類生物擾動儲層的典型案例還有：沙特阿拉伯Ghawar 油氣田侏羅系Hanifa 組和加拿大英屬哥倫比亞省三疊系Baldonnel組[56,74]。

3.2 非界面控制的生物擾動儲層（NCD）

非界面控制的生物擾動儲層在碎屑巖常見，碳酸鹽巖也有。這類生物擾動儲層不受沉積界面控制，生物潛穴在低滲透沉積基質中形成后被粗粒沉積物充填（如泥巖基質中的生物潛穴被砂質沉積物充填），一般受風暴、濁流沉積影響；常與Cruziana遺跡相和Zoophycos遺跡相關系密切，有時在Nereites遺跡相中也可見到。常見的生物潛穴類型有Thalassinoides，Planolites，Chondrites，Palaeophycus和Zoophycos等。這類儲層一般呈現為雙滲透率生物成因儲層介質；儲層滲透率受控于生物潛穴與圍巖基質的比值、潛穴連通性和潛穴密度。生物擾動程度可非常高，一般潛穴直徑為0～5 cm，長度不等，厚10～100 m；平面延伸1～10 km。這類儲層的形成沉積環境有淺海與淺海過渡帶、潟湖、海灣、碳酸鹽巖臺地等[56,74]。

非界面控制的生物擾動儲層的離散非均質性由被包裹在細?；|中的生物潛穴組成，但并不局限于單個地層界面。這些生物潛穴結構在橫向和縱向上是連續的，在近海、潟湖和海灣沉積環境中都很常見。由于生物潛穴與基質的巖性差異較大，通常存在雙孔隙度與雙滲透率混合生物成因儲層介質。在近海和潟湖環境中，生物擾動強度可能相當高，潛穴占沉積物體積的30%～90%。垂直和水平潛穴的混合結構在Cruziana和Zoophycos遺跡相中典型發育。因此，盡管生物潛穴和基質之間的巖性差異很大，這類儲層介質卻可以變得非常各向同性[76]。高滲透區域受到生物擾動的位置和性質的影響，生物擾動改變了原始沉積物。

印度尼西亞東Java 海域Sirasun-Sirasum 氣田新近系Paciran組發育這類生物擾動儲層[86]。Paciran組分為下部砂巖段和上部有孔蟲石灰巖段。Nobleet al.[87]的研究表明，Paciran 灰巖段是一個深海中上層碳酸鹽巖礦床，由伊利石—蒙脫石黏土基質和球狀有孔蟲試驗組成。研究還發現石灰巖段的垂直滲透性高于水平滲透性，證實了Zoophycos生物潛穴網絡具有更高的滲透性[54]。這類生物擾動儲層的典型案例還有：挪威海域白堊系Lysing 組、東爪哇海新近系的Paciran 組和中國南海瓊東南盆地的三亞組儲層等[22,56,74]。

3.3 邊界弱清晰的生物擾動儲層（WDH）

邊界弱清晰的生物擾動型儲層在碎屑巖中常見，碳酸鹽巖中少有。這類生物擾動儲層是砂質基質發育生物潛穴后被粗粒沉積物充填（如砂巖基質中的生物潛穴被更粗砂質充填，生物潛穴充填物質分選性一般比基質要好）；常見生物潛穴類型有Planolites，Thalassinoides，Ophiomorpha，Skolithos，Phycosiphon和一些Macaronichnus等。這類生物擾動儲層一般呈現雙孔隙度生物成因儲層介質；儲層滲透率與基質粒度、潛穴連通性和潛穴密度有關，生物擾動程度可非常高。一般潛穴直徑為0～10 cm，長度不等，厚度達10 m；平面延伸100 m 至數千米。這類生物擾動儲層的沉積環境有前濱下部、臨濱上部、三角洲和砂質海灣[56,74]，生物潛穴充填物的分選性和堆積方式一般比圍巖基質的要好。然而，由于巖性的相似性，潛穴和基質之間的滲透率差異通常小于兩個數量級，因此屬于典型的雙孔隙度生物成因儲層介質[74]。

加拿大薩斯喀徹溫省西南部的白堊系Hatton 氣田的Alderson 段，主要由泥質單元內連續的、橫向廣泛的薄層細粒砂巖組成，沉積環境為三角洲[88]。該儲層單元發育許多砂質充填的生物潛穴。Lemiskiet al.[88]使用點滲透率分析儀對該儲層進行了測試分析，結果表明該段生物擾動儲層為典型的雙孔隙度生物成因儲層介質，生物擾動對Alderson段天然氣總體儲量和產量的貢獻巨大。這類生物擾動儲層的典型案例還有：美國阿拉斯加州三疊系的Sag River組、挪威西部外海侏羅系的Ula組、加拿大紐芬蘭島白堊系的Ben Nevis 組、Albert 省白堊系的Niobrara 組Medicine Hat 段、中國塔里木盆地泥盆系的東河塘砂巖段、中國南海珠江口盆地的珠江組等[20,56,74]。

3.4 隱蔽性的生物擾動型儲層（CBH）

隱蔽性的生物擾動儲層主要發育在碎屑巖中（砂巖中最常見）。一般為較小動物群擾動沉積層（殘余和全部）；最常見的生物就是Macaronichnus生物潛穴的造跡生物[7,89-90]；因此，最常見的生物潛穴為Macaronichnus等。這類儲層一般為雙孔隙度生物成因儲層介質；儲層滲透率與圍巖基質、潛穴充填物粒度相關，生物擾動程度極高。儲層厚10～100 m；平面延伸100 m 至數千米。這類生物擾動儲層的形成沉積環境有障壁島、三角洲內分流河道和臨濱上部砂體等[56,74]。

隱蔽性生物擾動產生的巖石組構可能對儲層的滲透率和孔隙度產生重大影響[74,91-93]。在一些生物擾動儲層系統中，既存在隱蔽性的生物擾動砂巖，也存在未被生物擾動的砂巖，微型滲透率分析儀測試結果研究表明：未被生物擾動砂巖中保留了較強非均質性，導致了更廣泛的滲透率值區間。相比之下，隱蔽性的生物擾動砂巖段非均質性就不那么明顯。隱蔽性生物擾動作用可能不會導致滲透率增強，但會降低儲層內部的非均質性，導致滲透率值分布更加均勻[74,93]。

Gordonet al.[92]在研究加拿大Albert 省下白堊統Bluesky 組儲層時發現，該儲層受到了Macaronichnusseggregatus的強烈生物擾動。薄片和掃描電子顯微鏡（SEM）分析顯示，Macaronichnus seatus的造跡生物建造潛穴時避開了富含鐵的巖石碎屑，在這個過程中導致了砂質沉積物的重新排序，生物潛穴充填物中含有較高的硅質成分（主要為石英），并且這些硅質顆粒邊緣沒有形成封堵孔隙的石英次生加大邊，因此孔隙度和滲透率相對于宿主圍巖基質較高（Macaronichnus發育區現場滲透率測量值比相似粒度的層狀砂巖高出4 倍），該生物擾動儲層為雙孔隙度生物成因儲層介質。隱蔽性的生物擾動儲層的典型案例還有：挪威西部外海侏羅系的Ula 組、英國北海油田Bruce 區塊中侏羅統Tabert 組儲層和埃及法雍地區的上始新統儲層等[56,74,94]。

3.5 成巖成因的生物擾動儲層（DTH）

成巖成因的生物擾動儲層主要發育在碳酸鹽巖中（尤其在白云質斑狀灰巖中發育），在碎屑巖中比較少（僅在結核狀砂巖中有該類儲層的記錄）。這類儲層的形成主要與生物潛穴誘導的白云化作用、溶蝕作用和膠結作用有關；常見遺跡化石有Thalassinoides，Ophiomorpha，Balanoglossites，Chondrites等。一般為雙滲透率或雙孔隙度生物成因儲層介質；該類儲層滲透率與成巖特征、潛穴連通性和潛穴密度有關，生物擾動程度非常高。儲層內一般潛穴直徑為0～30 cm，長度不等，厚10～100 m；平面延伸1 km至數千米。該類儲層形成的沉積環境主要為碳酸鹽巖臺或碳酸鹽巖斜坡[56,74]。

成巖作用對生物潛穴相關碳酸鹽巖層序的影響通常是極端的，可能包括許多不同的礦物（如菱鐵礦、白云石、方解石、黃鐵礦等）[74]。成巖蝕變生物潛穴的共同特征包括：（1）生物潛穴壁被膠結；（2）生物潛穴充填物的沉淀或溶解；（3）原始生物潛穴周圍存在成巖暈；（4）潛穴內充填物的固結[3,36,95-96]。在某些情況下，生物潛穴充填物的礦化作用可以經歷多個階段，直至形成普遍膠結[58]?？紤]到生物潛穴和圍巖基質之間存在成巖作用的極大差異，該類生物擾動碳酸鹽巖儲層很容易在很短的橫向和垂直距離內從雙孔隙度生物成因儲層介質變為雙滲透率生物成因儲層介質[97]。

Baniaket al.[17]在對加拿大Albert 省上泥盆統Wabamun 群的研究表明：白云化生物潛穴與非白云質灰泥—碎屑巖之間的邊界非常清晰，并常常以低振幅的縫合線分界。生物潛穴充填物是以結晶程度較高的自形、半自形白云石晶體為主，它形白云石較為少見，晶體之間普遍可見基質灰巖殘留；圍巖基質則多為微晶方解石；這些白云化的潛穴充填物相對于周圍的灰巖基質具有明顯更高的滲透率[53]。目前，有一些學者試圖用數值實驗模擬來探索這類生物擾動儲層滲透率分布和流體的運移特征[10,79]。成巖成因的生物擾動儲層的典型例子還有：加拿大Manitoba省的Red River組[98]、Saskatchewan 省Tyndall 灰巖中的Selkirk段[99-100]、加拿大Williston 盆地內奧陶系的Yeoman 組、加拿大西北部泥盆系的Lonely Bay 組、Albert 省泥盆系的Palliser 組以及中國塔河油田奧陶系鷹山組生物擾動儲層等[18-19,56,74]。

4 展望

近年來，隨著新技術和新方法正在遺跡學研究中得到廣泛應用，必將推動遺跡學在油氣水儲層領域應用的快速發展。如劉航宇等[101]通過自然伽馬測井（GR）、侵入帶電阻率測井（RHOB）、聲波測井（DT）、補償中子測井（NPHI）、側向電阻率測井（RILD）和微球聚焦電阻率測井（MSFL）聯合識別了生物擾動高滲透帶（HPZ），并建立了基于RHOBnor/DTnor、RILD*MSFL 和GR 三個參數的測井識別模型。此外，通過對生物擾動高滲透帶（HPZ）的巖性、孔隙類型、巖石物性、孔隙結構、層序地層學和早期成巖特征的研究，還揭示了生物擾動高滲透帶（HPZ）的綜合特征和地質演化過程。因此，將多源測井數據應用于生物擾動儲層研究，識別出生物擾動儲層的空間展布，能夠更精確地確定整個油田的橫向范圍和垂向厚度。另外，將生物擾動儲層的多源測錄井資料與數字建模相聯系，建立評價潛在儲集巖質量、模擬盆地和含油氣系統的地質模型，可以改善產量預測和提高采收率作業；而對生物擾動油氣儲層的多物理場、多化學場、多尺度和多相態的滲流模擬，可更好地理解油氣水等流體在多孔儲層介質中的滲流機理，這可為油田制定完井/穿孔決策和開發方案優選等方面提供高質量的指導。

值得說明的是，將能夠表征大范圍遺跡學信息的遺跡相和表征精細遺跡學信息的遺跡組構進行綜合分析，比進行單方面的分析更能夠產生一個好的、可信的結果；而將遺跡相和沉積相研究相結合，可提高生物擾動儲層的空間分布預測的準確性。眾多研究表明，將多種物理成因、化學成因和生物成因的沉積構造相聯系是精確重建（古）環境的有效方法[52,94,102-105]；通過識別巖石記錄中的底棲生物行為可大大提升環境解譯的準確性；而將生物擾動的演變特征、生物擾動模式和古生態參數的記錄相結合，可以深刻揭示（古）生物／沉積的交互作用與后期的成巖改造過程，這可為沉積環境和成巖機理分析提供重要的相標志和生物學信息。上述多方面的綜合研究毫無疑問對豐富儲層地質學理論、實現油氣增儲、上產和提高采收率等方面具有重要意義。

5 結論

（1）生物擾動完全可以形成有效的油氣水儲層。生物擾動碎屑巖儲集層中，典型的儲集空間主要為原生粒間孔、次生溶蝕孔和生物鑄?？椎?，早期的原生孔隙因為經歷了廣泛的成巖蝕變被方解石膠結，差異型充填方解石膠結物顯著降低了孔隙度和滲透率，但在隨后的成巖過程中方解石膠結物又被溶解，使得粒間孔隙空間得以保留。生物擾動碳酸巖巖儲集層中，典型的儲集空間主要為原生粒間孔、晶間孔和溶蝕孔等，同生期—早成巖期溶蝕作用是生物擾動碳酸鹽巖儲集空間發育的關鍵因素，后期的白云化作用也對改善生物擾動碳酸鹽巖儲集性能具有積極意義。

（2）根據生物擾動儲層中流體的傳輸特征，生物擾動形成的巖石組構可以劃分為兩類儲層介質：雙孔隙度生物成因儲層介質和雙滲透率生物成因儲層介質。生物潛穴充填物和基質滲透率比、生物擾動強度和連通性、潛穴表面積、潛穴的構型（結構與空間形態）特征是影響生物擾動儲層儲集性能的主要因素。目前，關于生物擾動儲層中流體的傳輸特征研究主要有物理實驗模擬和數值實驗模擬兩種研究思路。

（3）根據沉積學、遺跡學、成巖作用和地層背景將生物擾動儲層介質分為五大類：界面控制的生物擾動儲層（SCD），非界面控制的生物擾動儲層（NCD），邊界弱清晰的生物擾動儲層（WDH），隱蔽性的生物擾動儲層（CBH），成巖成因的生物擾動儲層（DTH）。各類生物擾動儲層中生物潛穴充填物和基質滲透率比、生物擾動強度、潛穴連通性、潛穴表面積、潛穴的構型特征是影響儲層物性的主要因素。

（4）目前，盡管生物擾動儲層的共同特征已被充分記錄，但國內外對于生物擾動油氣水儲層的研究還處于初級階段?？梢灶A見的是，將沉積學、古生物地層學、地球物理學、儲層地質學和地質建模結合起來，對生物擾動地層的生物潛穴豐度、孔隙度和滲透率等進行物理和數值實驗模擬，可以幫助確定影響生物擾動油氣水儲層滲透率和產能的關鍵參數和變量，這對豐富儲層地質學理論，實現油氣增儲、上產和提高采收率具有重要意義。

致謝 非常感謝編輯和審稿專家的指導和幫助。