徐祖新,郭少斌,喬 輝,李海明
(1.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院,北京 100083;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) (北京)能源學(xué)院,北京 100083;3.中國(guó)石油大學(xué) (北京),北京 102249)
隨著世界能源需求的加劇和北美頁(yè)巖氣的成功,頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)日益受到重視。頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)不僅影響頁(yè)巖氣的儲(chǔ)集能力,而且影響頁(yè)巖氣井的產(chǎn)量和最終采收率[1]。Schettler等[2]對(duì)美國(guó)泥盆紀(jì)大量測(cè)井曲線分析后認(rèn)為,巖石孔隙是頁(yè)巖氣主要賦存場(chǎng)所,約一半的頁(yè)巖氣存儲(chǔ)在孔隙中。因此,孔隙結(jié)構(gòu)研究是頁(yè)巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容,對(duì)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)具有重要意義。
頁(yè)巖是一種多孔介質(zhì),具有復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)研究做了大量工作,主要研究了頁(yè)巖孔隙類型、孔徑大小及孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)頁(yè)巖氣賦存和運(yùn)移的影響[3~8]。但是,目前針對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)分形特征的研究相對(duì)較少[9~11]。頁(yè)巖氣儲(chǔ)層在孔隙度相同但孔隙結(jié)構(gòu)不同的情況下,其滲透率往往表現(xiàn)出較大的差異,進(jìn)而影響頁(yè)巖油氣的充注,造成儲(chǔ)層含油氣性的不同[11]。法國(guó)著名數(shù)學(xué)家Mandelbrot提出的分形理論為描述頁(yè)巖孔隙分布的不規(guī)則性提供了科學(xué)的手段。許多學(xué)者對(duì)巖石中孔隙結(jié)構(gòu)的分形特征進(jìn)行了研究,指出孔隙分布具有統(tǒng)計(jì)意義上的自相似性,并引入分形維數(shù)描述孔隙的分布特征[12~14]。分形維數(shù)不僅可以描述頁(yè)巖孔隙大小和分布均勻程度,而且可以描述頁(yè)巖孔隙形態(tài)的復(fù)雜程度。因此,分形維數(shù)成為定量描述頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)的重要參數(shù),可以用其定量表征頁(yè)巖氣儲(chǔ)層非均質(zhì)性。
目前,儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的分形特征研究方法主要有以下3種:方法一,根據(jù)毛細(xì)管壓力曲線和J函數(shù)曲線的分形幾何公式計(jì)算孔隙的分維數(shù)[15];方法二,根據(jù)核磁共振T2譜的分形幾何公式研究?jī)?chǔ)層孔隙的分形特征[16];方法三,對(duì)巖石的 CT圖像或者SEM圖像等進(jìn)行數(shù)字化處理,再計(jì)算分形維數(shù)[17]。
其中,方法一在砂巖和碳酸鹽巖儲(chǔ)層研究中應(yīng)用較為普遍,但是頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔徑小,可達(dá)納米級(jí),而壓汞實(shí)驗(yàn)適用于連通的大孔及中孔,對(duì)頁(yè)巖應(yīng)用效果差;方法二也可以計(jì)算分形維數(shù),但是最大的缺點(diǎn)在于分析費(fèi)用昂貴,而且時(shí)間長(zhǎng);方法三是對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)圖像的進(jìn)一步處理,可以最大限度的挖掘圖像信息,相對(duì)于前兩種方法來(lái)說(shuō),本方法具有快速、簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。
Image-Pro Plus(IPP)是由美國(guó)Media Cybernetics公司研發(fā)的一款強(qiáng)大的二維和三維圖像采集、處理、增強(qiáng)和分析軟件,同時(shí)具備廣泛的測(cè)量功能,測(cè)量結(jié)果可以統(tǒng)計(jì)值、單個(gè)測(cè)量值、三維濃度圖和線形等方式輸出,并可以將測(cè)量結(jié)果輸出到Excel中處理。IPP軟件已經(jīng)在孔隙結(jié)構(gòu)分形特征研究及測(cè)量顆粒物質(zhì)的面積、周長(zhǎng)等參數(shù)中進(jìn)行應(yīng)用,并取得了一定的成果。例如:周莉等 (2009)應(yīng)用IPP軟件分析了黏土礦物孔隙結(jié)構(gòu)的分形特征,認(rèn)為孔隙分布均勻程度與分形維數(shù)成反比[18]。余徐潤(rùn)等 (2013)利用IPP軟件測(cè)量了小麥淀粉粒的面積、圓度、長(zhǎng)軸和短軸等參數(shù)[19]。另外,IPP軟件只需對(duì)圖像進(jìn)行一步二值化處理即可,操作過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單,容易被大多數(shù)科研工作者所接受。同時(shí),IPP軟件可以分析圖像中所有孔隙的面積、周長(zhǎng)、孔隙數(shù)目等參數(shù),大大節(jié)省了分析時(shí)間。
基于上述原因,本文結(jié)合分形理論,應(yīng)用專業(yè)圖像分析軟件Image-Pro Plus處理頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的SEM圖像,提取頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)信息,計(jì)算頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙的分形維數(shù),并藉此刻畫頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的分形特征,最后探討分形維數(shù)的影響因素。
為了研究頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的分形特征及其影響因素,實(shí)驗(yàn)選取了6塊采自中揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)水井沱組下部的頁(yè)巖樣品。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的分形研究,依次設(shè)計(jì)并開(kāi)展了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3個(gè)系列的實(shí)驗(yàn)。
系列Ⅰ為氬離子拋光—掃描電鏡 (SEM)實(shí)驗(yàn)。頁(yè)巖氣儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)致密,孔隙微小,自然斷面樣品表面粗糙,還常常有脫落的碎屑覆蓋,很難觀察到納米級(jí)孔隙及其大小、形狀、分布特征等。因此,首先把預(yù)磨好的頁(yè)巖樣品放入氬離子拋光機(jī)里,用氬離子束轟擊頁(yè)巖樣品表面,得到一個(gè)非常平的平面。然后,把氬離子拋光好的樣品用導(dǎo)電膠固定在樣品臺(tái)上,噴金處理。最后進(jìn)行掃描電鏡 (JSM-6700型冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡)觀察,得到頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)掃描圖像 (圖1)。
系列Ⅱ?yàn)轫?yè)巖孔隙度和滲透率測(cè)試。所用儀器為PDP200脈沖滲透率儀,檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為SY/T 5336—2006、SY/T 6490—2000和 QB 19561—2010,測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。
表1 水井沱組頁(yè)巖樣品TOC和物性參數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表Table.1 TOC and reservoir physical parameters of Shuijingtuo Formation shale
系列Ⅲ為頁(yè)巖TOC測(cè)試。所用儀器為L(zhǎng)eco碳硫測(cè)定儀,按照GB/T 19145—2003標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試,測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。
參考前人頁(yè)巖孔隙類型劃分方案[20,21],水井沱組頁(yè)巖中主要發(fā)育3種孔隙類型:有機(jī)質(zhì)孔隙(圖1a、圖1b)、粒內(nèi)孔 (圖1c、圖1d)、粒間孔(圖1e、圖1f)。頁(yè)巖孔隙形態(tài)可劃分為4種類型:不規(guī)則多邊形孔 (圖1a、圖1e)、圓形孔 (圖1b、圖1f)、復(fù)雜網(wǎng)狀孔 (圖1c)、條帶狀孔 (圖1d)。
圖1 水井沱組頁(yè)巖掃描電鏡圖Fig.1 SEM images of Shuijingtuo Formation shale
從頁(yè)巖氣開(kāi)采角度來(lái)說(shuō),頁(yè)巖氣儲(chǔ)層中復(fù)雜網(wǎng)狀孔的連通性最好,在水力壓裂過(guò)程中有利于形成復(fù)雜的孔隙網(wǎng)絡(luò),可以提高頁(yè)巖氣的滲流能力;不規(guī)則多邊形孔和脈狀或條帶狀孔的孔徑較大,但是孔隙數(shù)量較少;圓形或橢圓形孔隙的孔徑較小,但是孔隙數(shù)目眾多,對(duì)頁(yè)巖氣賦存有利,后期需要采用特殊工藝來(lái)提高不同有機(jī)質(zhì)孔隙之間的連通性。
應(yīng)用Image-Pro Plus軟件求取頁(yè)巖孔隙分形維數(shù)分為以下兩步:①對(duì)頁(yè)巖SEM圖像進(jìn)行二值化處理;②自動(dòng)測(cè)量二值化圖像中每個(gè)孔隙的等效周長(zhǎng)和等效面積。
頁(yè)巖二值圖像是只有兩個(gè)灰度級(jí)的圖像,即黑 (0)與白 (255),一般用0代表黑色,1代表白色。二值化處理就是把圖像中像素點(diǎn)灰度值大于閥值T的用1(白色)代替,不大于T的用0(黑色)代替,原來(lái)的灰度圖像就變成了非黑即白的二值圖像。其中閥值T的確定以最能夠反映圖像中的孔隙形態(tài)為標(biāo)準(zhǔn)。水井沱組頁(yè)巖SEM圖像(圖2a)經(jīng)二值化處理之后轉(zhuǎn)換為黑白二值化圖像(圖2b)。通過(guò)對(duì)比可以看出,經(jīng)過(guò)二值化處理以后,頁(yè)巖SEM圖像只剩下黑色的孔隙部分,可以突出所研究的頁(yè)巖孔隙 (圖2b)。
圖2 水井沱組頁(yè)巖原始SEM圖像與二值圖像對(duì)比圖Fig.2 Originate image and 2-D binary image of Shuijingtuo Formation shale
根據(jù)分形幾何理論,孔隙的分形維數(shù)一般小于3[11]。而且,孔隙的分形維數(shù)與儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度相關(guān),通??紫兜姆中尉S數(shù)為2~3,分形值越接近于3,表明儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)越復(fù)雜,非均質(zhì)性越強(qiáng)[11]。Voss等認(rèn)為圖像上巖石微觀孔隙的等效周長(zhǎng)L和與之對(duì)應(yīng)的等效面積S之間存在如下關(guān)系[22]:
式中 D——SEM圖像微觀孔隙的分形維數(shù);
C——常數(shù)。
由此可知,通過(guò)統(tǒng)計(jì)頁(yè)巖中每個(gè)孔隙的等效周長(zhǎng)和等效面積,并將這些數(shù)據(jù)取對(duì)數(shù)后繪制周長(zhǎng)與面積關(guān)系圖,如果這些數(shù)據(jù)線性相關(guān),那么直線斜率K的2倍即為頁(yè)巖中孔隙的分形維數(shù)D。
以圖1b中的SEM圖像為例,將頁(yè)巖SEM圖像處理為二值化圖像以后,利用Image-Pro Plus軟件中的測(cè)量與計(jì)算功能 (Count/Size…)自動(dòng)獲取頁(yè)巖二值化圖像中每個(gè)孔隙的等效周長(zhǎng)和等效面積。將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel軟件,對(duì)所測(cè)得的等效周長(zhǎng)和等效面積分別取對(duì)數(shù),然后繪制出兩者的關(guān)系圖(圖3)。從圖3中可以看出,頁(yè)巖二值化圖像中孔隙的等效周長(zhǎng)與等效面積具對(duì)數(shù)線性相關(guān),說(shuō)明頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙具有分形特征,根據(jù)公式(1)可得出頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙的分形維數(shù)為2.66。
圖3 頁(yè)巖孔隙的等效周長(zhǎng)對(duì)數(shù)與等效面積對(duì)數(shù)關(guān)系圖Fig.3 Relationship between area and circumference of shale pore
根據(jù)上述方法,統(tǒng)計(jì)了圖1中所有不同孔隙類型和不同孔隙形態(tài)的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙分形維數(shù)(表2)。結(jié)果表明,相同孔隙類型的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層因其孔隙形態(tài)不同,具有不同的分形維數(shù);相同孔隙形態(tài)的頁(yè)巖因其孔隙類型不同,其分形維數(shù)也有差異。
表2 水井沱組頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)分形維數(shù)表Table.2 Fractal dimension of micro pore structure of Shuijingtuo Formation shale gas
在所分析的6幅頁(yè)巖氣儲(chǔ)層SEM圖像中,有機(jī)質(zhì)孔隙的分形維數(shù)最小,粒內(nèi)孔隙的分形維數(shù)最大,粒間孔隙居中。雖然同為有機(jī)質(zhì)孔隙 (圖1a和圖1b)和粒間孔 (圖1e和圖1f),但是不規(guī)則多邊形孔隙形態(tài)的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙分形維數(shù)要比圓形或橢圓形孔隙形態(tài)的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層大,粒間孔隙的復(fù)雜網(wǎng)狀孔隙形態(tài)的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙的分形維數(shù)要比條帶狀孔隙形態(tài)的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層大 (圖1c和圖1d)。
水井沱組頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)和TOC含量正相關(guān)。TOC高的頁(yè)巖樣品,其分形維數(shù)大 (圖4)。D.Prinz等認(rèn)為,煤儲(chǔ)層可以用大分子孔隙網(wǎng)絡(luò)表示,而頁(yè)巖和煤儲(chǔ)層類似[23]。這個(gè)大分子孔隙網(wǎng)絡(luò)是由芳香碳微晶隨機(jī)排列的晶格組成的[23,24]。這些微晶包括大量的脂肪族側(cè)鏈,它們彼此交叉形成復(fù)雜的大分子鏈。因此,頁(yè)巖中碳的含量越高,分形維數(shù)越大,其孔隙結(jié)構(gòu)越復(fù)雜,非均質(zhì)性越強(qiáng)。
圖4 頁(yè)巖樣品分形維數(shù)和TOC關(guān)系圖Fig.4 Relationship between fractal dimension and TOC content of shale samples
水井沱組頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)與孔隙度無(wú)明顯相關(guān)性??紫抖仁茼?yè)巖大孔隙的影響大,而分形維數(shù)主要受頁(yè)巖小孔隙的影響[25]。據(jù)表2可知,水井沱組頁(yè)巖樣品中孔隙直徑變化大,因此導(dǎo)致頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)和孔隙度之間的關(guān)系復(fù)雜。
孔隙結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)與滲透率負(fù)相關(guān) (圖5)。微孔、中孔、大孔和裂縫之間的連通性控制頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的基質(zhì)滲透率。G.R.L.Chalmers利用掃描電鏡觀測(cè)到了Barnett頁(yè)巖中微孔、中孔和大孔之間的連通性[26]。頁(yè)巖氣儲(chǔ)層中微孔數(shù)目越多,大孔之間的孔喉越小,導(dǎo)致滲透率越低。因此,頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的TOC含量越高,孔隙結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)越大,頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的滲透率相對(duì)越差。
圖5 頁(yè)巖樣品分形維數(shù)和滲透率關(guān)系圖Fig.5 Relationship between permeability and fractal dimension of shale samples
應(yīng)用專業(yè)圖像分析軟件Image-Pro Plus處理中揚(yáng)子地區(qū)水井沱組頁(yè)巖SEM圖像,測(cè)量頁(yè)巖孔隙的等效周長(zhǎng)與等效面積,計(jì)算孔隙結(jié)構(gòu)的分形維數(shù),探討分形維數(shù)的影響因素,取得的認(rèn)識(shí)為:
(1)水井沱組頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)分布具有分形特征,孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性強(qiáng),其分形維數(shù)為2.66~2.81。
(2)相同孔隙類型的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層因其孔隙形態(tài)不同,具有不同的分形維數(shù);相同孔隙形態(tài)的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層因其孔隙類型不同,其分形維數(shù)也有差異。頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙大小和分布均勻程度越差,其分形維數(shù)越大;頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙形態(tài)越復(fù)雜,其分形維數(shù)也越大。
(3)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)與TOC正相關(guān),與滲透率負(fù)相關(guān),與孔隙度無(wú)明顯相關(guān)性。
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