司馬立強(qiáng), 楊國(guó)棟, 吳豐, 王亮, 孟凡
(西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 四川 成都 610500)
中國(guó)東西部中、新生代陸相含油氣盆地碎屑巖儲(chǔ)層中砂礫巖儲(chǔ)層廣泛分布,已在準(zhǔn)噶爾盆地的西北緣和東緣、渤海灣盆地濟(jì)陽(yáng)坳陷、海拉爾盆地及松遼盆地北部等發(fā)現(xiàn)了大量的砂礫巖油氣藏,其中以準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖凹陷百口泉組砂礫巖儲(chǔ)層的油氣勘探與開發(fā)最獲矚目?,敽枷莅倏谌M儲(chǔ)層致密,孔隙度普遍較低(小于12%),孔隙結(jié)構(gòu)是影響儲(chǔ)層滲流特性及油氣能否產(chǎn)出的關(guān)鍵。受瑪湖凹陷百口泉組儲(chǔ)層巖石成分復(fù)雜、粒度變化較大、孔隙類型多樣等因素的影響,儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性較強(qiáng),孔隙結(jié)構(gòu)的有效表征及評(píng)價(jià)存在困難。
分形幾何的研究對(duì)象是非線性系統(tǒng)中具有某種自相似性的現(xiàn)象。所謂分形是指物體的數(shù)目與其線性尺度之間存在著冪函數(shù)關(guān)系,而冪指數(shù)就是該物體的分形維數(shù)[1]。可利用分形維數(shù)對(duì)具有分形性質(zhì)的物體進(jìn)行表征。不同沉積環(huán)境及成巖作用過程造成的孔隙結(jié)構(gòu)特征不同,盡管孔隙結(jié)構(gòu)極不規(guī)則,難以用常規(guī)參數(shù)描述,但孔隙結(jié)構(gòu)具有良好的自相似性,表現(xiàn)出復(fù)雜的單分維或多分維特征[2]。
基于儲(chǔ)層巖石孔隙結(jié)構(gòu)的分形特征,利用分形理論計(jì)算儲(chǔ)層分形維數(shù),為儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的評(píng)價(jià)提供了新的思路與手段。儲(chǔ)層分形維數(shù)的計(jì)算模型有毛細(xì)管束模型、J函數(shù)模型、熱力學(xué)模型等。Pfeifer等利用氮?dú)馕角€計(jì)算分形維數(shù),計(jì)算結(jié)果表明分形維數(shù)介于2~3之間[3];Katz等利用掃描電鏡提取參數(shù)計(jì)算分形維數(shù),其范圍為2~3;分形維數(shù)越大,孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性越強(qiáng)[4];Shen P等根據(jù)壓汞毛細(xì)管壓力曲線利用毛細(xì)管束模型計(jì)算分形維數(shù),發(fā)現(xiàn)小孔隙具有分形特征,而大孔隙部分不具有分形特征[5];徐守余、張婷等研究顯示毛細(xì)管束分形模型、J函數(shù)模型能有效表征砂巖儲(chǔ)層孔隙分形特征[6-7];郭春華、張陳珺等采用熱力學(xué)模型研究了頁(yè)巖的孔隙分形特征,取得了較好的效果[8-9];安士凱、楊宇等采用熱力學(xué)模型對(duì)煤層的孔隙分形特征進(jìn)行了分析[10-11]。文獻(xiàn)調(diào)研顯示,毛細(xì)管束模型、J函數(shù)模型、熱力學(xué)模型等所計(jì)算的分形維數(shù)在砂巖、頁(yè)巖、煤層孔隙結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)中取得了較好效果。但是,利用分形維數(shù)對(duì)致密砂礫巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)特征的研究還未見報(bào)道。對(duì)致密砂礫巖儲(chǔ)層孔隙分形特征的研究需探討適合于致密砂礫巖儲(chǔ)層的分形維數(shù)計(jì)算模型,并針對(duì)致密砂礫巖儲(chǔ)層特征分析其影響因素。
本文基于準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖凹陷百口泉組48塊致密砂礫巖樣品的壓汞毛細(xì)管壓力曲線,采用多種模型計(jì)算儲(chǔ)層分形維數(shù);根據(jù)儲(chǔ)層參數(shù)與分形維數(shù)的關(guān)系,提出了適應(yīng)于致密砂礫巖儲(chǔ)層的分形模型;在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步對(duì)分形維數(shù)的影響因素進(jìn)行了分析。
壓汞毛細(xì)管壓力曲線的形態(tài)能定性反映儲(chǔ)層孔徑范圍,即表征儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu);基于壓汞毛細(xì)管壓力曲線提取分形維數(shù)定量表征儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的分形模型有J(pc,K,φ)函數(shù)曲線模型、毛細(xì)管束模型、熱力學(xué)模型等。為確定孔隙結(jié)構(gòu)分形模型表征的有效方法,需利用各模型計(jì)算分形維數(shù),并對(duì)比其計(jì)算結(jié)果。
Leverett M C將實(shí)測(cè)巖心毛細(xì)管壓力與參考毛細(xì)管壓力的比值定義為巖心的J(pc,K,φ)函數(shù)[12]
(1)
式中,J(pc,K,φ)為J函數(shù),無(wú)因次量;pc為毛細(xì)管壓力,MPa;σ為界面張力,mN/m;θ為潤(rùn)濕相接觸角,(°);K為滲透率,mD*非法定計(jì)量單位,1 mD=9.87×10-4 μm2,下同;φ為孔隙度,%。
賀承祖等根據(jù)式(1)推導(dǎo)出潤(rùn)濕相流體飽和度Shg與J(pc,K,φ)函數(shù)關(guān)系[13]
(2)
對(duì)式(2)兩邊求對(duì)數(shù),經(jīng)過推導(dǎo)可得
(D-3) lgJ(pc,K,φ)
(3)
式中,SHg為潤(rùn)濕相飽和度,%;D為分形維數(shù);f為毛細(xì)管彎曲度。對(duì)式(3)做lgSHg和lgJ(pc,K,φ)雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖,擬合直線的斜率為D-3。
圖1為J(pc,K,φ)函數(shù)曲線分形模型計(jì)算分形維數(shù)的實(shí)例,A7樣品分形維數(shù)為2.829,擬合數(shù)據(jù)相關(guān)性較好。然而,擬合曲線有明顯的拐點(diǎn)[見圖1(a)],表明不同半徑的孔喉具有不同的分形特征。根據(jù)樣品孔喉半徑分布規(guī)律擬合出相應(yīng)的曲線斜率,得到大、小孔隙的分形維數(shù)D1和D2[見圖1(b)、表1],對(duì)比大、小孔隙分形維數(shù),表明巖石大孔隙非均質(zhì)性更強(qiáng)。
圖1 J(pc,K,φ)函數(shù)分形模型計(jì)算巖心整體分形和分段分形擬合曲線(A7樣品)
樣品孔隙度/%滲透率/mDJ(pc,K,?)函數(shù)分形維數(shù)D大孔隙D1小孔隙D2毛細(xì)管束分形維數(shù)D大孔隙D1小孔隙D2熱力學(xué)分形維數(shù)DA112.22.872.872.662.92.3562.787A29.90.2132.8822.7952.7432.332.747A37.71.042.882.7592.8872.3342.769A490.9262.9132.2132.8232.5062.839A57.25.992.9172.8372.7042.3162.763A68.40.7662.8582.5982.9222.2422.757A791.442.9062.7612.8232.3742.793A89.57.422.8572.2172.8472.4032.806A98.70.2432.8462.7322.8642.3832.776A1012.60.1312.8642.6672.9822.4242.793
毛細(xì)管壓力可以提供相應(yīng)的孔喉特征及其分布信息。根據(jù)毛細(xì)管模型,有[14]
(4)
式中,N為孔喉數(shù)量;VHg為累計(jì)進(jìn)汞量,m3;l為毛細(xì)管長(zhǎng)度,cm;r為孔喉半徑,μm。
式(4)直接反映出孔徑和孔隙體積的關(guān)系,應(yīng)用壓汞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求取孔隙結(jié)構(gòu)分形維數(shù)。根據(jù)分形幾何理論推導(dǎo)公式可得
(5)
式中,SHg為非潤(rùn)濕相(汞)的累計(jì)體積,m3;a為常數(shù)。
根據(jù)壓汞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制lgSHg—lgpc交會(huì)圖,用線性回歸法擬合得到直線的斜率為D+2。
圖2為A7樣品應(yīng)用毛細(xì)管束模型計(jì)算分形維數(shù)的實(shí)例。A7樣品分形維數(shù)為2.525,擬合數(shù)據(jù)相關(guān)性較好,但擬合曲線同樣具有明顯拐點(diǎn)[見圖2(a)],分段擬合計(jì)算的大孔隙分形維數(shù)為2.823,小孔隙分形維數(shù)為2.374。研究區(qū)部分樣品分形維數(shù)計(jì)算結(jié)果見表1。相比J(pc,K,φ)函數(shù)曲線分形模型,毛細(xì)管束分形模型表征的大孔隙非均質(zhì)性更強(qiáng)。
壓汞實(shí)驗(yàn)中進(jìn)汞量和孔隙表面能存在相關(guān)性。張保全等提出熱力學(xué)分形模型[15],有
dW=-pdV=-γLcosθdS
(6)
式中,W為孔隙表面能,J/m2;V為孔隙體積,m3;γL為汞與孔表面的表面張力,J/m;S為孔隙表面積,m2。
(7)
(8)
圖2 毛細(xì)管束模型計(jì)算巖心整體分形和分段分形擬合曲線(A7樣品)
式中,Wn為累積孔隙表面能,J/m2;pi為第i次進(jìn)汞壓力,MPa;ΔVi為第i次進(jìn)汞量,m3;Qn為進(jìn)汞增量,m3;Vn為總孔隙體積,m3;rn為第n次進(jìn)汞對(duì)應(yīng)的孔喉半徑,μm。
根據(jù)分形理論,結(jié)合熱力學(xué)原理,得到熱力學(xué)分形模型的計(jì)算公式
(9)
式中,C為常數(shù)。
根據(jù)式(9)繪制雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖(見圖3),擬合直線的斜率為分形維數(shù)D。
圖3 熱力學(xué)模型計(jì)算分形維數(shù)擬合曲線(A7樣品)
熱力學(xué)分形模型計(jì)算A7樣品的分形維數(shù)為2.793,分形維數(shù)擬合相關(guān)性較高(見圖3),但難以區(qū)分大孔隙和小孔隙分形特征。
對(duì)3種模型計(jì)算的48塊樣品分形維數(shù)分析發(fā)現(xiàn),J(pc,K,φ)函數(shù)計(jì)算的大孔隙分形維數(shù)為2.823~2.961,小孔隙分形維數(shù)為2.217~2.936;毛細(xì)管束模型計(jì)算的大孔隙分形維數(shù)為2.7~2.991,小孔隙分形維數(shù)為2.194~2.549;熱力學(xué)分形模型計(jì)算的分形維數(shù)為2.633~2.839。對(duì)于J(pc,K,φ)函數(shù)模型和毛細(xì)管束模型計(jì)算的大、小孔隙的分形維數(shù)通過大、小孔隙的進(jìn)汞量進(jìn)行加權(quán)平均,得到最終可以表達(dá)樣品整體孔隙分形特征的分形維數(shù)D。
上述3種分形模型分析表明,儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)與其線性尺度存在冪函數(shù)關(guān)系。式(3)、式(5)、式(9)的冪指數(shù)就是描述孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的分形維數(shù),可以利用分形維數(shù)對(duì)儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量表征。分形維數(shù)分布范圍為2~3,分形維數(shù)越小,孔隙形狀越規(guī)則,孔隙表面越光滑,孔滲關(guān)系越好,儲(chǔ)層滲流性越好。
基于3種分形維數(shù)計(jì)算模型,利用48塊樣品分形維數(shù)表征儲(chǔ)層物性對(duì)其效果進(jìn)行了對(duì)比分析,以驗(yàn)證3種模型的適用性;J(pc,K,φ)函數(shù)分形模型計(jì)算的分形維數(shù)隨孔隙度的減小而增大,而滲透率與分形維數(shù)物無(wú)規(guī)律[見圖4(a1)、(a2)];毛細(xì)管束模型分形維數(shù)隨孔隙度、滲透率的減小而增大,但毛細(xì)管束模型分形維數(shù)與滲透率相關(guān)性更高[見圖4(b1)、(b2)]。熱力學(xué)分形模型計(jì)算的分形維數(shù)與孔隙度無(wú)規(guī)律,分形維數(shù)隨滲透率的降低而增大,但增大程度不明顯[見圖4(c1)、(c2)];對(duì)比分析結(jié)果表明,毛細(xì)管束模型分形維數(shù)與儲(chǔ)層物性的變化規(guī)律吻合最好,該分形維數(shù)能定量表征儲(chǔ)層物性。
圖4 分形維數(shù)與孔隙度、滲透率的關(guān)系
利用48塊樣品分形維數(shù)表征儲(chǔ)層孔喉特征,對(duì)比分析各模型所計(jì)算分形維數(shù)與孔喉特征參數(shù)之間的關(guān)系。對(duì)比分析結(jié)果表明,J(pc,K,φ)函數(shù)模型與儲(chǔ)層孔喉特征參數(shù)無(wú)明顯規(guī)律,不能很好地表征儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)特征[見圖5(a1)、(a2)、(a3)];而毛細(xì)管束模型分形維數(shù)與孔喉特征參數(shù)有較好的相關(guān)性,分形維數(shù)隨著分選系數(shù)的減小、排驅(qū)壓力的增大和最大孔喉半徑的減小而增大,表明孔喉分布越不均勻,儲(chǔ)層儲(chǔ)集性能越差,其分形維數(shù)越接近于3.0[見圖5(b1)、(b2)、(b3)];熱力學(xué)模型計(jì)算的分形維數(shù)和孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)無(wú)規(guī)律,且分形維數(shù)為2.6~3.0[見圖5(c1)、(c2)、(c3)]。
圖5 分形維數(shù)與孔隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的關(guān)系
綜合分析表明,分形維數(shù)越大,孔隙度、滲透率、分選系數(shù)、最大孔喉半徑越小,排驅(qū)壓力越大。分形維數(shù)與各孔喉參數(shù)表現(xiàn)出較好的相關(guān)性。毛細(xì)管束分形模型計(jì)算的分形維數(shù)可以更好地表征致密砂礫巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)及相關(guān)參數(shù)。
巖石顆粒粒度大小分布、粒度分選及磨圓程度可影響儲(chǔ)層巖石孔隙結(jié)構(gòu)。分析表明,實(shí)驗(yàn)樣品A5、A7、A9粒級(jí)分布為6~40 mm,以小中礫石和大中礫石為主,樣品A5的計(jì)算分形維數(shù)為2.476,相對(duì)其他樣品分形維數(shù)較小;實(shí)驗(yàn)樣品A2、A3粒級(jí)為2.5~8 mm,以細(xì)礫石為主;實(shí)驗(yàn)樣品A1、A4粒級(jí)為0.3~2.5 mm,以粗砂為主。分析粒級(jí)分布特征與分形維數(shù)的關(guān)系表明,研究區(qū)儲(chǔ)層巖石粒級(jí)與分形維數(shù)無(wú)規(guī)律(見圖6)。巖石顆粒粒度對(duì)研究區(qū)致密砂礫巖的分形維數(shù)影響不明顯。
圖6 研究區(qū)致密砂礫巖粒度分布特征與分形維數(shù)的關(guān)系
巖石碎屑成分是影響儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素。研究區(qū)致密砂礫巖巖屑包含凝灰?guī)r、 花崗巖等火山巖巖屑以及砂質(zhì)成分的石英和長(zhǎng)石。分析巖屑成分含量與分形維數(shù)的關(guān)系表明,分形維數(shù)與凝灰?guī)r含量具有明顯的線性正相關(guān)關(guān)系,花崗巖、長(zhǎng)石及石英的含量與分形維數(shù)無(wú)規(guī)律(見圖7)。致密砂礫巖儲(chǔ)層半塑性凝灰?guī)r含量較高且易發(fā)生形變,造成粒間孔隙和喉道數(shù)目減少,孔喉半徑減小,孔隙結(jié)構(gòu)、物性變差,導(dǎo)致分形維數(shù)增大。凝灰?guī)r含量的變化引起礫巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)強(qiáng)非均質(zhì)性。碎屑成分是分形維數(shù)的影響因素之一。
19塊巖心樣品黏土礦物與分形維數(shù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明,分形維數(shù)隨高嶺石含量的增加而減小,呈負(fù)相關(guān)關(guān)系;伊利石、伊與蒙混層、綠泥石與分形維數(shù)沒有表現(xiàn)出較好的相關(guān)關(guān)系(見圖8)。巖石薄片鏡下觀察顯示,高嶺石溶蝕孔及高嶺石晶間孔,對(duì)儲(chǔ)層物性、孔隙結(jié)構(gòu)具有改善作用,導(dǎo)致分形維數(shù)減小。黏土礦物中高嶺石是影響分形維數(shù)的因素之一。
圖7 研究區(qū)致密砂礫巖主要巖屑成分與分形維數(shù)的關(guān)系
圖8 研究區(qū)致密砂礫巖黏土礦物與分形維數(shù)的關(guān)系
圖9 研究區(qū)致密砂礫巖儲(chǔ)層孔隙類型
孔喉形態(tài)的復(fù)雜程度直接決定分形維數(shù)的大小。研究區(qū)致密砂礫巖儲(chǔ)層巖石薄片表明,儲(chǔ)層孔隙類型以剩余粒間孔、粒內(nèi)溶孔為主,微裂縫和晶間孔次之(見圖9)。儲(chǔ)層孔隙類型以多種組合形式存在,孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜,孔喉形態(tài)多以條狀、管束狀為主。毛細(xì)管束分形模型計(jì)算的分形維數(shù)可以較準(zhǔn)確地反映其孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度。
圖10 研究區(qū)產(chǎn)能與分形維數(shù)的關(guān)系圖*非法定計(jì)量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同
分析研究區(qū)7口井10個(gè)試油層段產(chǎn)能與分形維數(shù)的關(guān)系結(jié)果顯示,產(chǎn)能越大,分形維數(shù)越小。圖10(a)M131井日產(chǎn)油9.24 t,試油層段巖心最大進(jìn)汞飽和度大,排驅(qū)壓力小,孔喉分布范圍為0.035~4.59 μm,分形維數(shù)值為2.427;圖10(b)X93井日產(chǎn)油3.45 t,試油層段巖心最大進(jìn)汞飽和度小,排驅(qū)壓力大,孔喉分布范圍為0.035~2.295 μm,分形維數(shù)值為2.691。表2為研究區(qū)7口井10個(gè)試油層段試油產(chǎn)能與分形維數(shù)的關(guān)系表。表2進(jìn)一步顯示產(chǎn)能越大,有效評(píng)價(jià)儲(chǔ)層產(chǎn)能的大小。
分形維數(shù)越小。利用分形維數(shù)的高低可以
(1) 毛細(xì)管束分形模型、J函數(shù)模型均可以區(qū)分致密砂礫巖的大孔隙和小孔隙,但毛細(xì)管束分形模型計(jì)算的小孔隙分形維數(shù)跨度較小,范圍2.194~2.549;熱力學(xué)模型則無(wú)法區(qū)分大孔隙和小孔隙。
(2) 孔隙度、滲透率、分選系數(shù)、最大孔喉半徑越小,排驅(qū)壓力越大,則分形維數(shù)越大;孔隙度、滲透率、孔隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)與毛細(xì)管束模型分形維數(shù)具有較好的相關(guān)性。
(3) 半塑性凝灰?guī)r為主的碎屑成分、黏土礦物中高嶺石是致密砂礫巖儲(chǔ)層分形維數(shù)的主要影響因素。孔隙類型及形態(tài)的復(fù)雜程度直接影響分形模型的適用性。
(4) 研究區(qū)試油產(chǎn)能越大,分形維數(shù)越小,產(chǎn)能與分形維數(shù)有著密切的關(guān)系,可以通過分形維數(shù)評(píng)價(jià)產(chǎn)能大小。
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