閆建平, 何旭, 耿斌, 李興文, 郭紅梅

(1.西南石油大學(xué)天然氣地質(zhì)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 成都 610500; 2.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 四川 成都 610500; 3.中石化勝利油田勘探開(kāi)發(fā)研究院, 山東 東營(yíng) 257015; 4.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司長(zhǎng)慶事業(yè)部, 陜西 西安 718500)

0 引 言

低滲透砂巖儲(chǔ)層典型特征是孔隙類(lèi)型多樣,孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜,儲(chǔ)層劃分及有效性評(píng)價(jià)難度較大。很多學(xué)者對(duì)此開(kāi)展了相關(guān)的研究。龐振宇等[1]利用恒速壓汞、核磁共振等資料對(duì)蘇里格氣田低滲透儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間和孔隙結(jié)構(gòu)類(lèi)型進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)不同孔隙結(jié)構(gòu)類(lèi)型從粗態(tài)型、偏粗態(tài)型、偏細(xì)態(tài)型到細(xì)態(tài)型的儲(chǔ)集空間依次變差,儲(chǔ)層的品質(zhì)主要受喉道控制,喉道是決定其開(kāi)發(fā)效果的關(guān)鍵因素。蔡鑰等[2]基于電鏡、核磁共振和恒速壓汞,對(duì)塔中柯坪塔格組低滲透砂巖進(jìn)行了微觀孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)孔隙流體賦存狀態(tài)影響的研究。范俊佳等[3]通過(guò)毛細(xì)管壓力、孔隙度滲透率測(cè)試等方法研究庫(kù)車(chē)坳陷低滲透砂巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)滲透率與孔隙度沒(méi)有明顯的相關(guān)性,滲透率主要受孔隙結(jié)構(gòu)與裂縫發(fā)育控制。祝海華等[4]通過(guò)電鏡、物性及壓汞等資料,研究低滲透儲(chǔ)層孔隙類(lèi)型和物性特征,探討了孔隙發(fā)育類(lèi)型、孔滲關(guān)系的控制因素及物性變化與沉積條件的關(guān)系。Reza Rezaee等[5]利用壓汞和核磁共振數(shù)據(jù),運(yùn)用回歸分析研究滲透率和孔喉分布之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)在致密砂巖的T2譜中,小孔喉對(duì)應(yīng)于較小的值。Edgar Berrezueta等[6]運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行礦物、孔隙自動(dòng)化識(shí)別和計(jì)量,結(jié)合薄片較好地認(rèn)識(shí)了致密砂巖孔隙系統(tǒng)。

圖1 物性與壓汞參數(shù)間的關(guān)系*非法定計(jì)量單位,1 mD=9.87×10-4 μm2,下同

1 低滲透砂巖孔隙結(jié)構(gòu)特征及分類(lèi)

DY凹陷南斜坡Es4段壓汞曲線(xiàn)整體上顯示非常凌亂,其原因在于各個(gè)樣品的孔隙結(jié)構(gòu)差異比較大。最大進(jìn)汞飽和度SHg,max、排驅(qū)壓力pd比較分散,其他所涉及到的幾個(gè)反映孔隙結(jié)構(gòu)的基本表征量如滲透率、孔隙度和孔喉半徑均值都較低,分布范圍也較寬,清楚地說(shuō)明了該區(qū)塊灘壩砂巖孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和低滲透性。

分析ES4層段壓汞資料與物性資料,建立物性參數(shù)與壓汞特征參數(shù)間的關(guān)系(見(jiàn)圖1),當(dāng)孔隙結(jié)構(gòu)均勻、物性好,即孔隙度、滲透率越大時(shí),排驅(qū)壓力越小,最大進(jìn)汞飽和度越大。

鑒于低滲透砂巖孔隙結(jié)構(gòu)類(lèi)型的復(fù)雜多樣性,且為了便于分類(lèi)研究,進(jìn)一步對(duì)研究層段的毛細(xì)管壓力曲線(xiàn)形態(tài)及各特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)合常規(guī)物性、薄片、核磁共振及碎屑巖儲(chǔ)層孔隙度、滲透率類(lèi)型劃分標(biāo)準(zhǔn)[15]等資料,詳細(xì)對(duì)比各種孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,將低滲透砂巖孔隙結(jié)構(gòu)細(xì)分成了3大類(lèi)型、5種小類(lèi)(見(jiàn)表1)。

在成巖過(guò)程中ES4層段砂巖孔隙結(jié)構(gòu)主要受到壓實(shí)作用、膠結(jié)作用和溶蝕作用的改造影響[16-17],形成了復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)。分析5種孔隙結(jié)構(gòu)類(lèi)型對(duì)應(yīng)的薄片發(fā)現(xiàn),ES4層段溶蝕作用以方解石、長(zhǎng)石溶蝕為主,部分巖屑溶蝕。溶蝕作用很好地改善了巖石孔隙結(jié)構(gòu)。壓實(shí)和膠結(jié)作用越強(qiáng),使得巖石孔隙結(jié)構(gòu)越差[18]。

表1 DY凹陷南斜坡灘壩低滲透砂巖ES4段孔隙結(jié)構(gòu)分類(lèi)參數(shù)表

2 孔隙結(jié)構(gòu)類(lèi)型的分形表征

儲(chǔ)層巖石的孔隙結(jié)構(gòu)具有分形特征,可以用分形維數(shù)定量描述[19]。

2.1 壓汞曲線(xiàn)分形

以毛細(xì)管束模型為基礎(chǔ),若儲(chǔ)層巖石遵守Laplace方程[8]

(1)

式中,pc為孔徑對(duì)應(yīng)的毛細(xì)管壓力,MPa;σ為液體表面張力;θ為潤(rùn)濕接觸角;r為孔隙半徑?？傻玫饺缦玛P(guān)系

lgS=(D-3) lgpc+(3-D)pmin

(2)

式中,pmin為孔喉半徑值最大時(shí)對(duì)應(yīng)的毛細(xì)管壓力(壓汞實(shí)驗(yàn)中的啟動(dòng)壓力),MPa;D為分形維數(shù)值(三維分形維數(shù));S為巖石中孔隙半徑值小于r的累積孔隙體積占巖石總體積的比例(毛細(xì)管壓力值為pc時(shí)潤(rùn)濕相的飽和度)。

儲(chǔ)層的毛細(xì)管壓力求取對(duì)數(shù)值后與對(duì)應(yīng)的潤(rùn)濕相飽和度求取的對(duì)數(shù)值呈線(xiàn)性關(guān)系[9],因此,可以對(duì)壓汞實(shí)驗(yàn)結(jié)果采用圖解法或回歸分析法[10]進(jìn)行計(jì)算,得到孔隙三維分形維數(shù)D,從而通過(guò)求取孔隙空間的三維分形維數(shù)值用于表征孔隙結(jié)構(gòu)特征。

選取不同孔隙結(jié)構(gòu)類(lèi)型對(duì)應(yīng)的壓汞樣品數(shù)據(jù),用回歸分析法求出不同孔隙結(jié)構(gòu)類(lèi)型的三維分形維數(shù)值D(見(jiàn)表2),可以看出隨著孔隙結(jié)構(gòu)類(lèi)型的變化,相應(yīng)的分形維數(shù)值也呈一定的變化趨勢(shì)。對(duì)于結(jié)構(gòu)均質(zhì)性較好、孔隙的形狀較為規(guī)則、孔隙表面光滑的樣品如Ⅰ1、Ⅰ2類(lèi)儲(chǔ)層來(lái)說(shuō),毛細(xì)管壓力和潤(rùn)濕相飽和度之間的擬合關(guān)系相關(guān)系數(shù)值高,分形維數(shù)小(見(jiàn)圖2、表2)。

隨著孔隙結(jié)構(gòu)變差,微孔含量的增多,Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅲ型孔隙結(jié)構(gòu)類(lèi)型的分形維數(shù)值依次增加(見(jiàn)圖3),同時(shí)毛細(xì)管壓力和潤(rùn)濕相飽和度之間的相關(guān)系數(shù)值也在減小(見(jiàn)表2)。從表2可以看出Ⅰ1、Ⅰ2、Ⅱ1孔隙結(jié)構(gòu)類(lèi)型儲(chǔ)層的擬合曲線(xiàn)相關(guān)系數(shù)值較高,均大于0.8,分形特征明顯。而Ⅱ2型儲(chǔ)層的擬合曲線(xiàn)相關(guān)系數(shù)值較低,且具有明顯的拐點(diǎn)[見(jiàn)圖2(d)],整體上的分形特征不明顯。因此,對(duì)該孔隙結(jié)構(gòu)類(lèi)型儲(chǔ)層進(jìn)行分段分形分析,可以得出代表大孔隙和小孔隙結(jié)構(gòu)的2段線(xiàn)性關(guān)系(見(jiàn)圖4),可得大、小孔隙的分形維數(shù)分別為2.716、2.995。從兩者大小關(guān)系可以看出大孔隙的結(jié)構(gòu)明顯好于小孔隙,同時(shí)符合總體的分形維數(shù)變化趨勢(shì)。而Ⅲ型孔隙結(jié)構(gòu)類(lèi)型對(duì)應(yīng)的層段泥質(zhì)含量較高, 孔隙空間較小,壓汞不能很好地反映微孔孔隙結(jié)構(gòu),其整體分形特征極不明顯,毛細(xì)管壓力和潤(rùn)濕相飽和度之間的相關(guān)系數(shù)很小,也沒(méi)有分段分形的特征。

表2 不同孔隙結(jié)構(gòu)類(lèi)型分型維數(shù)

圖2 不同孔隙結(jié)構(gòu)類(lèi)型的毛細(xì)管壓力和潤(rùn)濕相飽和度關(guān)系

圖3 不同孔隙結(jié)構(gòu)類(lèi)型分形維數(shù)

2.2 核磁共振T2譜分形

核磁共振(NMR)實(shí)驗(yàn)獲得的T2譜分布中蘊(yùn)含孔隙結(jié)構(gòu)即孔徑分布信息,Yakov、運(yùn)華云、劉堂宴等[11,20-21]先后對(duì)利用核磁共振T2譜構(gòu)建偽毛細(xì)管壓力曲線(xiàn)進(jìn)行了研究,張超謨、何雨丹等[12,22]對(duì)前人的構(gòu)建方法進(jìn)行了改進(jìn),得式(3)

lgSv=(3-D) lgT2+(D-3) lgT2,max

(3)

式中,T2為橫向弛豫時(shí)間,ms;Sv為小于對(duì)應(yīng)的T2值的孔隙體積占總孔隙體積的比例;D為分形維數(shù);T2,max為最大橫向弛豫時(shí)間,ms。

具有分形特征孔隙結(jié)構(gòu)類(lèi)型的儲(chǔ)層中,lgSv與lgT2應(yīng)線(xiàn)性相關(guān),因此,可以利用回歸分析法對(duì)T2譜數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算(見(jiàn)圖5),得到T2譜對(duì)應(yīng)的孔隙三維分形維數(shù)D(見(jiàn)表3),用于表征孔隙結(jié)構(gòu)。

圖4 Ⅱ2型(12號(hào)樣品)孔隙結(jié)構(gòu)的毛細(xì)管壓力和潤(rùn)濕相飽和度整體、分段關(guān)系

圖5 不同孔隙結(jié)構(gòu)類(lèi)型的T2與Sv的關(guān)系

從Ⅰ1型、Ⅰ2型到Ⅲ型,隨著孔隙結(jié)構(gòu)類(lèi)型的變化,其分形維數(shù)值也呈相應(yīng)的變化趨勢(shì),即孔隙結(jié)構(gòu)變差,孔滲能力變?nèi)?儲(chǔ)層質(zhì)量變差,分形維數(shù)值增大,與基于壓汞曲線(xiàn)對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)類(lèi)型的分形表征趨勢(shì)一致。但是,對(duì)比基于壓汞曲線(xiàn)和基于核磁共振T2譜的分形維數(shù)發(fā)現(xiàn),二者對(duì)應(yīng)的數(shù)值大小不同,相關(guān)系數(shù)高低也不完全相同,其原因可能在于兩者反應(yīng)的孔隙尺度不同,核磁共振T2譜反映的孔喉半徑范圍要大于壓汞實(shí)驗(yàn)。

表3 不同孔隙結(jié)構(gòu)類(lèi)型T2譜的分形維數(shù)

2.3 CT掃描圖像分形

分形是指局部與整體在形態(tài)、功能和信息方面具有相似性的集合,這種自相似性?xún)H在一定的尺度范圍和一定的層次中才能表現(xiàn)出來(lái)[13]。不同于以往描述點(diǎn)的位置而引入的坐標(biāo)數(shù),分型維數(shù)不一定是整數(shù)[23]。常見(jiàn)的有豪斯多夫維數(shù)、盒子維數(shù)、相似維數(shù)、容量維數(shù),由于盒子維數(shù)的計(jì)算相對(duì)比較容易,所以在實(shí)際中的應(yīng)用也比較廣泛。通過(guò)計(jì)算CT圖像樣品的盒子維數(shù)進(jìn)行孔隙結(jié)構(gòu)特征定量研究是可行的[24],并且可以充分表征低滲透砂巖的非均質(zhì)性和復(fù)雜性。

分別取樣品H1、H2、H3,在每個(gè)樣品中再各取20個(gè)二維CT切片圖像(H1圖像編號(hào)分別為1～20,H2圖像編號(hào)分別為21～40、H3圖像編號(hào)分別為41～60)。對(duì)樣品的CT圖像做閥值分割、二值化(見(jiàn)圖6,紅色部分為孔隙),并計(jì)算、比較面孔率與盒維數(shù)(見(jiàn)圖7),可以看出兩者變化趨勢(shì)較為一致,即面孔率對(duì)其盒維數(shù)有顯著的影響,盒維數(shù)隨著面孔率的增大而增大,且孔滲更好的H3的分形維數(shù)整體明顯大于孔滲較差的H2和H1(見(jiàn)圖8)。

圖6 低滲透砂巖樣品原始圖像和處理后圖像對(duì)比(H2樣品)

圖7 盒維數(shù)和面孔率對(duì)比

圖8 盒維數(shù)—面孔率—滲透率關(guān)系

2.4 測(cè)井和物性曲線(xiàn)分形

以上分別根據(jù)壓汞曲線(xiàn)、核磁共振、CT圖像資料所開(kāi)展的關(guān)于孔隙結(jié)構(gòu)類(lèi)型的分形維數(shù)研究,不難發(fā)現(xiàn)依據(jù)分形維數(shù)對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)類(lèi)型進(jìn)行表征是可行的,但限于壓汞、核磁共振及CT圖像資料的有限性,不能夠在井筒中連續(xù)地評(píng)價(jià)孔隙結(jié)構(gòu),因此,將孔隙結(jié)構(gòu)類(lèi)型的分型研究推廣到測(cè)井曲線(xiàn)上。根據(jù)常規(guī)測(cè)井曲線(xiàn)劃分孔隙結(jié)構(gòu)類(lèi)型,并進(jìn)行不同類(lèi)型儲(chǔ)層段的測(cè)井曲線(xiàn)的盒維數(shù)計(jì)算,但發(fā)現(xiàn)不同的孔隙結(jié)構(gòu)類(lèi)型的盒維數(shù)值變化沒(méi)有特定的規(guī)律。分析其原因在于測(cè)井曲線(xiàn)反應(yīng)的是某個(gè)深度范圍內(nèi)的巖石物理屬性變化,而在該深度范圍內(nèi)儲(chǔ)層非均質(zhì)性可能導(dǎo)致孔隙結(jié)構(gòu)類(lèi)型的不斷變化,因此,在測(cè)井曲線(xiàn)的變化上不能很好地表現(xiàn)出單類(lèi)孔隙結(jié)構(gòu)類(lèi)型的特點(diǎn)。同時(shí),測(cè)井曲線(xiàn)值的高低不僅僅取決于孔隙結(jié)構(gòu),還與巖性、流體等因素有關(guān),因此不能單從測(cè)井曲線(xiàn)的變化判斷和劃分儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)類(lèi)型,需要構(gòu)建1條反映孔隙結(jié)構(gòu)變化的曲線(xiàn)。

基于測(cè)井解釋模型計(jì)算出儲(chǔ)層孔隙度和滲透率,再依據(jù)J函數(shù)公式[25]

(4)

通過(guò)統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果,發(fā)現(xiàn)不同孔隙結(jié)構(gòu)類(lèi)型儲(chǔ)層R曲線(xiàn)的分形維數(shù)的確存在差異,說(shuō)明孔隙結(jié)構(gòu)類(lèi)型也可以通過(guò)間接由測(cè)井曲線(xiàn)換算的參數(shù)R曲線(xiàn)的分形維數(shù)差異予以表征。

以此為基礎(chǔ)在GR—DEN測(cè)井二維交會(huì)的基礎(chǔ)上增添R曲線(xiàn)分形維數(shù)信息,使得利用測(cè)井交會(huì)圖在井筒剖面區(qū)分孔隙結(jié)構(gòu)類(lèi)型變得更為準(zhǔn)確、有效。利用該方法,以F×井ES4層段為例(見(jiàn)圖9),可連續(xù)識(shí)別井筒剖面中的孔隙結(jié)構(gòu)類(lèi)型,進(jìn)而為低滲透砂巖儲(chǔ)層測(cè)井解釋結(jié)論確定提供了依據(jù)。

表4 F×井ES4不同孔隙結(jié)構(gòu)類(lèi)型對(duì)應(yīng)參數(shù)R曲線(xiàn)的盒維數(shù)值

圖9 F×井ES4層段基于R曲線(xiàn)分形識(shí)別孔隙結(jié)構(gòu)類(lèi)型及有效儲(chǔ)層

2.5 巖心壓汞、核磁共振、CT圖像、測(cè)井曲線(xiàn)的分形維數(shù)比較

由巖心壓汞毛細(xì)管壓力曲線(xiàn)和核磁共振T2譜曲線(xiàn)所求取的盒維數(shù)值介于2和3之間,隨著巖石物性和孔隙結(jié)構(gòu)變差,所求取維數(shù)值呈明顯增大的趨勢(shì),同時(shí)壓汞曲線(xiàn)所求取的維數(shù)值普遍大于T2譜曲線(xiàn)所求取的維數(shù)值(見(jiàn)圖10)。而根據(jù)CT掃描圖做二值化處理以及根據(jù)R因子曲線(xiàn)所求取的盒維數(shù)值介于1和2之間,更多地是體現(xiàn)圖像形態(tài)的變化規(guī)律。隨著孔隙結(jié)構(gòu)變差,CT圖像中孔隙部分圖像的復(fù)雜程度降低,R因子曲線(xiàn)則由突變的峰值轉(zhuǎn)變?yōu)檩^為平滑的曲線(xiàn),兩者所求取的維數(shù)值均呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)(見(jiàn)圖10)。綜合巖心壓汞、核磁共振、CT掃描和測(cè)井曲線(xiàn)計(jì)算的R,分別求取不同孔隙結(jié)構(gòu)類(lèi)型巖石的分形維數(shù),發(fā)現(xiàn)所求取的維數(shù)值與其孔隙結(jié)構(gòu)類(lèi)型明顯對(duì)應(yīng)(見(jiàn)表5)。因此在利用各類(lèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分形維數(shù)劃分孔隙結(jié)構(gòu)類(lèi)型的基礎(chǔ)上,明確它們與測(cè)井計(jì)算孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)分形之間的關(guān)系,進(jìn)而立足于測(cè)井分形來(lái)識(shí)別孔隙結(jié)構(gòu)類(lèi)型是可行的。

圖10 不同方法求取的各種孔隙結(jié)構(gòu)類(lèi)型的分形維數(shù)

孔隙結(jié)構(gòu)類(lèi)型Ⅰ1型Ⅰ2型Ⅱ1型Ⅱ2型Ⅲ型巖心壓汞分形維數(shù)2.753～2.7822.797～2.8482.837～2.8772.894～2.9252.935～2.980核磁共振分形維數(shù)2.1592.1642.1752.1922.198CT圖像分形維數(shù)1.836～1.8651.385～1.5161.217～1.377測(cè)井曲線(xiàn)分形維數(shù)1.042～1.0541.032～1.0371.023～1.029

3 結(jié) 論

(1) 依據(jù)巖心壓汞、薄片、核磁共振及CT圖像等資料對(duì)DY凹陷南坡沙河街組ES4低滲透砂巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,結(jié)合碎屑巖儲(chǔ)層物性劃分標(biāo)準(zhǔn),將孔隙結(jié)構(gòu)劃分了3大類(lèi)5小類(lèi),明確了每1種孔隙結(jié)構(gòu)類(lèi)型的特征。

(2) 分析并計(jì)算不同孔隙結(jié)構(gòu)類(lèi)型樣品對(duì)應(yīng)巖心壓汞、核磁共振三維分形維數(shù)及CT圖像盒維數(shù),表明不同孔隙結(jié)構(gòu)類(lèi)型確實(shí)可以通過(guò)分形維數(shù)特征表征,但限于巖心壓汞、核磁共振及CT圖像資料的有限性,不能夠在井筒中連續(xù)地評(píng)價(jià)孔隙結(jié)構(gòu)類(lèi)型,而測(cè)井曲線(xiàn)分形與孔隙結(jié)構(gòu)類(lèi)型相關(guān)性較差。

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