储集层岩石孔隙结构非均质性的分形特征

储集层岩石孔隙结构非均质性的分形特征

低孔低渗油藏的勘探和开发越来越受到重视。这些油藏的油气充注和开采受到微观孔结构和储层空间分布的影响。因此，低渗油和储存层的性质非均质性和微观孔结构的研究已成为成功勘探和开发的重要因素。南翼山油田位于柴达木盆地西部北区,主要含油层为新近纪N2222～N1221地层,组成储层的岩性以泥灰岩和粉砂岩混合沉积的岩石类型。该储层的孔隙度值在7.2%～16.4%,渗透率几何平均值3.52×10-3μm2,该储层具有低孔、特低渗、孔隙结构复杂的特点。本文利用分形几何方法以南翼山油田为例,对该油田低渗储集层岩石孔隙结构的微观非均质性进行研究。1储集层分形维数和分形维数的定量描述组成部分与其整体以某种方式相似的形态,叫做分形。这个定义突出了相似性的作用,它反映了自然界中很广泛一类对象的基本属性,即局部与局部、局部与整体在形态、功能及信息上的相似性,自然界中的分形物体最主要的特征是具有自相似性。已有的研究表明,具有分形性质的物体的数目与其线性尺度之间存在着幂指数关系,而幂指数就是该物体的分形维数,因此可利用分形维数对具有分形性质的物体进行表征。研究分形的一个基本问题是要求出分形维数,以便研究有关的量与分形维数间的关系。分形维数按应用对象的不同主要有相似维数、Housdorff维数、信息维数、关联维数及广义维数。储集层岩石孔隙结构的复杂性,很难有方法定量的描述储集层孔隙结构的微观非均质性。法国数学家Mandelbrot创立了分形几何理论为研究油气储集层多孔介质复杂的微观孔隙结构提供了新的思路和方法;PfeiferP.等证明了储集层岩石的孔隙具有分形结构性质的结论,认为分形维数是介于2和3之间的小数;Katz和Thompson证明了多孔介质的微观孔隙结构具有分形特征,并测定了分形维数,认为分形维数越小,说明孔喉表面越光滑,均质性较强,形维数越大,孔喉表面越不光滑,表明该分形结构的复杂程度越大,非均质性越强;AnguloR.F等首次利用压汞数据计算了砂岩的分形维数,并认为利用压汞数据计算分形维数是合理的;贾芬淑等认为利用分形理论和有关技术可以分析砂岩油藏沉积特征及成岩过程对砂岩孔隙结构的影响规律;贺伟等证明了孔隙参数与分形特征的关系;马新仿、郎兆新等根据毛管压力曲线资料,用分段回归的方法计算了不同孔隙结构的分形维数,得出了对于复杂的孔隙结构需要采用分段回归的方法计算分形维数的结论。分形的重要特征是自相似性,定量描述这种具有自相似性的研究对象的参数称为分形维数。根据分形几何理论可推得式(1):lgS=(D-3)lgPc+(3-D)lgPmin(1)式中:D—分形维数;Pmin—储集层中最大孔径rman相应的毛细管压力;S—毛细管压力Pc时储集层中润湿相的饱和度。作lgS和lgPc的双对数坐标图,线性回归得到一条直线,说明毛管压力曲线具有分形特征,通过直线的斜率和截距就可以求出D和Pmin。根据分形几何理论,在三维欧氏空间内分形维数的值在2和3之间,越接近2,说明孔隙表面越光滑,储层的储集性能越好;分形维数的值越接近3,说明孔隙表面越不光滑,储层的储集性能越差。如果分形维数的值大于3,则说明该孔隙在该尺寸范围内不具有分形结构。岩样的分形维数反映岩样孔喉分布的结构性,岩样的分形维数越大,其微观孔隙结构非均质性越强。本文利用分形几何方法对柴达木盆地南翼山油田60块样品压汞数据进行分形,以进一步研究低渗储集层岩石孔隙结构的微观非均质性。2孔结构的形状2.1分段分形特征通过对60块压汞资料的进汞数据进行分形维数计算,南翼山油田储集层岩石的孔隙结构可划分为“单一”分形和“分段”分形两类。单一分形是指孔隙结构相差不大、毛细管压力和饱和度的双对数关系曲线完全或接近于一条直线(图1);分段分形是指孔隙结构相差较大、毛细管压力和饱和度的双对数关系曲线不是一条直线有着明显转折需要用分段回归的方法才能准确求出分形维数(图2)。单一分形的样品相对较少,在分析的60块样品中具有单一分形特征的岩心仅有8块,大部分集中在南浅3-3井的N1221地层,分形维数为2.6907～2.8140,平均值为2.7602(见表1)。分段分形包括孔隙和大孔隙两部分,统计的60块样品大部分为分段分形特征。小孔隙的分形维数为2.4148～2.8934,平均值为2.7131;大孔隙的分形维数为2.8945～2.9952,平均值为2.9725。用大孔隙和小孔隙各段所占汞饱和度进行加权平均求得岩石孔隙结构的整体加权分形维数为2.4823～2.9755,平均值为2.7533。与单一分形的分形维数相比较,两者相差不大,但是分段分形的大孔隙段比小孔隙段的孔隙结构非均质性严重的多,孔隙结构较差。由此可见,南翼山油田储层岩石孔隙结构的非均质性较强。具有大孔隙分形维数大于小孔隙分形维数特征属于右旋分形特征。表2是选取的其中11块具有代表性的样品分段分形维数。2.2储层分形维数与孔喉分选系数的关系南翼山油田孔隙结构的分形维数与岩石孔隙度和渗透率均无明显相关性,物性优劣与分形维数无一定关系。但分形维数与孔喉分选系数之间存在较好相关性。图3是所有样品分形维数与岩石孔喉分选系数之间相关曲线,很显然,两者之间存在较好正相关性,相关系数R2=0.5877。孔喉分选系数越小,说明岩石孔隙大小分布与孔喉均值偏差愈小,孔隙分布愈集中,储层孔隙非均质性越弱,而相应的分形维数就越小。由岩石孔喉的分选系数和分形维数正相关系可知,分形维数的大小也能反应储层孔隙非均质性,说明分形维数可以作为反映储层孔隙结构均质性的又一个重要的参数。3分散维数与孔腔透射进率之间的关系3.1渗透率特征以南浅3-3井为例,岩石孔隙结构相差不大,非均质性没有发生太明显的变化,渗透率贡献值都集中在大孔喉段,随着孔喉的减小,渗透率贡献值也逐渐减小,且单一分形只有一个波峰(图4)。3.2透率及分形维数以南浅5-5井2、3号两块样品为例,两块样品均具有分段分形特征,图5是它们的区间渗透率的贡献值与喉道半径关系曲线。的贡献值与喉道半径关系曲线图5明显与图4不同,分段分形随着孔喉半径的减小,两块样品在孔喉半径10～1μm区间内也有渗透率贡献,岩石的渗透率包括大孔喉贡献也有小孔喉的贡献。分段分形具有两个波峰,分别是大孔喉段和小孔喉段产生的,两个波峰的高度越接近则说明大孔喉段和小孔喉段的非均质就相差越大,而且可通过两个波峰的位置来判断分段点的位置。表3是上述两块样品大孔喉段和小孔喉段对应的岩石渗透率的贡献、所占孔隙体积百分数和分形维数。由表3可知,大孔喉段分形维数相对较高,说明大孔喉段非均质性较强,对岩石岩石渗透率的贡献其主要作用,但所占孔喉体积百分数不一定高。小孔喉段分形维数相对较低,说明分选较好,尽管所占孔喉体积百分数较大,但对岩石渗透率的贡献很小。例如2号样品小孔喉段占孔喉体积百分数为29.89%,对渗透率贡献仅为3.08%;3号样品小孔喉段所占孔喉体积分数达41.25%,但对渗透率贡献却仅为19.8%。同时还观察到,分形维数对渗透率贡献也有一定影响,某段的分形维数越小,对渗透率贡献相对较大。4岩石结构及特性(1)分形维数可以作为表征储集层岩石的孔隙结构非均质性的重要参数,而且分形维数越接近3,岩心孔隙非均质性越强,孔隙结构越差;(2)非均质性强的岩石具有多重孔隙结构,具有大孔喉分形