基于分形理論對馬嶺油田北三區(qū)延10儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征研究

桑宇，孫衛(wèi)，趙煜，趙冰瑤

（1.西北大學大陸動力學國家重點實驗室，陜西西安710069；2.西北大學地質(zhì)學系，陜西西安710069）

基于分形理論對馬嶺油田北三區(qū)延10儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征研究

桑宇1，2，孫衛(wèi)1，2，趙煜1，2，趙冰瑤1，2

（1.西北大學大陸動力學國家重點實驗室，陜西西安710069；2.西北大學地質(zhì)學系，陜西西安710069）

根據(jù)鑄體薄片以及掃描電鏡實驗結(jié)果，對馬嶺油田北三區(qū)延10儲層主要孔隙特征進行研究，并利用高壓壓汞實驗的毛細管壓力圖，計算不同巖樣的分形維數(shù)。結(jié)果表明，研究區(qū)主要的孔隙類型為粒間孔、溶孔以及晶間孔，喉道類型為點狀、片狀以及彎片狀；分形維數(shù)與儲層物性參數(shù)以及孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)性較好，可以綜合表征儲層的微觀非均質(zhì)程度；分形維數(shù)具有分區(qū)特征，主要由于研究區(qū)溶孔以及微孔隙的存在導致微觀非均質(zhì)性的增強，可用于儲層的分類評價中。

微觀孔隙結(jié)構(gòu)；分形維數(shù)；微觀非均質(zhì)性；延10儲層

研究區(qū)位于環(huán)縣與慶城之間，構(gòu)造位置上位于鄂爾多斯盆地西部的天環(huán)坳陷東部，馬嶺鼻褶帶北方向的“木合”隆起之上［1］，油藏形成主要受構(gòu)造和巖性條件影響，屬于構(gòu)造-巖性復合油藏。含油部位是位于侏羅系延安組的延9以及延10層，深度1 520 m～1 770 m，本文以馬嶺油田北三區(qū)延10儲層為研究對象，研究區(qū)含水上升較快，水驅(qū)動用程度低，無穩(wěn)產(chǎn)期，而其宏觀上層內(nèi)與層間非均質(zhì)性較弱，非均質(zhì)性主要體現(xiàn)在平面上，受控于研究區(qū)的沉積微相分布，故認為微觀上的非均質(zhì)性是影響研究區(qū)儲層生產(chǎn)開發(fā)的重要因素。

儲層微觀非均質(zhì)性主要表現(xiàn)在微觀孔隙結(jié)構(gòu)上，本文運用分形理論，并在高壓壓汞實驗的基礎(chǔ)上，運用分形理論計算各樣品微觀孔隙結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)，對研究區(qū)儲層進行評價，為其進一步的生產(chǎn)開發(fā)提供合理的地質(zhì)理論依據(jù)。

1　研究區(qū)微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征

由巖心以及鑄體薄片觀察，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)巖性以長石石英砂巖與巖屑長石砂巖為主，其次為少量的長石巖屑砂巖（見圖1），碎屑顆粒主要為中砂巖，其次為粗砂巖，還有少量的細砂巖，分選程度中等-好，磨圓度以次磨圓為主，膠結(jié)類型主要以孔隙-加大、孔隙、加大-孔隙膠結(jié)為主，膠結(jié)物主要為黏土礦物和硅質(zhì)，孔隙中充填的水云母膠結(jié)物可以使得殘余孔隙大量減少，大大降低了儲層的儲集性能和滲流特性；支持類型以點-線接觸為主，反應研究區(qū)壓實作用較強。研究區(qū)的巖性以及結(jié)構(gòu)上的差異導致了微觀孔隙結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性。

圖1　研究區(qū)砂巖三角分類圖

1.1孔隙類型

根據(jù)研究區(qū)鑄體薄片以及掃描電鏡觀察，研究區(qū)主力產(chǎn)層延1012-1與延1012-2的孔隙類型主要為粒間孔、長石溶孔、巖屑溶孔，其次為晶間孔（見表1，圖2）。

表1　研究區(qū)主力產(chǎn)層孔隙類型統(tǒng)計

1.1.1粒間孔研究層位受成巖壓實作用，導致存在于巖石骨架之間的粒間孔多呈三角形、四邊形和不規(guī)則外形（見圖2a），是研究區(qū)油氣主要儲存空間，占面孔率的85%。

1.1.2溶孔研究區(qū)的溶孔主要為長石溶孔以及巖屑溶孔，且長石溶蝕現(xiàn)象較為發(fā)育，長石溶蝕孔隙外形不規(guī)則，部分與粒間孔相連形成超大的孔隙（見圖2b），大大增強了儲層的連通能力以及儲滲能力，占面孔率的8%；而巖屑溶孔發(fā)育程度不高，主要發(fā)生在少量易溶的礦物中，多有絲縷狀殘余物顯示（見圖2c），也可以在一定程度上加強儲層的連通性以及儲滲能力，占面孔率的4%。

圖2　研究區(qū)孔隙類型

1.1.3晶間孔研究區(qū)晶間孔多見與石英次生加大、高嶺石以及伊利石充填于粒間孔中（見圖2d），使孔隙體積減少，造成微孔隙的存在，儲滲能力較弱，面孔率僅為0.3%。

1.2孔隙組合類型

由鑄體薄片以及掃描電鏡實驗站片觀察，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)存在著不同孔隙類型的組合情況，主要有粒間孔型、粒間孔-溶孔型以及溶孔-粒間孔型，還存在極少的粒間孔-微孔型。其中溶孔-粒間孔型由殘余粒間孔和粒間溶蝕孔組成；粒間孔-溶孔型由粒內(nèi)溶孔和溶蝕粒間孔所組成，并含有少量殘余粒間孔；粒間孔-微孔是由于黏土礦物充填孔隙，導致為空的產(chǎn)生。其中粒間孔、粒間孔-溶孔最常見，對儲層儲集性能貢獻最大，溶孔-粒間孔發(fā)育較少，而粒間孔-微孔極少存在。

1.3喉道類型

研究區(qū)由于機械壓實作用較強，研究區(qū)喉道類型多以點狀、片狀以及彎片狀為主（見圖3），根據(jù)李道品劃分喉道的方法，研究區(qū)的喉道類型以細、中和粗喉道為主，微喉道很少（見圖4），主要由于溶蝕作用改造以及晶間孔的存在導致微喉道的產(chǎn)生。

圖3　研究區(qū)喉道類型

2　孔隙結(jié)構(gòu)分形維數(shù)的計算

2.1分形理論與高壓壓汞

不同沉積環(huán)境及成巖作用過程將會導致不同的微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征，由鑄體薄片以及壓汞實驗資料可得知，盡管微觀孔隙結(jié)構(gòu)極其不規(guī)則，難以用常規(guī)的幾何參數(shù)精確描述，但孔隙結(jié)構(gòu)具有良好的統(tǒng)計自相似性，表現(xiàn)出了復雜的單分維或多分維特征［3］。微觀孔隙結(jié)構(gòu)具有分維特征，針對空間內(nèi)的孔隙結(jié)構(gòu)，是一個確定的擁有確定維數(shù)的幾何體，用高于其維度的尺度去衡量，結(jié)果將會是0；用低于其維度的尺度去衡量，結(jié)果為無窮大；以上均無法得到微觀孔隙結(jié)構(gòu)的準確維數(shù)，故必須用與其相同維度內(nèi)的尺度去衡量，才能得到其準確的維數(shù)，分形維數(shù)數(shù)學表達式是N（r）～r-DH，兩邊分別取自然對數(shù)進行轉(zhuǎn)換可得到，式中DH為豪斯多夫維數(shù)，可以取整數(shù)，也可以取分數(shù)，簡稱分形維數(shù)［4］。

圖3　研究區(qū)喉道類型

圖4　研究區(qū)喉道百分比圖

為了測量計算微觀孔隙結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)，需要借助能反應微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征的實驗數(shù)據(jù)，統(tǒng)計不同半徑孔隙的數(shù)量，可以計算出微觀孔隙的分形維數(shù)。由于高壓壓汞實驗得到的毛管壓力曲線中，可以反應不同壓力下所對應的水銀所注入不同半徑的孔喉，所以可以利用毛管壓力曲線對微觀孔隙結(jié)構(gòu)分形維數(shù)進行求?。?］。

2.2分形維數(shù)的計算

由分形維數(shù)的定義［6］，可以通過毛管壓力曲線來計算微觀孔隙結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)。根據(jù)分形幾何原理，一般儲層的微觀孔隙結(jié)構(gòu)具有分形特征，故孔隙半徑大小比r大的孔隙數(shù)量N（r）與r存在以下冪函數(shù)關(guān)系式：

式中：D-分形維數(shù)；α-常數(shù)。

有毛細管模型公式：

式中：l-毛細管模型的長度；Vhg-流過半徑為r的毛細管的水銀累計體積。由以上二式可推得：

將r=（2σcosθ）/pc代入上式可得：

水銀飽和度公式：

式中：VP-巖樣孔隙總體積；Shg-水銀飽和度。將水銀飽和度公式代入中得：

由上式可說明，巖樣中微觀孔隙結(jié)構(gòu)符合分形規(guī)律，壓汞實驗中的水銀飽和度與毛管壓力之間存在冪函數(shù)關(guān)系，對上式兩邊分別取自然對數(shù)得：

如上式所示，水銀飽和度的自然對數(shù)與毛管壓力的自然對數(shù)為一條直線，而直線斜率即為所要求出的分形維數(shù)。對研究區(qū)主力產(chǎn)層延1012-1以及延1012-2的11塊巖樣的壓汞數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，計算出各個巖樣的分形維數(shù)（見表2），發(fā)現(xiàn)研究區(qū)微觀孔隙結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)在2.05～2.15，一般分形維數(shù)越大，巖樣微觀孔隙結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性越強。

3　分形維數(shù)的地質(zhì)意義

依據(jù)分形理論，巖樣微觀孔隙結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)是在2～3，越接近于2，說明孔隙結(jié)構(gòu)越規(guī)則，孔隙表面越光滑，儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性程度越高，儲滲能力也就越強，反之，非均質(zhì)性越弱，儲滲能力越弱［7］。對研究區(qū)巖樣所取得的分形維數(shù)進行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)分形維數(shù)與儲層物性以及微觀孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)都具有一定的關(guān)系。

表2　馬嶺油田延10儲層物性參數(shù)以及分形維數(shù)

3.1分形維數(shù)與儲層物性的關(guān)系

通過建立研究區(qū)巖樣分形維數(shù)與孔滲參數(shù)的擬合關(guān)系（見圖5），發(fā)現(xiàn)分形維數(shù)與孔隙度負相關(guān)，但相關(guān)性不高，相關(guān)系數(shù)僅為0.174 2，而與滲透率關(guān)系呈一定的負相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.615 8，由于分形維數(shù)反應的是微觀孔隙結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)程度，而孔隙度僅僅表現(xiàn)儲層中的儲集空間，沒有考慮到復雜的空間結(jié)構(gòu)性，比如存在許多由于孔喉比大等原因?qū)е碌臒o效儲集空間，不能完全反映出儲層的非均質(zhì)程度，而分維系數(shù)可以反映這種復雜的空間結(jié)構(gòu)性，所以分形維數(shù)與孔隙度相關(guān)性不佳。

圖5　分形維數(shù)與物性參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系

圖6　孔喉大小參數(shù)與分形維數(shù)的相關(guān)關(guān)系

3.2分形維數(shù)與孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系

在壓汞實驗中，具有很多對儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)進行定量表征的參數(shù)，選取孔喉大小參數(shù)以及孔喉分選參數(shù)作與分形維數(shù)擬合關(guān)系圖，來探討研究其與分形維數(shù)之間的關(guān)系。

3.2.1分形維數(shù)與孔喉大小參數(shù)的關(guān)系在壓汞實驗中得到的參數(shù)中，反應孔喉大小的參數(shù)有排驅(qū)壓力以及中值壓力，分別反映了最大的孔隙半徑以及中值半徑，建立其與分形維數(shù)的擬合關(guān)系（見圖6），排驅(qū)壓力與中值壓力均與分形維數(shù)呈正冪關(guān)系，相關(guān)性較好，說明分形維數(shù)越大，所需的排驅(qū)壓力越大，中值壓力也越大，換言之，分形維數(shù)越小，研究區(qū)儲層的最大的孔喉半徑與中值半徑越大。

3.2.2分形維數(shù)與孔喉結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系能反映孔喉結(jié)構(gòu)的參數(shù)有很多，選取變異系數(shù)和均值系數(shù)來建立與分形維數(shù)的相關(guān)關(guān)系，來探究分形維數(shù)同孔喉分選參數(shù)的關(guān)系（見圖7），發(fā)現(xiàn)變異系數(shù)與分形維數(shù)呈較好的負冪關(guān)系（見圖7a），分形維數(shù)越大，變異系數(shù)越小，研究區(qū)儲集巖的孔隙結(jié)構(gòu)越差；均值系數(shù)與分形維數(shù)呈較好的正對數(shù)關(guān)系，分形維數(shù)越大，均值系數(shù)越大，而孔喉均值系數(shù)越小，研究區(qū)儲集巖的孔滲能力越強［8］，故分形維數(shù)越小，研究區(qū)儲集巖的孔滲能力越強。

圖7　研究區(qū)孔喉分選參數(shù)與分形維數(shù)的相關(guān)關(guān)系

3.3孔隙結(jié)構(gòu)分形維數(shù)分區(qū)特征

在對分形維數(shù)與儲層物性建立擬合關(guān)系后，發(fā)現(xiàn)分形維數(shù)具有分區(qū)的特點（見圖5），將分形維數(shù)在2.05～2.15區(qū)域定義為A區(qū)，在2.2～2.3區(qū)域內(nèi)定義為B區(qū)，A區(qū)分形維數(shù)比B區(qū)小，微觀孔隙復雜程度低，分別對A、B區(qū)的儲層物性、孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)以及主要孔隙類型進行統(tǒng)計（見表3），發(fā)現(xiàn)A區(qū)物性相對較好，滲透率為11.06 mD～361.2 mD，排驅(qū)壓力為0.018 MPa～0.120 MPa，分異系數(shù)為0.29～0.45，孔隙類型主要為粒間孔；B區(qū)物性比A區(qū)相比較差，滲透率為1.46 mD～39.46 mD，排驅(qū)壓力為0.074 MPa～0.183 MPa，分異系數(shù)為0.26～0.30，孔隙類型為粒間孔-微孔、粒間孔-溶孔。

表3　研究區(qū)A、B區(qū)儲層物性、孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)以及孔隙類型統(tǒng)計表

由表3可知，B區(qū)巖樣儲層物性以及微觀孔隙結(jié)構(gòu)之所以差于A區(qū)巖樣，由于B區(qū)巖樣中黏土礦物充填粒間孔導致微孔隙的產(chǎn)生，使整體孔隙結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)程度增強，導致物性較弱；而巖樣中溶孔的存在雖然在一定程度上會增強儲層的儲滲能力，但由于對礦物顆粒溶蝕的隨機性，導致微觀孔隙結(jié)構(gòu)的復雜程度增加，分形維數(shù)變大。故黏土礦物或雜基充填孔隙產(chǎn)生的微孔隙與溶蝕孔均可增加儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)程度，導致分形維數(shù)增大。

4　結(jié)論

（1）馬嶺油田北三區(qū)延10儲層主要孔隙類型為粒間孔、溶孔以及晶間孔，孔隙組合類型主要有粒間孔型、粒間孔-溶孔型以及溶孔-粒間孔型，還存在極少的粒間孔-微孔型，喉道類型以點狀、片狀以及彎片狀為主。

（2）分形維數(shù)反映了儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)程度，分形維數(shù)越小，儲層物性越好，孔喉分布越均勻，儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性越弱，儲滲能力越強，儲層質(zhì)量也就越好。

（3）研究區(qū)儲層巖樣分形維數(shù)有分區(qū)特征，主要由于微孔隙以及溶蝕孔的存在，導致研究區(qū)巖樣微觀孔隙復雜程度增加，微觀非均質(zhì)性增強，導致分區(qū)現(xiàn)象出現(xiàn)，可用于儲層的分類評價。

［1］何文祥，許雅，劉軍鋒，等.馬嶺油田北三區(qū)河流相儲層構(gòu)型綜合地質(zhì)研究［J］.石油學報，2010，（2）：274-279.

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Research on characteristics of micro-pore structure of Yan 10 reservoir in northern Maling oilfield based on fractal theory

SANG Yu1，2，SUN Wei1，2，ZHAO Yu1，2，ZHAO Bingyao1，2
（1.Key Laboratory of Continental Dynamics of Ministry of Education，Xi'an Shanxi 710069，China；2.Department of Geology，Northwest University，Xi'an Shanxi 710069，China）

According to the result of cast thin section and scanning electron microscope，research the characteristics of pore structure of Yan 10 reservoir in northern Maling oilfield，using capillary pressure diagram from high pressure mercury test，calculating fractal dimension of rock specimen.The results demonstrate that the main pore types are intergranular pores，solution pores and inter crystalline pores，the main throat types are sheets or sheetbend，point-like，the fractal dimension has good correlation with reservoir physical parametersand pore structure parameters，it can be reflected the micro heterogeneity.The fractal dimension has district features，because that the existence of solution pores and micro pores cause the enhance of micro heterogeneity，it can be used for reservoir classification evaluation.

micro-pore structure；fractal dimension；micro heterogeneity；Yan 10 reservoir

化學工程

TE122.23

A

1673-5285（2016）09-0097-07

10.3969/j.issn.1673-5285.2016.09.025

2016－07-19

國家科技重大專項大型油氣田及煤層氣開發(fā)，項目編號：2011ZX05044。

桑宇，男（1991-），碩士生，現(xiàn)就讀于西北大學地質(zhì)學系，研究方向為儲層精細描述及油氣田開發(fā)。