兩種毛管壓力模型對(duì)比的儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)分形研究

劉銀山

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兩種毛管壓力模型對(duì)比的儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)分形研究

劉銀山

（陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司研究院，陜西 西安 710075）

基于多孔介質(zhì)分形理論進(jìn)行Li-Horne 毛管壓力模型和 Brooks-Corey 毛管壓力模型的推導(dǎo)， 證明Brooks-Corey 毛管壓力模型為 Li-Horne 毛管壓力模型的一種特殊形式。并利用兩種毛管壓力模型對(duì)北部灣盆地不同滲透率巖樣的壓汞曲線(xiàn)進(jìn)行擬合，獲得孔隙大小分布指數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)儲(chǔ)層的非均質(zhì)程度，由于Brooks-Corey 模型適用于均質(zhì)儲(chǔ)層，而 Li-Horne 模型對(duì)于均質(zhì)、非均質(zhì)儲(chǔ)層均適用，所以 Li-Horne 模型擬合結(jié)果好于 Brooks-Corey 模型。同時(shí)，根據(jù) Li-Horne 模型推導(dǎo)出多孔介質(zhì)孔隙分布的分形概率模型，其指數(shù)與分形維數(shù)有關(guān)，利用該模型計(jì)算的孔喉尺寸分布與壓汞曲線(xiàn)獲得的結(jié)果一致。

分形維數(shù)；孔隙大小分布指數(shù)；毛管壓力模型；孔隙概率分布函數(shù)

20 世紀(jì)80年代初，法國(guó)數(shù)學(xué)家 Mandelbrot 創(chuàng)立了分形幾何學(xué)，并在《自然分形幾何》中引入分形概念。分形的重要特征是自相似性（也稱(chēng)標(biāo)度不變性），即分形的局部與整體以某種方式相似，而分形的整體不隨測(cè)量尺度變化； 維數(shù)是確定幾何對(duì)象中一個(gè)點(diǎn)位置的獨(dú)立坐標(biāo)數(shù)目，由于歐拉幾何空間中維數(shù)為整數(shù)，因此，無(wú)法確定無(wú)序的不規(guī)則物體的維數(shù)。

1985 年，Katz 和 Thompson 采用掃描電鏡（SEM）研究砂巖的分形特征，并提出基于分形統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)巖石孔隙度的方法[1-3]；1986 年，Wong 等人利用小角度中子散射（SANS）研究沉積巖的微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)砂巖和頁(yè)巖的孔隙空間由于粘土礦物的存在而呈現(xiàn)分形特征[4-5]；1987年，F(xiàn)riesen 和 Mikula 提出了一種利用壓汞數(shù)據(jù)推斷煤顆粒分形維數(shù)的方法[6]；1988 年，Hansen 和 Skjeltorp 指出巖石的滲透率與分形維數(shù)有關(guān)；1992年，Angulo 和Gonzalez提出另一種利用壓汞數(shù)據(jù)推斷分形維數(shù)的方法[7,8]；1994 年，Shen和李克文指出：與大孔隙有關(guān)的多孔介質(zhì)部分不具有分形特征，而與小孔隙相關(guān)的多孔介質(zhì)部分具有分形特征[9]；2003年，李克文和 Horne發(fā)現(xiàn) Brooks-Corey 模型對(duì)裂縫性砂巖不適用，并提出 Li-Horne 毛管壓力模型來(lái)獲取多孔介質(zhì)的分形維數(shù)[6-9]。

綜上所述，推斷巖石分形維數(shù)的主要方法有：掃描電鏡法（SEM）、小角度中子散射法(SANS)、薄片法和壓汞法。壓汞法主要通過(guò)毛管力模型擬合壓汞曲線(xiàn)獲得分形維數(shù)，毛管壓力模型主要有：Corey 模型（1954 年）、Thomeer 模型（1960 年）、Brooks-Corey 模型（1964年）、Van Genuchten 模型（1980 年）、 Skelt-Harrison 模型（1995 年）、Jing-Van Wunnik 模型（1998 年）、Li-Horne 模型（2003年）[10-12]等。目前 Brooks-Corey 模型和 Li-Horne 模型比較常用。

1 多孔介質(zhì)的分形理論

在分形理論中，維數(shù)可以是整數(shù)，也可以是分?jǐn)?shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)分形維數(shù)， 它是描述分形的最基本的特征量。根據(jù)分形幾何理論，孔隙數(shù)目()與半徑之間有如下的關(guān)系：

式中：D—分形維數(shù)。

多孔介質(zhì)的油氣儲(chǔ)集空間與滲流空間由孔隙和孔隙間的喉道組成，孔喉的空間分布具有統(tǒng)計(jì)的自相似性，即某一部分放大之后與較大部分具有相同的概率分布，可以用隨機(jī)分形描述。對(duì)于單根圓柱形毛細(xì)管，其半徑為、長(zhǎng)度為，則體積為π2。根據(jù)毛細(xì)管模型，()的表達(dá)式如下：

式中：—毛細(xì)管長(zhǎng)度；

聯(lián)立式（1）和式（2），可得：

假設(shè)長(zhǎng)度不是半徑的函數(shù)，對(duì)于三維孔隙空間，假設(shè)=，則：

由于毛管壓力與孔喉半徑成反比，所以式（4）可以變?yōu)椋?/p>

2 毛管壓力模型推導(dǎo)

含汞飽和度=汞侵入巖樣的總體積/巖樣的孔隙體積，則：

式中：—常數(shù)。

當(dāng)Hg從 0 增加到 0+時(shí)，毛管壓力相應(yīng)的從 0 增加到P，根據(jù)式（6），可得：

其中，ε為接近于 0 的無(wú)限小的正數(shù)。

當(dāng)毛管壓力為max，Hg為最大值，根據(jù)式（6），可得：

式中：Hg∞—最大含汞飽和度；

max—在Hg∞時(shí)的最大毛管壓力。

聯(lián)立式（ 6）-式（ 8），可得：

由于ε趨于0，對(duì)于濕相飽和度， 式（9）可簡(jiǎn)化為：

式（10）可簡(jiǎn)化為：

則：

該模型為 Brooks-Corey 毛管力模型。

綜上所述，Brooks-Corey 模型是 Li-Horne 模型的一種特殊形式。 當(dāng)=1 時(shí)，Li-Horne模型簡(jiǎn)化為自吸毛管壓力模型；當(dāng)=0 時(shí)，P=max，Li-Horne 模型簡(jiǎn)化為單根毛細(xì)管模型。

3 孔隙分布的分形概率模型

汞的表面張力為 480 mN/m，潤(rùn)濕角為 140°，故毛管壓力與孔喉半徑的關(guān)系為：

對(duì)式（14）求導(dǎo)，可得：

對(duì)式（11）求導(dǎo)，可得：

根據(jù)式（14）-（16），孔隙概率分布函數(shù)()表達(dá)式為：

4 實(shí)例分析

圖 1為利用Li-Horne 模型和 Brooks-Corey 模型對(duì)北部灣盆地四個(gè)樣品的毛管壓力曲線(xiàn)進(jìn)行擬合，其擬合結(jié)果如表 1 所示。

由于樣品 A 和 B 比較均質(zhì)，樣品 C 和 D 非均質(zhì)性強(qiáng)，并且 Brooks-Corey 模型適用于均質(zhì)儲(chǔ)層，Li-Horne 模型對(duì)于均質(zhì)、非均質(zhì)儲(chǔ)層均適用，因此， 對(duì)于樣品 A 和樣品 B，兩個(gè)模型的擬合效果相差不大；對(duì)于樣品和樣品D， Li-Horne 模型的擬合效果好于 Brooks-Corey 模型。

表 1 兩種模型擬合參數(shù)對(duì)比表

多孔介質(zhì)具有如下性質(zhì)：分形維數(shù)越小，孔喉表面越光滑，均質(zhì)性較強(qiáng)，巖石的儲(chǔ)集性能越好；分形維數(shù)越大，孔喉表面越不光滑，儲(chǔ)集性能越差， 巖石分形結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，非均質(zhì)性越強(qiáng)。根據(jù)這一性質(zhì)，對(duì)北部灣盆地不同滲透率巖石的巖樣的非均質(zhì)性進(jìn)行研究。 圖 3 為利用 Li-Horne 模型對(duì)北部灣盆地不同滲透率巖樣的毛管壓力曲線(xiàn)擬合圖，其擬合結(jié)果如表 2 所示。

圖 3 北部灣盆地不同滲透率巖樣的毛管壓力曲線(xiàn)擬合圖（Li-Horne 模型）

根據(jù)表 2 擬合結(jié)果，初步認(rèn)為：北部灣盆地儲(chǔ)層分形維數(shù)與孔隙度和滲透率沒(méi)有明顯關(guān)系；利用 Li-Horne 毛管壓力模型能夠很好的擬合北部灣盆地不同滲透率的毛管壓力曲線(xiàn)，氣相關(guān)系數(shù)大于0.9。

表 2 北部灣盆地不同滲透率巖樣的毛管壓力曲線(xiàn)擬合結(jié)果

圖 4 為樣品 5 孔隙大小分布柱狀圖。模型計(jì)算結(jié)果與毛管壓力曲線(xiàn)求孔隙大小分布的結(jié)果一致，說(shuō)明該孔隙分布的分形概率模型比較可靠。

圖 4 樣品 5 孔隙大小分布柱狀圖

5 結(jié) 論

（1）基于多孔介質(zhì)的分形理論對(duì) Li-Horne 模型進(jìn)行推導(dǎo)，發(fā)現(xiàn) Brooks-Corey 模型是 Li-Horne模型的一種特殊情況。

（2）Brooks-Corey 模型適用于均質(zhì)儲(chǔ)層，而 Li-Horne 模型對(duì)于均質(zhì)、非均質(zhì)儲(chǔ)層均適用。

（3）基于 Li-Horne 模型推導(dǎo)出孔隙概率分布函數(shù)，該函數(shù)是關(guān)于孔喉半徑的冪函數(shù)，其指數(shù)與分形維數(shù)有關(guān)。通過(guò)計(jì)算分形維數(shù)可以直接獲得孔隙概率分布函數(shù)，從而可以得到孔隙大小分布。相對(duì)于直接由壓汞曲線(xiàn)獲得孔隙大小分布，孔隙分布的分形概率模型簡(jiǎn)單易行，并且精度較高。

[1] 賀承祖,華明琪.儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的分形幾何描述[J].石油與天然氣地質(zhì),1998,19(1):17-23.

[2] 馬新仿,張士誠(chéng),郎兆新.儲(chǔ)層巖石孔隙結(jié)構(gòu)的分形研究[J].中國(guó)礦業(yè),2003,12(9):46-48.

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[7] Li, K. Characterization of rock heterogeneity using fractal geometry. Proceedings of the 2004 SPE Western Region Meeting, Bakersfield, CA,USA, March 16–18, 2004. SPE 86975.

[8] Katz, A.J., Thompson, A.H. Fractal sandstone pores: implications for conductivity and pore formation. Phys. Rev. Lett. 54, 1325–1328.

[9] Krohn, C.E. Fractal measurements of sandstones, shales, and carbonates. J. Geophys. Res. 93 (B4), 3297–3305.

[10] Lenormand, R. Gravity-assisted inert gas injection: micromodel experiments and model based on fractal roughness. The European Oil and Gas Conference, Altavilla Milica, Palermo, Sicily, October 9–12.

[11] Wong, P., Howard, J., Lin, J.S. Surface roughening and the fractal nature of rocks. Phys. Rev. Lett. 57, 637–640.

[12] Shen, P., Li, K. A new method for determining the fractal dimension of pore structures and its application. Proceedings of the 10th Offshore South East Asia Conference, Singapore, 1994.

Fractal Research on Reservoir Rock Pore Structure Based on Two Kinds of Capillary Pressure Models

（Research Institute of Yanchang Petroleum (Group) Co.,Ltd., Shaanxi Xi’an 710075, China）

Based on fractal theory of porous media, Li-Horne capillary pressure model and Brooks-Corey capillary pressure model were deduced. It's proved that Brooks- Corey capillary pressure model is a special form of Li-Horne capillary pressure model. Through using two kinds of capillary pressure models, mercury injection curves of different permeability rock samples from Northern Gulf Basin were fitted. Pore size distribution index was obtained to evaluate heterogeneity of the reservoir. Because Brooks-Corey model is for homogeneous reservoir and Li-Horne model is applicable for homogeneous and heterogeneous reservoirs, fitted results of Li-Horne model are better than those of Brooks-Corey model. At the same time, pore size distribution model of porous media was deduced according to Li–Horne model, the index of which related with the fractal dimension. Pore size distribution calculated by the model is consistent with the result obtained by using mercury injection curves.

fractal dimension; pore size distribution index; capillary pressure models; pore size distribution function

2017-05-09

劉銀山（1988-），男，工程師，碩士，湖北孝感人，畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）能源學(xué)院，從事石油開(kāi)發(fā)及資源儲(chǔ)量評(píng)價(jià)。

TE 122

A

1004-0935（2017）07-0673-04