川中大安寨段灰岩裂缝分形特征及孔隙结构模型

成都理工学院学报　　　

JOURNALOFCHENGDUUNIVERSITYOFTECHNOLOGY

　Vol.26No.1

　Jan.1999

川中大安寨段灰岩裂缝分形特征及孔隙结构模型

胡宗全　童孝华　王允诚

(成都理工学院石油系,成都610059)

【摘要】通过对川中大安寨段介壳灰岩中裂缝进行非常规自相似特征分析,探讨了裂缝及储层岩石孔隙结构的分形特征,认为岩石中的裂缝和孔隙都是复杂的分形体,运用实际资料证实了这种分形体的长程相关性,定量计算出分形维数,该维数可以作为定量评价单井裂缝发育程度的重要参数。以此为基础,提出了新的孔隙结构模型——阶梯状孔隙结构模型。关键词　大安寨段,孔隙结构模型,分形,维数,自相似性分类号　P618.130.25

⒇

　　川中下侏罗统大安寨段介壳灰岩异常致密,岩石基质的储渗性能很差,属于超低孔渗型储集岩(孔隙度平均为1.08%,渗透率平均为0.1×10μm)。

一般来说,如此致密的岩石是不能储集和产出油气的;但由于岩石破裂所形成的裂缝以及沿裂缝引起局部溶蚀而成的溶蚀孔洞分别具有渗储能力,才使致密岩石成为真正有效的储集岩。裂缝和孔隙的发育程度及分布规律极为复杂,常规的储层物性分析不能很好地反映储集岩的实际储渗能力,必须运用非常规方法对大安寨灰岩的孔隙结构进行研究。

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2

差,在实际油藏压差下,不具有实际导流能力。微孔以沿构造微裂缝的溶孔发育程度最高;沿成岩缝发育的次之;与介壳晶粒结构有关的微孔和泥晶基质间微隙虽然数量极大,但极细微,不具有实际储油能力,况且彼此间连接的喉道狭小,即使这种孔隙中存在油气,也不能产出。

1.2　孔隙和裂缝的分形特征

大安寨段介壳灰岩储层中存在着多期次、多成因的裂缝,不同成因的裂缝其发育规模是有很大的差异的。岩石中的裂缝及裂缝系统是一种复杂的分形体,无法用固定的尺度来度量。

通过研究发现,大安寨段介壳灰岩中的裂缝具有分形体的最基本和最重要的特征——自相似性;尤其是在统一构造应力场下形成的构造裂缝和构造微裂缝,其发育组合、截切关系及交叉角度都是高度一致的(图1),只是二者在尺度上存在差距。而构造成因的大裂缝和微裂缝又恰恰是大安寨储集岩中最为主要的宏观和微观渗流通道。换句话说,储集岩的喉道系统是一种分形体。

分形体的最重要特征是没有特征尺度,图2表示的是裂缝统计数目与观察尺度之间的关系,二者呈极好的半对数反比线性关系。可以看出,肉眼所能观察到的裂缝数目是极其有限的。人眼的观察精度(裂缝宽度)以0.1mm为准,则在统计的4.5m长度的岩芯上只有29条,说明大裂缝的发育程度不高;但观察尺度每降低一个数量级,就新增裂缝十多条,说明宽度小于0.1mm的裂缝数目是十分庞大

1　主要孔隙类型的分形特征

1.1　主要的孔隙类型

大安寨段介壳灰岩沉积后,由于强烈的破坏性成岩作用使原生孔隙几乎丧失殆尽,只是由于不甚发育的建设性成岩作用(破裂作用及继承发育的溶蚀作用)使岩石局部孔渗条件变好而成为低产油层。岩石中的裂缝及沿缝发育的溶蚀孔、洞为最重要的孔隙类型。

大安寨段介壳灰岩的储集空间可以分为大的孔、洞、缝和小的微孔隙、微裂隙。

大裂缝主要为构造成因,也有地层卸载形成的层理缝。大的孔、洞绝大部分沿大的裂缝分布,为溶蚀流体沿裂缝溶蚀而成,孤立的大溶孔是极少见的。大安寨段灰岩中的微孔隙和微裂隙类型多。微裂隙以构造成因的张开度较大、延伸性好;成岩压裂缝次之;与介壳内部结构有关的裂缝极细小,连通性

⒇1997-07-07收稿,1998-09-07改回。

第一作者简介:胡宗全,男,27岁,博士生,煤田、油气地质与勘探专业。

·32·成都理工学院学报　　　　　　　　　　　　　　第26卷

得直线方程lgP=A+dlgx,直线斜率d与分形维数

D之间存在关系式:D=1-d。维数D可以定量表征井段裂缝的发育程度,如果整个井段均为裂缝,则D=1,表示裂缝的发育程度最高;相反,D=0,则表示整个井段没有裂缝发育。维数D在[0,1]区间内变化,D越大,裂缝的发育程度越高。

用两口井大安寨段产层射孔井段作康托法分析,分析结果如图3所示。A井直线斜率d1=0.5,则其分形维数D=1-0.5=0.5;B井直线斜率d2=0.63,则其分形维数D=1-0.63=0.37。A井的分

图1　裂缝的自相似性

　Self-similarityoffracturesFig.1

a.岩芯中大裂缝;b.显微镜下微裂缝

形维数大于B井,说明A井中裂缝的发育程度(尤其是大裂缝)比B井好。实际情况是,A井为低产井而B井不能产油。

的。以1μm为尺度下限,则该井段中心线所截切的裂缝可达100多条。如果考虑岩芯的体积(并非所有的微裂缝都能完全切穿岩芯),则该井段岩芯中的裂缝数目会远远超过该统计数目。

图3　裂缝的分形分布

　FractaldistributionoffracturesFig.3

大安寨段灰岩储层孔隙发育过程中的主要特点

图2　观察尺度与所统计裂缝数目之间的关系

　RelationbetweenobservationscaleFig.2

andthenumberoffractures

是:沿各期裂缝发育的溶蚀作用程度取决于裂缝的导流作用。大裂缝导流性能好,其周围就发育较大的溶洞;小裂缝周围发育有微溶孔;不具实际导流能力的微裂隙周围不能形成溶蚀孔隙,只在微裂隙交叉部位因岩石缺陷形成少量微孔隙,由于极其细小而不具有实际储集能力。可见,这些孔隙与裂缝一样,也不具有特征尺度,孔隙大小遵从分形分布;同时,由于孔隙数目及大小受裂缝空间分布规律的控制,使孔隙的空间分布与裂缝分布有很好的一致性。1.3　孔隙和裂缝的标度区间及有效标度区间大安寨段灰岩中的孔隙和裂缝大小混杂,以孔隙大小和裂缝宽度所作出的统计结果为一有限集。据实际观察结果,孔隙大小的上确界可以定为直径100mm;下确界比较难以确定,但依据孔隙不可能小于岩石中方解石最小晶粒的直径,可以将该尺度定为孔隙大小的下确界。从图1向大尺度方向推算,岩石中可能发育的最大裂缝宽度为十几厘米,可以将20cm定为裂缝宽度的上确界。

在孔隙大小和裂缝宽度的界定区间内,孔隙和

在用裂缝密度评价裂缝发育程度时,在某一观察尺度范围内,一条大裂缝和一条小裂缝对裂缝数目的贡献是一样的,而实际油层中大小裂缝在对油气储集和渗流作用上是存在巨大差异的;所以,经常会出现裂缝密度大而产量低、裂缝密度小而产量高的情况。大安寨段油层的不少产井,裂缝的数量很少,但在局部井段发育的一两条大裂缝就能使油井投产。因此,有必要用分形几何参数来评价裂缝。

运用康托法计算单井裂缝的分形维数可以定量评价单井裂缝的发育程度。分形几何学认为事件的发生概率P与测量尺度x以及分形维数D之间遵从幂级关系:P=x

(1-D)

。用某一尺度x将一段岩芯划分为R

个小区间,设这R个小区间中有N个小区间中含有裂缝,则在该尺度下裂缝的发生概率为P=N/R;变动尺度x,则有不同的P值与之相对应。用lgP-lgx作图,

第1期　　　　　　胡宗全等:　川中大安寨段灰岩裂缝分形特征及孔隙结构模型　　裂缝没有固定的测量尺度,这个区间称为无标度区。对油气储集和渗流有实际能力的孔隙和裂缝占据整个无标度区的近上确界位置。据物性实验资料分析大安寨段介壳灰岩的有效孔隙直径下限为0.0063μm。因为孔隙和裂缝的有效区间的上、下限相差甚大,这就不能忽视孔隙结构的分形特征,必须区别对待大小不同的孔隙、宽度不同的裂缝在孔隙结构中的不同地位。实际物性资料证实了这种差异,全直径岩芯样、带裂缝小样和无裂缝小样三者相比,可采到的孔隙、裂缝尺度依次变小;相应地,孔隙度和渗透率依次呈明显的下降趋势。

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的次生溶孔共同组成的孔隙系统。这类孔隙数量多,

有效性较好,总体积相当可观,是油井长期稳产的物质保证。

Ⅲ级:由微裂隙沟通的晶间、晶内溶孔组成的孔隙系统,微裂隙对这类孔隙的连通效率是很低的(喉道的配位数小),致使孔隙的有效性差;只是在油藏压力降至废弃压力时,压力降可以波及到这类孔隙,从这种意义上说这类孔隙还是有效的。

Ⅳ级:位于Ⅲ级孔隙系统的外缘,次生溶孔很少,构造微裂缝也不发育,主要的孔隙类型为数量众多的基质内微隙;但其大小已小于流动孔喉下限,也就是在有效标度区之外,即使油藏压力降到最低,仍不能排出油气。实际上,该孔隙系统与Ⅲ类孔隙系统之间的界限就是油藏边界。

这种孔隙结构模型很能反映油藏的实际,I级孔隙系统发育的规模大致决定了油藏的规模。高级孔隙系统依次包围低级孔隙系统,各级系统间在孔隙-喉道配置上有很好的相似性。油井生产时,压力降依次从低级孔隙向高级系统传播,动用高级孔隙中的流体,直到油藏开采到废弃压力时,压力降所传播到的最大范围,就是油藏的有效范围。其内是有效储渗体,以外是遮挡体。油藏动用后,地层压力、压降梯度、含油饱和度等油层参数在各级孔隙系统间存在一相对突变,在每级内部则呈渐变,各级孔隙系统的油气采收率也不同,孔隙系统级别越高,油气采收率越低。在油气开采和关井的一系列测试中,各级孔隙系统的显示顺序也有先有后,低级孔隙系统处于优先显示的位置。该模型为用实验室物性计算油层实际储渗能力、由油藏开采动态计算最终采收率和预测产量提供了地质理论基础。

2　孔隙结构模型

孔隙大小、裂缝宽度的统计集合具有分形特征,孔隙的储集能力随尺度的不同而存在级别,裂缝的渗滤能力也是有差别的,对油气储渗作用大致可以对比的孔隙和裂缝直接相连而组成不同的孔隙-喉道组合,不同级别的孔隙组合呈阶梯状相连,这就构成一种阶梯状的孔隙结构型式(图4),将大安寨段介壳灰岩储层孔隙组合划分为四级:

图4　阶梯状孔隙结构模型示意图

　DiagramofporestructureofreservoirFig.4

参　考　文　献

1　罗蛰潭,王允诚.油气储集层的孔隙结构.北京:科学出版社,1986

2　王允诚.油层物理学.北京:石油工业出版社,19933　王域辉,廖淑华.分形与石油.北京:石油工业出版社,1994

I级:由构造缝、张开程度好的层理缝以及与之直接相连的溶蚀孔洞组成(>1mm)。这类孔隙大,

有效性好,是油井初产能的直接提供者。

Ⅱ级:由构造微裂缝和成岩微缝以及与其相连

FRACTALCHARACTERISTICOFFRACTURESANDMODELOFPORESTRUCTURE,DAANZAISHELLYLIMESTONE,LOWERJURASSIC,CENTRALSICHUANFIELD

HuZongquan,TongXiaohua,WangYuncheng

(ChengduUniversityofTechnology,China)

Abstract　Throughtheresearchintounusualself-similarcharacteristicanalysisofthefracturesintheDaanzailime-stonereservoir,thispaperconcludesthatfracturesandporesinthereservoirrockarecomplexfractalsystems.Fractaldimensionisquantitativelycalculated,whichcanbeusedtoevaluatethedevelopmentleveloffracturesquantitatively.Basedontheresearch,anewkindofporefracturemodelisputforward,whichisagoodandreasonablemodel.

Keywords　Daanzaisegment;porestructuremodel;fractal;dimension;self-similarity;