分形理論在致密油儲層分類中的應(yīng)用研究
——以遼河雷家湖相碳酸鹽巖為例

◇中國石油遼河油田分公司勘探開發(fā)研究院 施玉華

由于常規(guī)油氣藏的發(fā)現(xiàn)概率日益減小，使得致密油勘探開發(fā)成為了很多國家非常規(guī)油氣勘探開發(fā)的熱點。本文主要采用分形理論對遼河雷家湖相碳酸鹽巖致密油儲層進(jìn)行了分類，旨在認(rèn)清該區(qū)致密油儲層的孔隙結(jié)構(gòu)特征，為尋找優(yōu)質(zhì)儲層、指導(dǎo)雷家致密油儲層高效勘探開發(fā)奠定一定的理論依據(jù)。

人們對油氣資源的需求連年攀升，常規(guī)的油氣資源發(fā)現(xiàn)概率日益減小，全球油氣行業(yè)正逐漸形成常規(guī)油氣與非常規(guī)油氣并舉的態(tài)勢。致密油作為一種非常規(guī)油氣資源，21世紀(jì)以來已在北美多個盆地實現(xiàn)規(guī)模開發(fā)，引起了很多國家的關(guān)注，已成為非常規(guī)油氣資源的勘探開發(fā)熱點[1]。目前，我國致密油領(lǐng)域的研究及工業(yè)開采依舊處于起步階段，相關(guān)理論研究不成熟，勘探開發(fā)的技術(shù)比較落后，使得致密油的勘探開發(fā)嚴(yán)重滯后，在一定程度上影響了我國油氣行業(yè)的發(fā)展[2-3]。

20世紀(jì)90年代，在遼河西部凹陷雷家地區(qū)，研究人員發(fā)現(xiàn)了一定規(guī)模儲量的湖相碳酸鹽巖油氣藏，油氣資源量為0.1342×108t，最初只是根據(jù)常規(guī)油氣藏的方法進(jìn)行了研究及勘探開發(fā)[2]。2012年開始，研究人員根據(jù)致密油的相關(guān)理論和方法對該油藏重新進(jìn)行一系列的研究及評價，油氣資源量為2.3×108t。前人對該區(qū)致密油的研究主要集中在三個方面：①油藏地質(zhì)特征；②地震數(shù)據(jù)處理；③儲層預(yù)測，而對致密油的主控因素及成藏機(jī)理認(rèn)識不清，也沒有有效的儲層分類方法及標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)重制約了雷家地區(qū)的油氣勘探進(jìn)程。本文采用分形理論對遼河雷家地區(qū)湖相碳酸鹽巖致密儲層進(jìn)行了分類，為該區(qū)致密油的勘探開發(fā)取得更大突破提供了一定的理論指導(dǎo)。

1 工區(qū)概況

雷家地區(qū)位于遼河西部凹陷的中北部，發(fā)育了近EW、NE方向的兩組斷裂，從北往南，由狹窄逐漸變?yōu)殚_闊，具有東南低、西北高的古地貌特征，面積約為200km2[3]。東部的陳家洼陷，為雷家地區(qū)提供了十分豐富的油源條件。經(jīng)過多年勘探開發(fā)實踐可知，雷家地區(qū)沙四段發(fā)育了多套淺湖相的碳酸鹽巖組合，儲集層巖性分為三類：①白云巖；②泥巖；③頁巖，主要分為兩個含油層系：①高升油層；②杜家臺油層[4]。在經(jīng)過長期地質(zhì)運(yùn)動之后，使得該區(qū)的裂縫比較發(fā)育，孔隙類型有兩種：①裂縫；②溶蝕孔。除了常規(guī)的構(gòu)造儲層之外，沙四段還存在大范圍的致密油儲層，極大地拓展了雷家地區(qū)的勘探領(lǐng)域。

2 分形理論簡介

自然界中很多物體的局部形態(tài)與整體形態(tài)看上去會非常相似，如樹葉、山川、河流、云朵、海岸線等。1967年，美國數(shù)學(xué)家Mandelbrot將自然界中這種部分與整體相似的現(xiàn)象稱為分形[5]。1975年，Mandel Brot創(chuàng)立了分形幾何學(xué)，并在此基礎(chǔ)上提出了分形理論，該理論本質(zhì)上是一種利用物體的自相似性特點來研究物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的新理論、新學(xué)科。分形理論的的特點是用分維數(shù)、冪函數(shù)等數(shù)學(xué)工具來描述和分析客觀事物，從而更好地描述客觀事物的多樣性以及復(fù)雜性[6]。20世紀(jì)80年代初開始，分形理論作為一種新的理論與方法，在很多領(lǐng)域都開展了相應(yīng)的應(yīng)用探索。

由于地質(zhì)作用的表現(xiàn)具有兩個特點：①隨機(jī)性；②確定性，因此，分形理論在地質(zhì)學(xué)中的應(yīng)用比較廣泛，如斷裂發(fā)育、巖石構(gòu)造、孔隙特征、水系分布等[5-6]。經(jīng)過多年的發(fā)展，分形理論逐漸改變了地質(zhì)人員的思維，帶來了新的地質(zhì)研究方法與手段，應(yīng)用效果較好，有效地促進(jìn)了地質(zhì)學(xué)的發(fā)展。巖石內(nèi)部的孔隙具有很強(qiáng)的非均質(zhì)性，并且結(jié)構(gòu)特征具有一定的自相似性。根據(jù)前人大量的研究可知，分形理論可以有效彌補(bǔ)常規(guī)孔隙結(jié)構(gòu)分析方法的缺陷，如參數(shù)單一、描述困難等，從而可以對巖石孔隙的非均質(zhì)性以及自相似性進(jìn)行定量評價[5-6]。目前，國內(nèi)外研究人員主要采用分形維數(shù)來分析孔隙的結(jié)構(gòu)特征，分形維數(shù)越大，則說明孔隙的形狀越不規(guī)則、孔隙的表面越粗糙，進(jìn)而表明儲層的類型越差，反之，則儲層的類型越好，從而可以利用分形理論對儲層進(jìn)行分類[7-8]。

3 分形理論的應(yīng)用

本文利用分形理論的自相似特性對雷家湖相碳酸鹽巖致密油儲層進(jìn)行分類。首先，結(jié)合高壓壓汞數(shù)據(jù)可以得到，同一類型的孔隙具有相同的物理特性，即自相似性。根據(jù)孔隙特征的不同可以對致密儲層的孔隙進(jìn)行分類（圖1）。相同類型特征的孔隙表現(xiàn)出相似的趨勢，曲線的拐點對應(yīng)孔隙類型轉(zhuǎn)變的孔喉界限值。圖1中的位置為不同類型孔隙的孔喉界限值，因此，根據(jù)圖中曲線表現(xiàn)出來的自相似性，可以將孔隙劃分為三類：大孔>10μm，1μm<中孔<10μm，小孔<1μm。

圖1 基于高壓壓汞數(shù)據(jù)的孔隙分形

其次，根據(jù)壓汞曲線形態(tài)及儲層中孔隙類型的分布特征，可以將雷家地區(qū)碳酸鹽巖致密油儲層分為五類：Ⅰ類儲層壓汞曲線表為寬緩的下凹狀，在孔徑分布上表現(xiàn)為以大孔含量為主，代表層段為雷88-59-85井高升段儲層；Ⅱ類儲層壓汞曲線具有雙平臺特征，在孔徑分布上表現(xiàn)為儲層以大孔和小孔為主，大孔與小孔含量都比較高，代表層段為雷93井杜三段儲層；Ⅲ類儲層壓汞曲線表現(xiàn)為較輕微下凹狀，在孔徑分布上表現(xiàn)為儲層以中孔為主，中值壓力為1MPa，中值半徑為0.7μm，代表層段為雷88-59-85井的部分高升儲層；Ⅳ類儲層主要發(fā)育大量小孔隙，存在極少量的大孔，中孔基本不發(fā)育，代表層段為雷93井部分杜三段儲層；Ⅳ類儲層主要發(fā)育大量小孔隙，存在極少量的大孔，中孔基本不發(fā)育，但當(dāng)壓力達(dá)到一定數(shù)值時，會大量進(jìn)汞，說明其小孔連通性較好，代表層段為雷93井部分杜三段儲層；Ⅴ類儲層主要發(fā)育大量小孔隙，存在極少量的大孔，代表層段為雷29-15井部分杜三段儲層。

通過對上述五類儲層的統(tǒng)計可知，大孔（孔徑>10μm）孔隙度度和大孔百分含量是制約儲層物性好壞的重要因素。I類儲層具有較高的大孔孔隙度及大孔比例，隨著儲層質(zhì)量的變差，大孔孔隙度逐漸減小，大孔占比逐漸降低。I類儲層大孔占比達(dá)50%，大孔孔隙度也達(dá)到3%，而V類儲層大孔占比僅為2%（圖2（a））。同時排驅(qū)壓力與巖石中大孔孔隙度和大孔百分比也呈現(xiàn)較好的相關(guān)性，隨著大孔（比例）的增多，排驅(qū)壓力逐漸下降；排驅(qū)壓力與滲透率同樣具有負(fù)相關(guān)性，但是相關(guān)性較大孔孔隙度（比例）弱（圖2（b））。

圖2 排替壓力與大孔孔隙度及大孔含量的關(guān)系

4 微觀孔喉和宏觀物性之間的關(guān)系

結(jié)合上面研究可知，根據(jù)孔徑的分布特征可以將雷家地區(qū)湖相碳酸鹽巖儲層分為五類，但在實際應(yīng)用過程中，由于孔徑的分布特征是較難獲取的地質(zhì)參數(shù)。因此，為了可以將本文的研究成果進(jìn)行推廣，將微觀孔喉特征與宏觀物性建立了聯(lián)系，從而將微觀儲層分級通過宏觀物性特征應(yīng)用到實際的生成工作中。通過滲透率、大孔孔隙度、孔喉半徑之間的關(guān)系，可將儲層分為I級儲層（I類、Ⅱ類儲層）：滲透率>10mD；Ⅱ級儲層（Ⅲ類、Ⅳ類儲層）：1mD<滲透率<10mD；Ⅱ級儲層（Ⅴ類儲層）：滲透率<1mD。

5 結(jié)論與分析

（1）根據(jù)分形理論的結(jié)果，雷家地區(qū)湖相碳酸鹽巖儲層孔隙可以分為三類：①大孔>10μm；②1μm<中孔<10μm；③小孔<1μm。

（2）根據(jù)孔徑的分布特征，雷家地區(qū)湖相碳酸鹽巖致密油儲層可以分為五類，其中，大孔（孔徑>10μm）孔隙度度和大孔百分含量是制約儲層物性好壞的重要因素。

（3）根據(jù)微觀孔喉和宏觀物性之間的關(guān)系，雷家地區(qū)湖相碳酸鹽巖致密油儲層可以分為三個級別：①滲透率>10mD；②1mD<滲透率<10mD；③滲透率<1mD。