分形理論在致密油儲層分類中的應用研究
——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研究院 施玉華

由于常規油氣藏的發現概率日益減小，使得致密油勘探開發成為了很多國家非常規油氣勘探開發的熱點。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行了分類，旨在認清該區致密油儲層的孔隙結構特征，為尋找優質儲層、指導雷家致密油儲層高效勘探開發奠定一定的理論依據。

人們對油氣資源的需求連年攀升，常規的油氣資源發現概率日益減小，全球油氣行業正逐漸形成常規油氣與非常規油氣并舉的態勢。致密油作為一種非常規油氣資源，21世紀以來已在北美多個盆地實現規模開發，引起了很多國家的關注，已成為非常規油氣資源的勘探開發熱點[1]。目前，我國致密油領域的研究及工業開采依舊處于起步階段，相關理論研究不成熟，勘探開發的技術比較落后，使得致密油的勘探開發嚴重滯后，在一定程度上影響了我國油氣行業的發展[2-3]。

20世紀90年代，在遼河西部凹陷雷家地區，研究人員發現了一定規模儲量的湖相碳酸鹽巖油氣藏，油氣資源量為0.1342×108t，最初只是根據常規油氣藏的方法進行了研究及勘探開發[2]。2012年開始，研究人員根據致密油的相關理論和方法對該油藏重新進行一系列的研究及評價，油氣資源量為2.3×108t。前人對該區致密油的研究主要集中在三個方面：①油藏地質特征；②地震數據處理；③儲層預測，而對致密油的主控因素及成藏機理認識不清，也沒有有效的儲層分類方法及標準，嚴重制約了雷家地區的油氣勘探進程。本文采用分形理論對遼河雷家地區湖相碳酸鹽巖致密儲層進行了分類，為該區致密油的勘探開發取得更大突破提供了一定的理論指導。

1 工區概況

雷家地區位于遼河西部凹陷的中北部，發育了近EW、NE方向的兩組斷裂，從北往南，由狹窄逐漸變為開闊，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，為雷家地區提供了十分豐富的油源條件。經過多年勘探開發實踐可知，雷家地區沙四段發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]。在經過長期地質運動之后，使得該區的裂縫比較發育，孔隙類型有兩種：①裂縫；②溶蝕孔。除了常規的構造儲層之外，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的勘探領域。

2 分形理論簡介

自然界中很多物體的局部形態與整體形態看上去會非常相似，如樹葉、山川、河流、云朵、海岸線等。1967年，美國數學家Mandelbrot將自然界中這種部分與整體相似的現象稱為分形[5]。1975年，Mandel Brot創立了分形幾何學，并在此基礎上提出了分形理論，該理論本質上是一種利用物體的自相似性特點來研究物體內部結構的新理論、新學科。分形理論的的特點是用分維數、冪函數等數學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雜性[6]。20世紀80年代初開始，分形理論作為一種新的理論與方法，在很多領域都開展了相應的應用探索。

由于地質作用的表現具有兩個特點：①隨機性；②確定性，因此，分形理論在地質學中的應用比較廣泛，如斷裂發育、巖石構造、孔隙特征、水系分布等[5-6]。經過多年的發展，分形理論逐漸改變了地質人員的思維，帶來了新的地質研究方法與手段，應用效果較好，有效地促進了地質學的發展。巖石內部的孔隙具有很強的非均質性，并且結構特征具有一定的自相似性。根據前人大量的研究可知，分形理論可以有效彌補常規孔隙結構分析方法的缺陷，如參數單一、描述困難等，從而可以對巖石孔隙的非均質性以及自相似性進行定量評價[5-6]。目前，國內外研究人員主要采用分形維數來分析孔隙的結構特征，分形維數越大，則說明孔隙的形狀越不規則、孔隙的表面越粗糙，進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行分類[7-8]。

3 分形理論的應用

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行分類。首先，結合高壓壓汞數據可以得到，同一類型的孔隙具有相同的物理特性，即自相似性。根據孔隙特征的不同可以對致密儲層的孔隙進行分類（圖1）。相同類型特征的孔隙表現出相似的趨勢，曲線的拐點對應孔隙類型轉變的孔喉界限值。圖1中的位置為不同類型孔隙的孔喉界限值，因此，根據圖中曲線表現出來的自相似性，可以將孔隙劃分為三類：大孔>10μm，1μm<中孔<10μm，小孔<1μm。

圖1 基于高壓壓汞數據的孔隙分形

其次，根據壓汞曲線形態及儲層中孔隙類型的分布特征，可以將雷家地區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為較輕微下凹狀，在孔徑分布上表現為儲層以中孔為主，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類儲層主要發育大量小孔隙，存在極少量的大孔，中孔基本不發育，代表層段為雷93井部分杜三段儲層；Ⅳ類儲層主要發育大量小孔隙，存在極少量的大孔，中孔基本不發育，但當壓力達到一定數值時，會大量進汞，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50%，大孔孔隙度也達到3%，而V類儲層大孔占比僅為2%（圖2（a））。同時排驅壓力與巖石中大孔孔隙度和大孔百分比也呈現較好的相關性，隨著大孔（比例）的增多，排驅壓力逐漸下降；排驅壓力與滲透率同樣具有負相關性，但是相關性較大孔孔隙度（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系

4 微觀孔喉和宏觀物性之間的關系

結合上面研究可知，根據孔徑的分布特征可以將雷家地區湖相碳酸鹽巖儲層分為五類，但在實際應用過程中，由于孔徑的分布特征是較難獲取的地質參數。因此，為了可以將本文的研究成果進行推廣，將微觀孔喉特征與宏觀物性建立了聯系，從而將微觀儲層分級通過宏觀物性特征應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 結論與分析

（1）根據分形理論的結果，雷家地區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）根據孔徑的分布特征，雷家地區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）根據微觀孔喉和宏觀物性之間的關系，雷家地區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。