储层非均质性的概念

储层非均质性是指油气储层在空间上分布（各向异性）和各种内部属性（物理特性）的不均匀性（于兴河，2002）。

储层的非均质性是绝对的、无条件的、无限的；而均质是相当的、有条件的、有限的。只有在一定的条件下，有限的范围内才可以把储层近似看作是均质的。油气储层在漫长的地质历史中，经历了沉积、成岩以及后期构造运动的综合影响，使储层的空间分布及内部的各种属性都呈现差异，从而导致其岩性、物性、电性以及含油气性在三度空间上的变化。

本章是讨论垂直入射光照射条件下，矿物在正交偏光中所呈现的光学现象。这些现象主要包括均质性与非均质性、非均质旋转角和非均质视旋转角、偏光色及旋向（旋性）等。

所谓垂直入射光，是指在实际观察中使用垂直和近于垂直的光线。若获得近于垂直的入射光，只能采用聚敛程度较小的中、低倍物镜，最好是低倍物镜，并加之缩小孔径光圈即可。

“正交偏光”可分两种情况，一种是严格的正交偏光，另一种是不完全的正交偏光。而严格的正交偏光可以用黄铁矿等均质矿物，在高倍物镜下用锥光法检查。若所显示的偏光图为一完美的黑十字，则证明两偏光镜已完全正交；若黑十字中心稍显分开呈双曲线状，即证明两偏光镜处于不完全正交状态。如能用双石英试板检查正交情况更为精确（正交时双石英试板两瓣的暗度相等）。

一、矿物均质性与非均质性的基本概念

1.均质性

等轴晶系的晶质矿物和非晶质矿物均无方向性，对垂直入射的平面偏光仍按原来振动方向反射，因其偏振方向（东西振动）不变，故反射光线不能透过振动方向与之垂直（南北向）的上偏光镜，所以矿物在视域中呈黑暗（消光）状态。当旋转物台时其黑暗程度也不改变，如闪锌矿。而对一些吸收性强，反射率高的不透明矿物，由于物镜或多或少地受聚敛作用的影响，使反射光成椭圆偏光，以致均质矿物在严格正交偏光下也不完全黑暗，而具一定的亮度；但转动物台时，其明暗程度并不改变，如自然银。上述的这类现象统称均质效应，矿物的这种性质称之为均质性；若某种矿物各方向的颗粒都显均质性，则该矿物即属均质性矿物。应指出的是，非均质性矿物的均质切面，在正交偏光下也显均质效应，但不能与均质性矿物并论。

2.非均质性

为非等轴晶系的晶质矿物之主要属性，由于这些矿物晶体结构和光学上的异向性，除位于“消光”方位外，它能改变入射偏光的性质，使反射偏光的振动方向不同于原入射偏光的振动方向；吸收性矿物还能改变入射直线偏光的性质为椭圆偏光，从而使一部分光线能透过上偏光镜。当转动物台而使矿物方位改变时，这部分透过上偏光镜的光线，也随着改变而发生亮度（明暗）和颜色的变化。这种在正交偏光下呈现的光学现象称为非均质效应（非均质性），具此光学性质的矿物为非均质性矿物。

非均质不透明矿物的非均质效应，是由矿物对平面偏光所具有的三种性能所造成的。它们是，一为对反射平面偏光振动面的旋转性能，二为对反射平面偏光产生周相差而造成椭圆偏光的性能，三为上述两种现象形成的色散。下面将简介三种性能的生成机理。

二、非均质矿物反射平面偏光振动面旋转的性能

兹以一轴晶透明矿物的主切面为例，说明非均质矿物反射平面偏光振动面旋转的机制及非均质旋转角的形成。如图5-8所示，图中为一轴晶透明矿物主切面，入射光一般被分解成两组互相垂直振动的反射平面偏光，二者之间的周相差为零。图5-8中PP代表起偏镜（前偏光）的振动方向，圆代表显微镜视域，CC代表一轴晶矿物c轴的方位，AA表示矿物水平轴的方位，两者皆为矿物主反射率的方向。从图中可看出，矿物的c轴与起偏镜PP的振动方向成45°，假定入射光的振幅为OI，入射光投射到矿物光片上后，将分解成振幅相等的两组互相垂直的平面分振动，分别平行于CC（OI2）和AA（OI1）方向。由于这两组平面偏光反射率的差异，因而反射时其OR1 必不等于OR2，所以两组反射光按平行四边形法则合成后的振动，为一振动方向靠近反射率较高晶体方向的直线振动，即以OP′代表其振动方向和振幅。由图中可知OP′与OI不重合，表示反射后使振动方向发生了旋转。这种合成反射平面偏光的振动方向不同于入射光的振动方向，而存在一夹角Arβ的关系，称为非均质矿物反射平面偏光振动面旋转的性能，简称非均质旋转。Arβ角为非均质旋转角。

图5-8 一轴晶透明矿物光面在反射中引起偏光振动面的旋转

从图5-8中也可推知，由于OP′与OI不一致，因此部分光线（振幅为OP′sinArβ）可通过正交偏光状态的上偏光镜，所以矿物会呈现一定亮度。若当矿物的一个截面主反射率方向（平行或垂直c轴）与PP平行时，则OI、OP′与截面主反射率方向三者重合，非均质旋转角Arβ＝0，故矿物的反射光线不能通过上偏光镜，而呈现黑暗（消光）。若截面主反射率方向与起偏镜PP逐渐形成夹角时，则Arβ也从零逐渐增大。所以平行矿物c轴的切面在45°± 时Arβ角最大，但由于45°± 位置不易确定，故以45°位时的Arβ值为标准值（近似最大值）。如将物台旋转一周，可看到四次消光与四次明亮交替出现，四次最明亮方位位于相邻消光方位间45 °位置。

三、非均质不透明矿物使反射平面偏光产生周相差而造成椭圆偏光的性能

不透明非均质矿物除使反射平面偏光产生旋转外，还能使反射平面偏光产生非为零和π的周相差，从而导致合成的反射光波变成椭圆偏光。

非均质不透明矿物置于45°位置时，从图5-9 也可看出，非均质反射椭圆长轴的方位不同于入射平面偏光的方向，即长轴的方位发生了旋转。图5-9 是非均质不透明矿物在反射中形成椭圆偏光的一般图式，它的基本形式与图5-8 相似，只是图中加上了椭圆偏光部分。椭圆长轴a与起偏镜方向之间的夹角称为非均质视旋转角 Ar，Ar 角也随周相差而变化，Ar也可用转动上偏光镜的方法测出（详见后节）。

图5-9 非均质不透明矿物在反射中形成椭圆

偏光的一般情况

Arβ（即图中θ）为非均质旋转角，Ar 为非均质视旋转角，a为椭圆长轴，b为椭圆短轴；LMNP′为外切矩形

矿物处于45°位置时，非均质视旋转角Ar与非均质旋转角Arβ的关系式如下：

当周相差很小时，cosΔ≈1，故Ar≈Arβ；当Δ＝0时，cosΔ＝1，所以Ar＝Arβ。一般当Δ＜10°，cosΔ＝cos10°＝0.9851 1，故仍可认为Ar＝Arβ，因为误差不会超过现在测定精度± 0.1°。

多数非均质不透明矿物的周相差均较小（Δ＜10°），所以它们的Ar 与Arβ近于相等。Ar的标准值（45°位时所测）是矿物的一个较重要的鉴定特征。

四、非均质矿物的偏光色

非均质不透明矿物在严格正交偏光下处于45°位置时不仅最明亮，而且在白光中常显现出颜色，这种颜色称为偏光色。

非均质矿物定向切面在45°位置时，其偏光色一般是固定的，所以对某些矿物可作为鉴定特征。如铜蓝为火橙色等。

偏光色的形成主要是由于下述的非均质旋转色散和非均质椭圆色散而致。

（1）非均质旋转色散为透明非均质矿物生成偏光色的基本原因。矿物二主反射率随光波而变化，即对不同波长的光波，反射率也随着改变，因此合成偏光的振幅与非均质旋转角也随波长而有所不同，故透过上偏光镜的振幅和光强也有差别。如图5-10 所示。PP为起偏镜的振动方向，AA为分析镜振动方向，OI为入射光的振幅，矿物系在45°位置。若矿物有反射率的色散，则合成的平面偏光也有色散，如以OR′代表红光的合成反射平面偏光的振幅及方向，OG′代表绿光、OB′代表蓝光。每一种光波在分析镜AA线上的投影，即为该光波能透过分析镜的分振幅，即为Oc、Ob、Oa三部分。它们根据“相加”的原理合成一种混合色，即为偏光色。

（2）非均质椭圆色散，系指非均质不透明矿物二主向的反射率不仅振幅不同，而且周相差也随光波波长而改变，因此使合成的非均质椭圆偏光也发生色散，即各色光的非均质椭圆不同。这种色散也是构成非均质不透明矿物偏光色的基本原因。如图5-11所示，图中有两个不同色光合成的椭圆振动，为同一矿物在不同波长光波中造成不同的非均质反射椭圆，假设其中一个代表红光的椭圆振动，另一个代表绿光的椭圆振动，二椭圆各有一部分光强透过分析镜。Oa代表绿光椭圆透过分析镜的振幅，Ob代表红光的振幅，根据“相加”的原理合成一种混合色，即构成偏光色。

图5-10 非均质矿物偏光振动面的旋转色散

图5-11 非均质不透明矿物的椭圆色散

此外还有一种消（暗）光色，它是由消（暗）光位色散所引起，这种色散使非均质矿物在白光中得不到严密的消光，而在消光位常呈现某种颜色。

（一） 层内非均质性

层内非均质性是指一个小层或单砂层规模内垂向上的储层性质变化。包括层内垂向上渗透率的差异程度、最高渗透率段所处的位置、层内粒度韵律、渗透率韵律及渗透率的非均质程度、层内不连续的泥质薄夹层的分布。层内非均质性是直接控制和影响小层或单砂层层内注入剂波及厚度的关键地质因素。

1. 粒度韵律

小层或单砂层内碎屑颗粒的粒度在垂向上的变化称为粒度韵律。它受沉积环境和沉积方式的控制。粒度韵律一般分为正韵律、反韵律、复合韵律及均质韵律4类。

◎正韵律：是储层岩石颗粒粒度自下而上由粗变细现象。如分流河道砂体具有典型的正韵律，形成储层物性自下而上变差。

◎反韵律：是储层岩石颗粒粒度自下而上由细变粗现象。如三角洲前缘河口坝可以形成典型的反粒序韵律，往往导致储层物性自下而上变好。

◎复合韵律：即正、反韵律的组合。正韵律的叠置称为复合正韵律。反韵律的叠置称为复合反韵律。上、下细，中间粗者称之为反正复合韵律。上、下粗，中间细者称为正反复合韵律。

◎均质韵律：是储层岩石颗粒粒度在垂向上无明显变化的现象，有的称之为块状韵律或无规则序列。

2. 沉积构造

在碎屑岩储层中，大都具有不同类型的层理构造，常见的层理有平行层理、斜层理、交错层理、波状层理、递变层理、块状层理、水平层理等。层理由于岩石颗粒粒度、泥质含量及颜色等变化引起，也是储层非均质性的一种表现形式。因此，需要研究层理的岩性、产状、组合关系、分布规律，以及由此而引起的渗透率的方向性。不同层理类型对渗透率方向性的影响不同。

3. 渗透率韵律

在小层或单砂层内渗透率大小在垂向上的变化称为渗透率韵律 （图3-28）。同粒度韵律一样，渗透率韵律可分为正韵律 （渗透率自下而上由高变低）、反韵律 （渗透率自下而上由低变高）、均质韵律、复合韵律 （包括复合正韵律、复合反韵律、复合正反韵律、复合反正韵律）。

图3-28 渗透率韵律模式

4. 垂直渗透率与水平渗透率的比值

垂直渗透率 （Kv） 与水平渗透率 （Kh） 的比值对油层注水开发中的水洗效果有较大的影响。Kv/Kh比值小，说明流体垂向渗透能力相对较低，层内水洗波及厚度可能较小。

5. 渗透率非均质程度

表征渗透率非均质程度的定量参数有渗透率变异系数、渗透率突进系数、渗透率级差、渗透率均质系数。

（1） 渗透率变异系数 （VK）

变异系数是一数理统计的概念，用于度量统计的若干数值相对于其平均值的分散程度或变化程度。用下式求解：

油气田开发地质学

式中：VK——渗透率变异系数；Ki——层内某样品的渗透率值 （i＝1，2，3，…，n），μm2； —层内所有样品渗透率的平均值，μm2；n——内样品个数。

一般地说，当VK<0.5时为均匀型，表示非均质程度弱。当0.5≤VK≤0.7时为较均匀型，表示非质程度中等。当VK>0.7时为不均匀型，表示非均质程度强。

利用上式求得的渗透率变异系数会出现大于1的情况，不便于非均质性评价。Poettnann F.H.介绍了一种求得渗透率变异系数介于0～1的方法：

1） 搜集岩心渗透率分析数据。

2） 将岩心样品渗透率从大到小排队，得样品的顺序号。

3） 将岩心样品渗透率与 （顺序号/样品总数） ×102的值在对数概率坐标纸上作图，得图3-29。

4） 由图3-29读出 按下式求渗透率变异系数：

油气田开发地质学

式中：VK——渗透率变异系数； ——标准点 ［指 （顺序号/样品总数）×100＝50的点］渗透率，μm2；Kσ——统计偏差点 ［指 （顺序号/样品总数）×100＝84.1的点］渗透率，μm2。

图3-29 渗透率变异系数计算公式有关项的取值

（2） 渗透率突进系数 （TK）

表示层内最大渗透率与层内平均渗透率的比值：

式中：TK——透率突进系数；Kmax——层内最大渗透率，一般以层内渗透率最高的相对均质层的渗透率表示，μm2； —层内渗透率算术平均值，μm2。

当TK<2为均质型，当TK＝2～3时为较均质型，当TK>3时为不均质型。

（3） 渗透率级差 （JK）

为层内最大渗透率与最小渗透率的比值：

JK=Kmax/Kmin

式中：JK——渗透率级差；Kmax——层内最大渗透率，一般以层内渗透率最高的相对均质层的渗透率表示，μm2 ；Kmin——层内最小渗透率值，一般以渗透率最低的相对均质段的渗透率表示，μm2。渗透率级差越大，反映渗透率的非均质性越强，反之非均质性越弱。

（4） 渗透率均质系数 （KP）

表示层内平均渗透率与最大渗透率的比值：

显然，KP值在0～1之间变化，KP越接近1，均质性越好。

6. 夹层的分布频率和分布密度

夹层是层内的极低渗透率或非渗透岩层。不稳定夹层对流体的流动起着阻挡作用，同时影响层内垂直和水平方向上渗透率的变化。由于它的分布具有随机性，很难横向追踪，通常采用下述两个参数定量描述。

（1） 夹层分布频率 （PK）是指每米储层内夹层的层数：

PK＝N/H

式中：PK——夹层分布频率，层/m；N——层内夹层个数，层；H——储层厚度，m。

（2） 夹层分布密度 （DK）

是指每米储层内夹层的厚度：

DK＝Hsh/H

式中：DK——夹层分布密度，m/m；Hsh——层内夹层的总厚度，m；H——储层厚度，m。

不同沉积微相具有不同的沉积方式，沉积方式决定了砂体内的粒度韵律、渗透率韵律、渗透率非均质程度及夹层特征等 （表3-4），因此层内非均质性与沉积微相有很大的关系。

表3-4 陆相湖盆典型微相砂体的层内非均质特征

（二） 平面非均质性

平面非均质性是指砂体的几何形态、规模、连续性和砂体内孔隙度、渗透率的平面变化。它直接关系到注入剂的平面波及效率。

1. 砂体几何形态

砂体几何形态是砂体各向大小的相对反映。砂体几何形态的地质描述一般用长宽比的大小进行分类。

◎席状砂体：长宽比近似于1：1，平面上呈等轴状，大片分布，面积从几平方千米至几十平方千米。

◎土豆状砂体：长宽比小于3：1，分布面积小，形似 “土豆” 零星分布，多为小透镜状砂体。

◎条状砂体：长宽比介于3：1～20：1之间。一些顺直型分流河道砂体即属于此类。

◎鞋带状砂体：长宽比大于20：1。

◎树枝状砂体：砂体向某一方向延伸，不断分叉，形如树枝。树枝状分流河道砂体即属此类。

◎不规则砂体：砂体延伸没有优势方向，一般有一个主要延伸方向，但其他方向也有一定的延伸，为河流多次改道形成的复杂成因的砂体。

2. 砂体规模及连续性

砂体规模是各向延伸的实际大小，通常用砂体长度、砂体宽度或宽厚比、钻遇率来表征，是决定井网形式和井距的关键地质因素。

（1） 砂体长度是砂体延伸优势方向上的范围。按延伸长度可将砂体分为五级：

◎一级：砂体延伸大于2000m，连续性极好。

◎二级：砂体延伸1600～2000m，连续性好。

◎三级：砂体延伸600～1600m，连续性中等。

◎四级：砂体延伸300～600m，连续性差。

◎五级：砂体延伸小于300m，连续性极差。

（2） 砂体宽度为垂直于砂体延伸优势方向上的范围。宽厚比是指砂体宽度与厚度的比值。

（3） 钻遇率是钻遇砂层井数与总井数之比，表示在一定井网下对砂体的控制程度。

从我国注水开发实践来看，三角洲前缘 （包括河流-三角洲和吉尔伯特型扇三角洲）砂体的连续性都较好，一般砂体的长度与宽度都能达到千米级的规模。当砂体达到1000m以上的规模时，砂体连续性已不是决定开发注采井网的主要因素。与此相反，各种河流砂体和水道型砂体包括三角洲平原上的分流河道砂体、扇三角洲的水下分流河道砂体、湖底扇的扇中水道砂体等，其宽度往往是百米级规模，这时砂体宽度就成为决定注采井网的关键因素。因此，研究砂体的沉积规模及其连续性，是开发地质工作者极为关心的问题，国内外已发表很多的成果供参考。

3. 砂体的连通性

指砂体在垂向上和平面上的相互接触渗透程度。可用砂体配位数、连通程度、连通系数、砂岩密度表示。

（1） 砂体配位数是与某一个砂体连通接触的砂体数。

（2） 连通程度是砂体与砂体连通部分的面积占砂体总面积的百分数。

（3） 连通系数是连通的砂体层数占砂体总层数的百分比。连通系数亦可用厚度来计算，称之为厚度连通系数。

确定了各类微相砂体连通程度后，还需要研究砂体之间的连通方式。通过各种方式连接的砂体，最终组成了油气田开发过程中可供流体流动的单元。

砂体连通方式有以下几种形式 （图3-30），即多边式 （砂体侧向叠置）、多层式（砂体垂向叠置）、孤立式 （未与其他砂体连通）。

图3-30 砂体连通方式示意图

4. 平面孔隙度、渗透率非均质性及渗透率方向性

平面孔隙度、渗透率非均质性是指砂体内孔隙度和渗透率平面上的变化。它们的变化程度可用平面变异系数、平面突进系数、平面级差、平面均质系数等统计参数来描述和评价。

渗透率方向性是沿某一方向渗透率大于其他方向的渗透率，是直接影响到注入剂的平面波及效率的储层非均质因素，是引起平面矛盾的主要原因。

造成渗透率方向性的主要原因：(1)平面上不同微相砂体渗透率的差异；(2)同一微相砂体内不同部位的渗透率的差异；(3)古水流主流方向；(4)开启的裂缝。

（三） 层间非均质性

层间非均质性是指油气层之间的砂体特征与储层物性的差异。层间非均质性是划分开发层系、决定开采工艺的依据，同时层间非均质性是注水开发过程中层间干扰和水驱差异的重要原因。我国陆相湖盆中大多数油田的储层由流程短、相带窄、相变快、成因类型多的砂体叠加而成，因而层间非均质性一般都比较突出。

1. 分层系数

分层系数 （An） 指一定层段内砂层的层数，以平均单井钻遇砂层数表示：

油气田开发地质学

式中：An——分层系数；Nbi——某井的砂层层数，层；n——统计井数，口。

分层系数愈大，表明层间非均质性愈严重。

2.砂岩密度 （Sn）

砂岩密度 （Sn）也称砂地比，是指剖面上砂岩总厚度与地层总厚度之比，以百分数表示：

Sn＝ （砂岩总厚度/地层总厚度） ×100％

砂岩密度反映砂体发育程度和砂体间的连通程度。

裘怿楠先生根据我国湖盆河道砂体的实际资料，对Allen的河道砂体密度临界值作了补充修改，提出河道砂体连通程度的河道砂体密度界限值（图3-31）。

图3-31 河道砂体连通程度示意图

3. 有效厚度系数

有效厚度系数 （CE） 也称净毛比，其表达式如下：

油气田开发地质学

CE越接近于1，越均质；反之，非均质程度越高。

4. 分布系数

分布系数 （CD） 的表达式为：

油气田开发地质学

式中：S——选用油层的最大含油面积，km2；Si——第i个小层的含油面积，km2；m——小层的层数。

CD值越小，越非均质。

5. 层间渗透率的非均质程度

层间渗透率的非均质程度是指油气层间渗透率的差异和变化程度。可用层间渗透率变异系数 （VK）、层间渗透率突进系数 （TK）、层间渗透率级差 （JK）、层间渗透率均质系数 （KP） 等统计参数描述和评价。

6. 主力油层与非主力油层在剖面上的配置关系

主力油层的相对集中与分散，在剖面上所处的位置，也是决定开发措施需要注意的问题。特别要注意和识别特高吸水层的分布，即所谓 “贼层” 的位置及其地质成因，才能有针对性地制定措施。

7. 层间隔层

隔层是指分隔不同砂体的非渗透和极低渗透的岩层，如泥岩、粉砂质泥岩及膏岩层等。隔层横向连续性好，能阻止砂体之间的垂向渗流。隔层的作用是将相邻的油气层完全隔开，使油气层之间不发生油、气、水窜流，形成两个独立的开发单元。对于隔层，描述的内容：(1)隔层的岩石类型；(2)隔层在剖面上的分布位置；(3)隔层厚度在平面上的变化情况。

8. 裂缝

穿层的裂缝易引起油气层间的流体窜流，对注水开发的影响极大，因此要充分重视描述裂缝的产状、性质、密度及其穿层程度。

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