基于CO2置換的低滲透儲(chǔ)層巖心飽和方法研究

韓學(xué)輝，李峰弼，戴詩華，張娟娟，唐 俊，王雪亮，王洪亮

(1.中國石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580；2.中國石油西部鉆探工程有限公司 測井公司，新疆 克拉瑪依 834000)

基于CO2置換的低滲透儲(chǔ)層巖心飽和方法研究

韓學(xué)輝1，李峰弼1，戴詩華2，張娟娟2，唐 俊1，王雪亮2，王洪亮2

(1.中國石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580；2.中國石油西部鉆探工程有限公司 測井公司，新疆 克拉瑪依 834000)

針對(duì)低滲透儲(chǔ)層巖心的飽和難題，基于CO2置換吸附氣的原理開發(fā)了低滲透儲(chǔ)層巖心飽和方法和實(shí)驗(yàn)裝置，通過飽水法孔隙度測量考察了該方法在26塊低滲透儲(chǔ)層巖心的應(yīng)用效果。研究發(fā)現(xiàn)，該方法飽和后飽水法孔隙度比常規(guī)飽和方法飽和后的飽水法孔隙度平均增加0.54%，平均比氦氣法孔隙度小0.14%左右，飽和效果有明顯改善并近于完全飽和；飽水法孔隙度相對(duì)增量與泥質(zhì)含量存在正相關(guān)關(guān)系，而與平均粒徑、孔隙度、滲透率存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明該方法在消除致密巖心吸附氣對(duì)飽和影響方面有很好的針對(duì)性，可用于低滲透儲(chǔ)層巖心的飽和。

CO2置換；低滲透儲(chǔ)層；巖心飽和；吸附氣；平均粒徑；氦孔隙度；泥質(zhì)含量

低滲透油氣藏地質(zhì)儲(chǔ)量豐富，開發(fā)潛力大，在中國油田開發(fā)中地位越來越突出[1-2]。在低滲透儲(chǔ)層的巖電實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，飽和鹽水法測量孔隙度比氦氣法測量孔隙度一般小0.4%～1.3%左右，巖心飽和鹽水程度不高，會(huì)給孔隙度測量以及后續(xù)巖電參數(shù)等的測量分析帶來較大的影響[3-8]。

分析導(dǎo)致低滲透儲(chǔ)層巖心飽和程度不高的原因，主要有2個(gè)：一是低滲透儲(chǔ)層巖心的孔喉半徑較小，飽和鹽水進(jìn)入孔隙需要克服的毛細(xì)管阻力大；二是孔隙表面容易吸附有天然氣和空氣(N2、O2等)，吸附氣的存在會(huì)降低巖石的滲透率[9]，并增加巖心孔隙特別是微孔隙進(jìn)液的困難。實(shí)驗(yàn)室一般可通過增加飽和壓力來克服毛細(xì)管阻力的影響，但克服吸附氣的影響比較困難，這是提高低滲透儲(chǔ)層巖心的飽和程度的關(guān)鍵。研究表明，當(dāng)真空度達(dá)到0.1 Pa以下時(shí)才能有效地排出巖石中的吸附氣體[10]。但是，實(shí)驗(yàn)室廣泛使用的旋片式真空泵的空載極限真空一般僅為1.3 Pa，負(fù)載后真空度受飽和空間的大小、密封狀況等因素影響一般會(huì)降低幾Pa到幾十Pa不等，遠(yuǎn)大于消除吸附氣影響所需的壓力，難以去除吸附氣。如果將旋片式真空泵作為前級(jí)泵，配合使用高真空泵(如分子泵、擴(kuò)散泵等)可實(shí)現(xiàn)更高的真空度，但分子泵等高真空泵存在費(fèi)用昂貴、養(yǎng)護(hù)困難、容易損壞的問題，很難在實(shí)驗(yàn)室普及使用。

本文利用CO2氣體更易于吸附于巖心表面[11]并且易溶于水的性質(zhì)，開發(fā)了基于CO2置換吸附氣原理的低滲透儲(chǔ)層巖心飽和方法，研制了實(shí)驗(yàn)裝置，并使用26塊低滲透巖心實(shí)驗(yàn)考察了該方法的適應(yīng)性。

1 方法原理

一般地，固體比表面積越大，吸附能力越強(qiáng)。低滲透巖心中極細(xì)顆粒含量的增加會(huì)導(dǎo)致氣體吸附量的增加。氣體的吸附作用具有一定選擇性，非極性物質(zhì)比極性物質(zhì)更易于吸附。在同一系列物質(zhì)中，沸點(diǎn)越高的物質(zhì)越容易被吸附，吸附量與壓力、濃度成正比，與溫度成反比[12-17]。在常見的幾種氣體中，CO2氣體較甲烷、氧氣、氮?dú)獾葰怏w更容易吸附于固體表面。并且，CO2氣體在水中的溶解度近于1∶1[18]。利用CO2氣體的上述性質(zhì)，筆者開發(fā)了基于CO2置換N2、O2等氣體原理的低滲透儲(chǔ)層巖心飽和方法。

該方法與傳統(tǒng)飽和方法的主要區(qū)別是在常規(guī)方法的基礎(chǔ)上，加入了CO2氣體置換O2、N2等天然氣氣體的過程。具體消除吸附氣的步驟是：首先，在常規(guī)抽真空去除巖心飽和室空氣達(dá)到極限真空后，向巖心飽和室注入1～2 MPa的CO2氣體并平衡1～2 h，當(dāng)CO2氣體置換出孔隙表面的O2、N2等天然氣后，卸壓并抽真空將置換出的氣體和未吸附的CO2氣體排出，反復(fù)2～3次后確保巖心孔隙表面完全為CO2氣體吸附。其次，利用CO2氣體易溶于鹽水的特性，在常規(guī)飽和方法的抽真空進(jìn)液時(shí)將吸附的CO2氣體溶于鹽水后抽真空排出。此外，為了盡可能降低CO2等氣體在孔隙表面的吸附量，還可以采用加溫的輔助方式進(jìn)一步減小吸附氣對(duì)低滲透巖心飽和的影響。

2 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)流程

2.1 裝置組成和功用

為了實(shí)現(xiàn)用CO2置換N2、O2等氣體，在通用的巖心抽真空加壓飽和裝置已有的鹽水罐、巖心飽和室、真空泵、手動(dòng)打壓泵以及管線閥門基礎(chǔ)上，增加了電加熱裝置、CO2氣瓶及其與巖心飽和室連接的管線和閥門(圖1)。裝置各部分的功能為：CO2氣瓶是氣源；鹽水罐用于盛放飽和用的鹽水；真空泵用于鹽水以及巖心飽和室的抽真空，通過建立飽和室的負(fù)壓，為CO2氣體進(jìn)入巖心置換孔隙氣體創(chuàng)造良好條件，也為鹽水進(jìn)入巖石孔隙做好準(zhǔn)備；巖心飽和室附帶的電加熱裝置可在抽真空的同時(shí)對(duì)巖心飽和室進(jìn)行干燥，起到類似真空干燥箱的功能，提高抽真空效率；手動(dòng)打壓泵用于對(duì)巖心飽和室增壓，進(jìn)一步促使鹽水進(jìn)入巖石孔隙。

2.2 巖心抽真空加壓飽和流程

圖2為基于CO2置換的低滲透巖心抽真空加壓飽和裝置的工作流程圖。與常規(guī)飽和方法流程的區(qū)別是在巖心室抽真空時(shí)加入了CO2置換步驟和加溫步驟。

3 飽和效果分析

為了考察基于CO2置換的低滲透巖心飽和方法的效果，分別使用該方法和傳統(tǒng)飽和方法飽和了低滲透儲(chǔ)層巖心，實(shí)驗(yàn)測量了2種飽和方法的飽水法孔隙度和氦氣法孔隙度，比較分析了3種孔隙度的差異性，并考察了巖性和物性參數(shù)對(duì)基于CO2置換的低滲透巖心飽和方法效果的影響。

圖1 基于CO2置換的低滲透儲(chǔ)層巖心飽和裝置示意

圖2 基于CO2置換的巖心飽和裝置工作流程

3.1 實(shí)驗(yàn)巖心和基本參數(shù)

實(shí)驗(yàn)使用巖心有蘇里格地區(qū)巖屑砂巖、大慶地區(qū)凝灰質(zhì)巖屑砂巖以及莫索灣地區(qū)巖屑砂巖。表1列出了巖樣的氦氣法孔隙度Φg、克氏滲透率K、泥質(zhì)含量VSH、平均粒徑D。巖心樣品氦氣法孔隙度分布范圍為2.51%～15.44%，滲透率分布范圍為(0.004～18.83)×10-3μm2，屬于低滲透、特低滲透巖心[19]。

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

對(duì)同一批巖石樣品分別測量了氦氣法孔隙度和2種飽和方法的飽水法孔隙度。2種飽和方法使用的飽和壓力均為30 MPa。其基本步驟如下：(1)使用CMS300測量氦氣法孔隙度；(2)使用常規(guī)飽和裝置飽和巖心，使用飽和前質(zhì)量、飽和后質(zhì)量以及鹽水中質(zhì)量測量飽水法孔隙度；(3)巖心洗鹽；(4)基于CO2置換的低滲透巖心抽真空加壓飽和裝置飽和巖心，使用飽和前質(zhì)量、飽和后質(zhì)量以及鹽水中質(zhì)量測量飽水法孔隙度。

表1 蘇里格、大慶和莫索灣地區(qū)巖心樣品基本參數(shù)

3.3 飽和效果及影響因素分析

3.3.1 飽和效果

表2給出了2種飽和方法測量的飽水法孔隙度及與氦氣法孔隙度的對(duì)比結(jié)果。其中：φ2為新方法飽水孔隙度；φ1為原飽水法孔隙度；Δφg為新方法飽水孔隙度與氦氣法孔隙度的差值，即Δφg=φg-φ2；Δφ1為新方法飽水孔隙度相對(duì)原飽水法孔隙度絕對(duì)增量，即Δφ1=φ2-φ1。

可見，新飽和方法測量得到飽水法孔隙度相對(duì)傳統(tǒng)飽和方法得到的飽水法孔隙度的絕對(duì)增量(φ2-φ1)為0.2%～0.93%，平均為0.54%，表明新方法較傳統(tǒng)方法在飽和效果上有明顯改善；應(yīng)用新飽和方法測量的飽水法孔隙度比氦氣法孔隙度略低，偏差量Δφg為-0.19%～0.45%，平均偏差為0.14%，表明新方法的飽和效果近于完全飽和。

表2 新飽和方法飽水孔隙度與氦氣法孔隙度、原飽水孔隙度對(duì)比

圖3 飽水法孔隙度相對(duì)增量與氦氣法孔隙度、滲透率的交會(huì)圖

圖4 飽水法孔隙度相對(duì)增量與平均粒徑、泥質(zhì)含量的交會(huì)圖

3.3.2 飽和效果影響因素分析

圖3為應(yīng)用CO2置換的抽真空加壓飽和方法飽水法孔隙度相對(duì)增量(φ2-φ1)/φg與氦氣法孔隙度和滲透率的交會(huì)圖。隨著巖心的孔隙度、滲透率變小，孔隙度相對(duì)增量逐漸增大。分析其原因與巖石結(jié)構(gòu)和物性有關(guān)：巖石顆粒越細(xì)，孔隙度和孔隙尺寸越小，比表面積越大，巖石吸附氣體能力越強(qiáng)則吸附氣對(duì)飽和程度的影響就越大，新方法對(duì)飽和程度的提升就越明顯。圖4為飽水法孔隙度相對(duì)增量與平均粒徑和泥質(zhì)含量的交會(huì)圖。其中，大慶油田地區(qū)巖心平均粒徑相對(duì)較小且泥質(zhì)含量最高，巖心孔隙度和滲透率小，飽水法孔隙度的相對(duì)增量最大；莫索灣地區(qū)平均粒徑小但泥質(zhì)含量低，巖心孔隙度和滲透率較大，飽水法孔隙度相對(duì)增量最小。以上表明基于CO2置換的抽真空加壓飽和方法的應(yīng)用效果受巖性、物性的綜合影響，應(yīng)用效果有隨巖性越細(xì)、孔隙度和滲透率越低而越好的趨勢。

4 結(jié)論與討論

(1)基于CO2置換的低滲透儲(chǔ)層巖心飽和方法是針對(duì)低滲透儲(chǔ)層巖心表面吸附氣對(duì)飽和的影響提出的，主要利用了CO2氣體更易于吸附于巖心表面并且易溶于水的性質(zhì)，這是該方法與常規(guī)方法的不同之處，理論上更能夠降低吸附氣對(duì)巖心飽和的影響。

(2)在實(shí)驗(yàn)研究的范圍內(nèi)，應(yīng)用CO2置換的抽真空加壓飽和方法測量得到的飽水法孔隙度相對(duì)傳統(tǒng)飽和方法得到的飽水法孔隙度的平均絕對(duì)增量為0.54%，與氦氣法孔隙度相比平均偏差一般小于0.14%，表明新方法較傳統(tǒng)方法在飽和效果上有明顯改善且近于完全飽和。

(3)在實(shí)驗(yàn)研究的范圍內(nèi)，應(yīng)用新飽和方法測量的飽水法孔隙度相對(duì)增量有隨巖性變細(xì)、孔隙度和滲透率變低而增大的趨勢，表明該方法對(duì)巖石表面吸附氣的去除有很好的針對(duì)性，可用于低孔隙度、低滲透儲(chǔ)層巖心的飽和。

(4)該實(shí)驗(yàn)裝置的裝配簡單、易于操作，建議將該方法在巖石物理實(shí)驗(yàn)室推廣使用。考慮到抽真空本身會(huì)減少氣體在巖心表面的吸附，提高真空度能夠進(jìn)一步提高方法的應(yīng)用效果。此外，該方法可能具備在有大量吸附氣存在的頁巖、煤等儲(chǔ)層中應(yīng)用的潛力，有必要開展進(jìn)一步的相關(guān)研究。

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(編輯 徐文明)

Saturation method of low-permeability reservoir cores based on CO2displacement

Han Xuehui1, Li Fengbi1, Dai Shihua2, Zhang Juanjuan2, Tang Jun1, Wang Xueliang2, Wang Hongliang2

(1.SchoolofGeosciences,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao,Shandong266580,China; 2.LoggingCompany,CNPCWestDrillingEngineeringCompanyLimited,Qaramay,Xinjiang834000,China)

In order to improve the saturation of low-permeability reservoir core, the saturation method and experimental device were developed based on CO2displacement of absorbed gas. The saturation effect was investigated by the measurement of saturated porosity with the employment of 26 cores from low-permeability reservoirs. It was demonstrated that saturation effect was significantly improved and was close to complete saturation because the saturated porosity of the new saturation method was 0.54% on average larger than that of the traditional saturation method and 0.14% on average smaller than helium porosity. Also, it was illustrated that the new saturation method had highly pertinence in reducing the effect of absorbed gas in tight cores and was able to be widely used for the saturation of low-permeability reservoir cores because the relative increment of saturated porosity by the new method increased positively with shale content and negatively with average grain size, helium porosity and permeability.

CO2displacement; low-permeability reservoir; core saturation; absorbed gas; average grain size; helium porosity; shale content

1001-6112(2014)06-0787-05

10.11781/sysydz201406787

2013-09-19；

2014-10-08。

韓學(xué)輝(1974—),男,博士,副教授,從事儲(chǔ)層巖石物理研究。E-mail: hxhlogging@yahoo.com.cn。

國家油氣專項(xiàng)(2011ZX05009-003)資助。

TE135

A