中國(guó)典型致密油區(qū)低溫氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)

肖前華，張 堯，楊正明，郭和坤

(1.重慶科技學(xué)院，重慶 401331；2.中國(guó)科學(xué)院滲流流體力學(xué)研究所，河北 廊坊 065007；3.中國(guó)石化川慶鉆探有限公司土庫(kù)曼分公司，四川 成都 610051；4.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北 廊坊 065007)

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中國(guó)典型致密油區(qū)低溫氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)

肖前華1，2，張 堯3，楊正明2，4，郭和坤2，4

(1.重慶科技學(xué)院，重慶 401331；2.中國(guó)科學(xué)院滲流流體力學(xué)研究所，河北 廊坊 065007；3.中國(guó)石化川慶鉆探有限公司土庫(kù)曼分公司，四川 成都 610051；4.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北 廊坊 065007)

選取中國(guó)四大典型致密油區(qū)(長(zhǎng)慶、四川、大港和大慶)56塊巖樣，利用低溫氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)研究了不同油區(qū)、不同巖性的致密油儲(chǔ)層微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征，利用等溫吸附回線分析了不同致密油區(qū)以及不同巖性儲(chǔ)層孔隙形狀特征，同時(shí)提出結(jié)構(gòu)“甜點(diǎn)”系數(shù)，綜合評(píng)價(jià)了四大致密油區(qū)的甜點(diǎn)性質(zhì)。研究表明，致密碳酸鹽巖儲(chǔ)層50 nm以下空間占據(jù)50%以上，致密砂巖儲(chǔ)層50 nm以下空間占據(jù)30%～40%。各致密油區(qū)巖樣表面積-體積比與孔隙度、滲透率無(wú)明顯的相關(guān)關(guān)系。結(jié)構(gòu)“甜點(diǎn)”系數(shù)計(jì)算結(jié)果表明，長(zhǎng)慶、四川、大港和大慶油區(qū)依次變差，與現(xiàn)場(chǎng)反饋情況基本一致。大慶油區(qū)只有通過大規(guī)模體積壓裂方可改善開采效果。

致密油儲(chǔ)層；氮?dú)馕?；孔隙結(jié)構(gòu)；表面積-體積比；結(jié)構(gòu)甜點(diǎn)系數(shù)

0 引 言

美國(guó)在Bakken、Eagle Ford、Barnet等區(qū)帶成功突破致密油的勘探開發(fā)，使致密油成為繼頁(yè)巖氣之后全球非常規(guī)油氣勘探開發(fā)的又一新熱點(diǎn)[1-2]，致密油也因此被石油工業(yè)界譽(yù)為“黑金”[3]。受北美致密油大發(fā)展的影響，10余個(gè)國(guó)家積極展開致密油研究[4-5]。致密油指以吸附或游離狀態(tài)賦存于生油巖中或與生油巖互層、緊鄰的致密砂巖、致密碳酸鹽巖等儲(chǔ)集巖中，未經(jīng)過大規(guī)模長(zhǎng)距離運(yùn)移的石油聚集。中國(guó)致密油分布廣泛，鄂爾多斯盆地、準(zhǔn)噶爾盆地、四川盆地、松遼盆地、渤海灣盆地等均發(fā)育豐富的致密油[6]。已有研究發(fā)現(xiàn)致密油儲(chǔ)集層孔喉直徑大部分為納米級(jí)[7-8]，致密油一般為輕質(zhì)油，黏度較低，油品較好，而儲(chǔ)層孔隙骨架將是控制流動(dòng)效果的主要因素，因此有必要深入研究致密油儲(chǔ)集層納米級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)特征。

1 材料與方法

國(guó)際純化學(xué)和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)(IUAPC)按孔隙直徑大小將孔隙分為3類：微孔(小于2 nm)、介孔(2～50 nm)、宏孔(大于50 nm)[9]。低溫低壓下N2的等溫吸附可有效反映巖樣微孔和介孔的孔徑分布，且通過BET方程可計(jì)算比表面積[10]，通過BJH方程可計(jì)算孔容分布[11]，通過等溫吸附與脫附曲線可預(yù)測(cè)孔隙形狀特征[12-13]。該項(xiàng)研究在美國(guó)Quantachrome公司的Autosorb?-6B自動(dòng)等溫吸附儀上進(jìn)行，溫度為77.35K，在相對(duì)壓力0.01～1.00下測(cè)定等溫吸附曲線，對(duì)于介孔分布規(guī)律具有較好的測(cè)試效果。樣品來(lái)自中國(guó)四大典型致密油區(qū)，共計(jì)56塊巖樣。

2 數(shù)據(jù)分析與討論

表1為中國(guó)四大典型致密油區(qū)56塊巖樣常規(guī)物性參數(shù)以及低溫吸附測(cè)試結(jié)果。

表1 不同致密油區(qū)巖樣物性資料及低溫吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表1中孔隙度和滲透率為平均值。微-介孔百分?jǐn)?shù)由微孔和介孔孔容結(jié)合巖樣密度換算得來(lái)，表示50 nm以下孔隙體積相對(duì)總孔隙體積的大小，表征了儲(chǔ)層50 nm以下空間的相對(duì)占有量。通過微、介孔百分?jǐn)?shù)和巖樣孔隙度還可計(jì)算得到50 nm以下孔隙體積相對(duì)巖樣總體積的大小，稱為微、介孔隙度，表征儲(chǔ)層50 nm以下孔隙空間的絕對(duì)占有量。由表1可知，四川、長(zhǎng)慶、大慶和大港油區(qū)50 nm以下孔隙空間的相對(duì)占有量和絕對(duì)占有量都依次增大。四大典型致密油區(qū)儲(chǔ)層至少有30%的孔隙空間處于50 nm以下，其中大港致密碳酸鹽巖儲(chǔ)層明顯區(qū)別于致密砂巖儲(chǔ)層，致密碳酸鹽巖儲(chǔ)層超過1/2的空間處于50 nm以下，而致密砂巖儲(chǔ)層介于30%～40%。致密油儲(chǔ)層孔隙度低于常規(guī)儲(chǔ)層，且大量孔隙空間處于50 nm以下，因此，從根本上加大了開發(fā)難度。

對(duì)不同巖性儲(chǔ)層介孔空間含量的巨大差異，有多種解釋。目前大多數(shù)學(xué)者從有機(jī)質(zhì)類型及含量、黏土類型及含量等入手研究微觀孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育特征[14-16]。通過對(duì)比研究長(zhǎng)慶致密砂巖和大港致密碳酸鹽巖發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)慶致密砂巖黏土含量為14%～18%，而大港致密碳酸鹽巖黏土含量在30%以上；長(zhǎng)慶致密砂巖有機(jī)質(zhì)含量為2%～10%，而大港致密碳酸鹽巖有機(jī)質(zhì)含量約為5%?？梢姡煌瑤r性儲(chǔ)層的黏土含量差異與介孔含量的差異是同步的。因此，黏土礦物是中國(guó)致密油儲(chǔ)層介孔含量的主要控制因素，這也是造成中國(guó)致密碳酸鹽巖儲(chǔ)層50 nm以下孔隙空間含量遠(yuǎn)大于中國(guó)致密砂巖儲(chǔ)層的主要原因。另外大港致密碳酸鹽巖主要有泥質(zhì)白云巖和白云質(zhì)泥巖，因此，大港致密碳酸鹽巖泥質(zhì)含量高是導(dǎo)致納米級(jí)孔隙空間含量高的另一重要原因。

表面積-體積比是通過低溫吸附實(shí)驗(yàn)得到的另外一個(gè)重要物性參數(shù)，為巖樣總的表面積與巖樣外觀體積之比，可用來(lái)評(píng)價(jià)流-固作用強(qiáng)度。四大典型致密油區(qū)表面積-體積比變化特征見圖1。由圖1可知，不同致密油區(qū)表面積-體積比與孔隙度、滲透率的關(guān)系并不明顯，但所有致密巖樣孔隙度的大趨勢(shì)基本與表面積-體積比成正相關(guān)。致密儲(chǔ)層的滲流能力主要來(lái)自于裂縫以及較大的孔隙，100 nm以下孔隙空間對(duì)滲透率的貢獻(xiàn)相當(dāng)微弱，而表面積-體積比的增大主要源于孔喉尺度的減小[17]，因此，很難確定表面積-體積比與巖樣滲透率的關(guān)系。

圖1 表面積-體積比變化特征

經(jīng)計(jì)算，大港、大慶油區(qū)平均表面積-體積比較長(zhǎng)慶油區(qū)大，說明大港、大慶油區(qū)流-固耦合作用較強(qiáng)，但滲流能力反而較長(zhǎng)慶油區(qū)大。但從現(xiàn)場(chǎng)反饋來(lái)看，長(zhǎng)慶致密油開發(fā)效果明顯比其他幾大致密油區(qū)要好。由以上分析可知，單憑表面積-體積比或者滲透率很難評(píng)定儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的好壞。因此，需要探尋新的參數(shù)或者方法來(lái)評(píng)價(jià)致密油儲(chǔ)層。根據(jù)Kozeny-Carman方程[18]，儲(chǔ)層巖樣滲透率為：

(1)

式中：ν為形狀系數(shù)；τ為迂曲度；φ為孔隙度；S/V為表面積-體積比，m-1。

形狀系數(shù)、迂曲程度以及孔隙度為微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)，是巖樣的直接物性表征參數(shù)，而滲透率以及表面積-體積比為宏觀統(tǒng)計(jì)參數(shù)，是巖樣的間接物性表征參數(shù)(或輔助物性表征參數(shù))。將直接參數(shù)與間接參數(shù)分開，在式(1)基礎(chǔ)上定義結(jié)構(gòu)“甜點(diǎn)”系數(shù)為：

(2)

結(jié)構(gòu)“甜點(diǎn)”系數(shù)為無(wú)量綱參數(shù)，其物理意義在于從儲(chǔ)層巖樣形狀特征、迂曲度、孔隙度等方面綜合評(píng)價(jià)儲(chǔ)層巖石結(jié)構(gòu)特征，從而優(yōu)選“甜點(diǎn)”區(qū)塊。降低了滲透率與表面積-體積比之間的不一致性，統(tǒng)一了宏觀統(tǒng)計(jì)參數(shù)和微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)。由表1可知，不同致密油儲(chǔ)層滲透率相差只有幾倍。而表面積-體積比的二次方項(xiàng)一般相差幾倍至幾十倍，因此結(jié)構(gòu)“甜點(diǎn)”系數(shù)中表面積-體積比為主控因素項(xiàng)，即結(jié)構(gòu)“甜點(diǎn)”系數(shù)越小，儲(chǔ)層相對(duì)較好。根據(jù)平均滲透率和表面積-體積比，長(zhǎng)慶、四川、大港、大慶油區(qū)結(jié)構(gòu)“甜點(diǎn)”系數(shù)依次為0.626×10-3、1.214×10-3、7.710×10-3、13.578×10-3?？梢姡L(zhǎng)慶、四川、大港和大慶油區(qū)的儲(chǔ)層依次變差，由近年致密油開采效果來(lái)看，長(zhǎng)慶、四川、大港和大慶油區(qū)也是依次變差。因此，根據(jù)低溫吸附數(shù)據(jù)計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)“甜點(diǎn)”系數(shù)能有效評(píng)價(jià)儲(chǔ)層的好壞。

如引言中所述，對(duì)于致密油儲(chǔ)層，孔隙骨架是決定油藏開采效果的決定性因素。因此，結(jié)構(gòu)“甜點(diǎn)”系數(shù)通過獲取致密油巖樣低溫氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)單、高效的對(duì)不同儲(chǔ)層進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)，進(jìn)而優(yōu)選“甜點(diǎn)”區(qū)塊，這將有利于指導(dǎo)當(dāng)前致密油開采。

根據(jù)IUPAC分類可簡(jiǎn)單預(yù)測(cè)儲(chǔ)層孔隙形狀(圖2)。四大致密油區(qū)吸附、脫附曲線大致可以分為4種類型(圖3)。

長(zhǎng)慶致密油區(qū)，吸附回線主要為a類。吸附曲線緩慢上升，相對(duì)壓力接近1.0時(shí)才陡然上升；脫附曲線在中間相對(duì)壓力時(shí)迅速下降。該類吸附回線類似于H3型，對(duì)應(yīng)平行板構(gòu)成的狹縫毛細(xì)孔，該類毛細(xì)孔更有利于連通整個(gè)孔隙空間，可改善流動(dòng)效果，進(jìn)而改善開采效果，這從根本上解釋了長(zhǎng)慶致密油開采的突出表現(xiàn)。

四川致密油區(qū)，吸附回線主要為b類。與a類區(qū)別主要在于脫附曲線在中間相對(duì)壓力時(shí)急劇下降，下降速度明顯快于a類。該類吸附回線類似于H1型，同時(shí)也類似于H3型，因此除了含有兩端開口的圓筒和類似圓筒狀孔隙外，也含有平行板構(gòu)成的狹縫毛細(xì)孔。

圖2 吸附回線類型及孔隙類型示意圖

圖3 典型致密油區(qū)吸附、脫附曲線

大港致密油區(qū)，吸附回線主要為c類和d類。c類吸附曲線在相對(duì)壓力接近1.0時(shí)，不會(huì)像a類和b類那樣迅速上升，類似于H2型；d類明顯類似于H4型。因此，大港對(duì)應(yīng)的孔隙主要為瓶形孔、口小腔大的毛細(xì)管以及槽狀孔。

大慶致密油區(qū)，吸附回線主要為d類。主要為槽狀孔。由圖3可知，槽狀孔孔隙較大(可達(dá)微米級(jí))，連通性并不好，即大慶致密巖樣孔隙度大，但流動(dòng)能力弱。因此，現(xiàn)場(chǎng)開發(fā)需要進(jìn)行體積壓裂，形成大規(guī)模人工縫網(wǎng)系統(tǒng)才能從根本上改善開采效果。

事實(shí)上，各個(gè)致密油區(qū)的吸附、脫附曲線含有多種類型，但主要類型只有1～2種。因此，各致密油區(qū)的孔隙形狀絕不是單一的，而是各種形狀的復(fù)雜組合。

3 結(jié) 論

(1) 利用低溫氮?dú)馕椒▽?duì)比研究了中國(guó)四大典型致密油區(qū)微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征。致密碳酸鹽巖儲(chǔ)層50 nm以下的孔隙空間占據(jù)50%以上，致密砂巖的孔隙空間為30%～40%。長(zhǎng)慶油區(qū)表面積-體積比最小，大慶油區(qū)表面積-體積比最大。孔隙度、滲透率與表面積-體積比之間無(wú)明顯的相關(guān)關(guān)系。

(2) 提出了結(jié)構(gòu)“甜點(diǎn)”系數(shù)，通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)慶、四川、大港和大慶致密油儲(chǔ)層逐漸變差，與現(xiàn)場(chǎng)反饋一致。中國(guó)致密砂巖稍好于致密碳酸鹽巖，但大慶油區(qū)致密砂巖須通過大規(guī)模體積壓裂方可從根本上改善開采效果。

(3) 孔隙骨架是控制致密油開采的關(guān)鍵因素。致密油儲(chǔ)層孔隙形狀復(fù)雜，不同儲(chǔ)層吸附脫附曲線不同。通過研究吸附脫附曲線可深入分析與理解不同致密油儲(chǔ)層開采難易的深層因素，進(jìn)而指導(dǎo)當(dāng)前致密油的有效開發(fā)。

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編輯 王 昱

20150309；改回日期：20150530

國(guó)家油氣重大專項(xiàng)“特低滲透油藏有效開發(fā)技術(shù)”(2011ZX05013-006)；中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司重大科技專項(xiàng)“特低超低滲透油藏物理模擬方法與開發(fā)機(jī)理研究”(2011B-1203)

肖前華(1987-)，男，2010年畢業(yè)于西南石油大學(xué)建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)，2015年畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)院大學(xué)流體力學(xué)專業(yè)，獲博士學(xué)位，主要從事致密油開發(fā)、微納孔隙滲流研究。

10.3969/j.issn.1006-6535.2015.04.021

TE311

A

1006-6535(2015)04-0082-04