恒速壓汞法在致密儲層孔隙結(jié)構(gòu)表征中的適用性

趙華偉，寧正福，趙天逸，王慶，胡金柱

（1.中國石油大學(xué)（北京）油氣資源與工程國家重點實驗室，北京 102249；2.中國石油大學(xué)（北京）石油工程教育部重點實驗室，北京 102249）

恒速壓汞法在致密儲層孔隙結(jié)構(gòu)表征中的適用性

趙華偉1，2，寧正福1，2，趙天逸1，2，王慶1，2，胡金柱1，2

（1.中國石油大學(xué)（北京）油氣資源與工程國家重點實驗室，北京 102249；2.中國石油大學(xué)（北京）石油工程教育部重點實驗室，北京 102249）

在深入分析恒速壓汞法原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合鄂爾多斯盆地延長組致密油巖心實驗結(jié)果，研究了該方法在致密油孔隙結(jié)構(gòu)表征中的適用性。結(jié)果表明：運用恒速壓汞法能夠區(qū)分孔隙和喉道，獲得孔隙半徑、喉道半徑及孔喉半徑比分布，可以更全面地表征孔隙結(jié)構(gòu)并揭示其對滲流能力的影響；恒速壓汞法以準(zhǔn)靜態(tài)進(jìn)汞，能夠消除潤濕滯后效應(yīng)，同時修正了高壓下介質(zhì)變形的影響，實驗數(shù)據(jù)相比于高壓壓汞法更為準(zhǔn)確。然而，受最高驅(qū)替壓力的限制，恒速壓汞法最大汞飽和度較低，無法表征半徑小于0.12 μm的孔喉?？傮w而言，恒速壓汞法在表征致密油孔隙結(jié)構(gòu)方面有一定的優(yōu)勢，但還需要結(jié)合其他方法才能表征致密油完整的孔隙結(jié)構(gòu)。

致密油；孔隙結(jié)構(gòu)；恒速壓汞

0 引言

致密油作為非常規(guī)油氣中最為現(xiàn)實的部分受到了廣泛的關(guān)注［1-3］。致密油儲層具有孔隙類型多樣、孔喉半徑差異大、納米級孔隙大量發(fā)育的特點［4］，這些特點對儲層孔隙結(jié)構(gòu)表征方法提出了新的要求。

Yuan和Swanson提出了恒速壓汞法［5］，運用該方法能夠區(qū)分孔隙和喉道，并能夠獲得孔隙半徑、喉道半徑及孔喉比分布等參數(shù)，使表征參數(shù)更加多樣［6］。近年來，運用恒速壓汞法研究低滲超低滲儲層孔隙結(jié)構(gòu)的文章常常見諸報道［7-9］，然而，致密油儲層孔隙結(jié)構(gòu)與常規(guī)低滲透儲層有顯著的差異。國內(nèi)外的相關(guān)文獻(xiàn)缺乏恒速壓汞法在致密油孔隙結(jié)構(gòu)表征中的適用性研究，本文從表征參數(shù)、精度及范圍3個方面分析了恒速壓汞法在致密油孔隙結(jié)構(gòu)表征中的適用性。

1 致密油孔隙類型

致密油儲層發(fā)育多種孔隙類型，包括殘余粒間孔、顆粒邊緣及內(nèi)部溶蝕的溶蝕孔、黏土礦物層間微孔和構(gòu)造微裂縫等［10］。大量掃描電鏡結(jié)果表明：殘余粒間孔孔徑平均150 μm左右，與砂巖碎屑粒度值大小相當(dāng)；溶蝕孔以長石溶孔為主，孔隙大小25 nm～7.40 μm；黏土礦物層間微孔孔徑差異大，主體112～600 nm；構(gòu)造微裂縫縫寬68 nm～1.34 μm，長度從幾微米到幾十微米不等。其中殘余粒間孔和溶蝕孔等主要作為孔隙，而黏土礦物孔隙等更多作為連通喉道［11］。

2 恒速壓汞法基本原理

汞作為非潤濕相注入巖石孔隙中時需要施加外部壓力，壓力的大小受到接觸角、界面張力和孔喉半徑的影響［12］。在壓汞法實驗過程中，假設(shè)接觸角和界面張力保持不變，則可以通過記錄實驗過程中系統(tǒng)壓力漲落變化來確定孔喉大小及其連通情況。

恒速壓汞法的實驗原理如圖1所示。定義所有單調(diào)上升的壓力頂點為第1級喉道；第1級喉道后面出現(xiàn)的直到壓力重新恢復(fù)到第1級喉道頂點處的壓力為止，其間所有壓力的漲落為次級喉道；兩個壓力頂點之間所包含的孔隙結(jié)構(gòu)為第1級喉道控制的孔隙群落。這樣，恒速壓汞法的毛細(xì)管壓力曲線可以分為再勻流、跳流和子勻流。其中，再勻流對應(yīng)于喉道的進(jìn)汞過程，而跳流和子勻流對應(yīng)于孔隙的進(jìn)汞過程。

圖1 恒速壓汞法毛細(xì)管壓力曲線示意

在計算孔喉結(jié)構(gòu)參數(shù)時，喉道半徑由第1級喉道頂點處的壓力根據(jù)Washburn方程計算，孔隙半徑是將第1級喉道控制的孔隙群落體積按照球體積假設(shè)得到的，孔喉半徑比為第1級喉道控制的孔隙半徑與第1級喉道半徑的比值。

3 實驗結(jié)果與分析

實驗采用ASPE-730恒速壓汞儀，以5×10-5mL/ min的準(zhǔn)靜態(tài)速度進(jìn)汞，通過高精度壓力傳感儀記錄壓力變化，當(dāng)驅(qū)替壓力達(dá)到6.2 MPa時實驗結(jié)束。實驗開始前先對標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行測試，來校準(zhǔn)儀器空白，并保留儀器空白測試的數(shù)據(jù)文件。隨后選取9塊鄂爾多斯盆地延長組致密油巖心樣品進(jìn)行實驗（直徑2.5 cm，長度0.5 cm），樣品平均孔隙度11.03%，平均滲透率0.25×10-3μm2，為典型致密儲層樣品。利用ASPEDAS軟件濾去空白測試的數(shù)據(jù)文件，并處理修正后的樣品壓力波動數(shù)據(jù)，計算孔喉特征參數(shù)，結(jié)果如表1所示。

表1 樣品基本參數(shù)及實驗結(jié)果數(shù)據(jù)

3.1 表征參數(shù)

恒速壓汞法能夠通過壓力的漲落來區(qū)分孔隙和喉道，分別獲得孔隙和喉道的毛細(xì)管壓力曲線，并據(jù)此計算孔隙半徑、喉道半徑及孔喉半徑比的分布。由圖2可以看出，致密油儲層孔隙半徑和喉道半徑均呈正態(tài)分布?？紫栋霃綖?0.00～300.00 μm，平均127.48 μm，各樣品大致相同；喉道半徑為0.20～2.50 μm，平均0.60 μm，樣品之間存在一定的差別。結(jié)合表1發(fā)現(xiàn)，滲透率低的樣品對應(yīng)的喉道半徑也較小，孔喉半徑比為30～900，平均379。恒速壓汞法的孔喉半徑結(jié)果與掃描電鏡統(tǒng)計的數(shù)據(jù)符合的較好。

壓汞法實驗過程中，汞需要克服孔隙對應(yīng)的喉道的毛細(xì)管壓力才能進(jìn)入孔隙。常規(guī)壓汞法根據(jù)毛細(xì)管束模型計算孔喉結(jié)構(gòu)參數(shù)，對孔隙和喉道不加以區(qū)分，會將孔隙的汞體積計算成其對應(yīng)喉道的汞體積，使得大孔的數(shù)量偏少，稱為喉道遮擋效應(yīng)［13］。而恒速壓汞法采用球棍模型計算孔喉結(jié)構(gòu)參數(shù)，能夠有效地區(qū)分孔隙和喉道，并能夠計算孔喉比，表征參數(shù)多樣，非常適合表征孔喉半徑差異大的致密油儲層孔隙結(jié)構(gòu)。

圖2 樣品特征參數(shù)

此外，恒速壓汞法能夠更好地揭示孔隙結(jié)構(gòu)對滲流能力的影響。Kozeny-Carman公式表明滲透率與孔隙度及孔隙半徑的平方成正比［14］。由圖3可以看出，樣品的滲透率與孔隙度及喉道半徑均表現(xiàn)出了較好的正相關(guān)關(guān)系。這表明孔隙度和喉道半徑是影響致密油儲層滲透率的主要因素。

圖3 樣品滲透率與孔隙度及喉道半徑的關(guān)系

3.2 表征精度

高壓壓汞法與恒速壓汞法均反映巖石的孔隙結(jié)構(gòu)，只不過一個是離散過程，而另一個是連續(xù)過程。如圖4所示，不考慮樣品麻皮效應(yīng)的影響，二者的毛細(xì)管壓力曲線整體趨勢基本一致。相同壓力下，恒速壓汞法的汞體積總是略大于高壓壓汞法。這一差異可能有3個方面的原因：首先，儀器的空白和樣品的受壓形變會引入實驗誤差，恒速壓汞法的數(shù)據(jù)經(jīng)過了空白試樣的修正消除了這方面的影響，而高壓壓汞法的數(shù)據(jù)沒有經(jīng)過校正；其次，汞注入速度過快會引起接觸角和界面張力的變化，恒速壓汞法以準(zhǔn)靜態(tài)過程進(jìn)汞，可以保證實驗過程中界面張力和接觸角保持不變，消除了潤濕滯后效應(yīng)的影響，與理想情況更加接近［15］；最后，恒速壓汞法與高壓壓汞法的實驗對象為同一巖樣的不同部分，樣品的非均質(zhì)性也會使得實驗結(jié)果有細(xì)微的差別。綜上所述，恒速壓汞法在表征精度方面優(yōu)于高壓壓汞法，更接近真實的情況。

3.3 表征范圍

盡管恒速壓汞法能夠很好地反映孔隙結(jié)構(gòu)對滲流能力的影響，同時比高壓壓汞法有著更好的精度優(yōu)勢，但恒速壓汞法在表征致密儲層孔隙結(jié)構(gòu)方面還存在一定的缺陷。從表1可以看出，9塊樣品的最大汞飽和度為35.85%～53.82%，平均48.63%，考慮到樣品非均質(zhì)性造成部分孔隙進(jìn)不去汞的影響，恒速壓汞法注入的汞體積與樣品的實際孔隙體積仍有明顯的差距。為保證準(zhǔn)靜態(tài)進(jìn)汞，恒速壓汞法的最大驅(qū)替壓力為6.2 MPa，對應(yīng)的孔隙半徑為0.12 μm。前人通常將孔徑小于0.12 μm的孔隙直接視為無效孔隙［16］。然而鄒才能等［17］指出，致密儲層中納米級孔隙為主體孔隙，考慮束縛水膜厚度的原油充注孔隙半徑下限為54 nm；牛小兵等［18］基于核磁共振的研究也表明，近源油藏儲層具有從大孔到納米孔隙連續(xù)性賦存石油特征，且微孔至納米孔含油飽滿。因此，對于致密油而言，小于0.12 μm的孔隙對于原油的賦存有十分重要的意義。而恒速壓汞法顯然無法表征這部分孔隙。

圖4 恒速壓汞法與高壓壓汞法毛細(xì)管壓力曲線對比

從表1還可以看出，隨著樣品孔隙度的降低，恒速壓汞法的最大汞飽和度也同樣隨之降低。由此說明，恒速壓汞法能夠表征的孔喉范圍與致密油儲層真實孔喉分布范圍存在一定的差距，且樣品孔隙度越低，這一差距越大。因此，單一的恒速壓汞法方法不能表征致密油儲層完整的孔隙結(jié)構(gòu)，還需要結(jié)合氮氣吸附法、高壓壓汞法等實驗方法。

4 結(jié)論

1）恒速壓汞法能夠區(qū)分孔隙和喉道，獲得孔隙半徑、喉道半徑及孔喉半徑比的分布特征，能夠更好地表征致密儲層孔隙結(jié)構(gòu)特征并揭示孔隙結(jié)構(gòu)對滲流規(guī)律的影響。

2）相比于常規(guī)壓汞法，恒速壓汞法消除了高壓下樣品受壓變形的誤差，同時消除了潤濕滯后效應(yīng)對實驗結(jié)果的影響，結(jié)果更為準(zhǔn)確。

3）恒速壓汞法無法表征半徑小于0.12 μm的孔喉，且隨著樣品孔隙度的降低，誤差逐漸增大；因此，需要將恒速壓汞法與其他方法相結(jié)合，才能獲得致密儲層完整的孔喉特征。

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（編輯 趙旭亞）

Applicability of rate-controlled porosimetry experiment to pore structure characterization of tight oil reservoirs

ZHAO Huawei1，2,NING Zhengfu1，2,ZHAO Tianyi1，2,WANG Qing1，2,HU Jinzhu1，2
(1.State Key Laboratory of Petroleum Resources and Engineering,China University of Petroleum,Beijing 102249,China;2.MOE Key Laboratory of Petroleum Engineering,China University of Petroleum,Beijing 102249,China)

With the deep understanding of theoretical foundation of rate-controlled porosimetry,tight oil reservoirs core samples from Yanchang Formation,Ordos Basin,were conducted to rate-controlled porosimetry to obtain pore structure parameters,and the applicability of rate-controlled porosimetry experiment was analyzed.Results indicate that rate-controlled porosimetry can identify pore and throat,get distribution of pore size,throat size and pore throat size ratio,thus characterize pore structure more effectively,and clarify the relationship between pore structure and flow mechanism.Comparing with pressure-controlled porosimetry,mercury is injected at quasi-static rate.Considering the porous material deformation under high pressure,the results of rate-controlled porosimetry is more accurate.However,restricted by maximum injection pressure,the total injection mercury saturation is low,and rate-controlled porosimetry fails to characterize pore with size smaller than 0.12 μm.The conclusion is that the rate-controlled porosimetry has advantages in characterizing pore structure of tight oil reservoir,while a combination of other techniques is also necessary.

tight oil reservoir;pore structure;rate-controlled porosimetry

國家自然科學(xué)基金面上項目“基于數(shù)字巖心的致密油納米—亞微米尺度儲層特征及微觀滲流規(guī)律研究”（51474222）；國家自然科學(xué)基金青年基金項目“基于CT掃描及數(shù)字巖心的致密油多尺度滲吸機(jī)理研究”（51504265）；中國石油大學(xué)（北京）優(yōu)秀博士學(xué)位論文資助基金項目“致密油儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)及滲流規(guī)律研究”（2462016YXBS01）

TE135.1

A

10.6056/dkyqt201703026

2016-12-01；改回日期：2017-03-09。

趙華偉，男，1989年生，在讀博士研究生，主要研究方向為致密油孔隙結(jié)構(gòu)及滲流規(guī)律。E-mail：zhaohw_2011@163.com。

趙華偉，寧正福，趙天逸，等.恒速壓汞法在致密儲層孔隙結(jié)構(gòu)表征中的適用性［J］.斷塊油氣田，2017，24（3）：413-416.

ZHAO Huawei，NING Zhengfu，ZHAO Tianyi，et al.Applicability of rate-controlled porosimetry experiment to pore structure characterization of tight oil reservoirs［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2017，24（3）：413-416.