致密油藏巖芯全尺度孔喉測試方法及應(yīng)用

楊正明*，馬壯志，肖前華，郭和坤，駱雨田

1.中國科學(xué)院滲流流體力學(xué)研究所，河北 廊坊 065007；2.中國石油勘探開發(fā)研究院，河北 廊坊 065007；3.中國科學(xué)院大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院，北京 石景山 100049

引 言

中國致密油藏分布廣泛，主要分布在鄂爾多斯、松遼、四川和渤海灣等盆地，初步預(yù)測中國陸上主要盆地可采資源量為（20～25）×108t，已成為中國石油原油增儲上產(chǎn)的主體[1-4]。至2016年，中國石油致密油藏已初步實(shí)現(xiàn)規(guī)模動用[5-10]，但不同油區(qū)、不同致密區(qū)塊的生產(chǎn)動態(tài)特征差異較大，這與其微觀孔喉結(jié)構(gòu)特征相關(guān)[11-15]。目前，研究微觀孔喉結(jié)構(gòu)特征的常用方法有：恒速壓汞、高壓壓汞、低溫氮吸附以及核磁共振與離心相結(jié)合的物理模擬實(shí)驗(yàn)方法[16-22]，各方法的測試范圍和優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

從表1可知，單一的微觀孔喉結(jié)構(gòu)測試方法很難準(zhǔn)確測得致密巖芯中包含微米(≥1.0μm)、亞微米（0.1～1.0μm）和納米級（≤0.1μm）全尺度的孔喉分布，而致密油藏巖芯主要以亞微米和納米級孔喉為主，如何準(zhǔn)確測定亞微米和納米級孔喉結(jié)構(gòu)特征及其分布顯得尤為重要，這需要將其中一些方法進(jìn)行融合，發(fā)揮各自方法的優(yōu)點(diǎn)，避免各自方法的缺點(diǎn)?；诖?，本文綜合利用高壓壓汞、低溫氮吸附及核磁共振與離心相結(jié)合的物理模擬實(shí)驗(yàn)方法，建立了致密油藏巖芯全尺度孔喉測試方法，對比了不同油區(qū)不同巖性致密巖芯孔喉分布特征，為致密油藏有效開發(fā)提供技術(shù)支持。

表1 微觀孔喉結(jié)構(gòu)測試方法對比Tab.1 The measuring method contrast of microscopic pore-throat structure

1 致密油藏巖芯全尺度孔喉測試方法

實(shí)驗(yàn)設(shè)備選用PoreMaster60高壓壓汞儀、Autosorb?-6B比表面及孔徑分析儀、中國石油勘探開發(fā)研究院研發(fā)的低磁場核磁共振儀和PC–12W型專用巖樣離心機(jī)。

選擇的樣品為90塊取自長慶、大慶和四川等油區(qū)的致密巖芯。其中，長慶致密砂巖巖芯為30塊，主要來自鄂爾多斯盆地三疊系延長組的長6—長8油層組。大慶致密砂巖巖芯為20塊，主要為高臺子和扶余致密油儲層。四川致密巖芯為40塊，主要來自川中侏羅系，巖性包括致密砂巖和致密灰?guī)r，其中，致密砂巖為20塊，以沙溪廟組、涼高山組和珍珠沖段為主；致密灰?guī)r為20塊，以大安寨段和東岳廟段為主。

各油區(qū)巖樣的基本參數(shù)如表2所示。

表2 不同致密油區(qū)儲層主要參數(shù)對比Tab.2 The main parameters comparison of different tight regions

首先利用低溫氮?dú)馕椒椒ê透邏簤汗瘍x分別測得巖芯孔喉分布曲線，然后將巖芯孔喉分布曲線分別繪制成累積分布曲線，并進(jìn)行曲線數(shù)據(jù)對比分析。如在進(jìn)行納米級孔喉數(shù)據(jù)對比時(shí)出現(xiàn)兩條曲線不一致時(shí)，取低溫氮吸附方法所測試的納米級孔喉數(shù)據(jù)；而在亞微米和微米級數(shù)據(jù)取自高壓壓汞測試數(shù)據(jù)。最后利用核磁共振與離心結(jié)合的物理模擬實(shí)驗(yàn)方法所得到的數(shù)據(jù)來對上述數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)矯正，得到較為準(zhǔn)確的包含微米、亞微米和納米級數(shù)據(jù)的全尺度孔喉分布曲線。

1.1 高壓壓汞和低溫氮吸附方法測試的納米級孔喉半徑數(shù)據(jù)對比

與常規(guī)壓汞測試技術(shù)相比，高壓壓汞的最大進(jìn)汞壓力為413.8 MPa，能夠?qū)⒐瘔喝胫旅苡蛶r芯中極其微小的孔隙，提高了測試精度和測試范圍，孔喉半徑測試范圍可以達(dá)到1.8 nm～500μm。該技術(shù)已經(jīng)在頁巖氣藏和致密油藏巖芯的微觀孔喉結(jié)構(gòu)特征分析上得到較好的應(yīng)用。但高壓壓汞在測試納米級孔喉分布時(shí)，也因?yàn)榭缀韷毫Ω?，易在巖芯中形成人工裂隙，導(dǎo)致其測量誤差增大。而低溫氮吸附方法是近幾年新興的一項(xiàng)針對致密儲層定量測試納米級喉道的一種方法，利用純度為99.99%的氮?dú)庾鳛槲劫|(zhì)，在低溫環(huán)境（液氮，-196?C）下，容易在固體表面吸附的特點(diǎn)來測量儲層巖石納米級孔喉。它可以精確測試0.35～50.00 nm的孔喉分布特征，正好彌補(bǔ)了高壓壓汞測試方法的不足。

以3塊滲透率為0.270 mD的大慶致密巖芯（平行樣品）為例，利用高壓壓汞和低溫氮吸附方法分別測試兩塊平行巖樣的納米級孔喉半徑分布。由于上述兩種方法測試的原理不同，因而所得到的數(shù)據(jù)也不同。為了進(jìn)行對比，首先，將低溫氮吸附方法測試的納米級孔喉半徑分布曲線繪制成累積分布曲線；然后，根據(jù)高壓壓汞的坐標(biāo)點(diǎn)，繪制成低溫氮吸附的納米級孔喉半徑分布曲線；最后，將繪制好的吸附曲線與高壓壓汞曲線進(jìn)行對比。結(jié)果如圖1所示。可以看出，當(dāng)孔喉半徑小于22.00 nm時(shí)，低溫氮吸附方法測試的納米級孔喉半徑分布曲線是在高壓壓汞方法測試的納米級孔喉半徑分布曲線之上。這就表明，當(dāng)孔喉微小時(shí)，氣體容易進(jìn)入極小孔喉，而汞則較難，用低溫氮吸附方法測試的納米級孔喉半徑分布曲線更能反映微米級孔喉分布特征；孔喉半徑22.00～29.00 nm為過渡區(qū)；當(dāng)孔喉半徑大于29.00 nm時(shí)，低溫氮吸附方法測試的納米級孔喉半徑分布曲線在高壓壓汞方法測試的納米級孔喉半徑分布曲線之下，這時(shí)，高壓壓汞測試的數(shù)據(jù)要更準(zhǔn)確。

1.2 致密油藏巖芯全尺度孔喉測試方法

由上面分析可知，對大慶外圍滲透率為0.270 mD的巖芯，當(dāng)孔喉半徑小于22.00 nm時(shí)，采用低溫氮吸附方法測試的納米級孔喉半徑分布數(shù)據(jù)；當(dāng)孔喉半徑大于29.00 nm時(shí)，采用高壓壓汞方法測試的孔喉半徑分布數(shù)據(jù)；在22.00～29.00 nm處采用對數(shù)函數(shù)進(jìn)行線性差值，使得兩種方法測試的數(shù)據(jù)銜接較好。在此基礎(chǔ)上，再利用核磁共振和離心機(jī)對第3塊飽和水的平行巖芯進(jìn)行不同離心力（21，42，209和427 psi，1 psi=6.895 kPa）下的核磁共振圖譜測試，得到不同孔喉半徑（1.00，0.50，0.10和0.05μm）下的孔喉中流體含量。這些數(shù)據(jù)由于束縛水的存在，會造成同一點(diǎn)的累積含量要比實(shí)際累積含量偏高。這種偏高隨著孔喉變大，這種差別逐漸變小。因此，用這種離心-NMR方法來對上述累積曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)或矯正，從而得到較為準(zhǔn)確的包含納米、亞微米、微米級全尺度的孔喉半徑分布曲線和數(shù)值，如圖2和表3所示。

表3 全尺度和高壓壓汞數(shù)據(jù)對比Tab.3 The data comparison of full-scale method and high pressure mercury

圖2 全尺度孔喉測試的處理方法Fig.2 Treatment method of full-scale pore-throat measuring

從圖2和表3可以看出，利用全尺度方法測試的累積孔喉體積百分比為88.9%，比高壓壓汞測試的累積孔喉體積百分比高7.6%，其中，納米級孔喉控制的流體百分?jǐn)?shù)多8.7%，亞微米級孔喉控制的流體百分?jǐn)?shù)少0.9%。這表明高壓壓汞測試方法在測試亞微米級以上孔喉分布時(shí)相對準(zhǔn)確，在測試納米級孔喉分布時(shí)，特別在22.00 nm以下時(shí)，誤差較大。即巖芯越致密，誤差越大。因此，本文建立的全尺度孔喉測試方法與常規(guī)單一微觀孔喉結(jié)構(gòu)測試方法相比，較準(zhǔn)確地測得了致密巖芯中包含微米、亞微米和納米級全尺度的孔喉分布。

2 不同油區(qū)不同滲透率的致密巖芯微觀孔喉結(jié)構(gòu)對比

利用上述方法對長慶、大慶和四川3個(gè)油區(qū)13塊有代表性的致密巖芯進(jìn)行微觀孔喉結(jié)構(gòu)測試，并選擇1塊大慶中高滲透巖芯進(jìn)行對比，說明致密儲層的微觀孔喉結(jié)構(gòu)特征。巖芯基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表4。

表4 實(shí)驗(yàn)巖芯基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Tab.4 Based data of experiment cores

2.1 相同油區(qū)不同滲透率和不同巖性的致密巖樣全尺度孔喉分布曲線對比

2.1.1 不同滲透率的致密巖樣全尺度孔喉分布曲線對比

為了說明相同油區(qū)不同滲透率致密巖樣全尺度孔喉分特征，選擇了大慶外圍、長慶7塊不同滲透率的致密巖芯和1塊滲透率為74.300 mD的中高滲透巖芯。利用上述建立的全尺度孔喉測試方法，繪制了不同滲透率巖芯的全尺度孔喉分布曲線，對比結(jié)果如圖3和表5所示。

圖3 大慶和長慶油區(qū)不同滲透率的致密巖樣全尺度孔喉分布曲線對比Fig.3 Curves Comparison of full-scale pore-throat distribution in different permeability cores from Daqing Oilfield and Changqing Oilfield

表5 大慶致密油巖芯和中高滲透巖芯全尺度數(shù)據(jù)對比Tab.5 Full-scale data comparison of between the tight oil cores of Daqing and high permeability core

分析圖3和表5，可以得出：（1）在同一油區(qū)，隨著滲透率的增大，巖樣全尺度孔喉分布曲線向右偏移，大喉道變多。（2）與中高滲巖芯相比，致密油藏巖芯微米級孔喉控制的流體百分?jǐn)?shù)較少；而亞微米和納米級孔喉控制的流體百分?jǐn)?shù)較多。以大慶油區(qū)滲透率為0.339 mD巖樣為例，其微米級孔喉控制的流體百分?jǐn)?shù)為0.7%，比滲透率為74.300 mD巖樣的微米級孔喉控制的流體百分?jǐn)?shù)少了58.9%；其巖樣亞微米和納米級孔喉控制的流體百分?jǐn)?shù)為98.6%，比滲透率為74.300 mD的巖樣亞微米和納米級孔喉控制的流體百分?jǐn)?shù)多了58.2%。（3）隨著滲透率的增加，巖樣全尺度曲線測試的累積孔喉體積百分比增多，納米級孔喉控制的流體百分?jǐn)?shù)急劇減少，微米級孔喉控制的流體百分?jǐn)?shù)增加，而亞微米級孔喉控制的流體百分?jǐn)?shù)呈拋物線型變化。

由于致密油巖芯中微米級孔喉所占比例較少，而納米級孔喉流體滲流阻力較大，因此在致密油田開發(fā)時(shí)，更要關(guān)注亞微米級孔喉對開發(fā)的影響。

2.1.2 不同巖性的致密巖樣全尺度孔喉分布曲線對比

選擇了四川6塊不同滲透率的致密砂巖和致密灰?guī)r的巖芯，繪制了巖樣全尺度孔喉分布曲線，對比結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，與致密砂巖相比，致密灰?guī)r孔喉分布的跨度較大，峰值偏左，這與其巖性特征相關(guān)。

圖4 四川油區(qū)不同滲透率巖樣全尺度孔喉分布曲線對比Fig.4 Curves comparison of full-scale pore-throat distribution in different permeability cores from Sichuan Oilfield

2.2 不同油區(qū)相同滲透率的致密巖樣全尺度孔喉分布曲線對比

以4塊大慶外圍和長慶致密巖芯為例，全尺度孔喉分布曲線的對比結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同油區(qū)相同滲透率的致密巖樣全尺度孔喉分布曲線對比Fig.3 Curves comparison of full-scale pore-throat distribution in the same permeability cores from different oilfield

從圖5可以看出，在相同滲透率條件下，與大慶致密巖芯相比，長慶致密巖芯的亞微米級孔喉要更多，納米級孔喉要少。在滲透率為0.200 mD時(shí)，長慶致密巖芯的亞微米級孔喉所占比例為58.7%，大慶致密巖芯的亞微米級孔喉所占比例為31.6%，長慶比大慶致密巖芯的亞微米級孔喉要多27.1%；長慶比大慶致密巖芯的納米級孔喉要少26.8%。從微觀孔喉分布上也說明了長慶致密油藏的開發(fā)效果應(yīng)好于大慶致密油藏的開發(fā)效果。

3 結(jié) 論

（1）利用高壓壓汞、低溫氮吸附及核磁共振與離心相結(jié)合等物理模擬實(shí)驗(yàn)方法，通過“兩次插值，一次連接，一次檢驗(yàn)”，建立了致密油藏巖芯全尺度孔喉測試方法。該方法與常規(guī)單一微觀孔喉結(jié)構(gòu)測試方法相比，較準(zhǔn)確地測得了致密巖芯中包含微米、亞微米和納米級全尺度的孔喉分布。當(dāng)巖芯越致密，與全尺度測試方法相比，高壓壓汞測試的納米級喉道分布誤差越大。

（2）與中高滲透巖芯相比，致密油藏巖芯微米級孔喉控制的流體百分?jǐn)?shù)較少，而亞微米和納米級孔喉控制的流體百分?jǐn)?shù)較多。與致密砂巖相比，致密灰?guī)r孔喉分布的跨度較大，峰值偏左。在相同油區(qū)條件下，隨滲透率的增大，全尺度孔喉分布曲線向右偏移，累積孔喉體積百分比增多，大喉道也變多；納米級孔喉控制的流體百分?jǐn)?shù)急劇減少，微米級孔喉控制的流體百分?jǐn)?shù)增加，而亞微米級孔喉控制的流體百分?jǐn)?shù)呈拋物線型變化。

（3）在相同滲透率條件下，長慶比大慶致密巖芯的亞微米級孔喉要多，納米級孔喉要少，從微觀孔喉分布上說明了長慶致密油藏的開發(fā)效果應(yīng)好于大慶致密油藏的開發(fā)效果。

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