毛細(xì)管突破壓力模擬實(shí)驗(yàn)及頁巖封閉能力

張文濤

(1. 中國石化 石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無錫 214126； 2.南京大學(xué)，南京 210046)

1 研究現(xiàn)狀

突破壓力指非潤濕相的流體突破巖石的毛管阻力從而形成連續(xù)流動(dòng)流體時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)壓力，根據(jù)定義和測(cè)試方法的不同，也稱排替壓力、驅(qū)替壓力等。HILDENBRAND等[1]對(duì)不同研究中突破壓力的含義進(jìn)行了總結(jié)。突破壓力是反映泥頁巖微觀封閉能力的重要參數(shù)，國內(nèi)外的一些學(xué)者采用突破壓力和其他巖石結(jié)構(gòu)參數(shù)，分別建立了蓋層遮擋能力分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[2-5]。

突破壓力的本質(zhì)是毛細(xì)管力封閉，根據(jù)毛細(xì)管理論，氣水界面處的毛細(xì)管力的計(jì)算公式為：Pc=2σcosθ/r。式中Pc為毛細(xì)管力；σ為氣水界面張力；θ為潤濕角；r為毛管半徑。可見從毛細(xì)管理論來看，突破壓力主要受毛細(xì)管大小(孔喉半徑)影響，與巖石厚度無關(guān)[1,6]。俞凌杰等采用驅(qū)替法測(cè)試了不同長度樣品的突破壓力，結(jié)果顯示突破壓力與長度之間沒有關(guān)系[7]。然而也有觀點(diǎn)認(rèn)為突破壓力與巖石厚度存在正相關(guān)關(guān)系，提出這一觀點(diǎn)的主要證據(jù)包括：多個(gè)油氣田的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，蓋層封蓋的烴柱高度與蓋層的厚度存在正相關(guān)關(guān)系[8-11]；對(duì)不同長度樣品的驅(qū)替法突破壓力實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出了與俞凌杰等[7]相反的結(jié)論，即突破壓力與長度正相關(guān)[10-11]。目前這2種截然不同的觀點(diǎn)尚未能取得一致的意見。

獲取巖石突破壓力參數(shù)的實(shí)驗(yàn)方法主要有2種：一是利用高壓壓汞得到巖石的孔徑分布數(shù)據(jù)，取進(jìn)入10%孔隙的壓力點(diǎn)[12-13]或壓力-進(jìn)汞飽和度曲線中的拐點(diǎn)壓力[14]作為突破壓力；二是驅(qū)替法，即巖石中飽和流體(通常為水)在其一端用非潤濕相流體(通常為氣體)驅(qū)替巖石中的流體，非潤濕相流體通過巖石到達(dá)另一端所需克服的最小壓力即為突破壓力[15-16]。由于驅(qū)替法突破壓力實(shí)驗(yàn)中巖石是飽和流體的，因此驅(qū)替時(shí)可以認(rèn)為僅存在一個(gè)兩相流體界面，但實(shí)際上地質(zhì)情況往往較為復(fù)雜。如富有機(jī)質(zhì)頁巖既可以是烴源巖，也可以作為蓋層，而對(duì)于頁巖氣來說，頁巖則是生、儲(chǔ)、蓋一體[17-20]。這種情況下，一方面頁巖中的有機(jī)質(zhì)表面性質(zhì)為親油性，而無機(jī)礦物表面則為親水性，因此運(yùn)移通道上形成了親水和親油交替分布的情況[21]。另一方面，隨著埋深增大，有機(jī)質(zhì)生烴作用生成了大量的油或氣，頁巖孔隙中還存在部分水[22]，生成的烴類與水混合分布，形成多個(gè)油水或氣水界面。盡管對(duì)于巖石突破壓力的實(shí)驗(yàn)研究已經(jīng)有了大量的數(shù)據(jù)和成果，但這些研究主要集中在突破壓力與巖性、孔隙度、滲透率、應(yīng)力等參數(shù)的關(guān)系上[23-27]，而對(duì)于這種運(yùn)移路徑上潤濕性復(fù)雜多變且存在多個(gè)兩相流體界面的情況，突破壓力如何變化尚不清楚。

巖石內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以準(zhǔn)確地了解和控制其中的兩相界面的分布情況。因此為了研究流動(dòng)路徑上的多個(gè)兩相界面對(duì)巖石突破壓力的影響，本文設(shè)計(jì)了一套裝置來測(cè)定單個(gè)毛細(xì)管中的突破壓力，在實(shí)驗(yàn)中通過精確控制毛細(xì)管中的氣水界面數(shù)目和潤濕性，研究多氣水界面和復(fù)雜潤濕性情況下的突破壓力變化情況。

2 實(shí)驗(yàn)方法

傳統(tǒng)的驅(qū)替實(shí)驗(yàn)中，測(cè)試的樣品通常為巖石柱塞樣品，但該方法難以控制和計(jì)量樣品中的兩相界面情況，因此本實(shí)驗(yàn)采用了單個(gè)毛細(xì)管來開展研究工作。盡管該方法不能獲得巖石的真實(shí)突破壓力，但通過實(shí)驗(yàn)可以分析孔徑、長度、潤濕性及氣水混合相等因素對(duì)突破壓力的影響。實(shí)驗(yàn)所采用的裝置如圖1所示，U形管中裝有一定量的水，B端開口，A端用橡皮塞塞住并接有3根導(dǎo)管，導(dǎo)管1為進(jìn)氣管，導(dǎo)管2通大氣，導(dǎo)管3則連接測(cè)試的毛細(xì)管。毛細(xì)管保持水平，末端與水相接觸，以消除末端液滴流出時(shí)產(chǎn)生的阻力。毛細(xì)管采用了內(nèi)徑1 mm和3 mm的2種玻璃管，玻璃管在實(shí)驗(yàn)前用清洗液清洗，其內(nèi)壁表面為親水性。初始狀態(tài)時(shí)，進(jìn)氣管1中的氣壓為大氣壓力，此時(shí)毛細(xì)管中的流體由于毛管阻力的作用而保持靜止?fàn)顟B(tài)。緩慢增加進(jìn)氣管1的進(jìn)氣壓力，U形管的兩端在壓力作用下產(chǎn)生液面差，根據(jù)該液面差的數(shù)值可以換算出此時(shí)的氣體壓力值。隨著毛細(xì)管一側(cè)的進(jìn)氣壓力不斷增大，毛細(xì)管中的流體將克服毛細(xì)管阻力向另一端移動(dòng)，此時(shí)毛細(xì)管兩端的壓力差即為毛管阻力的值，相當(dāng)于毛細(xì)管的突破壓力。

圖1 毛細(xì)管突破壓力模擬實(shí)驗(yàn)裝置示意

實(shí)驗(yàn)通過改變毛細(xì)管的參數(shù)以分析不同實(shí)驗(yàn)條件對(duì)毛細(xì)管中突破壓力的影響。主要考慮了毛細(xì)管表面潤濕性和毛細(xì)管中的流體相2個(gè)因素，設(shè)計(jì)下列實(shí)驗(yàn)：①毛細(xì)管內(nèi)壁為親水性，毛細(xì)管中充滿水，此時(shí)僅有一個(gè)氣水界面；②毛細(xì)管中為氣水兩相，即毛細(xì)管中的水相不再是連續(xù)的，而是被氣相分割成很多段，形成水柱和氣柱相互間隔的混合狀態(tài)；③將毛細(xì)管內(nèi)表面部分涂抹工業(yè)油脂，使其變?yōu)樗疂櫇裣嗪陀蜐櫇裣嘟惶娉霈F(xiàn)的混合狀態(tài)，通過毛細(xì)管的流體也為氣—水間隔分布的兩相。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

共進(jìn)行了3組實(shí)驗(yàn)，其分析結(jié)果見表1和圖2。

第一組實(shí)驗(yàn)首先考慮較為簡單的情況，采用內(nèi)壁為親水性的玻璃管作為毛細(xì)管，毛細(xì)管中充滿連續(xù)的水相，從毛細(xì)管的一側(cè)輸入空氣以驅(qū)替管中的水。選擇不同長度和不同直徑的毛細(xì)管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，突破壓力主要取決于毛細(xì)管的直徑，而與毛細(xì)管長度無關(guān)(表1)。毛細(xì)管越粗，突破壓力越??；相同粗細(xì)的毛細(xì)管，長度不同，突破壓力相同。這是由于氣體向前移動(dòng)只需克服氣液界面處的毛管阻力即可，這一結(jié)果與毛細(xì)管理論是一致的。根據(jù)毛細(xì)管力的計(jì)算公式，其他條件不變的情況下，毛細(xì)管力Pc與半徑r成反比，因此測(cè)得直徑3 mm的玻璃管的突破壓力(76 Pa)約為直徑1 mm的玻璃管的突破壓力(200Pa)的1/3(由于不同玻璃管的材質(zhì)、形狀以及每次實(shí)驗(yàn)的流體性質(zhì)存在細(xì)微差異，因此實(shí)際測(cè)得的數(shù)值并非準(zhǔn)確的1/3)。

表1 不同條件下的突破壓力實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2 毛細(xì)管突破壓力模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3 氣水混合分布影響突破壓力的原理示意

此外，需要說明的是，盡管本實(shí)驗(yàn)過程中僅采用了氣、水兩相流體，但可以推測(cè)，若采用油和水2種流體開展相同的實(shí)驗(yàn)，應(yīng)可以得出同樣的結(jié)論。

4 意義和討論

4.1 氣態(tài)烴的生成對(duì)頁巖封蓋能力的影響

無機(jī)礦物表面通常是親水的，但有機(jī)質(zhì)表面則是親油的，因此氣體在頁巖孔隙系統(tǒng)中運(yùn)移時(shí)，運(yùn)移通道的潤濕性也會(huì)在親水性和親油性之間不斷轉(zhuǎn)換。頁巖進(jìn)入生烴階段后，未排出的烴類與頁巖中殘留的水共同分布在頁巖孔縫系統(tǒng)中。與油氣藏突破上覆蓋層的情況不同，這里的烴類與水之間并沒有統(tǒng)一的分界，而是共同散布在頁巖中，從微觀角度來看，在運(yùn)移路徑上容易形成多個(gè)氣水或油水界面。根據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)分析的結(jié)果，運(yùn)移路徑上存在多個(gè)兩相界面時(shí)，多個(gè)界面會(huì)對(duì)流體的運(yùn)移產(chǎn)生共同的阻力，而流動(dòng)通道上孔隙大小和表面潤濕性的不斷變化則會(huì)使阻力增大，從而導(dǎo)致突破壓力的增加。此外，蓋層頁巖中生成的天然氣可減緩或抵消下伏地層中天然氣的擴(kuò)散作用，對(duì)此前人已有較多討論，稱之為烴濃度封閉[29-31]。由此可見，頁巖中的氣態(tài)烴的生成能夠增強(qiáng)其封蓋能力。

4.2 頁巖蓋層厚度與突破壓力的關(guān)系

頁巖蓋層厚度越大，越不容易產(chǎn)生貫穿性的斷層，蓋層在平面上的展布也越穩(wěn)定，從而封蓋性能也越好，這是毋庸置疑的。前人研究中爭論的焦點(diǎn)在于蓋層突破壓力是否與厚度有關(guān)。付廣、袁際華等[10-11]研究認(rèn)為，突破壓力與樣品長度呈正相關(guān)關(guān)系。若按這一結(jié)論，則油氣儲(chǔ)層之上的所有巖石都可提供一部分的突破壓力，即使是砂巖、粉砂巖之類的巖層，只要厚度足夠大，也可以成為蓋層，這有悖于我們的常識(shí)。本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及俞凌杰等[7]的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果都說明，當(dāng)頁巖中為單相流體時(shí)，其突破壓力主要受孔喉直徑的影響，而與厚度無關(guān)。盡管如此，在很多油氣田中，蓋層封蓋的烴柱高度與蓋層的厚度存在正相關(guān)關(guān)系卻是無法否認(rèn)的[8-11]。其原因可能是多方面的，例如蓋層厚度與巖石的巖性可能存在一定的相關(guān)性，由于文獻(xiàn)中給出的信息有限，這里對(duì)此無法做出判斷。但本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也可以解釋其中一種可能的原因，即蓋層中存在含油或含氣的富有機(jī)質(zhì)頁巖，當(dāng)蓋層頁巖中為兩相混合流體時(shí)，突破壓力會(huì)隨厚度增大而增大。原因是厚度越大運(yùn)移路徑上的油水或氣水界面越多，而運(yùn)移通道的直徑和潤濕性也是不斷變化的，這種情況下多個(gè)界面對(duì)流體運(yùn)移的阻力具有累積效應(yīng)，從而導(dǎo)致突破壓力的增加。

4.3 啟動(dòng)壓力梯度的形成機(jī)制

前人研究中曾提出用啟動(dòng)壓力梯度的概念來說明突破壓力與蓋層厚度存在相關(guān)性[11,32]。啟動(dòng)壓力梯度的概念來自低滲油藏的開發(fā)領(lǐng)域，指流體在低滲透油藏中滲流時(shí)，必須有一個(gè)附加的壓力梯度來克服巖石表面對(duì)流體的吸附力(分子作用力)引起的阻力才能流動(dòng)[33]。與突破壓力的含義不同之處在于，啟動(dòng)壓力梯度是啟動(dòng)壓力與厚度的比值，因此按照這一理論，在一定的啟動(dòng)壓力梯度下，驅(qū)動(dòng)流體所需的壓力自然與厚度正相關(guān)。但也有學(xué)者對(duì)啟動(dòng)壓力梯度表示懷疑，認(rèn)為單相滲流情況下不存在啟動(dòng)壓力梯度[34]。

對(duì)于單相流體的情況，由于本實(shí)驗(yàn)中的毛細(xì)管直徑與低滲巖石中的毛細(xì)管直徑相差甚遠(yuǎn)，分子作用力的情況難以類比，在此不做討論。但從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到，在存在兩相流體的情況下，驅(qū)替壓力與厚度有關(guān)，存在一個(gè)壓力梯度，只有大于該壓力梯度時(shí)，才能使流體發(fā)生流動(dòng)。有研究表明，兩相流體的啟動(dòng)壓力梯度明顯高于單相流體[35]，也說明混合相流體的流動(dòng)需要更高的驅(qū)替壓力，這與本研究中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是一致的。

5 結(jié)論

(1)單一毛細(xì)管的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，毛細(xì)管中存在兩相混合流體時(shí)，突破壓力與兩相界面數(shù)目呈正相關(guān)關(guān)系，在此情況下，表面潤濕性的多變將進(jìn)一步使突破壓力增加。

(2)前人對(duì)于突破壓力與蓋層厚度是否存在相關(guān)性存在爭論，本研究表明，當(dāng)頁巖蓋層中為單相流體時(shí)，突破壓力主要與孔喉直徑有關(guān)，而頁巖中為兩相混合流體時(shí)，突破壓力則隨厚度增加而變大。兩相混合流體是啟動(dòng)壓力梯度存在的重要機(jī)制。

(3)黑色頁巖中散布的有機(jī)質(zhì)及烴類的生成能夠增強(qiáng)頁巖的封閉能力。