基于毛管壓力曲線分析的巖心麻皮系數(shù)計(jì)算
——以鴨兒峽油田白堊系為例

李國(guó)利，吳偉，杜文博，曾利剛，牟明洋，魏浩元，趙燕紅

(1.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司 測(cè)井應(yīng)用研究院,陜西 西安 710000；2.玉門(mén)油田公司 勘探開(kāi)發(fā)研究院，甘肅 酒泉 735000)

0 引 言

毛管壓力曲線是最重要的巖心分析項(xiàng)目之一[1-4]，巖樣的毛管壓力數(shù)據(jù)在油田的勘探和開(kāi)發(fā)中應(yīng)用廣泛，可以用于研究?jī)?chǔ)集層巖石的微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征、估算儲(chǔ)集層的儲(chǔ)集和滲流能力、計(jì)算油層的原如油水飽合度分布等。實(shí)驗(yàn)室中獲得毛管壓力曲線的方法有半滲透隔板法、壓汞法和離心法。由于勘探與生產(chǎn)時(shí)效要求，目前最常用的方法是壓汞法。隨著技術(shù)的進(jìn)步，壓汞測(cè)量試驗(yàn)又發(fā)展為恒壓壓汞法和恒速壓汞法。恒速壓汞法[5-6]是較新的技術(shù)，可以精確給出孔隙和喉道參數(shù)，但是在致密砂巖中儀器條件受限，特別是針對(duì)測(cè)量對(duì)象的滲透率下限有要求，本文采用較常用的恒壓壓汞試驗(yàn)法。

壓汞測(cè)量方法在壓汞初始階段，汞首先會(huì)逐漸填滿巖樣表面的坑凹處，該部分進(jìn)汞量不能反映巖樣的真實(shí)飽和度，這一現(xiàn)象稱為“麻皮效應(yīng)”[5]?，F(xiàn)行的中華人民共和國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T5346—2005《巖石毛管壓力曲線的測(cè)定》[6-7]已經(jīng)引入麻皮效應(yīng)，明確在壓汞資料的運(yùn)用過(guò)程中應(yīng)當(dāng)進(jìn)行麻皮效應(yīng)校正。

張關(guān)根等[1]最早提出了麻皮效應(yīng)對(duì)壓汞資料的影響；胡勇等[2]、D.Bardin等[3]對(duì)平均毛管壓力展開(kāi)分類(lèi)，并應(yīng)用在流體飽和度的計(jì)算中；C.S.Harsha等[4]、張濤等[7]研究了壓汞法測(cè)定飽和度的影響因素，給出了校正公式。除了年代久遠(yuǎn)的1987年《石油勘探與開(kāi)發(fā)》刊出關(guān)于麻皮系數(shù)的影響研究外，近年來(lái)鮮有提及。雖然有文獻(xiàn)提到了麻皮系數(shù)的影響，但是對(duì)于麻皮系數(shù)具體怎么得到的，缺少更為詳細(xì)、透徹的分析。本文依據(jù)實(shí)驗(yàn)室?guī)r樣“J”函數(shù)曲線特性，詳細(xì)分析了油藏平均毛管壓力、排驅(qū)壓力以及麻皮效應(yīng)的影響區(qū)間，給出了影響油藏飽和度的具體量化標(biāo)準(zhǔn)。

鴨兒峽是青西凹陷兩大正向構(gòu)造單元之一，是典型的鼻狀構(gòu)造油氣富集單元。鴨兒峽K1g1油藏大部分油層投產(chǎn)井試油均油水同出，平均含水15%～45%，含油飽和度不高。實(shí)驗(yàn)室對(duì)密閉取心含油巖樣進(jìn)行壓汞試驗(yàn)分析，測(cè)量出含油飽和度(43%～55%)，飽和度明顯高于阿爾奇公式計(jì)算的理論值，與試油不符，給儲(chǔ)量計(jì)算帶來(lái)很大困難。分析認(rèn)為是忽略了壓汞實(shí)驗(yàn)巖心麻皮效應(yīng)的原因。因此，為了準(zhǔn)確掌握油藏原始含油飽和度，壓汞曲線麻皮效應(yīng)的分析及麻皮系數(shù)的計(jì)算顯得尤為重要。

1 試 驗(yàn)

1.1 麻皮效應(yīng)與建模

麻皮效應(yīng)表現(xiàn)為在壓汞初始階段，進(jìn)汞量的增加是由于非潤(rùn)濕相汞在巖樣粗糙表面坑凹處的貼合而引起的虛假進(jìn)汞體積，如圖1所示。隨著壓力的逐漸增大，坑凹被汞填滿，此時(shí)汞并沒(méi)有真正進(jìn)入孔隙系統(tǒng)，壓力也沒(méi)有達(dá)到排驅(qū)壓力。但在總進(jìn)汞量中如果不把這部分虛假進(jìn)汞量去除，會(huì)造成進(jìn)汞飽和度數(shù)值偏大。一般地，巖性越細(xì)，分選性越好，磨圓度越高，巖石表面就越光滑，產(chǎn)生的麻皮效應(yīng)也越弱。

圖1 麻皮效應(yīng)模型

圖1模型將巖石表面的坑凹簡(jiǎn)化有兩個(gè)缺口。a處為巖石表面顆粒的坑凹處，直徑為r，該處并沒(méi)有連通到巖石孔隙系統(tǒng)；b處為巖石表面與孔隙系統(tǒng)連通處。真空試驗(yàn)中，壓入的汞首先會(huì)填滿a處虛線所示的凹槽內(nèi)。忽略凹槽表面的靜壓差和真空度，這部分的進(jìn)汞量即為“麻皮效應(yīng)”；b處所示的進(jìn)汞應(yīng)屬粗孔喉的進(jìn)汞量。如果試驗(yàn)壓力繼續(xù)增加，汞突破b所示缺口，進(jìn)入與此連通的孔隙。突破點(diǎn)的壓力等于排驅(qū)壓力，隨著壓力超過(guò)排驅(qū)壓力，汞進(jìn)入巖石更細(xì)小的孔隙中。

根據(jù)這一模型，麻皮效應(yīng)發(fā)生在試驗(yàn)起始?jí)毫r(shí)，結(jié)束在排驅(qū)壓力點(diǎn)。因而，麻皮系數(shù)[1-4]的計(jì)算最重要的是確定排驅(qū)壓力點(diǎn)。

1.2 樣 品

試驗(yàn)樣品取自鴨兒峽油田白堊系油藏一口重點(diǎn)評(píng)價(jià)井(YX-X井)，在目的層K1g1段共取S1～S9 9個(gè)巖樣。樣品深度4 300～4 600 m，位于白堊系下溝組，該組是酒泉盆地砂礫巖勘探開(kāi)發(fā)的主要層位。儲(chǔ)層的優(yōu)勢(shì)巖性為細(xì)砂巖和含礫不等粒砂巖，含油巖心的孔隙度主要分布在6%～18%間。從圖2巖心橫切面和斷面可以看出，礫石顆粒的非均質(zhì)性和鉆具震動(dòng)的小顆粒脫落，在巖心面上形成較多的坑凹(圖2)。

圖2 鴨兒峽油田柳北構(gòu)造下溝組K1g1段巖心照片

Fig.2 Core photographs of K1g1member of Xiagou formation in Liubei structure，Yaerxia oilfield

將選好的樣品切削成直徑25 mm的圓柱狀，利用CoreLab 氦孔隙度、滲透率儀測(cè)量干巖樣在實(shí)驗(yàn)室條件下有效孔隙度(表1)；同時(shí)用KX-90F液體飽和裝置對(duì)樣品進(jìn)行了油水飽和度測(cè)試分析(表1)，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為國(guó)標(biāo)GB/T 29172—2012標(biāo)準(zhǔn)《巖心分析方法》。

表1 油水飽和度測(cè)試數(shù)據(jù)

2 壓汞試驗(yàn)分析

2.1 構(gòu)建“J”函數(shù)

麻皮系數(shù)是由平均毛管壓力曲線獲得的，首先對(duì)研究區(qū)壓汞試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，以得到標(biāo)準(zhǔn)的平均毛管壓力曲線。

在毛管中產(chǎn)生的液面上升或下降的曲面附加壓力稱為毛管壓力[8-10]，它是研究巖石孔隙結(jié)構(gòu)及巖石中兩相滲流所必需的資料，也是油層物理學(xué)的重要內(nèi)容之一。

毛管壓力計(jì)算公式為[11]

Pc=0.002σcosθ/r，

(1)

式中：Pc為毛管壓力，MPa；σ為流體兩相的界面張力，mN/m；θ為流體與固體的接觸角，°；r為毛管半徑，μm。

從式(1)可以看出，毛管壓力和流體界面張力、潤(rùn)濕接觸角的余弦成正比，與毛管半徑成反比。界面張力和接觸角的大小取決于巖石和流體的性質(zhì)，巖石毛管半徑反映巖石的孔隙結(jié)構(gòu)，它與油層孔隙度和滲透率相關(guān)。

S4樣品毛管壓力測(cè)試曲線如圖3所示。

因?yàn)樾r心所得出的毛管壓力僅僅是儲(chǔ)層的一點(diǎn)，要得到代表整個(gè)地層的毛管壓力，必須將所有資料加以平均和綜合?？紤]到油層的非均質(zhì)性，為了表征一個(gè)油層的毛管壓力特征，提出了“J”函數(shù)概念[9-13]。研究區(qū)油層“J”函數(shù)曲線如圖4所示。

圖4中“J”函數(shù)是研究區(qū)多塊巖樣測(cè)量的毛管壓力和進(jìn)汞飽和度的擬合，單塊巖樣“J”函數(shù)計(jì)算公式為

(2)

鴨兒峽油田毛管壓力試驗(yàn)為水銀-空氣系統(tǒng)，界面張力為汞的表面張力最大角，480 mN/m，接觸角為140°(表2)，用典型的界面張力和接觸角值換算為

(3)

式中：J(Sw)為“J”函數(shù)，無(wú)因次量；K為滲透率；φ為孔隙度，%。

表2 典型的界面張力和接觸角度

2.2 平均毛管壓力

由圖4可知，在單對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中，“J”函數(shù)是毛管壓力和進(jìn)汞飽和度的冪函數(shù)，也是含水飽和度的冪函數(shù)。對(duì)某一塊巖樣，“J”函數(shù)可寫(xiě)為

(4)

式中，a，n為系數(shù)，小數(shù)。

將每一塊巖樣擬合的系數(shù)a,n求和平均，得到代表油藏的一條典型平均“J”函數(shù)，記做J(Sw)。由式(3)可知

(5)

式中，K,φ由巖心試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取，分別取4.36,12。于是可得

(6)

在單對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中，平均毛管壓力曲線如圖5所示。

圖5為“J”函數(shù)處理獲得的酒泉盆地鴨兒峽油田平均毛管壓力曲線。沿著曲線相對(duì)平坦的部分做切線，得到曲線的4個(gè)拐點(diǎn)(P1,P2,P3,P4)，將曲線基本分為4個(gè)部分,即兩端的高斜率直線段、中間的低斜率直線段和高低直線段的交點(diǎn)形成的兩個(gè)弧線段。

圖5 酒泉盆地鴨兒峽油田平均毛管壓力曲線

低斜率直線段反映巖石的主體孔隙特征，主體孔隙內(nèi)流體飽和度高；高斜率直線段的高壓部分反映了巖石的微孔特征，低壓部分為實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)的系統(tǒng)誤差；高低直線段的交點(diǎn)為轉(zhuǎn)折壓力，P1至P2反映了非潤(rùn)濕相流體達(dá)到排驅(qū)壓力的過(guò)程，即為麻皮效應(yīng)區(qū)間；P3至P4反映汞從主體孔隙進(jìn)入巖石微孔隙的難易程度，該段弧線越平緩則汞進(jìn)入越容易，反之越難。

3 影響系數(shù)確定

3.1 排驅(qū)壓力

平均毛管壓力曲線中排驅(qū)壓力的確定是獲得麻皮系數(shù)的關(guān)鍵。普遍認(rèn)為壓汞試驗(yàn)中汞為非潤(rùn)濕相流體[16]，巖樣孔隙中的可動(dòng)流體油、氣、水為潤(rùn)濕相流體。由于沉積巖多被水濕潤(rùn)，油氣要通過(guò)它進(jìn)行運(yùn)移，必須首先排替其中的水才能進(jìn)入其中。如果驅(qū)使石油的動(dòng)力未達(dá)到進(jìn)入蓋層所需的排替壓力值，則石油就被遮擋于蓋層之下。排替壓力的大小，與孔隙喉道大小有直接關(guān)系。壓汞測(cè)量法[17-18]與該理論基本相同。

排驅(qū)壓力是表征儲(chǔ)層物性的重要參數(shù)，是在特定成藏條件下，決定油氣能否突破儲(chǔ)層界面而聚集成藏的控制因素。排驅(qū)壓力是劃分巖石儲(chǔ)集性能好壞的主要標(biāo)志之一。因?yàn)樗确从沉藥r石的孔隙喉道的集中程度，又反映了這種集中的孔隙喉道的大小。排驅(qū)壓力在數(shù)值上為汞和汞蒸汽開(kāi)始驅(qū)替可動(dòng)流體所需的最低壓力，也為巖石孔隙系統(tǒng)中最大的連通孔隙的毛管壓力，以Pd表示。泥巖具較大的排驅(qū)壓力；隨著巖石顆粒粒徑的加大，排驅(qū)壓力相應(yīng)降低。原始油藏條件下，當(dāng)儲(chǔ)層中儲(chǔ)集流體時(shí)的排驅(qū)壓力與地層壓力平衡，但是低于蓋層。如果排驅(qū)壓力過(guò)大，高于蓋層，油氣則繼續(xù)運(yùn)移，直到遇到新的遮擋，形成新的蓋、儲(chǔ)組合，見(jiàn)文獻(xiàn)[19]。

P2,表現(xiàn)為隨著壓力Pc的增加，汞開(kāi)始進(jìn)入巖石粗孔喉系統(tǒng)。P1,P2與的壓力差是克服汞填滿巖石表面凹槽的過(guò)程，即“麻皮效應(yīng)”產(chǎn)生區(qū)間，對(duì)應(yīng)的壓力Pc′為排驅(qū)壓力Pd。

P3,壓汞曲線平坦部分的左切點(diǎn)，與P2構(gòu)成的曲線是汞逐漸填滿巖石粗孔喉系統(tǒng)，貢獻(xiàn)試驗(yàn)中絕大部分進(jìn)汞量。當(dāng)孔隙結(jié)構(gòu)相對(duì)較好時(shí)，曲線特征為隨著壓力的小范圍增加，進(jìn)汞量大幅上升。

P4，隨著壓力的增加，進(jìn)汞量急驟放緩。汞開(kāi)始深入巖石更細(xì)小的微孔隙，此時(shí)試驗(yàn)是否繼續(xù)，取決于儀器性能。

3.2 麻皮系數(shù)

麻皮效應(yīng)發(fā)生的區(qū)間是汞接觸巖樣表面，直到填滿巖樣的凹槽空間為止。由平均毛管壓力曲線可知，當(dāng)進(jìn)汞壓力達(dá)到排驅(qū)壓力時(shí)，曲線開(kāi)始變得平坦，汞開(kāi)始真正進(jìn)入孔隙空間。因此,進(jìn)汞壓力達(dá)到排驅(qū)壓力前的進(jìn)汞飽和度為虛假的進(jìn)汞體積，排驅(qū)壓力對(duì)應(yīng)的進(jìn)汞飽和度15%為麻皮效應(yīng)影響的極限值，即麻皮系數(shù)。巖樣飽和度參數(shù)和麻皮系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3中，原始測(cè)量飽和度減去麻皮系數(shù)為校正后的飽和度。計(jì)算飽和度根據(jù)實(shí)際測(cè)井曲線利用阿爾奇公式計(jì)算獲得。表2可知，YX-X井目的層所取巖樣S1～S9原始測(cè)量含油飽和度分布在28.4%～79.9%，平均48.4%。研究認(rèn)為,鴨兒峽油田K1g1段儲(chǔ)層麻皮系數(shù)為15%，經(jīng)該系數(shù)校正之后，S1～S9巖樣含油飽和度分布在24.1～67.7 %，平均41.2%。

表3 經(jīng)麻皮系數(shù)校正后的飽和度參數(shù)

以該井目的層系巖電資料計(jì)算的含油飽和度分布在16.2%～78.3%，平均40.6%。從而可知，由麻皮系數(shù)校正后的飽和度與阿爾奇公式計(jì)算的理論飽和度相對(duì)誤差約為1.45%，麻皮系數(shù)的校正結(jié)果與理論計(jì)算值吻合較好。YX-X井在K1g1段射孔試油，綜合含水38%，試油結(jié)論為油水同層，流體性質(zhì)與校正后的飽和度吻合較好。

酒泉盆地鴨兒峽油田K1g1段儲(chǔ)層物性變化較大(滲透率0.1～618 mD)，油層平面、層間、層內(nèi)非均質(zhì)性強(qiáng)。儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)多樣，巖性分選差、磨圓度低。該試驗(yàn)樣品為不等粒砂巖，分選差，表面粗糙。確定出該油田K1g1油藏麻皮效應(yīng),為15%，即麻皮系數(shù)λ；油田孔隙排驅(qū)壓力為2 MPa(P2點(diǎn)對(duì)應(yīng)的進(jìn)汞壓力，此時(shí)汞開(kāi)始真正進(jìn)入孔隙空間)，麻皮效應(yīng)影響較大。在計(jì)算和標(biāo)定K1g1油藏含油飽和度時(shí)，應(yīng)扣除麻皮系數(shù)。

4 結(jié) 論

(1)根據(jù)巖樣的“J”函數(shù)處理，得到代表油藏的平均毛管壓力曲線，對(duì)該平均毛管壓力曲線分析發(fā)現(xiàn)，麻皮效應(yīng)對(duì)酒泉盆地鴨兒峽油田白堊系砂礫巖油藏的影響區(qū)間為進(jìn)汞飽和度由0到15%的變化過(guò)程，麻皮系數(shù)為極限值15%。

(2)白堊系K1g1油藏麻皮效應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)室分析含油飽和度影響較大，在計(jì)算和標(biāo)定含油飽和度時(shí)，應(yīng)扣除麻皮系數(shù)。經(jīng)麻皮系數(shù)校正后的含油飽和度與測(cè)井計(jì)算和試油情況吻合較好，一定程度上提高了試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的利用價(jià)值。