致密砂巖束縛水飽和度和微觀孔喉結(jié)構(gòu)關(guān)系實(shí)驗(yàn)研究*

白玉湖 王蘇冉 徐兵祥 陳 嶺 李彥尊 董志強(qiáng)

(中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028)

中國致密氣儲(chǔ)量豐富，主要分布在鄂爾多斯、四川、塔里木、松遼等地。在致密氣開發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)井普遍存在產(chǎn)水現(xiàn)象，容易造成井筒積液、產(chǎn)量快速遞減甚至停產(chǎn)等問題，影響了致密氣藏的開發(fā)效果。目前普遍認(rèn)為致密氣藏產(chǎn)出水可以分為地層水、凝析水和工作液等類型，識(shí)別方法包括水性識(shí)別、生產(chǎn)動(dòng)態(tài)資料識(shí)別等。其中水性識(shí)別是利用礦化度、水型、組分分析等對(duì)產(chǎn)出水類型進(jìn)行判別，如對(duì)大牛地氣田產(chǎn)水進(jìn)行水型分析后，發(fā)現(xiàn)地層水占總出水量的61%。蘇里格氣田蘇東區(qū)塊依據(jù)水化學(xué)特征系數(shù)等對(duì)產(chǎn)出水分析發(fā)現(xiàn)，氣井產(chǎn)水同樣主要為地層水，伴有少量的工作液及凝析液。利用上述方法對(duì)蘇里格、大牛地、川西致密氣田產(chǎn)水井進(jìn)行分析，同樣發(fā)現(xiàn)大部分產(chǎn)出水為地層水。因此，認(rèn)識(shí)致密砂巖儲(chǔ)層地層水賦存規(guī)律對(duì)于含水致密氣藏的開發(fā)至關(guān)重要[1-2]。

前人針對(duì)致密砂巖可動(dòng)流體飽和度的測量開展了大量的實(shí)驗(yàn)研究，試圖研究束縛水飽和度的變化規(guī)律[3-6]、滲流規(guī)律[7-9]及微觀孔隙結(jié)構(gòu)與之關(guān)系[10-14]，但目前關(guān)于致密砂巖地層水賦存規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究，多是通過核磁共振實(shí)驗(yàn)、高壓驅(qū)替實(shí)驗(yàn)、半滲隔板實(shí)驗(yàn)等單個(gè)或者兩個(gè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)開展[15-16]，能夠獲得目標(biāo)油田目的層的束縛水飽和度分布，但影響該實(shí)驗(yàn)巖心束縛水飽和度主控因素的直接實(shí)驗(yàn)研究較少，通常是采用一批巖心測試束縛水飽和度，而采用另外一批巖心開展影響束縛水飽和度因素的實(shí)驗(yàn)研究，并以此來分析束縛水飽和度的主控因素。由于致密砂巖的非均質(zhì)性很強(qiáng)，由此所得的束縛水飽和度和其影響因素的實(shí)驗(yàn)結(jié)果缺乏一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，推廣性受限，普適性相對(duì)較差。因此，本文基于同一塊致密砂巖巖心，圍繞揭示束縛水飽和度和微觀孔隙結(jié)構(gòu)的關(guān)系，依次開展孔滲測試、核磁共振實(shí)驗(yàn)、高壓驅(qū)替實(shí)驗(yàn)和恒速壓汞實(shí)驗(yàn)，從而通過實(shí)驗(yàn)手段揭示致密砂巖束縛水飽和度和其對(duì)應(yīng)的微觀孔喉的量化關(guān)系，為定量評(píng)價(jià)致密砂巖氣藏的產(chǎn)水能力提供基礎(chǔ)依據(jù)和指導(dǎo)。

1 束縛水飽和度測定流程

致密砂巖樣品來自于鄂爾多斯盆地東緣的中國海油臨興致密氣礦區(qū)，主要目的層為盒八段。古生代下石盒子組盒八段為三角洲平原亞相，水動(dòng)力較強(qiáng)，礫石發(fā)育，巖性較粗，砂層平均厚度超過30 m，測井解釋孔隙度平均值為9.2%，滲透率平均值為0.78 mD，儲(chǔ)量占比較大。為定量分析束縛水飽和度和巖心樣品微觀孔喉結(jié)構(gòu)的關(guān)系，選取盒八段典型巖心8塊，針對(duì)同一塊巖心，依次開展：①巖心孔隙度、滲透率實(shí)驗(yàn)測定；②核磁共振實(shí)驗(yàn)，孔隙結(jié)構(gòu)分析，不同離心力下(至少3種離心力)束縛水飽和度測定；③高壓驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，模擬地層壓力條件，開展不同壓差條件下(至少4種壓差)相滲、束縛水飽和度測定；④恒速壓汞實(shí)驗(yàn)，開展微觀孔隙結(jié)構(gòu)分析。保證同一巖心依次完成上述4項(xiàng)測試化驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)①獲得基礎(chǔ)物性參數(shù)，通過實(shí)驗(yàn)②可以獲得孔隙結(jié)構(gòu)分析及束縛水飽和度分析，通過實(shí)驗(yàn)③可獲得束縛水飽和度分析，且和實(shí)驗(yàn)②具有對(duì)比性，通過實(shí)驗(yàn)④可以獲得微觀孔隙結(jié)構(gòu)分析。通過上述4種實(shí)驗(yàn)，即可得到同一塊巖心的一系列數(shù)據(jù)，包括不同實(shí)驗(yàn)方法獲得的束縛水飽和度、孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)等，因此就可以開展不同巖心的微觀孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)比和束縛水飽和度對(duì)比研究，以及同一塊巖心的微觀孔隙結(jié)構(gòu)和束縛水飽和度的量化關(guān)系研究。

為評(píng)價(jià)巖心在孔隙度和滲透率測試、核磁共振實(shí)驗(yàn)和高壓驅(qū)替實(shí)驗(yàn)之后微觀孔隙結(jié)構(gòu)是否發(fā)生變化，留取4塊備用巖心直接開展恒速壓汞實(shí)驗(yàn)，備用巖心取樣位置和開展系列實(shí)驗(yàn)的巖心在同一個(gè)位置，以保證巖心物性相似，具有可對(duì)比性。將開展一系列實(shí)驗(yàn)后的巖心恒速壓汞結(jié)果和備用巖心的恒速壓汞結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，即可評(píng)價(jià)一系列實(shí)驗(yàn)對(duì)巖心孔隙結(jié)構(gòu)的影響。

2 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果分析

1)孔滲分析。

本次常規(guī)儲(chǔ)層物性測試主要是指儲(chǔ)層巖心的孔隙度、滲透率測試。測試儀器SCMS-C3型全自動(dòng)巖心孔滲測量系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)方法參照標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6385-2016《覆壓下巖石孔隙度和滲透率測定方法》進(jìn)行。圖1給出了臨興礦區(qū)致密砂巖儲(chǔ)層盒八段巖心滲透率與孔隙度的關(guān)系?？梢?，對(duì)于臨興致密儲(chǔ)層，盒八段所選取的8塊巖心的滲透率與孔隙度之間相關(guān)性較好，覆壓滲透率較低，屬于致密儲(chǔ)層物性。

圖1 臨興盒八段儲(chǔ)層巖心基本物性參數(shù)

2)基于核磁共振的基質(zhì)巖心孔隙結(jié)構(gòu)及束縛水分布研究。

運(yùn)用核磁共振技術(shù)，設(shè)計(jì)巖心在飽和水再高速離心后開展孔隙分布以及束縛水分布研究。以開展孔滲分析的8塊巖心，繼續(xù)分別進(jìn)行飽和水多次離心后開展核磁共振測試，獲取束縛水飽和度及孔隙結(jié)構(gòu)測試。離心機(jī)轉(zhuǎn)速分別為1 900、2 750和4 500 n/s。

以LX-4井2號(hào)巖心為例，闡述實(shí)驗(yàn)結(jié)果情況，圖2給出該巖心多次離心后孔隙度分量與孔隙半徑核磁共振T2譜分布對(duì)比圖。該巖心核磁共振T2譜分布圖顯示其儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)類型以小孔徑為主。飽和水后核磁孔隙度為6.2%，離心1次后核磁孔隙度為4.5%，離心2次后核磁孔隙度為4.1%，離心3次后核磁孔隙度為3.7%(也即在這種情況下的束縛水核磁孔隙度)。數(shù)據(jù)處理后得到的該巖心孔隙孔徑主要分布在0.000 5～0.078 0 μm、0.1～1.0 μm、1～10 μm?？闪魍紫犊讖秸急刃?，主要分布0.1～10.0 μm，離心后不可流通孔隙孔徑占比大，主要分布在0.000 5～0.100 0 μm，束縛水主要占據(jù)小于0.01 μm的孔隙中。

圖2 LX-4井2號(hào)巖心多次離心后核磁共振T2譜分布對(duì)比圖(半徑)

同樣，對(duì)另外7塊巖心實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，整體來看，束縛水飽和度隨著離心力的增大而減少，隨著巖樣滲透率的增大而減少(圖3、4)。

圖3 束縛水飽和度和巖心滲透率關(guān)系

圖4 束縛水飽和度和離心力關(guān)系

3)致密儲(chǔ)層巖心高壓驅(qū)替實(shí)驗(yàn)研究。

為了對(duì)比不同實(shí)驗(yàn)方法對(duì)束縛水飽和度的影響，同樣針對(duì)經(jīng)過核磁共振實(shí)驗(yàn)后的8塊巖心，開展了氣驅(qū)水過程的非穩(wěn)定法氣水相滲曲線測試，實(shí)驗(yàn)過程是將目標(biāo)巖樣先100%飽和水，氣驅(qū)水至束縛水飽和度，從而測得每塊巖心氣驅(qū)水過程的氣水相對(duì)滲透率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對(duì)比分析不同壓差下的氣水相滲及束縛水飽和度特征。實(shí)驗(yàn)條件：圍壓50 MPa，地層壓力45 MPa，溫度25 ℃，飽和地層水礦化度35 343.5 mg/L，實(shí)驗(yàn)所用的水黏度1.05 mPa·s，氣體黏度0.030 2 mPa·s，驅(qū)替壓差分別為450、650、850、1 000 psi。

不同驅(qū)替壓差下，巖心束縛水飽和度對(duì)比表明(圖5)，隨著驅(qū)替壓差的增大，巖心束縛水飽和度降低，降低趨勢呈現(xiàn)兩段式，在低驅(qū)替壓差下呈非線性關(guān)系遞減，在高驅(qū)替壓差下，呈近似線性關(guān)系遞減；滲透率越高的樣品，例如LX-17-4樣品，兩段式遞減規(guī)律也越明顯。針對(duì)不同的巖心樣品，其束縛水飽和度隨著巖心滲透率的降低而增加，基本呈現(xiàn)線性變化(圖6)，回歸得到關(guān)系式如下：

圖5 巖心的相滲驅(qū)替束縛水飽和度數(shù)據(jù)對(duì)比

圖6 高壓驅(qū)替束縛水飽和度和滲透率關(guān)系

Swir=-13.551K+70.929

(1)

式(1)中：Swir為束縛水飽和度；K為滲透率，mD。

4)巖心孔喉結(jié)構(gòu)恒速壓汞分析。

采用恒速壓汞方法除了能夠得到常規(guī)的毛管壓力曲線外，還可把喉道和孔道分辨開來，能夠分別測得孔道半徑分布和喉道半徑分布，真正得到了具有力學(xué)意義的孔喉比參數(shù)。采用美國Coretest ASPE730恒速壓汞儀，最高進(jìn)汞壓力為6.21 MPa，與之對(duì)應(yīng)的喉道半徑大小約為0.12 μm。繼續(xù)利用高壓驅(qū)替實(shí)驗(yàn)后的8塊巖心開展恒速壓汞實(shí)驗(yàn)，得到巖心樣品的喉道和孔隙半徑分布頻率圖(圖7、8)?？梢钥闯觯瑵B透率越低，喉道半徑越小，滲透率越高，喉道半徑越大，一致性關(guān)系較好(圖7)。孔隙半徑分布與滲透率關(guān)系不明顯(圖8)，即影響滲透率的主要因素為平均喉道半徑。

圖7 滲透率和喉道半徑平均值關(guān)系

圖8 滲透率和孔隙半徑平均值關(guān)系

分析8塊巖心的核磁共振束縛水飽和度和喉道半徑及孔隙半徑平均值的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)束縛水飽和度和喉道半徑平均值具有較好的線性關(guān)系(圖9)，經(jīng)回歸得到：

圖9 束縛水飽和度和喉道半徑平均值的關(guān)系

Swir=-7.238 1rth+77.329

(2)

式(2)中：rth為喉道半徑平均值，μm。

束縛水飽和度和孔隙半徑平均值的關(guān)系較差(圖10)，說明影響束縛水飽和度分布的參數(shù)是喉道半徑。

圖10 束縛水飽和度和孔隙半徑平均值的關(guān)系

為對(duì)比經(jīng)過一系列實(shí)驗(yàn)后，巖心孔隙結(jié)構(gòu)的變化情況，針對(duì)備用巖心LX-22-9直接開展恒速壓汞實(shí)驗(yàn)，該備用巖心和LX-22-2為同一取樣點(diǎn)，物性相近。LX-22-2巖心經(jīng)過孔隙度和滲透率測試、核磁共振實(shí)驗(yàn)和高壓驅(qū)替之后，再進(jìn)行恒速壓汞，結(jié)果如下：巖心孔隙半徑平均值為134.599 μm；喉道半徑平均值為0.679 μm；主流喉道半徑為0.700 μm，主流喉道半徑下限為0.200 μm；迂曲度為9.293；微觀均質(zhì)系數(shù)為0.433?？傮w上微觀非均質(zhì)性較強(qiáng)，分選性差。備用巖心LX-22-9的恒速壓汞結(jié)果如下：孔隙半徑平均值為115.867 μm；喉道半徑平均值為0.519 μm；主流喉道半徑為0.550 μm；主流喉道半徑下限為0.250 μm；迂曲度為13.334；微觀均質(zhì)系數(shù)為0.571?？梢娍傮w上，兩塊巖心的微觀孔隙結(jié)果參數(shù)較為一致，說明LX-22-2巖心經(jīng)過一系列實(shí)驗(yàn)后，本身微觀孔隙結(jié)構(gòu)未發(fā)生本質(zhì)變化。此外，由于本地區(qū)盒八段的黏土含量在10%左右，相對(duì)較低，在進(jìn)行系列驅(qū)替實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用的地層水樣能抑制黏土膨脹，因此，經(jīng)過一些列的實(shí)驗(yàn)，巖心微觀結(jié)構(gòu)變化不大。

圖11給出了3種方法測定的束縛水飽和度的對(duì)比，其中核磁共振束縛水飽和度為在最大離心力(1.34 MPa)下得到的束縛水飽和度；驅(qū)替束縛水飽和度是在最大驅(qū)替壓差(10.2 MPa)下得到的束縛水飽和度；恒速壓汞法獲得的束縛水飽和度是根據(jù)壓汞毛管壓力測量結(jié)果，將壓汞數(shù)據(jù)中汞壓力轉(zhuǎn)換成氣水兩相條件下的驅(qū)替壓力，在毛管壓力曲線上讀取對(duì)應(yīng)驅(qū)替壓力下的含水飽和度即為束縛水飽和度[17]?？傮w而言，恒速壓汞法得到的束縛水飽和度最低，對(duì)相對(duì)低滲巖心，其驅(qū)替實(shí)驗(yàn)的束縛水飽和度與核磁離心束縛水飽和度整體上較為接近，但在相對(duì)高滲條件下，差別較大，如圖11中的LX-17-4樣品，這主要是由于孔隙結(jié)構(gòu)、獲取束縛水方式以及壓差的不同所致。

圖11 3種方法測定的束縛水飽和度的對(duì)比

核磁共振及高壓氣驅(qū)水測試實(shí)驗(yàn)表明，儲(chǔ)層束縛水飽和度隨著喉道半徑平均值的增大而減小，隨著離心力及驅(qū)替壓差的增大而減少，孔喉半徑是束縛水飽和度含量大小的主控因素。儲(chǔ)層內(nèi)束縛水飽和度整體在40%～70%，且賦存在小于0.1 μm的孔隙內(nèi)以及較大孔隙的親水表面上。

3 結(jié)論

1)針對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層，可以采用同一塊巖心，依次開展孔滲測試分析、核磁共振實(shí)驗(yàn)、高壓驅(qū)替實(shí)驗(yàn)和恒速壓汞實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)手段揭示束縛水飽和度和致密砂巖微觀孔喉一一對(duì)應(yīng)量化關(guān)系。

2)針對(duì)臨興礦區(qū)盒八段致密砂巖儲(chǔ)層，三種方法測試得到的束縛水飽和度略有差異，儲(chǔ)層內(nèi)束縛水飽和度整體在40%～70%，且賦存在小于0.1 μm的孔隙內(nèi)以及較大孔隙的親水表面上。

3)束縛水飽和度隨著喉道半徑平均值的增加而降低，具有較好的線性關(guān)系；束縛水飽和度隨滲透率增加而降低，具有較好的線性關(guān)系。