基于自發(fā)滲吸接觸角分布的致密砂巖油儲(chǔ)層混合潤濕性測量和表征

季漢生,張立寬,張立強(qiáng),閆建釗,劉乃貴,宋穎睿,李 超,雷裕紅,程 明

( 1. 中國石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東 青島 266580; 2. 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所 油氣資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100029; 3. 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049; 4. 東北石油大學(xué) 環(huán)渤海能源研究院,河北 秦皇島 066004 )

0 引言

隨油氣勘探開發(fā)從常規(guī)油氣向非常規(guī)油氣發(fā)展,致密油成為全球非常規(guī)油氣勘探開發(fā)的重點(diǎn)領(lǐng)域[1]。中國致密油地質(zhì)資源儲(chǔ)量為(7.4～8.0)×109t,成為重要的石油接替資源[2]。受顆粒表面電性、原油膠質(zhì)組分、地層水離子類型、濃度,以及地層水pH等因素影響,致密砂巖油儲(chǔ)層表現(xiàn)出混合潤濕特征[3-12]。根據(jù)油氣運(yùn)移和聚集方式,致密砂巖存在油潤濕通道,石油運(yùn)聚所需動(dòng)力大幅降低,混合潤濕性成為控制致密油富集的重要因素[13]。混合潤濕性影響致密油藏采收率,混合潤濕儲(chǔ)層的滲吸—驅(qū)替過程是致密油藏開發(fā)機(jī)理研究的熱點(diǎn)[14-15]。準(zhǔn)確測量致密油儲(chǔ)層混合潤濕性,對認(rèn)識致密油成藏機(jī)制和高效開發(fā)具有重要意義。

人們提出多種混合潤濕性測量方法,其中Amott法和USBM法是最常用的方法。Amott法是通過自發(fā)滲吸和強(qiáng)制驅(qū)替流體量的對比測量潤濕性[16]。USBM法主要根據(jù)油、水兩相流體相互驅(qū)替所需功的對比進(jìn)行潤濕性表征[17]。兩種方法的測量結(jié)果只能表征巖石的整體潤濕性,在致密巖石介質(zhì)情況下,存在測試周期長、誤差大等問題。物理—化學(xué)吸附法[18]和核磁共振法[19-21]通過水潤濕和油潤濕孔隙表面的比例測量,定量表征混合潤濕性,無法反映巖石中水潤濕和油潤濕部分的潤濕程度。CT測量法[22]在微觀尺度下原位觀測油、水在孔隙內(nèi)的分布及其與顆粒表面的接觸角,確定巖石樣品潤濕性,受CT分辨率限制,只適用于中—高孔滲常規(guī)儲(chǔ)層,難以表征致密油儲(chǔ)層混合潤濕性。這些混合潤濕性測量方法不能從潤濕程度和潤濕孔壁比例方面,對致密砂巖混合潤濕性進(jìn)行準(zhǔn)確測量。

基于自發(fā)滲吸原理和接觸角分布測量方法,筆者采用飽和油自吸水和飽和水自吸油循環(huán)實(shí)驗(yàn),使油相和水相分別在巖石壁面形成大量水滴和油滴,測量自發(fā)滲吸接觸角,利用液滴接觸角頻率分布量化致密巖石混合潤濕性,為致密油儲(chǔ)層潤濕性評價(jià)提供一種簡捷有效的方法。

1 自發(fā)滲吸接觸角分布

液—固接觸角是指示介質(zhì)潤濕性的定量參數(shù),利用懸滴法或坐滴法測量固體表面形成小液滴的接觸角,可以準(zhǔn)確表征單礦物(如石英、長石、云母、方解石等)的潤濕性。巖石表面存在大量凹坑,從外部滴入的液體無法有效排出微小凹坑內(nèi)的流體,造成液滴與巖石壁面不能充分接觸,引起接觸角測量結(jié)果存在較大誤差。為了使液滴與巖壁接觸更充分,利用自發(fā)滲吸代替外部滴液的方式。

自發(fā)滲吸是一種毛細(xì)管壓力作用下發(fā)生的滲流過程,當(dāng)飽和非潤濕相流體的多孔介質(zhì)接觸潤濕相流體時(shí),潤濕相和非潤濕相流體接觸界面產(chǎn)生表面自由能,驅(qū)使?jié)櫇裣嗔黧w進(jìn)入巖樣內(nèi)部,非潤濕相流體被排出[23-24]。液體通過自發(fā)滲吸從巖石微孔隙向外形成液滴,有效避免巖石表面微觀凹坑對液滴形態(tài)的影響,并消除液滴與巖壁接觸不充分引起的接觸角測量誤差。致密巖石介質(zhì)的孔喉細(xì)小、毛細(xì)管壓力大,自發(fā)滲吸在致密砂巖中更明顯。進(jìn)行致密巖心自發(fā)滲吸實(shí)驗(yàn),測量滲吸液滴接觸角,可以有效表征儲(chǔ)層混合潤濕性。

1.1 液滴選擇

儲(chǔ)層巖石顆粒表面的潤濕性通常不均一,由不同潤濕性顆粒隨機(jī)配位組成孔隙和喉道,可能表現(xiàn)為親油性,也可能表現(xiàn)為親水性[20]。為全面表征致密砂巖潤濕性,對取自鄂爾多斯盆地延長組致密砂巖儲(chǔ)層同一塊巖心,分別進(jìn)行飽和油自吸水和飽和水自吸油實(shí)驗(yàn)(見圖1)。為降低自吸順序和長時(shí)間飽和對巖心潤濕性的影響,參照Amott法的流體排替順序[3],先進(jìn)行飽和油自吸水實(shí)驗(yàn),再進(jìn)行飽和水自吸油實(shí)驗(yàn)。

圖1 致密砂巖巖心自吸水和自吸油驅(qū)替過程Fig.1 The progress of the spontaneous imbibition of water and oil in tight sandstone core

在自發(fā)滲吸實(shí)驗(yàn)過程中,巖心上表面(自吸水時(shí))或下表面(自吸油時(shí))的不同“位點(diǎn)”形成大量滲吸液滴(見圖1)。通過標(biāo)準(zhǔn)球冠狀自發(fā)滲吸液滴接觸角測量,可以判斷每個(gè)液滴周圍巖石顆粒表面的潤濕性。在測量自發(fā)滲吸液滴接觸角時(shí),受浮力或重力作用影響,部分液滴體積過大導(dǎo)致形狀偏離標(biāo)準(zhǔn)球冠[25]。以巖心飽和油自吸水實(shí)驗(yàn)為例,自吸時(shí)間越長,驅(qū)出油珠體積越大,油滴受浮力影響越大,油滴輪廓越偏離標(biāo)準(zhǔn)球冠(見圖2)。這類油滴的接觸角不能反映巖心樣品真正的潤濕傾向。根據(jù)GB/T 30447—2013《納米薄膜接觸角測量方法》,有效測量接觸角的滲吸液滴體積應(yīng)不大于4 μL[26]。

圖2 受浮力影響的油珠偏離標(biāo)準(zhǔn)球冠輪廓Fig.2 The oil droplets deviating from the standard crown profile affected by buoyancy

1.2 接觸角測量

自發(fā)滲吸液滴接觸角可以根據(jù)自發(fā)滲吸實(shí)驗(yàn)圖像進(jìn)行測量。由于自發(fā)滲吸通常在多個(gè)不同孔隙位置同時(shí)發(fā)生,以水平視角拍攝的圖像中眾多油珠相互遮擋(見圖3(a)),無法測量完整的液滴輪廓。為獲得所有液滴全貌、液滴與巖石表面的接觸關(guān)系,采用一定角度俯拍巖心端面(見圖3(b))。

圖3 不同視角下的自發(fā)滲吸液滴照片F(xiàn)ig.3 Photos of spontaneous imbibition droplets at different angles

當(dāng)拍攝角度偏離水平視角時(shí),液滴輪廓產(chǎn)生變化,測量接觸角出現(xiàn)誤差[27]。需要矯正由拍攝視角引起的接觸角測量值,才能準(zhǔn)確且真實(shí)反映巖心潤濕性。將液滴視為標(biāo)準(zhǔn)球冠,利用測量接觸角與真實(shí)接觸角之間的關(guān)系,矯正接觸角測量誤差[28]:

(1)

式中:θ為水平視角液滴接觸角(真實(shí)接觸角);γ為一定角度俯拍液滴接觸角(測量接觸角);a為相機(jī)拍攝角度與巖石端面的夾角。

真實(shí)視角與測量視角、拍攝視角下的液滴接觸角測量見圖4。其中:K、L、B、C為油、水、巖三相交界點(diǎn);J為液滴球冠底圓的圓心;O為球模型的球心;N為水平視角液滴輪廓的頂點(diǎn);S為水平視角液滴輪廓所在平面與球模型的下交點(diǎn);G為一定角度俯拍液滴輪廓的頂點(diǎn);H點(diǎn)為一定角度俯拍液滴輪廓所在平面與球模型的下交點(diǎn);AD為球模型的直徑,平行于線段BC;I為過O點(diǎn)垂直于線段GH的交點(diǎn)。

圖4 真實(shí)視角與測量視角、拍攝視角下的液滴接觸角測量Fig.4 Contact angle measurement of real perspective, measuring perspective and shooting perspective

2 混合潤濕性表征

在評價(jià)致密砂巖混合潤濕性時(shí),應(yīng)考慮潤濕孔喉表面比例和潤濕程度,對巖心表面的自發(fā)滲吸液滴接觸角進(jìn)行測量。在自發(fā)滲吸過程中,毛細(xì)管壓力自發(fā)驅(qū)替潤濕相流體進(jìn)入潤濕孔隙,同時(shí)非潤濕相流體通過非潤濕孔隙被排出巖石,并在巖石壁面形成大量液滴?？紤]致密砂巖的混合潤濕特性,在巖心表面既有親油部分也有親水部分,采用飽和油自吸水和飽和水自吸油循環(huán)實(shí)驗(yàn),在巖石表面親油和親水孔喉位置分別形成油滴和水滴,統(tǒng)計(jì)油滴和水滴接觸角。

2.1 實(shí)驗(yàn)材料選取

選取3塊鄂爾多斯盆地延長組長6段致密砂巖的巖心進(jìn)行潤濕性測量,巖心樣品物性參數(shù)見表1。將巖心處理成直徑為2.5 cm、長度為4.0 cm的巖心柱。巖心孔隙度介于7.69%～14.22%,氣測滲透率介于(0.05～0.20)×10-3μm2,為典型的致密砂巖樣品[30]。

表1 鄂爾多斯盆地延長組長6段致密砂巖樣品物性參數(shù)Table 1 Physical property parameter of tight sandstone samples of Chang 6 Member of Yanchang Formation in Ordos Basin

實(shí)驗(yàn)用水為1 mol/L的CaCl2溶液,可以有效避免巖心發(fā)生水敏效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)用油為中性航空煤油[24]。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下,CaCl2溶液的黏度和密度分別為1.32 mPa·s和1.09 g/cm3,中性航空煤油的黏度和密度分別為1.70 mPa·s和0.79 g/cm3。

2.2 混合潤濕性測量

將干燥巖心樣品置于容器中,抽真空24 h后,飽和中性航空煤油(煤油用油紅染色以區(qū)分油、水兩相),加壓至20 MPa并保持24 h;在長方體水槽中注滿1 mol/L的CaCl2溶液,將飽和油巖心完全浸沒在溶液中,溶液在毛細(xì)管壓力作用下自發(fā)滲吸進(jìn)入巖心,煤油被排出并在巖心端面鋪展成油滴;使用數(shù)碼相機(jī)對巖心端面(上、下端面)排出的油滴進(jìn)行拍攝,圖像記錄間隔為30 min,測量不同位置排出的油滴接觸角θo。待油滴不再自發(fā)滲吸后,將巖心從水槽中取出、烘干,抽真空飽和CaCl2溶液;再次將巖心浸在煤油中,測量水相滲吸液滴接觸角θw。為便于統(tǒng)計(jì)分析,對巖石壁面油滴和水滴接觸角進(jìn)行轉(zhuǎn)化和統(tǒng)一。在油—水—巖三相系統(tǒng)中,接觸角被定義為從極性大的液體(水)一側(cè)算起[29],將油相接觸角θo換算為水相接觸角:θw=180°-θo。自發(fā)滲吸液滴接觸角以10°為間隔區(qū)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì),繪制L5、D227和JT437巖心樣品的接觸角頻率分布曲線(見圖5),既可以表征潤濕程度,又可以表征潤濕角區(qū)間對應(yīng)表面所占巖心總表面的比例,分析接觸角分布區(qū)間、峰值等參數(shù),對致密巖樣混合潤濕性進(jìn)行定量表征。

圖5 鄂爾多斯盆地延長組長6段致密砂巖樣品自發(fā)滲吸液滴接觸角頻率分布曲線Fig.5 Frequency distribution curves of spontaneous imbibition droplet contact angles for tight sandstone samples of Chang 6 Member of Yanchang Formation in Ordos Basin

根據(jù)SY/T 5153—2007《油藏巖石潤濕性測定方法》[30],水相接觸角小于75°為水潤濕,在75°～105°之間為中性潤濕,在105°～180°之間為油潤濕[14]。由圖5可知,L5巖心樣品接觸角分布相對較廣,在30°～110°之間,峰值出現(xiàn)在接觸角為80°～90°,表明樣品顆粒表面同時(shí)具有水潤濕、中性潤濕和油潤濕特征,整體表現(xiàn)為中性潤濕和弱水潤濕;D227和JT437巖心樣品接觸角分布范圍在60°～110°之間,峰值出現(xiàn)在接觸角為90°處,整體表現(xiàn)為中性潤濕?；谧园l(fā)滲吸過程的接觸角測量結(jié)果顯示 3塊巖心樣品為混合潤濕,以及不同潤濕程度孔隙表面的分布情況。

3 方法驗(yàn)證

由于現(xiàn)有測量方法無法同時(shí)給出致密砂巖的潤濕孔隙表面比例和潤濕程度,采用Amott法對混合潤濕測量結(jié)果進(jìn)行間接驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)用油和水與自發(fā)滲吸液滴接觸角測量實(shí)驗(yàn)一致。根據(jù)Amott法的實(shí)驗(yàn)流程[30],對3塊致密砂巖樣品進(jìn)行自吸水排油、水驅(qū)油、自吸油排水和油驅(qū)水實(shí)驗(yàn)。3塊巖心樣品的Amott潤濕指數(shù)見表2。

表2 鄂爾多斯盆地延長組長6段致密砂巖樣品Amott潤濕指數(shù)Table 2 Amott index of three tight sandstone samples of Chang 6 Member of Yanchang Formation in Ordos Basin

根據(jù)4個(gè)驅(qū)替過程中測量的巖心含水量和含油量變化,計(jì)算L5巖心樣品水潤濕指數(shù)為0.396、油潤濕指數(shù)為0.112,Amott潤濕指數(shù)為0.284(見表2),表明L5巖心樣品既親水又親油,整體表現(xiàn)為弱親水性,與自發(fā)滲吸液滴接觸角頻率分布曲線存在雙峰(峰值在60°和90°處)相吻合;D227和JT437巖心樣品水潤濕指數(shù)和油潤濕指數(shù)差別不大,同時(shí)存在親油和親水成分,整體呈中性潤濕,與自發(fā)滲吸液滴接觸角頻率分布曲線為單峰(峰值在90°處)相吻合。Amott法測量與自發(fā)滲吸液滴接觸角測量結(jié)果一致,驗(yàn)證基于自發(fā)滲吸液滴接觸角測量方法的可行性,能更好地表征致密儲(chǔ)層的混合潤濕性。

對比自發(fā)滲吸液滴接觸角測量方法與Amott法測量結(jié)果,兩種方法反映的巖心樣品潤濕具有可比性。相較于Amott法,基于自發(fā)滲吸液滴接觸角測量方法的測量過程和結(jié)果表征具有明顯優(yōu)勢:

(1)測量周期短。Amott法實(shí)驗(yàn)流程包括自吸水排油、水驅(qū)油、自吸油排水和油驅(qū)水4個(gè)驅(qū)替過程,需要完成自吸水排油和自吸油排水過程,否則自發(fā)滲吸過程不充分導(dǎo)致測量結(jié)果產(chǎn)生誤差?；谧园l(fā)滲吸液滴接觸角測量方法減少水驅(qū)油和油驅(qū)水過程,只需將非潤濕相流體從孔隙中排出。以L5巖心樣品為例,Amott法實(shí)驗(yàn)耗時(shí)50 d,基于自發(fā)滲吸液滴接觸角測量方法耗時(shí)10 d。

(2)操作流程簡單,無需高端實(shí)驗(yàn)裝置。Amott法是基于兩相流體驅(qū)替實(shí)驗(yàn)計(jì)算潤濕指數(shù),由于致密儲(chǔ)層具有超低孔滲特征,在驅(qū)替過程中積累的流體壓力高于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)最高耐壓,不能完成油水兩相驅(qū)替實(shí)驗(yàn),無法得到致密巖樣的Amott潤濕指數(shù)。使用Amott法測量致密砂巖潤濕性必須利用耐壓足夠大的高規(guī)格驅(qū)替系統(tǒng)?；谧园l(fā)滲吸液滴接觸角測量方法沒有水驅(qū)油和油驅(qū)水過程,利用抽真空飽和裝置、水槽和數(shù)碼相機(jī)可完成潤濕性測量實(shí)驗(yàn)。

(3)更全面定量表征致密砂巖混合潤濕性。Amott法計(jì)算的水潤濕和油潤濕指數(shù)可以反映巖石樣品是否具有混合潤濕特征[27],無法定量表征混合潤濕程度?；谧园l(fā)滲吸液滴接觸角測量方法給出接觸角頻率分布曲線,指示致密巖樣是否具有混合潤濕特征,根據(jù)接觸角分布區(qū)間、峰值等參數(shù),反映不同潤濕程度的孔隙表面比例,提供更詳細(xì)的致密儲(chǔ)層潤濕非均質(zhì)性信息。

4 結(jié)論

(1)基于自發(fā)滲吸原理,應(yīng)用飽和油自吸水和飽和水自吸油實(shí)驗(yàn),對自發(fā)滲吸油滴和水滴接觸角進(jìn)行測量校正,將油相接觸角轉(zhuǎn)化為水相潤濕相,獲取自發(fā)滲吸液滴接觸角分布頻率曲線,建立混合潤濕性表征和測量方法。

(2)基于自發(fā)滲吸液滴接觸角測量方法與Amott法測量潤濕性一致,自發(fā)滲吸液滴接觸角的分布曲線反映儲(chǔ)層巖石潤濕孔隙表面比例和潤濕程度,更全面地表征致密砂巖儲(chǔ)層的混合潤濕性,為致密油滲流過程數(shù)值模擬提供潤濕性參數(shù)。