壓汞法研究巖心孔隙結構特征

2013-11-23 08:08:22馬文國海明月夏惠芬馮海潮

實驗技術與管理 2013年1期

馬文國，王影，海明月，夏惠芬，馮海潮，吳迪

（1.東北石油大學教育部提高油氣采收率重點實驗室，黑龍江大慶 163318；2.大慶煉化公司潤滑油分廠，黑龍江大慶 163411）

近年來人們對巖石系的孔隙結構進行了大量研究，蒲秀剛等［1］，通過掃描電鏡和常規壓汞實驗，研究了巖石孔滲參數和儲層孔隙結構參數之間的定量關系。劉媛等［2］通過常規壓汞技術和恒速壓汞技術，對三肇凹陷扶余油層中低滲透儲層的微觀孔隙結構特征進行了研究，說明孔喉連通性較差，儲層孔隙結構異常復雜。王瑞飛等［3］通過通過掃描電鏡、常規壓汞技術等多種手段，得出儲層滲透性差的主要原因是孔隙喉道類型多樣。黃毅等［4］利用一定數量巖心毛管壓力資料和核磁共振測井資料對比建立了T2分布與巖石孔隙結構參數之間的關系。馬新仿等［5］應用分形幾何原理，對儲層巖石的孔隙結構進行了研究。

對于天然巖心的孔隙結構已經有不少的論述，但是很少有針對天然巖心與人造巖心孔隙結構特征進行研究的。人造巖心因性能穩定、重復性能好，被廣泛應用于各類室內驅油實驗中，針對人造巖心與天然巖心孔隙結構是否相近，本文選取滲透率在200×10－3、400×10－3、800×10－3μm2左右的人造均質巖心，并選取30塊不同滲透率的天然巖心進行壓汞實驗，通過壓汞法得到的毛管壓力曲線形態來描述人造巖心與天然巖心的孔隙結構特征；從不同孔隙半徑區間的孔隙體積分布，分析人造巖心和天然巖心的孔隙體積及孔喉比的分布特點，對室內實驗提高油氣采收率及儲層的開發效果具有一定指導意義。

1 壓汞法原理

汞不潤濕巖石表面，是非潤濕相。汞進入巖石孔隙的過程可以看作非潤濕相驅替潤濕相的過程［6－7］。注入壓力不斷升高，當壓力超過孔隙喉道處的毛細管壓力時，汞進入孔隙中，這時的注入壓力就相當于毛細管壓力，所對應的毛細管半徑即孔隙喉道半徑，進入孔隙中的汞體積即該喉道所連通的孔隙體積。不斷改變注入壓力，就可以得到孔隙大小分布曲線和毛細管壓力曲線。毛細管壓力與毛細管孔徑之間的關系為

其中：Pc為毛細管壓力（MPa）；σ為流體界面張力（N／m）；θ為潤濕接觸角，r為毛細管半徑。

2 實驗材料和實驗步驟

壓汞實驗選用的滲透率在200×10－3、400×10－3、800×10－3μm2左右的人造均質巖心由東北石油大學人造巖心室提供，人造巖心對應編號分別為R－1、R－2、R－3。把30塊天然巖心按滲透率分為3個等級，天然巖心對應編號為2－1～4－9。人造巖心及天然巖心孔滲參數如表1所示。

表1 人造巖心及天然巖心孔滲參數

表1 （續）

實驗步驟如下：

（1）鉆取直徑為2.5cm的巖樣，洗油后烘干；

（2）測定初始狀態下巖心各項參數，即氣測滲透率、質量、體積、密度；

（3）把巖樣放入巖心室中，提高注入壓力，壓力穩定后記錄壓力值及注入汞的體積；

（4）注入壓力就相當于毛管壓力，所對應的毛細管半徑即孔隙喉道半徑，進入孔隙中的汞體積即該喉道所連通的孔隙體積。不斷改變注入壓力，就可以得到孔隙大小分布曲線和毛細管壓力曲線。

3 實驗結果與討論

3.1 巖心毛管壓力曲線特征分析

巖樣的毛細管壓力曲線的形態主要受孔隙結構的影響。孔隙大小分布越集中，分選性越好，毛細管壓力曲線的中間平緩段越長并且越接近橫軸［8－10］。孔隙半徑越大，則中間平緩段越接近橫軸。因此巖石中孔隙半徑越大、大孔道越多，則毛細管壓力曲線越靠近左下方。毛細管壓力曲線與滲透率密切相關，隨著滲透率的由大變小，毛細管壓力曲線從左下方向右上方逐次排列，滲透率越大，毛細管壓力曲線越凸向左下方［11－12］。

選取3塊滲透率在200×10－3、400×10－3、800×10－3μm2左右的天然巖心2－3、3－3、4－3做實驗。圖1給出了在不同滲透率下的人造巖心與天然巖心的毛管壓力曲線。

圖1 人造巖心與天然巖心的毛管壓力曲線

由圖1可以看出，人造巖心的毛細管壓力曲線都有較長的平緩段，且靠近坐標橫軸；而天然巖心只有滲透率較高的巖心才具有較長的平緩段，且曲線靠近左下方，低滲層的毛細管壓力曲線遠離坐標橫軸，且沒有平緩段。可以看出，只有高滲透率的人造巖心與天然巖心毛管壓力曲線較接近，低透滲的人造巖心與天然巖心的毛管壓力曲線有很大差異。

3.2 不同半徑區間的孔隙體積和孔喉比

隨著毛細管壓力的逐漸增加，孔隙半徑逐漸減小，把孔隙半徑大小分為5個區間，并且用最大孔隙半徑除以每段孔隙半徑區間的最小值稱為此段區間的孔喉比。把對滲透率貢獻幾乎為零的孔隙半徑區間稱為無效孔道。表2給出了每個滲透率等級在不同孔隙半徑區間的孔隙體積和對應的孔喉比。把占據較大孔隙體積且為有效孔道的孔隙半徑區間定義為流體滲流主要的通道。由表2可以看出，人造巖心孔隙體積分布較集中，且隨著滲透率的增加，孔隙體積分布的半徑區間變大，而低滲透率的天然巖心孔隙體積分布范圍較大，高滲透率的巖心孔隙體積分布較集中，主要分布在大孔道處。

表2 不同孔隙半徑區間的孔隙體積及孔喉比

圖2和圖3給出了不同滲透率等級的人造巖心及天然巖心的孔隙體積分布圖。由圖2可以看出，滲透率為200×10－3μm2的人造巖心50%以上的孔隙體積集中分布半徑區間為（1μm，10μm］，對應的孔喉比為1.4～7.1。而相同滲透率等級的天然巖心有60%以上的孔隙體積分布在半徑區間為（0.1μm，10μm］，分布不集中，對應的孔喉比為1.7～90.1。由圖3可知，高滲透率的人造巖心和天然巖心，絕大多數的孔隙體積分布在半徑區間在（5μm，20μm］，孔喉比在1.3～3.3。

根據結果分析，低滲透率的天然巖心的孔隙體積分布不集中，且多分布在孔隙半徑較小的區間，而人造巖心的孔隙體積分布較集中，與天然巖心相比孔喉比較小。高滲透率的人造巖心和天然巖心孔隙體積集中分布在孔隙半徑較大的區間，且孔喉比較小。

圖2 滲透率為200×10－3μm2的人造巖心及天然巖心孔隙體積分布

圖3 滲透率為800×10－3μm2的人造巖心及天然巖心孔隙體積分布

3.3 孔隙結構特征參數

描述孔隙結構特征的參數主要分為3類：

（1）孔隙半徑特征參數有最大孔隙半徑、孔隙半徑中值、平均孔隙半徑；

（2）孔喉分布特征參數有均質系數、均值半徑、相對分選系數、歪度、分選系數；

（3）孔喉連通性特征參數有排驅壓力、最大進汞飽和度、飽和度中值壓力、特征結構參數。選取具有代表性的參數來評價人造巖心和天然巖心的孔隙結構特征，如表3所示。

表3 人造巖心和天然巖心的孔隙結構參數

由表3可以看出，無論是人造巖心還是天然巖心，平均孔隙半徑、均質系數、歪度、排驅壓力與滲透率之間有很強的相關性。隨著滲透率的增加，儲層平均孔隙半徑增大，均質系數增加，歪度增加，排驅壓力減小。對比人造巖心和天然巖心孔隙結構差異，由表3可以看出，對于中低滲透率的巖樣，人造巖心的平均孔隙半徑、均質系數和歪度都大于天然巖心的相應參數，并且差異較大；而對于高滲透率的巖樣，人造巖心的平均孔隙半徑、均質系數、歪度和排驅壓力與天然巖心的相應參數相近。