中國典型致密油區低溫氮氣吸附實驗

肖前華，張 堯，楊正明，郭和坤

(1.重慶科技學院，重慶 401331；2.中國科學院滲流流體力學研究所，河北 廊坊 065007；3.中國石化川慶鉆探有限公司土庫曼分公司，四川 成都 610051；4.中國石油勘探開發研究院廊坊分院，河北 廊坊 065007)

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中國典型致密油區低溫氮氣吸附實驗

肖前華1，2，張 堯3，楊正明2，4，郭和坤2，4

(1.重慶科技學院，重慶 401331；2.中國科學院滲流流體力學研究所，河北 廊坊 065007；3.中國石化川慶鉆探有限公司土庫曼分公司，四川 成都 610051；4.中國石油勘探開發研究院廊坊分院，河北 廊坊 065007)

選取中國四大典型致密油區(長慶、四川、大港和大慶)56塊巖樣，利用低溫氮氣吸附實驗研究了不同油區、不同巖性的致密油儲層微觀孔隙結構特征，利用等溫吸附回線分析了不同致密油區以及不同巖性儲層孔隙形狀特征，同時提出結構“甜點”系數，綜合評價了四大致密油區的甜點性質。研究表明，致密碳酸鹽巖儲層50 nm以下空間占據50%以上，致密砂巖儲層50 nm以下空間占據30%～40%。各致密油區巖樣表面積-體積比與孔隙度、滲透率無明顯的相關關系。結構“甜點”系數計算結果表明，長慶、四川、大港和大慶油區依次變差，與現場反饋情況基本一致。大慶油區只有通過大規模體積壓裂方可改善開采效果。

致密油儲層；氮氣吸附；孔隙結構；表面積-體積比；結構甜點系數

0 引 言

美國在Bakken、Eagle Ford、Barnet等區帶成功突破致密油的勘探開發，使致密油成為繼頁巖氣之后全球非常規油氣勘探開發的又一新熱點[1-2]，致密油也因此被石油工業界譽為“黑金”[3]。受北美致密油大發展的影響，10余個國家積極展開致密油研究[4-5]。致密油指以吸附或游離狀態賦存于生油巖中或與生油巖互層、緊鄰的致密砂巖、致密碳酸鹽巖等儲集巖中，未經過大規模長距離運移的石油聚集。中國致密油分布廣泛，鄂爾多斯盆地、準噶爾盆地、四川盆地、松遼盆地、渤海灣盆地等均發育豐富的致密油[6]。已有研究發現致密油儲集層孔喉直徑大部分為納米級[7-8]，致密油一般為輕質油，黏度較低，油品較好，而儲層孔隙骨架將是控制流動效果的主要因素，因此有必要深入研究致密油儲集層納米級孔隙結構特征。

1 材料與方法

國際純化學和應用化學聯合會(IUAPC)按孔隙直徑大小將孔隙分為3類：微孔(小于2 nm)、介孔(2～50 nm)、宏孔(大于50 nm)[9]。低溫低壓下N2的等溫吸附可有效反映巖樣微孔和介孔的孔徑分布，且通過BET方程可計算比表面積[10]，通過BJH方程可計算孔容分布[11]，通過等溫吸附與脫附曲線可預測孔隙形狀特征[12-13]。該項研究在美國Quantachrome公司的Autosorb?-6B自動等溫吸附儀上進行，溫度為77.35K，在相對壓力0.01～1.00下測定等溫吸附曲線，對于介孔分布規律具有較好的測試效果。樣品來自中國四大典型致密油區，共計56塊巖樣。

2 數據分析與討論

表1為中國四大典型致密油區56塊巖樣常規物性參數以及低溫吸附測試結果。

表1 不同致密油區巖樣物性資料及低溫吸附實驗結果

表1中孔隙度和滲透率為平均值。微-介孔百分數由微孔和介孔孔容結合巖樣密度換算得來，表示50 nm以下孔隙體積相對總孔隙體積的大小，表征了儲層50 nm以下空間的相對占有量。通過微、介孔百分數和巖樣孔隙度還可計算得到50 nm以下孔隙體積相對巖樣總體積的大小，稱為微、介孔隙度，表征儲層50 nm以下孔隙空間的絕對占有量。由表1可知，四川、長慶、大慶和大港油區50 nm以下孔隙空間的相對占有量和絕對占有量都依次增大。四大典型致密油區儲層至少有30%的孔隙空間處于50 nm以下，其中大港致密碳酸鹽巖儲層明顯區別于致密砂巖儲層，致密碳酸鹽巖儲層超過1/2的空間處于50 nm以下，而致密砂巖儲層介于30%～40%。致密油儲層孔隙度低于常規儲層，且大量孔隙空間處于50 nm以下，因此，從根本上加大了開發難度。

對不同巖性儲層介孔空間含量的巨大差異，有多種解釋。目前大多數學者從有機質類型及含量、黏土類型及含量等入手研究微觀孔隙結構發育特征[14-16]。通過對比研究長慶致密砂巖和大港致密碳酸鹽巖發現，長慶致密砂巖黏土含量為14%～18%，而大港致密碳酸鹽巖黏土含量在30%以上；長慶致密砂巖有機質含量為2%～10%，而大港致密碳酸鹽巖有機質含量約為5%?？梢姡煌瑤r性儲層的黏土含量差異與介孔含量的差異是同步的。因此，黏土礦物是中國致密油儲層介孔含量的主要控制因素，這也是造成中國致密碳酸鹽巖儲層50 nm以下孔隙空間含量遠大于中國致密砂巖儲層的主要原因。另外大港致密碳酸鹽巖主要有泥質白云巖和白云質泥巖，因此，大港致密碳酸鹽巖泥質含量高是導致納米級孔隙空間含量高的另一重要原因。

表面積-體積比是通過低溫吸附實驗得到的另外一個重要物性參數，為巖樣總的表面積與巖樣外觀體積之比，可用來評價流-固作用強度。四大典型致密油區表面積-體積比變化特征見圖1。由圖1可知，不同致密油區表面積-體積比與孔隙度、滲透率的關系并不明顯，但所有致密巖樣孔隙度的大趨勢基本與表面積-體積比成正相關。致密儲層的滲流能力主要來自于裂縫以及較大的孔隙，100 nm以下孔隙空間對滲透率的貢獻相當微弱，而表面積-體積比的增大主要源于孔喉尺度的減小[17]，因此，很難確定表面積-體積比與巖樣滲透率的關系。

圖1 表面積-體積比變化特征

經計算，大港、大慶油區平均表面積-體積比較長慶油區大，說明大港、大慶油區流-固耦合作用較強，但滲流能力反而較長慶油區大。但從現場反饋來看，長慶致密油開發效果明顯比其他幾大致密油區要好。由以上分析可知，單憑表面積-體積比或者滲透率很難評定儲層孔隙結構的好壞。因此，需要探尋新的參數或者方法來評價致密油儲層。根據Kozeny-Carman方程[18]，儲層巖樣滲透率為：

(1)

式中：ν為形狀系數；τ為迂曲度；φ為孔隙度；S/V為表面積-體積比，m-1。

形狀系數、迂曲程度以及孔隙度為微觀結構參數，是巖樣的直接物性表征參數，而滲透率以及表面積-體積比為宏觀統計參數，是巖樣的間接物性表征參數(或輔助物性表征參數)。將直接參數與間接參數分開，在式(1)基礎上定義結構“甜點”系數為：

(2)

結構“甜點”系數為無量綱參數，其物理意義在于從儲層巖樣形狀特征、迂曲度、孔隙度等方面綜合評價儲層巖石結構特征，從而優選“甜點”區塊。降低了滲透率與表面積-體積比之間的不一致性，統一了宏觀統計參數和微觀結構參數。由表1可知，不同致密油儲層滲透率相差只有幾倍。而表面積-體積比的二次方項一般相差幾倍至幾十倍，因此結構“甜點”系數中表面積-體積比為主控因素項，即結構“甜點”系數越小，儲層相對較好。根據平均滲透率和表面積-體積比，長慶、四川、大港、大慶油區結構“甜點”系數依次為0.626×10-3、1.214×10-3、7.710×10-3、13.578×10-3?？梢姡L慶、四川、大港和大慶油區的儲層依次變差，由近年致密油開采效果來看，長慶、四川、大港和大慶油區也是依次變差。因此，根據低溫吸附數據計算得到的結構“甜點”系數能有效評價儲層的好壞。

如引言中所述，對于致密油儲層，孔隙骨架是決定油藏開采效果的決定性因素。因此，結構“甜點”系數通過獲取致密油巖樣低溫氮氣吸附實驗數據，簡單、高效的對不同儲層進行對比評價，進而優選“甜點”區塊，這將有利于指導當前致密油開采。

根據IUPAC分類可簡單預測儲層孔隙形狀(圖2)。四大致密油區吸附、脫附曲線大致可以分為4種類型(圖3)。

長慶致密油區，吸附回線主要為a類。吸附曲線緩慢上升，相對壓力接近1.0時才陡然上升；脫附曲線在中間相對壓力時迅速下降。該類吸附回線類似于H3型，對應平行板構成的狹縫毛細孔，該類毛細孔更有利于連通整個孔隙空間，可改善流動效果，進而改善開采效果，這從根本上解釋了長慶致密油開采的突出表現。

四川致密油區，吸附回線主要為b類。與a類區別主要在于脫附曲線在中間相對壓力時急劇下降，下降速度明顯快于a類。該類吸附回線類似于H1型，同時也類似于H3型，因此除了含有兩端開口的圓筒和類似圓筒狀孔隙外，也含有平行板構成的狹縫毛細孔。

圖2 吸附回線類型及孔隙類型示意圖

圖3 典型致密油區吸附、脫附曲線

大港致密油區，吸附回線主要為c類和d類。c類吸附曲線在相對壓力接近1.0時，不會像a類和b類那樣迅速上升，類似于H2型；d類明顯類似于H4型。因此，大港對應的孔隙主要為瓶形孔、口小腔大的毛細管以及槽狀孔。

大慶致密油區，吸附回線主要為d類。主要為槽狀孔。由圖3可知，槽狀孔孔隙較大(可達微米級)，連通性并不好，即大慶致密巖樣孔隙度大，但流動能力弱。因此，現場開發需要進行體積壓裂，形成大規模人工縫網系統才能從根本上改善開采效果。

事實上，各個致密油區的吸附、脫附曲線含有多種類型，但主要類型只有1～2種。因此，各致密油區的孔隙形狀絕不是單一的，而是各種形狀的復雜組合。

3 結 論

(1) 利用低溫氮氣吸附法對比研究了中國四大典型致密油區微觀孔隙結構特征。致密碳酸鹽巖儲層50 nm以下的孔隙空間占據50%以上，致密砂巖的孔隙空間為30%～40%。長慶油區表面積-體積比最小，大慶油區表面積-體積比最大。孔隙度、滲透率與表面積-體積比之間無明顯的相關關系。

(2) 提出了結構“甜點”系數，通過計算發現，長慶、四川、大港和大慶致密油儲層逐漸變差，與現場反饋一致。中國致密砂巖稍好于致密碳酸鹽巖，但大慶油區致密砂巖須通過大規模體積壓裂方可從根本上改善開采效果。

(3) 孔隙骨架是控制致密油開采的關鍵因素。致密油儲層孔隙形狀復雜，不同儲層吸附脫附曲線不同。通過研究吸附脫附曲線可深入分析與理解不同致密油儲層開采難易的深層因素，進而指導當前致密油的有效開發。

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編輯 王 昱

20150309；改回日期：20150530

國家油氣重大專項“特低滲透油藏有效開發技術”(2011ZX05013-006)；中國石油天然氣集團公司重大科技專項“特低超低滲透油藏物理模擬方法與開發機理研究”(2011B-1203)

肖前華(1987-)，男，2010年畢業于西南石油大學建筑環境與設備工程專業，2015年畢業于中國科學院大學流體力學專業，獲博士學位，主要從事致密油開發、微納孔隙滲流研究。

10.3969/j.issn.1006-6535.2015.04.021

TE311

A

1006-6535(2015)04-0082-04