潛江凹陷頁巖油藏滲流特征物理模擬及影響因素分析

雷 浩，何建華，胡振國

(中國石化江漢油田分公司，湖北 武漢 430223)

0 引 言

江漢盆地潛江凹陷鹽間頁巖油藏儲量豐富，開發(fā)潛力大，但儲層整體表現(xiàn)出低孔、低滲特征，屬于典型的致密儲層[1]。相比常規(guī)低滲儲層，潛江頁巖油儲層雙低特性使其流動特征十分復(fù)雜[2]，滲流過程中非達(dá)西滲流特征明顯，加大了滲流機理的認(rèn)識難度[3]，影響油藏開發(fā)方式優(yōu)化及開發(fā)動態(tài)預(yù)測。

目前，致密儲層中滲流特征研究方法主要為非穩(wěn)態(tài)法[4]、穩(wěn)態(tài)法[5]、毛細(xì)管平衡法[6]及非穩(wěn)態(tài)驅(qū)替-毛細(xì)管法[7]，這些方法均取得了一定的認(rèn)識，但在研究低孔、低滲致密儲層時存在實驗精度低、誤差大及實驗數(shù)據(jù)可靠性不足等問題；此外，在研究高溫高壓條件下油藏滲流特征時，常規(guī)測試方法主要通過加裝回壓閥等設(shè)備提升系統(tǒng)壓力，但該裝置使儀器中流體的流動狀態(tài)呈現(xiàn)非連續(xù)狀態(tài)，造成測得的滲流特征在一定程度上與實際滲流特征存在差異。因此，發(fā)展新型低孔、低滲致密儲層滲流特征研究方法對加深致密儲層的理論認(rèn)識具有重要意義。

為了揭示潛江凹陷頁巖油滲流機理，在前人研究基礎(chǔ)上，設(shè)計并研制了致密儲層全封閉式循環(huán)滲流系統(tǒng)，開展不同滲透率巖心滲流特征物理模擬實驗，歸納總結(jié)了潛江凹陷頁巖油滲流特征。同時，借助核磁共振以及MPAS等實驗技術(shù)對潛江頁巖油微觀孔喉特征及滲流對孔喉分布所造成的影響進(jìn)行了評價，深化了對潛江凹陷頁巖油藏滲流規(guī)律的認(rèn)識，為該油藏有效開發(fā)提供了理論指導(dǎo)。

1 實驗原理

實驗以一維巖心夾持器為基礎(chǔ)，采用“流量-壓差”法研究不同滲透率巖心在高溫條件下的滲流特征。考慮頁巖油巖心有效孔隙度低、測試流量小、測試精度要求高以及儀器微泄漏對測試結(jié)果可靠性的不利影響等因素，將巖心夾持器與2個中間容器構(gòu)成全封閉式的循環(huán)滲流系統(tǒng)，通過高精度雙缸Quizix泵分別與2個中間容器相連，采用一個泵進(jìn)液、另一個泵吸液的工作模式，使通過巖心的流體在給定系統(tǒng)壓力條件下達(dá)到穩(wěn)定流動狀態(tài)。當(dāng)流體達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，通過一段時間內(nèi)巖心兩端壓力波動范圍判斷系統(tǒng)是否存在微泄露，從而提高滲流數(shù)據(jù)的可靠性。由于未采用常規(guī)的回壓閥等裝置來維持系統(tǒng)壓力，該系統(tǒng)中流體流動為連續(xù)流動，因此，相比于常規(guī)方法，該封閉系統(tǒng)測試方法可以更好模擬實際地層中原油流動情況，測試結(jié)果更加準(zhǔn)確。

2 實驗方法

2.1 實驗裝置

實驗裝置主要由高精度恒壓恒速雙缸Quizix泵(流量精度為0.001 mL/h)、壓力傳感器(瑞士Keller，測量精度為0.05%FS)、中間容器、恒速圍壓跟蹤泵、烘箱和數(shù)據(jù)跟蹤記錄系統(tǒng)組成。

2.2 實驗條件和方法

2.2.1 巖心及流體參數(shù)

實驗所用巖心為潛江凹陷頁巖油藏天然巖心，實驗用油為模擬油，其黏度在實驗溫度(50 ℃)下與地層原油黏度保持一致，均為3.200 mPa·s，密度為0.834 g/cm3。表1為實驗巖心參數(shù)。

表1 實驗巖心參數(shù)

頁巖油自生自儲的成藏機理及現(xiàn)場巖心干餾實驗結(jié)果表明，潛江凹陷頁巖油儲層中幾乎不含或者含有少量的地層水。因此，研究過程中不考慮地層水對滲流的影響。

2.2.2 實驗步驟

①測定巖心滲透率、孔隙度、干重等基礎(chǔ)物性參數(shù)；②巖心抽真空、飽和油后稱重，由于頁巖油儲層幾乎不存在束縛水，采用抽真空方式飽和巖心；③巖心進(jìn)行核磁共振，獲得巖心初始狀態(tài)核磁共振T2譜圖；④將飽和油后的巖心裝入巖心夾持器，將壓力升至12.0 MPa，為了模擬實際地層條件下原油的滲流規(guī)律，模型老化24 h以上，以便體系恢復(fù)初始平衡狀態(tài)[8]；⑤開展不同流速(0.025～0.700 mL/h)的單相滲流實驗，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動記錄實驗過程中相關(guān)數(shù)據(jù)。為了消除儀器微泄漏對實驗結(jié)果的影響，當(dāng)巖心兩端壓差穩(wěn)定后，觀察運行一段時間內(nèi)的壓力變化，若變化趨勢穩(wěn)定，則儀器運行完好，無泄漏；若兩端壓力逐漸降低，則儀器存在泄漏，應(yīng)該立即停止實驗，待泄漏消除后再繼續(xù)實驗，實驗過程中采用圍壓跟蹤泵，始終保持圍壓與系統(tǒng)壓力維持在2.5 MPa；⑥滲流實驗完成后，將巖心取出，進(jìn)行核磁共振測試，獲得滲流實驗后的巖心核磁共振T2譜圖；⑦開展下一組實驗，重復(fù)步驟③—⑥。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 潛江頁巖油滲流特征

采用不同滲透率致密巖心模型，開展?jié)摻枷蓓搸r油滲流特征物理模擬實驗，分析壓差與流量的關(guān)系曲線(圖1)可知，不同滲透率巖心滲流特征呈現(xiàn)出不同的變化趨勢，分為以下3種類型。

圖1 致密頁巖油儲層不同滲透率條件下滲流曲線

(1) 滲透率小于0.100 mD的致密頁巖，滲流曲線(圖1a)呈現(xiàn)出典型的“勺型”非線性特征[9]，與常規(guī)低滲、特低滲砂巖儲層滲流特征相似[10]。產(chǎn)生“勺型”滲流特征主要是由巖心微納米孔隙中液-固界面邊界層效應(yīng)導(dǎo)致的，滲透率越小，儲層中液-固界面作用力越強，非線性滲流特征越明顯[11]。從物理實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，該類型巖心存在啟動壓力梯度，其啟動壓力梯度為0.967 MPa/m。

(2) 滲透率為0.100～1.000 mD的致密頁巖，滲流特征曲線(圖1b)呈現(xiàn)出線性滲流特征，不存在非線性滲流段，說明影響潛江凹陷頁巖油滲流特征的因素不僅為液-固邊界層效應(yīng)，還應(yīng)存在其他相關(guān)因素的影響。由物理實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，雖然該類型巖心不存在明顯的非線性滲流段，但通過數(shù)據(jù)擬合可得其啟動壓力梯度為0.179 MPa/m。

(3) 滲透率大于1.000 mD的致密頁巖，其滲流特征曲線(圖1c)呈現(xiàn)出“反勺型”滲流特征，與常規(guī)低滲、特低滲砂巖儲層典型的滲流特征完全相反。該類型滲流特征同樣分為非線性滲流段和線性滲流段。由于非線性滲流段呈現(xiàn)“反勺型”，因此，無法得到其啟動壓力梯度和擬啟動壓力梯度，說明此時影響滲流主控因素不再是邊界層效應(yīng)，而是由其他相關(guān)因素所決定。

3.2 潛江頁巖油滲流特征影響因素分析

3.2.1 邊界層效應(yīng)對滲流特征的影響

為了研究微觀孔隙結(jié)構(gòu)對潛江凹陷頁巖油油藏滲流的影響因素，實驗選取潛江凹陷頁巖油藏主力產(chǎn)油層6塊具有代表性巖心進(jìn)行壓汞-吸附聯(lián)合測定實驗，以便獲得全孔徑分布曲線，實驗分別對巖心進(jìn)行編號：QJ-1、QJ-2、QJ-3、QJ-4、QJ-5、QJ-6，測試標(biāo)準(zhǔn)參考中國石油化工集團公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[12]。

實驗結(jié)果如圖2所示，潛江凹陷頁巖油儲層90%以上的孔隙都是由小于100 nm的孔隙組成的，說明潛江頁巖油儲層中大部分原油都是儲存于納米級別孔隙中；此外，全孔徑分析結(jié)果顯示主要的孔徑分布范圍為10～250 nm，孔喉半徑中值為63～160 nm，說明納米孔隙為原油滲流的主要通道。根據(jù)邊界層理論[11]，致密儲層中流體流動時產(chǎn)生非線性滲流特征的根本原因是由于其微納米孔隙中邊界層效應(yīng)所導(dǎo)致，微納米孔隙中邊界層效應(yīng)越強，致密儲層中流體非線性滲流特征越明顯。因此，可以推斷，對于潛江凹陷頁巖油儲層流體在流動過程中會受到微納米孔隙中邊界層效應(yīng)，而產(chǎn)生典型“勺型”的非線性滲流特征[13-14]。

圖2 致密頁巖油儲層不同滲透率條件下滲流曲線

3.2.2 應(yīng)力敏感效應(yīng)對滲流特征的影響

根據(jù)核磁共振基本理論[14]，弛豫時間與孔喉半徑成正比，弛豫時間越大，對應(yīng)的孔隙半徑越大[15]。此外，基于核磁共振雙截止值理論[16]，孔隙中流體可以劃分為完全可動、部分可動和完全束縛流體，其中，滲流特征主要由其完全可動流體流動所決定。

對比滲流實驗前后巖心可動流體(大于50 ms)核磁共振譜圖(圖3)，無論是滲透率較大巖心(K=2.220 mD)還是基質(zhì)類巖心(K=0.088 mD)，滲流實驗后可動流體譜圖(靠右小波峰)都有大部分消失，說明在滲流實驗過程中隨著巖心兩端壓差增大，巖心中孔隙有效應(yīng)力增加，產(chǎn)生應(yīng)力敏感效應(yīng)，使得巖心中大孔隙(或微裂縫)發(fā)生閉合。由于儲層滲流能力主要取決于大孔隙(或微裂縫)，應(yīng)力敏感使大孔隙(或微裂縫)閉合將會導(dǎo)致儲層滲流阻力增加，滲流能力減弱[17]。此外，對比不同滲透率的巖心核磁共振譜圖可以發(fā)現(xiàn)，滲透率較高的巖心中包含可動流體的孔隙體積要遠(yuǎn)大于基質(zhì)巖心，說明應(yīng)力敏感效應(yīng)對滲透率較高巖心滲流能力影響明顯大于滲透率較低的基質(zhì)類巖心。

結(jié)合頁巖油滲流特征曲線可知，隨著應(yīng)力敏感效應(yīng)對巖心滲流能力的影響增強，其滲流特征由“勺型”曲線轉(zhuǎn)變“反勺型”曲線。對于“反勺型”滲流曲線，隨著驅(qū)動壓差增大，滲流流量呈現(xiàn)出先快速增加后緩慢增加的趨勢，說明隨著巖心有效應(yīng)力的增加，應(yīng)力敏感效應(yīng)增強，主要滲流通道被壓縮，滲流能力降低。因此，影響潛江頁巖油滲流的因素不僅包括儲層孔隙中液固界面的邊界層效應(yīng)，還包括儲層應(yīng)力敏感效應(yīng)，并且應(yīng)力敏感效應(yīng)的強弱是決定頁巖油滲流特征的主要因素。

圖3 滲流實驗前后巖心核磁共振對比

為確定滲流過程中由于應(yīng)力敏感效應(yīng)被壓縮的部分為孔隙還是微裂縫，選取與滲流實驗所用巖心為同一目的層的巖心進(jìn)行MAPS掃描，得到儲層孔隙結(jié)構(gòu)的微觀可視化結(jié)果(圖4)，所選取的巖心物性參數(shù)與實驗巖心相似。

實驗結(jié)果表明：滲透率較大的巖心中存在天然微裂縫，該裂縫決定了巖心的滲流能力；對于滲透率較小的基質(zhì)類巖心，則不存微裂縫，巖心主要由納米級別孔隙組成。由于應(yīng)力敏感效應(yīng)對裂縫滲流能力的影響大于對基質(zhì)孔隙滲流能力的影響[18-19]，實驗中應(yīng)力敏感效應(yīng)對滲透率較大巖心的影響要大于基質(zhì)類巖心。該結(jié)果與核磁共振分析結(jié)果一致，說明無論是基質(zhì)還是含微裂縫的儲層，應(yīng)力敏感效應(yīng)都會對滲流特征造成影響，因此，潛江頁巖油儲層開發(fā)過程中要嚴(yán)格控制產(chǎn)油量，避免生產(chǎn)壓差過大[20]，產(chǎn)生儲層應(yīng)力敏感效應(yīng)而壓縮儲層中微裂縫及大孔隙，導(dǎo)致滲流通道變窄，滲流阻力增加，從而影響油藏開發(fā)。

4 結(jié) 論

(1) 當(dāng)巖心滲透率大于1.000 mD時，原油滲流特征表現(xiàn)出與常規(guī)非線性滲流特征不同的“反勺型”特征，不存在啟動壓力梯度；當(dāng)巖心滲透率為0.100～1.000 mD時，原油以線性滲流為主，并且存在啟動壓力梯度；當(dāng)巖心滲透率小于0.100 mD時，原油滲流特征與常規(guī)低滲儲層非線性滲流特征相似，都為“勺型”曲線，并且擬合得到啟動壓力梯度為0.967 MPa/m。

圖4 不同滲透率巖心的MAPS掃描結(jié)果示意圖

(2) 與致密、低滲砂巖儲層相比，頁巖油儲層滲流特征不僅受到邊界層效應(yīng)的影響，還由應(yīng)力敏感效應(yīng)所決定；頁巖氣油藏滲流特征主要由儲層應(yīng)力敏感強弱所決定。

(3) 應(yīng)力敏感效應(yīng)對頁巖油儲層中微裂縫、大孔隙以及基質(zhì)的滲流能力都會造成影響，且對于微裂縫的影響程度大于對基質(zhì)的影響程度。