利用壓汞實(shí)驗(yàn)確定巖心麻皮系數(shù)
——以鴨兒峽油田白堊系為例

2020-06-04 05:36:52李英杰肖文華魏浩元牟明洋刁春梅

科學(xué)技術(shù)與工程 2020年11期

吳偉, 李英杰, 肖文華, 魏浩元, 張虔, 牟明洋, 刁春梅

(1.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司測(cè)井應(yīng)用研究院,西安 710000;2.玉門油田公司勘探開發(fā)研究院,酒泉735000)

由于儲(chǔ)集巖的孔隙空間由極細(xì)小的孔隙和喉道組成，相當(dāng)于毛細(xì)管，因此毛管壓力在油氣的運(yùn)移、勘探及開發(fā)提高采收率中，都無疑是一種極重要的力[1-4]。測(cè)定毛管壓力的方法較多，如離心機(jī)法、半滲透隔板法、蒸汽壓力法及壓汞法。其中壓汞法由于測(cè)量速度快、測(cè)量范圍大等優(yōu)點(diǎn)，是目前最常用的測(cè)定毛管壓力方法。試驗(yàn)時(shí)，將經(jīng)過抽提烘干的巖樣放入密封的真空巖心室，將汞推入巖心室使其淹沒巖樣，然后逐級(jí)加壓并測(cè)量水銀液面的標(biāo)記線。但是由于巖樣表面不規(guī)則，在加壓初始階段，汞首先會(huì)填滿巖樣表面的各種凹槽。該部分進(jìn)汞量沒有進(jìn)入巖石孔隙，不能反應(yīng)巖樣的真實(shí)飽和度，這一現(xiàn)象[5]稱為“麻皮效應(yīng)”。《巖石毛管壓力曲線的測(cè)定》(SY/T 5346—2005)已經(jīng)明確在壓汞資料的運(yùn)用過程中應(yīng)當(dāng)進(jìn)行麻皮效應(yīng)校正。

中外文獻(xiàn)中關(guān)于巖心麻皮系數(shù)的校正研究較少。張關(guān)根等[1]最早提出了麻皮效應(yīng)對(duì)壓汞資料的影響。1988年《石油勘探與開發(fā)》刊出的該文關(guān)于麻皮系數(shù)的影響研究過去30多年，當(dāng)初的理論方法和研究手段不是很成熟。胡勇等[2]、Bardin等[3]通過對(duì)平均毛管壓力曲線展開分類研究，優(yōu)化了流體飽和度的計(jì)算模型；Harsha等[4]、張濤等[5]研究了壓汞法測(cè)定飽和度的各種影響因素，實(shí)際包括麻皮效應(yīng)。近些年一些文獻(xiàn)雖然提到了麻皮效應(yīng)會(huì)對(duì)壓汞資料產(chǎn)生影響[6-10]，但是對(duì)于麻皮系數(shù)具體是怎么得到的，缺少更為詳細(xì)透徹的分析。筆者以巖樣J函數(shù)曲線為基礎(chǔ)，詳細(xì)分析了油藏平均毛管壓力、排驅(qū)壓力以及麻皮效應(yīng)的影響區(qū)間，給出了影響油藏飽和度的麻皮系數(shù)具體量化標(biāo)準(zhǔn)。

1 麻皮效應(yīng)的產(chǎn)生

1.1 利用巖石物理模型分析麻皮效應(yīng)現(xiàn)象

汞具有很高的表面張力，不潤(rùn)濕巖石，屬于非潤(rùn)濕相，不加壓力它不會(huì)自動(dòng)進(jìn)入巖石孔隙。麻皮效應(yīng)表現(xiàn)為壓汞實(shí)驗(yàn)初始階段，進(jìn)汞量的增加是由于非潤(rùn)濕相汞在巖樣粗糙表面坑凹處的貼合而引起的虛假進(jìn)汞體積。隨著真空狀態(tài)下巖樣逐漸被汞淹沒，坑凹被填滿，但此時(shí)汞并沒有真正進(jìn)入孔隙系統(tǒng)。所以在總進(jìn)汞量中必須把這部分虛假進(jìn)汞量去除，否則會(huì)造成進(jìn)汞飽和度數(shù)值偏大。一般地，麻皮效應(yīng)與巖石性質(zhì)有關(guān)，巖性越細(xì)，分選性越好，磨圓度越高，巖石表面就越光滑，產(chǎn)生的麻皮效應(yīng)也越弱。

圖1所示為簡(jiǎn)化的巖石物理模型。巖石體積由巖石骨架、孔隙、裂縫組成，模型示意巖石表面有兩處缺口。a處為巖石表面顆粒的坑凹處，直徑為r，該處并沒有連通到巖石孔隙系統(tǒng)，這類凹槽是產(chǎn)生麻皮效應(yīng)的主要因素，一般由巖樣表面天然坑凹或者震動(dòng)造成的礫石脫落形成；b處為巖石表面與孔隙系統(tǒng)連通處，隨著壓力增加，汞從b處進(jìn)入孔隙系統(tǒng)。真空實(shí)驗(yàn)中，壓入的汞首先會(huì)填滿a處虛線所示的凹槽。忽略凹槽表面的靜壓差和真空度，這部分的進(jìn)汞量就是壓汞實(shí)驗(yàn)測(cè)量值增加的虛假體積，即麻皮效應(yīng)；b處所示缺口是汞正常進(jìn)入孔隙系統(tǒng)的通道。隨著實(shí)驗(yàn)壓力繼續(xù)增加，汞克服b所示缺口表面的張力，進(jìn)入與此連通的孔隙。突破點(diǎn)的壓力等于巖石的排驅(qū)壓力，隨著壓力超過排驅(qū)壓力，汞進(jìn)入巖石更細(xì)小的孔隙中。

圖1 巖石物理模型Fig.1 Model of rock physics

根據(jù)這一模型，麻皮效應(yīng)發(fā)生在巖樣被淹沒，實(shí)驗(yàn)開始計(jì)壓時(shí)，結(jié)束在排驅(qū)壓力點(diǎn)。因此，麻皮系數(shù)的計(jì)算最重要的是確定排驅(qū)壓力點(diǎn)。

1.2 利用取心樣品分析麻皮效應(yīng)現(xiàn)象

將選好的樣品切削為直徑25 mm的圓柱狀，利用CoreLab 氦孔隙度、滲透率儀測(cè)量干巖樣在實(shí)驗(yàn)室條件下的有效孔隙度；用KX-90F液體飽和裝置對(duì)樣品進(jìn)行油、水飽和度測(cè)試分析，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為國(guó)標(biāo)《巖心分析方法》(GB/T 29172—2012)，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。由表1可知，含油巖心的孔隙度主要分布在3%～15%，測(cè)量含油飽和度為28%～80%，測(cè)量含水飽和度為4%～49%，測(cè)量含油飽和度最大值明顯偏高。

圖2 鴨兒峽油田柳北構(gòu)造下溝組段巖心照片F(xiàn)ig.2 Core photograph of member of Xiagou formation in Liubei structure, Yaerxia Oilfield

表1 油、水飽和度測(cè)試數(shù)據(jù)

2 麻皮效應(yīng)對(duì)壓汞實(shí)驗(yàn)的影響

2.1 進(jìn)汞初期實(shí)驗(yàn)影響分析

在毛管中產(chǎn)生的液面上升或下降的曲面附加壓力稱為毛管壓力[8,11-12]。對(duì)巖石而言，汞為非潤(rùn)濕相，如欲使汞注入巖石孔隙系統(tǒng)內(nèi)，必須克服孔隙喉道所造成的毛細(xì)管阻力。因此，當(dāng)求出與之平衡的毛管壓力Pc和壓入巖樣內(nèi)的汞的體積，便能得到毛管壓力和巖樣中汞飽和度的關(guān)系。

毛管壓力計(jì)算公式[11]為

(1)

式(1)中：Pc為毛管壓力，MPa；σ為汞的界面張力，mN/m；θ為汞的潤(rùn)濕接觸角，(°)；r為孔隙喉道半徑，cm。

從式(1)可知，Pc與孔隙喉道半徑r成反比，因此，根據(jù)注入汞的毛管壓力就可以計(jì)算相應(yīng)的孔隙喉道半徑。界面張力和接觸角的大小取決于巖石和流體的性質(zhì)，巖石毛管半徑反映巖石的孔隙結(jié)構(gòu)，它與儲(chǔ)層孔隙度和滲透率相關(guān)。

因此，當(dāng)給一定的外加壓力將汞注入巖樣，則可根據(jù)平衡壓力計(jì)算相應(yīng)的孔隙喉道半徑；在這個(gè)平衡壓力下進(jìn)入巖樣孔隙系統(tǒng)中的汞體積應(yīng)是具有這個(gè)壓力的相應(yīng)孔隙喉道的孔隙容積；孔隙喉道越大，毛細(xì)管阻力越小，注入汞的壓力越小。因此，在注入汞時(shí)，隨著注入壓力的增高，汞將由大到小依次進(jìn)入其相應(yīng)喉道的孔隙系統(tǒng)中去。

由流體飽和度概念可知，計(jì)算含汞飽和度的基本公式為

(2)

式(2)中：SHg為汞飽和度，%；VHg為孔隙系統(tǒng)中所含汞的體積，cm3；Vf為巖樣的外表體積，cm3；φ為巖樣的孔隙度，%。

由于沉積巖大都憎油親水，故原油進(jìn)入儲(chǔ)層中的排驅(qū)機(jī)理相似于汞。因此，在計(jì)算儲(chǔ)層的含油飽和度時(shí)可近似應(yīng)用含汞飽和度的測(cè)定值。通過毛管壓力實(shí)驗(yàn)，可獲得一系列互相對(duì)應(yīng)的毛管壓力和飽和度數(shù)據(jù)。S4樣品毛管壓力測(cè)試曲線如圖3所示。

圖3 S4樣品毛管壓力測(cè)試曲線Fig.3 Capillary pressure test curve of S4 sample

因?yàn)槊軌毫κ菐r石喉道半徑和液柱高度的函數(shù)，為了使用方便，毛管壓力曲線的縱坐標(biāo)還常用喉道半徑或液柱高度表示。圖3中，毛管壓力曲線具有兩頭陡、中間緩的特征。開始的陡段表現(xiàn)為隨壓力升高非潤(rùn)濕相飽和度緩慢增加。此時(shí)非潤(rùn)濕相飽和度的增加是由巖樣表面凹凸不平或切開較大孔隙引起的，即麻皮效應(yīng)。此時(shí)并不表示非潤(rùn)濕相已進(jìn)入巖石，或者只有其中的一部分進(jìn)入巖石內(nèi)部，其余部分消耗于填補(bǔ)凹面和切開的大孔隙。中間的平緩段主要是進(jìn)液段，它表示大部分非潤(rùn)濕相是在該壓力區(qū)間進(jìn)入的。最后的陡段表示，隨壓力急劇升高，非潤(rùn)濕相的進(jìn)入速度越來越小，最后完全不進(jìn)入巖石。

因?yàn)閱蝹€(gè)巖心所得出的毛管壓力僅僅是儲(chǔ)層的一點(diǎn)，要得到代表整個(gè)地層的毛管壓力，必須將所有資料加以平均和綜合。考慮到油層的非均質(zhì)性，為了表征一個(gè)油層的毛管壓力特征，提出了J函數(shù)的概念[9-13]。J函數(shù)是一個(gè)無因次量，是含水飽和度的函數(shù)，它與滲透率、孔隙度、界面張力以及潤(rùn)濕接觸角有關(guān)。研究區(qū)油層J函數(shù)曲線如圖4所示。

圖4 酒泉盆地鴨兒峽油田J函數(shù)曲線Fig.4 J function curve of Yaerxia Oilfield in Jiuquan Basin

圖4中，J函數(shù)是研究區(qū)多塊巖樣測(cè)量的毛管壓力和進(jìn)汞飽和度的擬合，單塊巖樣J函數(shù)計(jì)算公式為

(3)

鴨兒峽油田毛管壓力實(shí)驗(yàn)為水銀-空氣系統(tǒng)，界面張力為汞的表面張力最大值(480 mN/m)，接觸角為140°，用典型的界面張力和接觸角值(表2)換算為

(4)

式(4)中：J(Sw)為J函數(shù)，無因次量；K為滲透率，10-3μm2。

表2 典型的界面張力和接觸角值

2.2 平均毛管壓力曲線計(jì)算

由圖4可知，在單對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中，J函數(shù)是毛管壓力和進(jìn)汞飽和度的冪函數(shù)，也是含水飽和度的冪函數(shù)。對(duì)某一塊巖樣，J函數(shù)可寫為

(5)

式(5)中：a、n為系數(shù)，小數(shù)。

將每一塊巖樣擬合的系數(shù)a、n求和平均，得到代表油藏的一條典型平均J函數(shù)，記作J(Sw)。由式(3)可知：

(6)

式(6)中：K、φ由巖心實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取，分別取值4.36×10-3μm2、12%。于是可得:

(7)

圖5所示為J函數(shù)處理獲得的酒泉盆地鴨兒峽油田平均毛管壓力曲線。沿著曲線相對(duì)平緩的部分作切線，得到曲線的4個(gè)拐點(diǎn)P1、P2、P3、P4將曲線基本分為4個(gè)部分：兩端的高斜率直線段、中間的低斜率直線段和高低直線段的交點(diǎn)形成的兩個(gè)弧線段。低斜率直線段反映巖石的主體孔隙特征，主體孔隙內(nèi)流體飽和度高；高斜率直線段的高壓部分反映了巖石的微孔特征，低壓部分為實(shí)驗(yàn)開始時(shí)的系統(tǒng)誤差；高低直線段的交點(diǎn)為轉(zhuǎn)折壓力，P1至P2反映了非潤(rùn)濕相流體達(dá)到排驅(qū)壓力的過程，即為麻皮效應(yīng)區(qū)間；P3至P4反映汞從主體孔隙進(jìn)入巖石微孔隙的難易程度，該段弧線越平緩則汞進(jìn)入越容易，反之越難。

圖5 酒泉盆地鴨兒峽油田平均毛管壓力曲線Fig.5 Average capillary pressure curve of Yaerxia Oilfield in Jiuquan Basin

3 麻皮系數(shù)的確定

3.1 根據(jù)排驅(qū)壓力確定麻皮效應(yīng)的影響區(qū)間

平均毛管壓力曲線中排驅(qū)壓力的確定是獲得麻皮系數(shù)的關(guān)鍵。普遍認(rèn)為壓汞試驗(yàn)中汞為非潤(rùn)濕相流體[16]，巖樣孔隙中的可動(dòng)流體油、氣、水為潤(rùn)濕相流體。由于沉積巖多被水濕潤(rùn)，油氣要通過它進(jìn)行運(yùn)移，必須首先排替其中的水才能進(jìn)入其中。如果驅(qū)使石油的動(dòng)力未達(dá)到進(jìn)入蓋層所需的排替壓力值，則石油就被遮擋于蓋層之下。壓汞測(cè)量法[17-19]與該理論基本相同。

排驅(qū)壓力是在特定成藏條件下決定油氣能否突破儲(chǔ)層界面而聚集成藏的控制因素。它既反映了巖石的孔隙喉道的集中程度，同時(shí)又反映了這種集中的孔隙喉道的大小。排驅(qū)壓力一般是非潤(rùn)濕相開始進(jìn)入巖樣最大喉道的壓力，確定方法各不相同，一般采用的方法是將毛管壓力曲線中間的平緩段延長(zhǎng)至零非潤(rùn)濕相飽和度，與縱坐標(biāo)相交，其交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的壓力即為排驅(qū)壓力Pd，與Pd相應(yīng)的喉道半徑是連通巖樣表面孔隙的最大喉道半徑rd。排替壓力的大小與孔隙喉道大小有直接關(guān)系。巖樣的排驅(qū)壓力越大，則其最大孔隙喉道半徑越小；反之排驅(qū)壓力越小，巖樣的最大孔隙喉道半徑越大[19]。一般來說，孔隙度高、滲透性好的巖石，排驅(qū)壓力較低。

P2：表現(xiàn)為隨著壓力Pd的增加，汞開始進(jìn)入巖石粗孔喉系統(tǒng)。P1至P2的壓力差是克服汞填滿巖石表面凹槽的過程，即麻皮效應(yīng)產(chǎn)生區(qū)間，對(duì)應(yīng)的壓力P′c即排驅(qū)壓力Pd。

P3：壓汞曲線平緩部分的左切點(diǎn)，與P2構(gòu)成的曲線區(qū)間是汞逐漸填滿巖石粗孔喉系統(tǒng)，貢獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)中絕大部分進(jìn)汞量。當(dāng)孔隙結(jié)構(gòu)相對(duì)較好時(shí)，曲線特征為隨著壓力的小范圍增加，進(jìn)汞量大幅上升。

P3：隨著壓力的增加，進(jìn)汞量急驟放緩。汞開始深入巖石更細(xì)小的微孔隙，此時(shí)實(shí)驗(yàn)是否繼續(xù)取決于儀器性能。

3.2 根據(jù)麻皮效應(yīng)響應(yīng)區(qū)間確定麻皮系數(shù)

麻皮效應(yīng)發(fā)生的區(qū)間是汞接觸巖樣表面，直到填滿巖樣的凹槽空間為止。由平均毛管壓力曲線可知，當(dāng)進(jìn)汞壓力達(dá)到排驅(qū)壓力時(shí)，曲線開始變得平緩，汞開始真正進(jìn)入孔隙空間。因此進(jìn)汞壓力達(dá)到排驅(qū)壓力前的進(jìn)汞飽和度為虛假的進(jìn)汞體積，排驅(qū)壓力對(duì)應(yīng)的進(jìn)汞飽和度15%為麻皮效應(yīng)影響的極限值，即為麻皮系數(shù)。巖樣飽和度參數(shù)經(jīng)麻皮系數(shù)校正后的結(jié)果如表3所示。