致密油藏巖芯全尺度孔喉測試方法及應用

楊正明*，馬壯志，肖前華，郭和坤，駱雨田

1.中國科學院滲流流體力學研究所，河北 廊坊 065007；2.中國石油勘探開發研究院，河北 廊坊 065007；3.中國科學院大學工程科學學院，北京 石景山 100049

引 言

中國致密油藏分布廣泛，主要分布在鄂爾多斯、松遼、四川和渤海灣等盆地，初步預測中國陸上主要盆地可采資源量為（20～25）×108t，已成為中國石油原油增儲上產的主體[1-4]。至2016年，中國石油致密油藏已初步實現規模動用[5-10]，但不同油區、不同致密區塊的生產動態特征差異較大，這與其微觀孔喉結構特征相關[11-15]。目前，研究微觀孔喉結構特征的常用方法有：恒速壓汞、高壓壓汞、低溫氮吸附以及核磁共振與離心相結合的物理模擬實驗方法[16-22]，各方法的測試范圍和優缺點見表1。

從表1可知，單一的微觀孔喉結構測試方法很難準確測得致密巖芯中包含微米(≥1.0μm)、亞微米（0.1～1.0μm）和納米級（≤0.1μm）全尺度的孔喉分布，而致密油藏巖芯主要以亞微米和納米級孔喉為主，如何準確測定亞微米和納米級孔喉結構特征及其分布顯得尤為重要，這需要將其中一些方法進行融合，發揮各自方法的優點，避免各自方法的缺點?；诖?，本文綜合利用高壓壓汞、低溫氮吸附及核磁共振與離心相結合的物理模擬實驗方法，建立了致密油藏巖芯全尺度孔喉測試方法，對比了不同油區不同巖性致密巖芯孔喉分布特征，為致密油藏有效開發提供技術支持。

表1 微觀孔喉結構測試方法對比Tab.1 The measuring method contrast of microscopic pore-throat structure

1 致密油藏巖芯全尺度孔喉測試方法

實驗設備選用PoreMaster60高壓壓汞儀、Autosorb?-6B比表面及孔徑分析儀、中國石油勘探開發研究院研發的低磁場核磁共振儀和PC–12W型專用巖樣離心機。

選擇的樣品為90塊取自長慶、大慶和四川等油區的致密巖芯。其中，長慶致密砂巖巖芯為30塊，主要來自鄂爾多斯盆地三疊系延長組的長6—長8油層組。大慶致密砂巖巖芯為20塊，主要為高臺子和扶余致密油儲層。四川致密巖芯為40塊，主要來自川中侏羅系，巖性包括致密砂巖和致密灰巖，其中，致密砂巖為20塊，以沙溪廟組、涼高山組和珍珠沖段為主；致密灰巖為20塊，以大安寨段和東岳廟段為主。

各油區巖樣的基本參數如表2所示。

表2 不同致密油區儲層主要參數對比Tab.2 The main parameters comparison of different tight regions

首先利用低溫氮氣吸附方法和高壓壓汞儀分別測得巖芯孔喉分布曲線，然后將巖芯孔喉分布曲線分別繪制成累積分布曲線，并進行曲線數據對比分析。如在進行納米級孔喉數據對比時出現兩條曲線不一致時，取低溫氮吸附方法所測試的納米級孔喉數據；而在亞微米和微米級數據取自高壓壓汞測試數據。最后利用核磁共振與離心結合的物理模擬實驗方法所得到的數據來對上述數據進行檢驗矯正，得到較為準確的包含微米、亞微米和納米級數據的全尺度孔喉分布曲線。

1.1 高壓壓汞和低溫氮吸附方法測試的納米級孔喉半徑數據對比

與常規壓汞測試技術相比，高壓壓汞的最大進汞壓力為413.8 MPa，能夠將汞壓入致密油巖芯中極其微小的孔隙，提高了測試精度和測試范圍，孔喉半徑測試范圍可以達到1.8 nm～500μm。該技術已經在頁巖氣藏和致密油藏巖芯的微觀孔喉結構特征分析上得到較好的應用。但高壓壓汞在測試納米級孔喉分布時，也因為孔喉壓力高，易在巖芯中形成人工裂隙，導致其測量誤差增大。而低溫氮吸附方法是近幾年新興的一項針對致密儲層定量測試納米級喉道的一種方法，利用純度為99.99%的氮氣作為吸附質，在低溫環境（液氮，-196?C）下，容易在固體表面吸附的特點來測量儲層巖石納米級孔喉。它可以精確測試0.35～50.00 nm的孔喉分布特征，正好彌補了高壓壓汞測試方法的不足。

以3塊滲透率為0.270 mD的大慶致密巖芯（平行樣品）為例，利用高壓壓汞和低溫氮吸附方法分別測試兩塊平行巖樣的納米級孔喉半徑分布。由于上述兩種方法測試的原理不同，因而所得到的數據也不同。為了進行對比，首先，將低溫氮吸附方法測試的納米級孔喉半徑分布曲線繪制成累積分布曲線；然后，根據高壓壓汞的坐標點，繪制成低溫氮吸附的納米級孔喉半徑分布曲線；最后，將繪制好的吸附曲線與高壓壓汞曲線進行對比。結果如圖1所示?？梢钥闯?，當孔喉半徑小于22.00 nm時，低溫氮吸附方法測試的納米級孔喉半徑分布曲線是在高壓壓汞方法測試的納米級孔喉半徑分布曲線之上。這就表明，當孔喉微小時，氣體容易進入極小孔喉，而汞則較難，用低溫氮吸附方法測試的納米級孔喉半徑分布曲線更能反映微米級孔喉分布特征；孔喉半徑22.00～29.00 nm為過渡區；當孔喉半徑大于29.00 nm時，低溫氮吸附方法測試的納米級孔喉半徑分布曲線在高壓壓汞方法測試的納米級孔喉半徑分布曲線之下，這時，高壓壓汞測試的數據要更準確。

1.2 致密油藏巖芯全尺度孔喉測試方法

由上面分析可知，對大慶外圍滲透率為0.270 mD的巖芯，當孔喉半徑小于22.00 nm時，采用低溫氮吸附方法測試的納米級孔喉半徑分布數據；當孔喉半徑大于29.00 nm時，采用高壓壓汞方法測試的孔喉半徑分布數據；在22.00～29.00 nm處采用對數函數進行線性差值，使得兩種方法測試的數據銜接較好。在此基礎上，再利用核磁共振和離心機對第3塊飽和水的平行巖芯進行不同離心力（21，42，209和427 psi，1 psi=6.895 kPa）下的核磁共振圖譜測試，得到不同孔喉半徑（1.00，0.50，0.10和0.05μm）下的孔喉中流體含量。這些數據由于束縛水的存在，會造成同一點的累積含量要比實際累積含量偏高。這種偏高隨著孔喉變大，這種差別逐漸變小。因此，用這種離心-NMR方法來對上述累積曲線數據進行檢驗或矯正，從而得到較為準確的包含納米、亞微米、微米級全尺度的孔喉半徑分布曲線和數值，如圖2和表3所示。

表3 全尺度和高壓壓汞數據對比Tab.3 The data comparison of full-scale method and high pressure mercury

圖2 全尺度孔喉測試的處理方法Fig.2 Treatment method of full-scale pore-throat measuring

從圖2和表3可以看出，利用全尺度方法測試的累積孔喉體積百分比為88.9%，比高壓壓汞測試的累積孔喉體積百分比高7.6%，其中，納米級孔喉控制的流體百分數多8.7%，亞微米級孔喉控制的流體百分數少0.9%。這表明高壓壓汞測試方法在測試亞微米級以上孔喉分布時相對準確，在測試納米級孔喉分布時，特別在22.00 nm以下時，誤差較大。即巖芯越致密，誤差越大。因此，本文建立的全尺度孔喉測試方法與常規單一微觀孔喉結構測試方法相比，較準確地測得了致密巖芯中包含微米、亞微米和納米級全尺度的孔喉分布。

2 不同油區不同滲透率的致密巖芯微觀孔喉結構對比

利用上述方法對長慶、大慶和四川3個油區13塊有代表性的致密巖芯進行微觀孔喉結構測試，并選擇1塊大慶中高滲透巖芯進行對比，說明致密儲層的微觀孔喉結構特征。巖芯基礎數據見表4。

表4 實驗巖芯基礎數據Tab.4 Based data of experiment cores

2.1 相同油區不同滲透率和不同巖性的致密巖樣全尺度孔喉分布曲線對比

2.1.1 不同滲透率的致密巖樣全尺度孔喉分布曲線對比

為了說明相同油區不同滲透率致密巖樣全尺度孔喉分特征，選擇了大慶外圍、長慶7塊不同滲透率的致密巖芯和1塊滲透率為74.300 mD的中高滲透巖芯。利用上述建立的全尺度孔喉測試方法，繪制了不同滲透率巖芯的全尺度孔喉分布曲線，對比結果如圖3和表5所示。

圖3 大慶和長慶油區不同滲透率的致密巖樣全尺度孔喉分布曲線對比Fig.3 Curves Comparison of full-scale pore-throat distribution in different permeability cores from Daqing Oilfield and Changqing Oilfield

表5 大慶致密油巖芯和中高滲透巖芯全尺度數據對比Tab.5 Full-scale data comparison of between the tight oil cores of Daqing and high permeability core

分析圖3和表5，可以得出：（1）在同一油區，隨著滲透率的增大，巖樣全尺度孔喉分布曲線向右偏移，大喉道變多。（2）與中高滲巖芯相比，致密油藏巖芯微米級孔喉控制的流體百分數較少；而亞微米和納米級孔喉控制的流體百分數較多。以大慶油區滲透率為0.339 mD巖樣為例，其微米級孔喉控制的流體百分數為0.7%，比滲透率為74.300 mD巖樣的微米級孔喉控制的流體百分數少了58.9%；其巖樣亞微米和納米級孔喉控制的流體百分數為98.6%，比滲透率為74.300 mD的巖樣亞微米和納米級孔喉控制的流體百分數多了58.2%。（3）隨著滲透率的增加，巖樣全尺度曲線測試的累積孔喉體積百分比增多，納米級孔喉控制的流體百分數急劇減少，微米級孔喉控制的流體百分數增加，而亞微米級孔喉控制的流體百分數呈拋物線型變化。

由于致密油巖芯中微米級孔喉所占比例較少，而納米級孔喉流體滲流阻力較大，因此在致密油田開發時，更要關注亞微米級孔喉對開發的影響。

2.1.2 不同巖性的致密巖樣全尺度孔喉分布曲線對比

選擇了四川6塊不同滲透率的致密砂巖和致密灰巖的巖芯，繪制了巖樣全尺度孔喉分布曲線，對比結果如圖4所示。

從圖4可以看出，與致密砂巖相比，致密灰巖孔喉分布的跨度較大，峰值偏左，這與其巖性特征相關。

圖4 四川油區不同滲透率巖樣全尺度孔喉分布曲線對比Fig.4 Curves comparison of full-scale pore-throat distribution in different permeability cores from Sichuan Oilfield

2.2 不同油區相同滲透率的致密巖樣全尺度孔喉分布曲線對比

以4塊大慶外圍和長慶致密巖芯為例，全尺度孔喉分布曲線的對比結果如圖5所示。

圖5 不同油區相同滲透率的致密巖樣全尺度孔喉分布曲線對比Fig.3 Curves comparison of full-scale pore-throat distribution in the same permeability cores from different oilfield

從圖5可以看出，在相同滲透率條件下，與大慶致密巖芯相比，長慶致密巖芯的亞微米級孔喉要更多，納米級孔喉要少。在滲透率為0.200 mD時，長慶致密巖芯的亞微米級孔喉所占比例為58.7%，大慶致密巖芯的亞微米級孔喉所占比例為31.6%，長慶比大慶致密巖芯的亞微米級孔喉要多27.1%；長慶比大慶致密巖芯的納米級孔喉要少26.8%。從微觀孔喉分布上也說明了長慶致密油藏的開發效果應好于大慶致密油藏的開發效果。

3 結 論

（1）利用高壓壓汞、低溫氮吸附及核磁共振與離心相結合等物理模擬實驗方法，通過“兩次插值，一次連接，一次檢驗”，建立了致密油藏巖芯全尺度孔喉測試方法。該方法與常規單一微觀孔喉結構測試方法相比，較準確地測得了致密巖芯中包含微米、亞微米和納米級全尺度的孔喉分布。當巖芯越致密，與全尺度測試方法相比，高壓壓汞測試的納米級喉道分布誤差越大。

（2）與中高滲透巖芯相比，致密油藏巖芯微米級孔喉控制的流體百分數較少，而亞微米和納米級孔喉控制的流體百分數較多。與致密砂巖相比，致密灰巖孔喉分布的跨度較大，峰值偏左。在相同油區條件下，隨滲透率的增大，全尺度孔喉分布曲線向右偏移，累積孔喉體積百分比增多，大喉道也變多；納米級孔喉控制的流體百分數急劇減少，微米級孔喉控制的流體百分數增加，而亞微米級孔喉控制的流體百分數呈拋物線型變化。

（3）在相同滲透率條件下，長慶比大慶致密巖芯的亞微米級孔喉要多，納米級孔喉要少，從微觀孔喉分布上說明了長慶致密油藏的開發效果應好于大慶致密油藏的開發效果。

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