基于自發滲吸接觸角分布的致密砂巖油儲層混合潤濕性測量和表征

季漢生,張立寬,張立強,閆建釗,劉乃貴,宋穎睿,李 超,雷裕紅,程 明

( 1. 中國石油大學(華東) 地球科學與技術學院,山東 青島 266580; 2. 中國科學院地質與地球物理研究所 油氣資源研究重點實驗室,北京 100029; 3. 中國科學院大學,北京 100049; 4. 東北石油大學 環渤海能源研究院,河北 秦皇島 066004 )

0 引言

隨油氣勘探開發從常規油氣向非常規油氣發展,致密油成為全球非常規油氣勘探開發的重點領域[1]。中國致密油地質資源儲量為(7.4～8.0)×109t,成為重要的石油接替資源[2]。受顆粒表面電性、原油膠質組分、地層水離子類型、濃度,以及地層水pH等因素影響,致密砂巖油儲層表現出混合潤濕特征[3-12]。根據油氣運移和聚集方式,致密砂巖存在油潤濕通道,石油運聚所需動力大幅降低,混合潤濕性成為控制致密油富集的重要因素[13]?；旌蠞櫇裥杂绊懼旅苡筒夭墒章?混合潤濕儲層的滲吸—驅替過程是致密油藏開發機理研究的熱點[14-15]。準確測量致密油儲層混合潤濕性,對認識致密油成藏機制和高效開發具有重要意義。

人們提出多種混合潤濕性測量方法,其中Amott法和USBM法是最常用的方法。Amott法是通過自發滲吸和強制驅替流體量的對比測量潤濕性[16]。USBM法主要根據油、水兩相流體相互驅替所需功的對比進行潤濕性表征[17]。兩種方法的測量結果只能表征巖石的整體潤濕性,在致密巖石介質情況下,存在測試周期長、誤差大等問題。物理—化學吸附法[18]和核磁共振法[19-21]通過水潤濕和油潤濕孔隙表面的比例測量,定量表征混合潤濕性,無法反映巖石中水潤濕和油潤濕部分的潤濕程度。CT測量法[22]在微觀尺度下原位觀測油、水在孔隙內的分布及其與顆粒表面的接觸角,確定巖石樣品潤濕性,受CT分辨率限制,只適用于中—高孔滲常規儲層,難以表征致密油儲層混合潤濕性。這些混合潤濕性測量方法不能從潤濕程度和潤濕孔壁比例方面,對致密砂巖混合潤濕性進行準確測量。

基于自發滲吸原理和接觸角分布測量方法,筆者采用飽和油自吸水和飽和水自吸油循環實驗,使油相和水相分別在巖石壁面形成大量水滴和油滴,測量自發滲吸接觸角,利用液滴接觸角頻率分布量化致密巖石混合潤濕性,為致密油儲層潤濕性評價提供一種簡捷有效的方法。

1 自發滲吸接觸角分布

液—固接觸角是指示介質潤濕性的定量參數,利用懸滴法或坐滴法測量固體表面形成小液滴的接觸角,可以準確表征單礦物(如石英、長石、云母、方解石等)的潤濕性。巖石表面存在大量凹坑,從外部滴入的液體無法有效排出微小凹坑內的流體,造成液滴與巖石壁面不能充分接觸,引起接觸角測量結果存在較大誤差。為了使液滴與巖壁接觸更充分,利用自發滲吸代替外部滴液的方式。

自發滲吸是一種毛細管壓力作用下發生的滲流過程,當飽和非潤濕相流體的多孔介質接觸潤濕相流體時,潤濕相和非潤濕相流體接觸界面產生表面自由能,驅使潤濕相流體進入巖樣內部,非潤濕相流體被排出[23-24]。液體通過自發滲吸從巖石微孔隙向外形成液滴,有效避免巖石表面微觀凹坑對液滴形態的影響,并消除液滴與巖壁接觸不充分引起的接觸角測量誤差。致密巖石介質的孔喉細小、毛細管壓力大,自發滲吸在致密砂巖中更明顯。進行致密巖心自發滲吸實驗,測量滲吸液滴接觸角,可以有效表征儲層混合潤濕性。

1.1 液滴選擇

儲層巖石顆粒表面的潤濕性通常不均一,由不同潤濕性顆粒隨機配位組成孔隙和喉道,可能表現為親油性,也可能表現為親水性[20]。為全面表征致密砂巖潤濕性,對取自鄂爾多斯盆地延長組致密砂巖儲層同一塊巖心,分別進行飽和油自吸水和飽和水自吸油實驗(見圖1)。為降低自吸順序和長時間飽和對巖心潤濕性的影響,參照Amott法的流體排替順序[3],先進行飽和油自吸水實驗,再進行飽和水自吸油實驗。

圖1 致密砂巖巖心自吸水和自吸油驅替過程Fig.1 The progress of the spontaneous imbibition of water and oil in tight sandstone core

在自發滲吸實驗過程中,巖心上表面(自吸水時)或下表面(自吸油時)的不同“位點”形成大量滲吸液滴(見圖1)。通過標準球冠狀自發滲吸液滴接觸角測量,可以判斷每個液滴周圍巖石顆粒表面的潤濕性。在測量自發滲吸液滴接觸角時,受浮力或重力作用影響,部分液滴體積過大導致形狀偏離標準球冠[25]。以巖心飽和油自吸水實驗為例,自吸時間越長,驅出油珠體積越大,油滴受浮力影響越大,油滴輪廓越偏離標準球冠(見圖2)。這類油滴的接觸角不能反映巖心樣品真正的潤濕傾向。根據GB/T 30447—2013《納米薄膜接觸角測量方法》,有效測量接觸角的滲吸液滴體積應不大于4 μL[26]。

圖2 受浮力影響的油珠偏離標準球冠輪廓Fig.2 The oil droplets deviating from the standard crown profile affected by buoyancy

1.2 接觸角測量

自發滲吸液滴接觸角可以根據自發滲吸實驗圖像進行測量。由于自發滲吸通常在多個不同孔隙位置同時發生,以水平視角拍攝的圖像中眾多油珠相互遮擋(見圖3(a)),無法測量完整的液滴輪廓。為獲得所有液滴全貌、液滴與巖石表面的接觸關系,采用一定角度俯拍巖心端面(見圖3(b))。

圖3 不同視角下的自發滲吸液滴照片Fig.3 Photos of spontaneous imbibition droplets at different angles

當拍攝角度偏離水平視角時,液滴輪廓產生變化,測量接觸角出現誤差[27]。需要矯正由拍攝視角引起的接觸角測量值,才能準確且真實反映巖心潤濕性。將液滴視為標準球冠,利用測量接觸角與真實接觸角之間的關系,矯正接觸角測量誤差[28]:

(1)

式中:θ為水平視角液滴接觸角(真實接觸角);γ為一定角度俯拍液滴接觸角(測量接觸角);a為相機拍攝角度與巖石端面的夾角。

真實視角與測量視角、拍攝視角下的液滴接觸角測量見圖4。其中:K、L、B、C為油、水、巖三相交界點;J為液滴球冠底圓的圓心;O為球模型的球心;N為水平視角液滴輪廓的頂點;S為水平視角液滴輪廓所在平面與球模型的下交點;G為一定角度俯拍液滴輪廓的頂點;H點為一定角度俯拍液滴輪廓所在平面與球模型的下交點;AD為球模型的直徑,平行于線段BC;I為過O點垂直于線段GH的交點。

圖4 真實視角與測量視角、拍攝視角下的液滴接觸角測量Fig.4 Contact angle measurement of real perspective, measuring perspective and shooting perspective

2 混合潤濕性表征

在評價致密砂巖混合潤濕性時,應考慮潤濕孔喉表面比例和潤濕程度,對巖心表面的自發滲吸液滴接觸角進行測量。在自發滲吸過程中,毛細管壓力自發驅替潤濕相流體進入潤濕孔隙,同時非潤濕相流體通過非潤濕孔隙被排出巖石,并在巖石壁面形成大量液滴?？紤]致密砂巖的混合潤濕特性,在巖心表面既有親油部分也有親水部分,采用飽和油自吸水和飽和水自吸油循環實驗,在巖石表面親油和親水孔喉位置分別形成油滴和水滴,統計油滴和水滴接觸角。

2.1 實驗材料選取

選取3塊鄂爾多斯盆地延長組長6段致密砂巖的巖心進行潤濕性測量,巖心樣品物性參數見表1。將巖心處理成直徑為2.5 cm、長度為4.0 cm的巖心柱。巖心孔隙度介于7.69%～14.22%,氣測滲透率介于(0.05～0.20)×10-3μm2,為典型的致密砂巖樣品[30]。

表1 鄂爾多斯盆地延長組長6段致密砂巖樣品物性參數Table 1 Physical property parameter of tight sandstone samples of Chang 6 Member of Yanchang Formation in Ordos Basin

實驗用水為1 mol/L的CaCl2溶液,可以有效避免巖心發生水敏效應。實驗用油為中性航空煤油[24]。在實驗室環境下,CaCl2溶液的黏度和密度分別為1.32 mPa·s和1.09 g/cm3,中性航空煤油的黏度和密度分別為1.70 mPa·s和0.79 g/cm3。

2.2 混合潤濕性測量

將干燥巖心樣品置于容器中,抽真空24 h后,飽和中性航空煤油(煤油用油紅染色以區分油、水兩相),加壓至20 MPa并保持24 h;在長方體水槽中注滿1 mol/L的CaCl2溶液,將飽和油巖心完全浸沒在溶液中,溶液在毛細管壓力作用下自發滲吸進入巖心,煤油被排出并在巖心端面鋪展成油滴;使用數碼相機對巖心端面(上、下端面)排出的油滴進行拍攝,圖像記錄間隔為30 min,測量不同位置排出的油滴接觸角θo。待油滴不再自發滲吸后,將巖心從水槽中取出、烘干,抽真空飽和CaCl2溶液;再次將巖心浸在煤油中,測量水相滲吸液滴接觸角θw。為便于統計分析,對巖石壁面油滴和水滴接觸角進行轉化和統一。在油—水—巖三相系統中,接觸角被定義為從極性大的液體(水)一側算起[29],將油相接觸角θo換算為水相接觸角:θw=180°-θo。自發滲吸液滴接觸角以10°為間隔區間進行統計,繪制L5、D227和JT437巖心樣品的接觸角頻率分布曲線(見圖5),既可以表征潤濕程度,又可以表征潤濕角區間對應表面所占巖心總表面的比例,分析接觸角分布區間、峰值等參數,對致密巖樣混合潤濕性進行定量表征。

圖5 鄂爾多斯盆地延長組長6段致密砂巖樣品自發滲吸液滴接觸角頻率分布曲線Fig.5 Frequency distribution curves of spontaneous imbibition droplet contact angles for tight sandstone samples of Chang 6 Member of Yanchang Formation in Ordos Basin

根據SY/T 5153—2007《油藏巖石潤濕性測定方法》[30],水相接觸角小于75°為水潤濕,在75°～105°之間為中性潤濕,在105°～180°之間為油潤濕[14]。由圖5可知,L5巖心樣品接觸角分布相對較廣,在30°～110°之間,峰值出現在接觸角為80°～90°,表明樣品顆粒表面同時具有水潤濕、中性潤濕和油潤濕特征,整體表現為中性潤濕和弱水潤濕;D227和JT437巖心樣品接觸角分布范圍在60°～110°之間,峰值出現在接觸角為90°處,整體表現為中性潤濕?；谧园l滲吸過程的接觸角測量結果顯示 3塊巖心樣品為混合潤濕,以及不同潤濕程度孔隙表面的分布情況。

3 方法驗證

由于現有測量方法無法同時給出致密砂巖的潤濕孔隙表面比例和潤濕程度,采用Amott法對混合潤濕測量結果進行間接驗證。實驗用油和水與自發滲吸液滴接觸角測量實驗一致。根據Amott法的實驗流程[30],對3塊致密砂巖樣品進行自吸水排油、水驅油、自吸油排水和油驅水實驗。3塊巖心樣品的Amott潤濕指數見表2。

表2 鄂爾多斯盆地延長組長6段致密砂巖樣品Amott潤濕指數Table 2 Amott index of three tight sandstone samples of Chang 6 Member of Yanchang Formation in Ordos Basin

根據4個驅替過程中測量的巖心含水量和含油量變化,計算L5巖心樣品水潤濕指數為0.396、油潤濕指數為0.112,Amott潤濕指數為0.284(見表2),表明L5巖心樣品既親水又親油,整體表現為弱親水性,與自發滲吸液滴接觸角頻率分布曲線存在雙峰(峰值在60°和90°處)相吻合;D227和JT437巖心樣品水潤濕指數和油潤濕指數差別不大,同時存在親油和親水成分,整體呈中性潤濕,與自發滲吸液滴接觸角頻率分布曲線為單峰(峰值在90°處)相吻合。Amott法測量與自發滲吸液滴接觸角測量結果一致,驗證基于自發滲吸液滴接觸角測量方法的可行性,能更好地表征致密儲層的混合潤濕性。

對比自發滲吸液滴接觸角測量方法與Amott法測量結果,兩種方法反映的巖心樣品潤濕具有可比性。相較于Amott法,基于自發滲吸液滴接觸角測量方法的測量過程和結果表征具有明顯優勢:

(1)測量周期短。Amott法實驗流程包括自吸水排油、水驅油、自吸油排水和油驅水4個驅替過程,需要完成自吸水排油和自吸油排水過程,否則自發滲吸過程不充分導致測量結果產生誤差?；谧园l滲吸液滴接觸角測量方法減少水驅油和油驅水過程,只需將非潤濕相流體從孔隙中排出。以L5巖心樣品為例,Amott法實驗耗時50 d,基于自發滲吸液滴接觸角測量方法耗時10 d。

(2)操作流程簡單,無需高端實驗裝置。Amott法是基于兩相流體驅替實驗計算潤濕指數,由于致密儲層具有超低孔滲特征,在驅替過程中積累的流體壓力高于實驗系統最高耐壓,不能完成油水兩相驅替實驗,無法得到致密巖樣的Amott潤濕指數。使用Amott法測量致密砂巖潤濕性必須利用耐壓足夠大的高規格驅替系統?；谧园l滲吸液滴接觸角測量方法沒有水驅油和油驅水過程,利用抽真空飽和裝置、水槽和數碼相機可完成潤濕性測量實驗。

(3)更全面定量表征致密砂巖混合潤濕性。Amott法計算的水潤濕和油潤濕指數可以反映巖石樣品是否具有混合潤濕特征[27],無法定量表征混合潤濕程度?；谧园l滲吸液滴接觸角測量方法給出接觸角頻率分布曲線,指示致密巖樣是否具有混合潤濕特征,根據接觸角分布區間、峰值等參數,反映不同潤濕程度的孔隙表面比例,提供更詳細的致密儲層潤濕非均質性信息。

4 結論

(1)基于自發滲吸原理,應用飽和油自吸水和飽和水自吸油實驗,對自發滲吸油滴和水滴接觸角進行測量校正,將油相接觸角轉化為水相潤濕相,獲取自發滲吸液滴接觸角分布頻率曲線,建立混合潤濕性表征和測量方法。

(2)基于自發滲吸液滴接觸角測量方法與Amott法測量潤濕性一致,自發滲吸液滴接觸角的分布曲線反映儲層巖石潤濕孔隙表面比例和潤濕程度,更全面地表征致密砂巖儲層的混合潤濕性,為致密油滲流過程數值模擬提供潤濕性參數。