基于恒速壓汞的儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征研究

馬 婧，李占東，鮑楚慧

（東北石油大學石油工程學院，黑龍江大慶 163318）

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基于恒速壓汞的儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征研究

馬 婧，李占東，鮑楚慧

（東北石油大學石油工程學院，黑龍江大慶 163318）

摘 要：儲層的微觀孔隙結(jié)構(gòu)是指儲集層中巖石的孔喉大小、分布及連通關系。有關儲層微觀孔隙特征的研究對于準確評價儲集層性能及后續(xù)開采措施的選擇尤為重要。采用恒速壓汞法對南五區(qū)二類儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征進行研究。根據(jù)壓汞實驗得到各微觀孔隙結(jié)構(gòu)的特征參數(shù)，與滲透率建立散點分布圖，研究各孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)對滲透率的影響程度，得出相關系數(shù)的大小，進而對各微觀孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)進行主次劃分。在此基礎上重點統(tǒng)計各主要參數(shù)的壓汞實驗結(jié)果，結(jié)合滲透率分布，得到各參數(shù)的平均值及分布范圍，分析南五區(qū)二類儲層的微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征，為后續(xù)滲流規(guī)律及聚驅(qū)配伍性研究提供依據(jù)。

關鍵詞：滲流力學；恒速壓汞；常規(guī)壓汞；微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征；聚驅(qū)配伍性

馬 婧，李占東，鮑楚慧．基于恒速壓汞的儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征研究［J］．河北工業(yè)科技，2016，33（2）：132－138．

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隨著對資源的挖潛，聚合物驅(qū)技術逐漸應用于二類油層［1］。二類油層自然遞減速度變大，生產(chǎn)能力不斷下降，經(jīng)濟效益很差，而對二類儲層的微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征進行研究以改善二類油層聚驅(qū)效果就十分必要［2－4］。儲層的微觀孔隙結(jié)構(gòu)指的是儲集巖中孔隙和喉道的幾何形狀、大小、分布及其相互連通關系［5］。目前，國內(nèi)外對于微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征的研究方法主要分為兩種，即圖像觀測法與間接測量法。油層物理中的壓汞法是專門用于探測孔隙結(jié)構(gòu)的試驗技術［6－7］。其中，壓汞毛管壓力法提供的喉徑均值、分選系數(shù)、均質(zhì)系數(shù)、歪度、排驅(qū)壓力、中值壓力、最大孔喉半徑和中值孔喉半徑等眾多壓汞參數(shù)常被用來定量表征巖心樣品所在深度的儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征［8］。

筆者通過恒速壓汞實驗，對大慶油田南五區(qū)二類儲層的微觀孔隙結(jié)構(gòu)進行了研究。與前人相比，獨特之處在于根據(jù)壓汞實驗結(jié)果，繪制各參數(shù)與滲透率的散點圖，得到相關系數(shù)，根據(jù)系數(shù)大小對二類儲層的各微觀孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了主次劃分，并以各主要參數(shù)為重點研究對象，對儲層的微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征進行描述。選取主要參數(shù)的方式與前人相比更具有針對性，能夠從影響微觀孔隙結(jié)構(gòu)較大的方面對儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征進行更細致的研究，進而提高了微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征研究的準確性。

1 恒速壓汞技術

目前國內(nèi)外對于儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征的研究大多采用壓汞技術，而壓汞技術又分為常規(guī)壓汞與恒速壓汞。常規(guī)壓汞實驗只是給出了某一級別的喉道數(shù)量，因此只能給出喉道半徑及對應的喉道控制體積分布［9］。得出的結(jié)果由于考慮了喉道體積，因此并不準確。與常規(guī)壓汞相比，恒速壓汞不僅能夠提供更多的巖石物性參數(shù)，而且能夠提供更詳細的定量信息，能夠明顯區(qū)分巖樣之間孔隙結(jié)構(gòu)上的差異性，克服了常規(guī)壓汞對應同一毛管壓力曲線會有不同孔隙結(jié)構(gòu)的缺陷［10－12］。

恒速壓汞，即以很低的恒定速度將汞注入巖石孔隙，以保證準靜態(tài)進汞過程的發(fā)生，通過檢測汞注入過程中的壓力升降將巖石內(nèi)部的孔隙和喉道分開［13］。在此過程中，界面張力與接觸角保持不變，進汞端經(jīng)歷的每一個孔隙形狀的變化，都會引起彎月面形狀的改變，從而引起系統(tǒng)毛管壓力的改變［14］。在這個過程中，壓力與體積會有所變化，通過記錄兩者的變化曲線以及汞的壓力變化，能夠得到孔隙結(jié)構(gòu)的詳細信息。在準靜態(tài)過程中（汞的飽和度在一個瞬間就可以認為不變），當汞突破喉道的限制進入孔隙的瞬時，汞在孔隙空間內(nèi)以極快的速度發(fā)生重新分布，產(chǎn)生一個壓力降，之后壓力回升，直至把整個孔隙填滿，然后進入下一個喉道［15］。

整個孔隙結(jié)構(gòu)及壓汞過程如圖1、圖2所示。首先，汞進入1號孔隙的喉道，這時壓力上升，直至突破此喉道，汞進入1號孔隙中，此時壓力下降，汞不斷將1號孔隙充填，壓力逐漸回升至1號孔隙所要求的大小，隨著汞的不斷加入，壓力又繼續(xù)上升，直至突破孔隙2的喉道，以此規(guī)律將全部孔隙填滿，最終壓力恢復到主喉道的壓力，汞所流經(jīng)的所有孔隙喉道為一個完整的單元。主孔半徑由突破點的壓力確定，孔隙的大小由進汞體積確定［16］。喉道大小及數(shù)量在進汞壓力曲線上可得到明確的反映［17］。

圖1　孔隙結(jié)構(gòu)示意圖Fig．1 Pore structure diagram

圖2　恒速壓汞示意圖Fig．2 Constant－rate mercury penetration diagram

2 實驗步驟

實驗采用的恒速壓汞裝置型號為ISCO－260D，裝置如圖3所示。實驗過程中保持界面張力與接觸角不變，以非常低的進汞速度（通常為0．000 05mL／min）將汞注入巖石孔隙內(nèi)，根據(jù)進汞壓力的漲跌來獲取孔隙結(jié)構(gòu)信息［18－20］。實驗操作步驟如下：

1）鉆取標準巖心，要求直徑為2．5mm，在洗油之后對其進行烘干處理；

2）測量此巖心的孔隙度及滲透率；

3）將巖樣內(nèi)部的空氣抽出，將其浸泡在汞液中；

4）以0．000 05mL／min的速度將汞注入巖心，在此過程中壓力先降落再回升，以此規(guī)律周期性進行，當壓力達到900psi（145psi＝1MPa）時，實驗結(jié)束；

5）實驗的同時，通過計算機系統(tǒng)進行實時監(jiān)控和自動化數(shù)據(jù)采集及輸出［21］。

圖3　恒速壓汞裝置圖Fig．3 Constant－rate mercury penetration device

3 實驗結(jié)果分析

3．1 孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇

表征孔隙結(jié)構(gòu)的參數(shù)可分為反映孔喉大小、孔喉分選程度、孔喉連通性和控制流體運動特征的三大類參數(shù)［22］。這三大類參數(shù)都可以通過壓汞實驗資料以及統(tǒng)計計算獲得。

其中，描述孔隙大小的參數(shù)主要包括最大孔隙半徑、平均孔隙半徑、孔隙半徑中值、孔隙半徑均值；描述孔隙分選程度的參數(shù)主要包括分選系數(shù)、相對分選系數(shù)；描述孔喉連通程度及流體運動狀態(tài)的參數(shù)主要包括排驅(qū)壓力、結(jié)構(gòu)系數(shù)、退出效率。排驅(qū)壓力最早由PIRSON提出，其將排驅(qū)壓力定義為非潤濕相的流體開始進入完全飽和潤濕相流體的儲層孔喉的最小壓力，數(shù)值上等于巖石最大孔喉處對應的毛管壓力［23］。分選系數(shù)，也叫標準方差，是喉道半徑的方差［24］。

3．2 二類儲層孔隙結(jié)構(gòu)主次參數(shù)的確定

二類儲層多分布于三角洲水下分流河道或河口壩微相，儲層巖性以細－粉砂巖為主，孔隙類型以微孔、細孔為主，多呈孤立狀分布，孔喉連通性較差［25］。根據(jù)巖心壓汞實驗的結(jié)果，對大慶油田南五區(qū)的二類儲層進行微觀孔隙結(jié)構(gòu)主次參數(shù)的劃分。在此分析薩195、薩178兩口井的24塊巖心，從壓汞實驗中得到了空氣滲透率與各孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的對應關系，根據(jù)數(shù)據(jù)做出散點圖，并加入趨勢線，得到滲透率與各參數(shù)之間的相關系數(shù)。通過對比、分析相關系數(shù)的大小，判斷相關性，就可以對各孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)進行主次劃分，進而判斷該參數(shù)對滲透率的影響程度。滲透率與各孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)關系的散點圖如圖4—圖13所示。

圖4　滲透率與分選系數(shù)關系圖Fig．4 Relationship between permeability and sorting coefficient

圖5　滲透率與孔隙半徑中值關系圖Fig．5 Relationship between permeability and the median pore radius

圖6　滲透率與結(jié)構(gòu)系數(shù)關系圖Fig．6 Relationship between permeability and structure coefficient

圖7　滲透率與排驅(qū)壓力關系圖Fig．7 Relationship between permeability and displacement pressure

圖8　滲透率與平均孔隙半徑關系圖Fig．8 Relationship between permeability and the average pore radius

圖9　滲透率與特征結(jié)構(gòu)參數(shù)關系圖Fig．9 Relationship between permeability and significant parameters

圖10　滲透率與退出效率關系圖Fig．10 Relationship between permeability and ejection efficiency

圖11　滲透率與相對分選系數(shù)關系圖Fig．11 Relationship between permeability and relative sorting coefficient

圖12　滲透率與最大汞飽和度關系圖Fig．12 Relationship between permeability and maximum mercury saturation

圖13　滲透率與最大孔隙半徑關系圖Fig．13 Relationship between permeability and the largest pore radius coefficient

由以上各圖像可知，與滲透率具有明顯函數(shù)變化關系的參數(shù)包括：最大孔隙半徑、排驅(qū)壓力、孔隙半徑中值、相對分選系數(shù)、特征結(jié)構(gòu)參數(shù)、平均孔隙半徑。它們與滲透率的相關系數(shù)分別為0．782，0．792，0．899，0．901，0．951與0．955。從圖像可以看出，滲透率與最大孔隙半徑具有正比例關系，相關系數(shù)為0．782；滲透率與排驅(qū)壓力具有反比例關系，相關系數(shù)為0．792；滲透率與孔隙半徑中值具有正比例關系，相關系數(shù)為0．899；滲透率與相對分選系數(shù)具有反比例關系，相關系數(shù)為0．901；滲透率與特征結(jié)構(gòu)參數(shù)具有正比例關系，相關系數(shù)為0．951；滲透率與平均孔隙半徑具有正比例關系，相關系數(shù)為0．955。從數(shù)值上看，這6個參數(shù)的相關系數(shù)都大于0．5，且均逼近1，這說明各參數(shù)與滲透率都具有明顯的相關性，故將它們列為主要參數(shù)。

由圖4與圖12可知，分選系數(shù)、最大汞飽和度這2個參數(shù)與滲透率不具備明顯的函數(shù)關系，但由圖像可以看出，兩者的散點分布都相對集中，這說明二者與滲透率具備一定的相關性，但并不能明確表征，故將分選系數(shù)與最大汞飽和度列為次要參數(shù)。

由圖6與圖10可知，結(jié)構(gòu)系數(shù)、退出效率這2個參數(shù)與滲透率的散點分布較離散，且沒有一定的規(guī)律可言，這說明二者與滲透率不存在相關性，故將結(jié)構(gòu)系數(shù)與退出效率列為無效參數(shù)。分類結(jié)果如表1所示。

表1　參數(shù)級別劃分表Tab．1 Parameter level partition table

3．3 二類儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征分析

在確定主次參數(shù)的基礎上，將各個主要參數(shù)的平均值、最大值及最小值統(tǒng)計于表2，根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果對二類儲層的微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征進行分析。

表2　二類儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)分析表Tab．2 Microscopic pore structure parameter analysis table of the second type reservoir

由圖13可知，滲透率與最大孔隙半徑成冪函數(shù)關系，相關系數(shù)為0．782。最大孔隙半徑分布范圍從1．1μm至26．72μm，主要分布范圍為6～22 μm。由圖8可知，滲透率與平均孔隙半徑成冪函數(shù)關系，相關系數(shù)為0．955，相關性好。平均孔隙半徑分布范圍從0．25μm至12．31μm，主要分布范圍為0～10μm。由圖5可知滲透率與孔隙半徑中值成冪函數(shù)關系，相關系數(shù)為0．899。孔隙半徑中值分布范圍從0．05μm至15．16μm，主要分布范圍為0～10μm。由以上分析可知，滲透率與表征孔喉大小的3個指標：最大孔隙半徑、平均孔隙半徑及孔隙半徑中值的相關性都很好。平均孔隙半徑與滲透率的相關系數(shù)最大，為0．955。平均孔隙半徑平均值為6．43μm，說明二類儲層孔喉為中孔。

由圖11可得出，滲透率隨相對分選系數(shù)的增加而呈減小的趨勢，反映分選性越好，巖石滲透能力越強的趨勢，兩者成冪函數(shù)關系，相關系數(shù)為0．901，平均值為0．553，孔喉分布較均勻。

從圖9可以看出，隨滲透率增大，特征結(jié)構(gòu)參數(shù)愈大，巖樣孔隙結(jié)構(gòu)愈好，驅(qū)油效率越高，平均值為1．17，說明孔喉連通較好。

由以上分析可知，南五區(qū)二類儲層屬于高滲儲層，其孔隙半徑大小屬于中孔，且孔喉分布均勻，分選程度及連通程度較好。以上結(jié)果可為后續(xù)滲流規(guī)律以及聚驅(qū)配伍性研究提供依據(jù)。

4 結(jié) 論

1）巖心壓汞法為儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征研究的核心技術，該方法分為常規(guī)壓汞與恒速壓汞。由于恒速壓汞克服了常規(guī)壓汞在測量喉道數(shù)量及喉道分布時多因素共同作用而產(chǎn)生的不確定性，因此，采用恒速壓汞技術能夠相對準確地得到表征儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征的各項參數(shù)值，以此揭示出儲層的孔隙、喉道特征，進而對儲層的微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征進行深層次研究。

2）根據(jù)恒速壓汞實驗結(jié)果，做出空氣滲透率與各孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的散點分布圖，得到對應的相關系數(shù)，根據(jù)系數(shù)大小，得出南五區(qū)二類儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)為最大孔隙半徑、排驅(qū)壓力、孔隙半徑中值、相對分選系數(shù)、特征結(jié)構(gòu)參數(shù)與平均孔隙半徑。它們與滲透率的相關系數(shù)分別為0．782，0．792，0．899，0．901，0．951與0．955。這些參數(shù)對于南五區(qū)儲層滲透率的影響較大。

3）根據(jù)壓汞實驗結(jié)果，統(tǒng)計滲透率與各主要參數(shù)的平均值、最大值及最小值，由數(shù)據(jù)分析可知，南五區(qū)二類儲層屬于高滲儲層，其孔隙半徑大小屬于中孔，且孔喉分布均勻，分選程度及連通程度較好。分析結(jié)果可為后續(xù)研究提供依據(jù)。

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Study of the microscopic pore structure characteristics of the reservoir under constant－rate mercury penetration

MA Jing，LI Zhandong，BAO Chuhui
（School of Petroleum Engineering，Southeast Petroleum University，Daqing，Heilongjiang 163318，China）

Abstract：The microscopic structure of the reservoir refers to the size of pore throat，the distribution and the connecting relation of the rocks．The study of the reservoir microscopic pore characteristics plays a vital role in the accurate evaluation of reservoir properties and the subsequent selection of mining measures．The constant－rate mercury penetration method is applied to study the microscopic pore structure characteristics of the second type reservoir in the South 5area．Microscopic pore structure characteristic parameters are obtained through mercury intrusion test，then the characteristic parameters and the permeability are combined to establish the scatters distribution diagram．The influence of the pore structure parameters on the permeability is studied，the correlation coefficient is obtained，and the microscopic pore structure parameters are classified．The key statistics of the main parameters under mercury injection experiment is obtained，and based on the combination of the result with the permeability distribution，the mean value and the distribution range of each parameter are determined，so that the microscopic pore structure characteristics of the second type reservoir in South 5area is analyzed．It provides the basis for the subsequent seepage law analysis and polymer compatibility study．

Keywords：percolation mechanics；constant－rate mercury penetration；conventional mercury injection；microscopic pore structure characteristics；polymer compatibility

通訊作者：李占東教授。E－mail：13644593771＠163．com

作者簡介：馬 婧（1992－），女，黑龍江大慶人，碩士研究生，主要從事油氣田開發(fā)理論與技術方面的研究。

收稿日期：2015－11－24；修回日期：2015－12－17；責任編輯：馮 民

中圖分類號：TE321

文獻標志碼：A

doi：10．7535／hbgykj．2016yx02007

文章編號：1008－1534（2016）02－0132－07