致密砂巖束縛水飽和度和微觀孔喉結構關系實驗研究*

白玉湖 王蘇冉 徐兵祥 陳 嶺 李彥尊 董志強

(中海油研究總院有限責任公司 北京 100028)

中國致密氣儲量豐富，主要分布在鄂爾多斯、四川、塔里木、松遼等地。在致密氣開發過程中發現生產井普遍存在產水現象，容易造成井筒積液、產量快速遞減甚至停產等問題，影響了致密氣藏的開發效果。目前普遍認為致密氣藏產出水可以分為地層水、凝析水和工作液等類型，識別方法包括水性識別、生產動態資料識別等。其中水性識別是利用礦化度、水型、組分分析等對產出水類型進行判別，如對大牛地氣田產水進行水型分析后，發現地層水占總出水量的61%。蘇里格氣田蘇東區塊依據水化學特征系數等對產出水分析發現，氣井產水同樣主要為地層水，伴有少量的工作液及凝析液。利用上述方法對蘇里格、大牛地、川西致密氣田產水井進行分析，同樣發現大部分產出水為地層水。因此，認識致密砂巖儲層地層水賦存規律對于含水致密氣藏的開發至關重要[1-2]。

前人針對致密砂巖可動流體飽和度的測量開展了大量的實驗研究，試圖研究束縛水飽和度的變化規律[3-6]、滲流規律[7-9]及微觀孔隙結構與之關系[10-14]，但目前關于致密砂巖地層水賦存規律的實驗研究，多是通過核磁共振實驗、高壓驅替實驗、半滲隔板實驗等單個或者兩個對比實驗開展[15-16]，能夠獲得目標油田目的層的束縛水飽和度分布，但影響該實驗巖心束縛水飽和度主控因素的直接實驗研究較少，通常是采用一批巖心測試束縛水飽和度，而采用另外一批巖心開展影響束縛水飽和度因素的實驗研究，并以此來分析束縛水飽和度的主控因素。由于致密砂巖的非均質性很強，由此所得的束縛水飽和度和其影響因素的實驗結果缺乏一一對應關系，推廣性受限，普適性相對較差。因此，本文基于同一塊致密砂巖巖心，圍繞揭示束縛水飽和度和微觀孔隙結構的關系，依次開展孔滲測試、核磁共振實驗、高壓驅替實驗和恒速壓汞實驗，從而通過實驗手段揭示致密砂巖束縛水飽和度和其對應的微觀孔喉的量化關系，為定量評價致密砂巖氣藏的產水能力提供基礎依據和指導。

1 束縛水飽和度測定流程

致密砂巖樣品來自于鄂爾多斯盆地東緣的中國海油臨興致密氣礦區，主要目的層為盒八段。古生代下石盒子組盒八段為三角洲平原亞相，水動力較強，礫石發育，巖性較粗，砂層平均厚度超過30 m，測井解釋孔隙度平均值為9.2%，滲透率平均值為0.78 mD，儲量占比較大。為定量分析束縛水飽和度和巖心樣品微觀孔喉結構的關系，選取盒八段典型巖心8塊，針對同一塊巖心，依次開展：①巖心孔隙度、滲透率實驗測定；②核磁共振實驗，孔隙結構分析，不同離心力下(至少3種離心力)束縛水飽和度測定；③高壓驅替實驗，模擬地層壓力條件，開展不同壓差條件下(至少4種壓差)相滲、束縛水飽和度測定；④恒速壓汞實驗，開展微觀孔隙結構分析。保證同一巖心依次完成上述4項測試化驗，通過實驗①獲得基礎物性參數，通過實驗②可以獲得孔隙結構分析及束縛水飽和度分析，通過實驗③可獲得束縛水飽和度分析，且和實驗②具有對比性，通過實驗④可以獲得微觀孔隙結構分析。通過上述4種實驗，即可得到同一塊巖心的一系列數據，包括不同實驗方法獲得的束縛水飽和度、孔隙結構參數等，因此就可以開展不同巖心的微觀孔隙結構對比和束縛水飽和度對比研究，以及同一塊巖心的微觀孔隙結構和束縛水飽和度的量化關系研究。

為評價巖心在孔隙度和滲透率測試、核磁共振實驗和高壓驅替實驗之后微觀孔隙結構是否發生變化，留取4塊備用巖心直接開展恒速壓汞實驗，備用巖心取樣位置和開展系列實驗的巖心在同一個位置，以保證巖心物性相似，具有可對比性。將開展一系列實驗后的巖心恒速壓汞結果和備用巖心的恒速壓汞結果進行對比，即可評價一系列實驗對巖心孔隙結構的影響。

2 實驗測試結果分析

1)孔滲分析。

本次常規儲層物性測試主要是指儲層巖心的孔隙度、滲透率測試。測試儀器SCMS-C3型全自動巖心孔滲測量系統。實驗方法參照標準SY/T 6385-2016《覆壓下巖石孔隙度和滲透率測定方法》進行。圖1給出了臨興礦區致密砂巖儲層盒八段巖心滲透率與孔隙度的關系。可見，對于臨興致密儲層，盒八段所選取的8塊巖心的滲透率與孔隙度之間相關性較好，覆壓滲透率較低，屬于致密儲層物性。

圖1 臨興盒八段儲層巖心基本物性參數

2)基于核磁共振的基質巖心孔隙結構及束縛水分布研究。

運用核磁共振技術，設計巖心在飽和水再高速離心后開展孔隙分布以及束縛水分布研究。以開展孔滲分析的8塊巖心，繼續分別進行飽和水多次離心后開展核磁共振測試，獲取束縛水飽和度及孔隙結構測試。離心機轉速分別為1 900、2 750和4 500 n/s。

以LX-4井2號巖心為例，闡述實驗結果情況，圖2給出該巖心多次離心后孔隙度分量與孔隙半徑核磁共振T2譜分布對比圖。該巖心核磁共振T2譜分布圖顯示其儲層孔隙結構類型以小孔徑為主。飽和水后核磁孔隙度為6.2%，離心1次后核磁孔隙度為4.5%，離心2次后核磁孔隙度為4.1%，離心3次后核磁孔隙度為3.7%(也即在這種情況下的束縛水核磁孔隙度)。數據處理后得到的該巖心孔隙孔徑主要分布在0.000 5～0.078 0 μm、0.1～1.0 μm、1～10 μm。可流通孔隙孔徑占比小，主要分布0.1～10.0 μm，離心后不可流通孔隙孔徑占比大，主要分布在0.000 5～0.100 0 μm，束縛水主要占據小于0.01 μm的孔隙中。

圖2 LX-4井2號巖心多次離心后核磁共振T2譜分布對比圖(半徑)

同樣，對另外7塊巖心實驗數據進行分析，整體來看，束縛水飽和度隨著離心力的增大而減少，隨著巖樣滲透率的增大而減少(圖3、4)。

圖3 束縛水飽和度和巖心滲透率關系

圖4 束縛水飽和度和離心力關系

3)致密儲層巖心高壓驅替實驗研究。

為了對比不同實驗方法對束縛水飽和度的影響，同樣針對經過核磁共振實驗后的8塊巖心，開展了氣驅水過程的非穩定法氣水相滲曲線測試，實驗過程是將目標巖樣先100%飽和水，氣驅水至束縛水飽和度，從而測得每塊巖心氣驅水過程的氣水相對滲透率實驗數據，并對比分析不同壓差下的氣水相滲及束縛水飽和度特征。實驗條件：圍壓50 MPa，地層壓力45 MPa，溫度25 ℃，飽和地層水礦化度35 343.5 mg/L，實驗所用的水黏度1.05 mPa·s，氣體黏度0.030 2 mPa·s，驅替壓差分別為450、650、850、1 000 psi。

不同驅替壓差下，巖心束縛水飽和度對比表明(圖5)，隨著驅替壓差的增大，巖心束縛水飽和度降低，降低趨勢呈現兩段式，在低驅替壓差下呈非線性關系遞減，在高驅替壓差下，呈近似線性關系遞減；滲透率越高的樣品，例如LX-17-4樣品，兩段式遞減規律也越明顯。針對不同的巖心樣品，其束縛水飽和度隨著巖心滲透率的降低而增加，基本呈現線性變化(圖6)，回歸得到關系式如下：

圖5 巖心的相滲驅替束縛水飽和度數據對比

圖6 高壓驅替束縛水飽和度和滲透率關系

Swir=-13.551K+70.929

(1)

式(1)中：Swir為束縛水飽和度；K為滲透率，mD。

4)巖心孔喉結構恒速壓汞分析。

采用恒速壓汞方法除了能夠得到常規的毛管壓力曲線外，還可把喉道和孔道分辨開來，能夠分別測得孔道半徑分布和喉道半徑分布，真正得到了具有力學意義的孔喉比參數。采用美國Coretest ASPE730恒速壓汞儀，最高進汞壓力為6.21 MPa，與之對應的喉道半徑大小約為0.12 μm。繼續利用高壓驅替實驗后的8塊巖心開展恒速壓汞實驗，得到巖心樣品的喉道和孔隙半徑分布頻率圖(圖7、8)。可以看出，滲透率越低，喉道半徑越小，滲透率越高，喉道半徑越大，一致性關系較好(圖7)。孔隙半徑分布與滲透率關系不明顯(圖8)，即影響滲透率的主要因素為平均喉道半徑。

圖7 滲透率和喉道半徑平均值關系

圖8 滲透率和孔隙半徑平均值關系

分析8塊巖心的核磁共振束縛水飽和度和喉道半徑及孔隙半徑平均值的關系，發現束縛水飽和度和喉道半徑平均值具有較好的線性關系(圖9)，經回歸得到：

圖9 束縛水飽和度和喉道半徑平均值的關系

Swir=-7.238 1rth+77.329

(2)

式(2)中：rth為喉道半徑平均值，μm。

束縛水飽和度和孔隙半徑平均值的關系較差(圖10)，說明影響束縛水飽和度分布的參數是喉道半徑。

圖10 束縛水飽和度和孔隙半徑平均值的關系

為對比經過一系列實驗后，巖心孔隙結構的變化情況，針對備用巖心LX-22-9直接開展恒速壓汞實驗，該備用巖心和LX-22-2為同一取樣點，物性相近。LX-22-2巖心經過孔隙度和滲透率測試、核磁共振實驗和高壓驅替之后，再進行恒速壓汞，結果如下：巖心孔隙半徑平均值為134.599 μm；喉道半徑平均值為0.679 μm；主流喉道半徑為0.700 μm，主流喉道半徑下限為0.200 μm；迂曲度為9.293；微觀均質系數為0.433。總體上微觀非均質性較強，分選性差。備用巖心LX-22-9的恒速壓汞結果如下：孔隙半徑平均值為115.867 μm；喉道半徑平均值為0.519 μm；主流喉道半徑為0.550 μm；主流喉道半徑下限為0.250 μm；迂曲度為13.334；微觀均質系數為0.571。可見總體上，兩塊巖心的微觀孔隙結果參數較為一致，說明LX-22-2巖心經過一系列實驗后，本身微觀孔隙結構未發生本質變化。此外，由于本地區盒八段的黏土含量在10%左右，相對較低，在進行系列驅替實驗時，采用的地層水樣能抑制黏土膨脹，因此，經過一些列的實驗，巖心微觀結構變化不大。

圖11給出了3種方法測定的束縛水飽和度的對比，其中核磁共振束縛水飽和度為在最大離心力(1.34 MPa)下得到的束縛水飽和度；驅替束縛水飽和度是在最大驅替壓差(10.2 MPa)下得到的束縛水飽和度；恒速壓汞法獲得的束縛水飽和度是根據壓汞毛管壓力測量結果，將壓汞數據中汞壓力轉換成氣水兩相條件下的驅替壓力，在毛管壓力曲線上讀取對應驅替壓力下的含水飽和度即為束縛水飽和度[17]。總體而言，恒速壓汞法得到的束縛水飽和度最低，對相對低滲巖心，其驅替實驗的束縛水飽和度與核磁離心束縛水飽和度整體上較為接近，但在相對高滲條件下，差別較大，如圖11中的LX-17-4樣品，這主要是由于孔隙結構、獲取束縛水方式以及壓差的不同所致。

圖11 3種方法測定的束縛水飽和度的對比

核磁共振及高壓氣驅水測試實驗表明，儲層束縛水飽和度隨著喉道半徑平均值的增大而減小，隨著離心力及驅替壓差的增大而減少，孔喉半徑是束縛水飽和度含量大小的主控因素。儲層內束縛水飽和度整體在40%～70%，且賦存在小于0.1 μm的孔隙內以及較大孔隙的親水表面上。

3 結論

1)針對致密砂巖儲層，可以采用同一塊巖心，依次開展孔滲測試分析、核磁共振實驗、高壓驅替實驗和恒速壓汞實驗，通過實驗手段揭示束縛水飽和度和致密砂巖微觀孔喉一一對應量化關系。

2)針對臨興礦區盒八段致密砂巖儲層，三種方法測試得到的束縛水飽和度略有差異，儲層內束縛水飽和度整體在40%～70%，且賦存在小于0.1 μm的孔隙內以及較大孔隙的親水表面上。

3)束縛水飽和度隨著喉道半徑平均值的增加而降低，具有較好的線性關系；束縛水飽和度隨滲透率增加而降低，具有較好的線性關系。