頁巖油巖心微納米尺度非線性滲流實驗研究

康競舟

(山東石油化工學院，山東 東營 257061)

頁巖油具有典型的自生自儲、原地滯留聚集的特點，其在儲集空間、賦存狀態、滲流機理等方面都有別于常規氣藏[1-2]。頁巖油儲層儲集空間以納米級為主，孔喉類型、分布、連通性復雜多變，毛管現象顯著，流體在納米級空間受到的作用力與微米級孔隙空間不同，由此導致流固作用力下頁巖油的滲流規律也更加復雜[3-4]。

目前，對致密儲層中流體滲流特征的測試方法主要有：毛管平衡法、壓差-流量法和流量-壓差法[5-8]。由于毛管平衡法只能得到啟動壓力梯度一個點，而無法得到非線性滲流曲線；流量-壓差法難以實現低流速的穩定控制及計量，因此，筆者利用壓差-流量法，通過改變巖心入口端壓力，計量出口端流量，繪制穩定時不同壓力下巖心出口端流體滲流速度，從而獲得滲流曲線。針對頁巖油儲層滲透率低、一定壓差下巖心的滲流速度極低的問題，筆者改進實驗流程，通過顯微觀察與毛管測量相結合的方式，計量流體液面在毛管內(內徑0.5mm)通過一定距離所需要的時間，依此計量微流速，從而實現對頁巖儲層流體非線性滲流的精細表征與測試。

1 實驗方法與流程

非線性滲流測試步驟為：1)將所取的頁巖油巖心洗油、稱重，并測試巖心的長度與直徑；2)將巖心進行抽真空，并加壓充分煤油飽和；3)將巖心放入巖心夾持器，利用手動泵增加圍壓；4)通過調節氣瓶后的精密減壓閥，控制巖心入口端的壓力，按照實驗方案開展滲流實驗，記錄不同壓力下穩定后流體液面在毛細管中的移動距離和所需時間，計算出流速；5)根據入口壓力和出口流速，繪制頁巖油巖心非線性滲流曲線，并計算特征參數。

為了防止毛細管中液體蒸發影響流量的計量精度，毛細管出口端采用液封。

實驗巖心分別選用泥質粉砂巖和紋層狀頁巖巖心，其物性如表1所示。

表1 巖心基礎數據

實驗流程如圖1所示，微流量計示意圖如圖2所示。

圖1 實驗流程圖

圖2 顯微觀察與毛管測量

微流量計量表示為：

(1)

式中：q為流量，cm3/h；d為毛細管內徑，cm；l為液面在毛管中移動距離，cm；t為時間，h。

2 結果與分析

2.1 頁巖油巖心孔隙結構特征

利用核磁共振測試2塊煤油飽和巖心的微觀孔隙結構分布，如圖3所示。

圖3 頁巖油巖心核磁共振T2譜分布

核磁共振技術可以對頁巖巖心進行快速無損的測試。根據弛豫原理[9]，在均勻磁場下，流體的T2弛豫時間與比表面積呈負相關關系。頁巖巖心中具有小比表面積的大孔隙對應于大的T2弛豫時間，相反，具有大比表面積的小孔隙對應于小的T2弛豫時間，因此，T2弛豫時間譜可以用來表示不同孔隙中的流體分布，即頁巖的微觀孔隙分布。

從圖3中看出，2塊頁巖油巖心均具有“三峰”結構，說明具有3種孔隙類型，孔隙結構復雜。其中，左峰的峰值較高，且對應的核磁共振T2弛豫時間小于1ms，說明頁巖油巖心以納米級微孔隙為主，而中峰和右峰明顯不同。泥質粉砂巖中峰較低，與右峰連續且峰值比較接近，說明這兩種孔隙大小雖然存在差距，但性質比較接近；而紋層狀頁巖的中峰較高，峰值明顯高于右峰，且與中峰連續性差，說明這兩種孔隙類型差異顯著，右峰主要為灰質紋層，而中峰主要為泥質中的較大孔隙。

2.2 頁巖油巖心滲流特征

利用改進的非線性滲流實驗流程，分別對2塊不同巖性的頁巖油儲層巖心進行滲流特征物理模擬實驗。驅替壓差與流量的關系曲線如圖4所示。

圖4 巖心非線性滲流測試曲線

從圖4中看出，不同巖性的巖心滲流特征呈現不同的變化趨勢：

1號巖心為泥質粉砂巖，巖心的滲流曲線在低壓力梯度段呈現“下凹”型滲流特征，達到一定的驅替壓力梯度后，則呈現擬線性滲流特征，其滲流規律與普通低滲透砂巖巖心相似。產生該滲流特征主要是由巖心中不同尺度空間內的流體邊界層引起，在低壓力梯度段，巖心中邊界層影響顯著，只有較大孔隙中的流體參與流動；隨著壓力梯度的增大，較小孔隙中的流體參與流動，滲流曲線呈現非線性滲流特征；當主流喉道半徑中的原油參與流動時，滲流曲線呈現擬線性滲流特征。

2號巖心為紋層狀頁巖，巖心的滲流曲線在低壓力梯度段呈現“上凸”型滲流特征，達到一定驅替壓力梯度后，則呈現擬線性滲流特征，其滲流規律在低壓力梯度段與普通低滲透砂巖、泥質粉砂巖都存在差異。產生該滲流特征主要是由于紋層狀頁巖中存在泥質和灰質兩種差異較大的滲流介質，灰質紋層雖然比例較小，但其滲流能力強，對滲透率的貢獻大；在低壓力梯度段，主要由灰質中的流體參與流動，隨著壓力梯度的增大，泥灰之間產生一定的竄流。

分別對2塊巖心的滲流曲線進行擬合，得到真實啟動壓力梯度和擬啟動壓力梯度。1號巖心的真實啟動壓力梯度為0.0093MPa/cm，擬啟動壓力梯度為0.0512MPa/cm；2號巖心的真實啟動壓力梯度為0.0026MPa/cm，擬啟動壓力梯度為0.0658MPa/m。可見，紋層狀頁巖巖心的真實啟動壓力梯度更小，且擬啟動壓力梯度與真實啟動壓力梯度的比值也遠大于泥質粉砂巖。分析認為，由于泥質粉砂巖和紋層狀頁巖的孔隙結構存在一定的差異，紋層狀頁巖中灰質紋層的孔喉較大，動用難度較小，因此開始流動時的真實啟動壓力梯度較大，泥質和灰質兩種滲流介質孔隙尺度和滲流能力差距顯著，致使其真實啟動壓力梯度和擬啟動壓力梯度相差明顯。

3 結論

1)建立了頁巖油巖心非線性滲流曲線的測試方法，實現了頁巖油巖心擬啟動壓力梯度和真實啟動壓力梯度的精確測量。

2)在低壓力梯度段，泥質粉砂巖巖心的滲流曲線呈現“下凹”型滲流特征，紋層狀頁巖巖心的滲流曲線則呈現“上凸”型滲流特征，但達到一定的壓力梯度后，滲流曲線都呈現擬線性滲流特征。

3)紋層狀頁巖巖心的真實啟動壓力梯度小于泥質粉砂巖，而擬啟動壓力梯度與真實啟動壓力梯度的比值卻遠大于泥質粉砂巖。