致密油儲層孔隙度測定方法

王 磊，李克文，趙 楠，張 輝，褚?guī)r巖

（1.中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東湛江524057；2.中國地質大學（北京）能源學院，北京100083）

致密油儲層孔隙度測定方法

王 磊1，李克文2，趙 楠1，張 輝1，褚?guī)r巖1

（1.中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東湛江524057；2.中國地質大學（北京）能源學院，北京100083）

致密油儲層孔隙結構以微孔和納米級孔隙為主，孔隙度一般小于10%。常規(guī)孔隙度測定方法很難準確、快速測定致密油儲層孔隙度。因此，基于波義耳定律，同時引入孔隙度測定壓力區(qū)分度函數(shù)，分析不同參數(shù)對孔隙度測定精度的影響，優(yōu)化實驗儀器參數(shù)，設計出適合致密油儲層孔隙度測定的實驗裝置。利用該實驗裝置測定致密油儲層巖心樣品孔隙度為2.55%，而利用壓汞法測定的孔隙度為2.40%，2種方法的測定結果相差不大。為了驗證優(yōu)化后的實驗裝置的準確性，利用該實驗裝置對已知孔隙度為25.16%的人造巖心的孔隙度進行測定，其值為25.56%，表明優(yōu)化后的實驗裝置能夠快速、準確測定致密油儲層巖心樣品的孔隙度。

致密油 孔隙度 敏感性分析 參數(shù)優(yōu)化 實驗裝置

致密油是一種典型的非常規(guī)油氣資源，是指以吸附或游離狀態(tài)賦存在生油巖中，或者與生油巖互層、緊鄰致密砂巖、致密碳酸鹽巖等儲集巖中，未經(jīng)過大規(guī)模長距離運移的油氣聚集［1-3］。致密油儲層主要包括頁巖、致密砂巖、致密碳酸鹽巖等，孔隙結構主要是微孔和納米級孔隙［4-8］。美國是致密油資源開發(fā)最多的國家，2010年致密油產(chǎn)量突破3 000× 104t。中國致密油資源非常豐富，其中致密砂巖、泥巖等儲層中的致密油地質儲量為106.7×108～111.5× 108t，頁巖儲層中的致密油地質儲量為476.44×108t。目前，中國致密油的勘探開發(fā)及相關研究處于準備階段［9-13］。

孔隙度是評價儲層物性、計算油氣儲量的重要參數(shù)，其測定方法主要有：高壓壓汞法、氣體等溫吸附法、核磁共振法、掃描電子顯微鏡法及波義耳定律雙室法。由于致密油儲層孔隙主要為納米—微米級孔隙，液態(tài)汞難以進入，并且高壓汞破壞巖石樣品，產(chǎn)生人工裂隙，影響致密油巖樣孔隙度的測定結果。對于壓汞法無法測定的孔隙區(qū)域，尤其是納米級孔隙，可以采用氣體等溫吸附法，但是該方法受分析方法和理論模型的限制，重疊部分的符合度不高。核磁共振法和掃描電子顯微鏡法的實驗設備昂貴，目前不適用于大量樣品的分析［14-16］，而波義耳定律雙室法比較適合快速測定致密油儲層孔隙度。

波義耳定律是指當溫度為常數(shù)時，一定質量理想氣體體積與其絕對壓力成反比［17］。其實驗裝置主要包括：參考室、巖心樣品室、測壓裝置和氦氣源。將氦氣充入巖心樣品孔隙內部，根據(jù)波義耳定律可測定孔隙體積。該方法的優(yōu)點是操作簡單、快速、成本低。由于頁巖、致密砂巖、致密碳酸鹽巖等致密油儲層孔隙度測量精度要求較高，所以需要對測定儀器參數(shù)進行敏感性分析，進而優(yōu)化實驗裝置及測試條件。

1 參數(shù)計算

1.1 儀器參數(shù)

根據(jù)實驗原理，需要進行2次測試，儀器參數(shù)的關系式為

根據(jù)式（1）和式（2）可得

其中

1.2 樣品孔隙度

對于圓柱體巖心樣品，其體積為

根據(jù)實驗原理可得

根據(jù)式（8），得巖心樣品孔隙體積為

根據(jù)式（9），得到巖心樣品孔隙度為

2 儀器參數(shù)優(yōu)化原理

由于致密油儲層巖心樣品孔隙度偏低，所以儀器參數(shù)與壓力計量裝置的精度會對測定結果產(chǎn)生較大影響。這些儀器參數(shù)主要包括：參考室與巖心樣品室體積、參考室與巖心樣品室初始壓力、巖心樣品體積等。因此，有必要定量分析儀器參數(shù)對測定結果的影響。

引入不同孔隙度巖心樣品測定所得的平衡壓力變化函數(shù)Y，即孔隙度測定壓力區(qū)分度函數(shù)。對于不同孔隙度的巖心樣品，所測得的Y值越大，儀器測量精度越高，孔隙度測定效果越好。如何組合儀器參數(shù)，使得Y值最大的具體方法如下。

根據(jù)式（10）可得致密油儲層巖心樣品孔隙度測定過程中的平衡后壓力為

孔隙度測定壓力區(qū)分度函數(shù)Y為

一般情況下φ2=φ1+0.01，致密油儲層巖心樣品孔隙度一般小于10%，可以假定φ1為4%，φ2為5%，進行儀器參數(shù)優(yōu)化。

3 敏感性分析

影響函數(shù)Y的因素主要有：參考室體積、充滿標準塊后巖心樣品室自由體積、標準塊體積、巖心樣品體積、參考室初始壓力和巖心樣品室初始壓力。對這些影響因素進行了敏感性分析。

由參考室體積、充滿標準塊后巖心樣品室自由體積與Y值的關系（圖1）可以看出：隨著參考室體積增加，Y值先增大后減?。▓D1a）；隨著充滿標準塊后心樣品室自由體積的增加，Y 值減?。▓D1b）。

圖1 參考室體積、充滿標準塊后巖心樣品室自由體積與Y值的關系Fig.1 Relationship between V1，V2and Y

當巖心樣品體積為100mL時，標準塊體積越接近于巖心樣品體積，Y值越大（圖2a）。當巖心樣品體積與標準塊體積相等時，巖心樣品體積越大，Y值越大（圖2b）。

圖2 標準塊體積、巖心樣品體積與Y值的關系Fig.2 Relationship between Vb，Vyand Y

根據(jù)式（11）和式（12）可知，Y值與參考室初始壓力呈正相關關系，參考室初始壓力越大，Y值越大；Y值與巖心樣品室初始壓力呈負相關關系，巖心樣品室初始壓力越大，Y值越小。

由敏感性分析結果可見，當參考室體積合適、充滿標準塊后巖心樣品室自由體積越小、參考室初始壓力越大、巖心樣品室初始壓力越小、巖心樣品體積與標準塊體積越接近及巖心樣品體積越大時，Y值越大，實驗裝置的測量精度越高。將巖心樣品室的初始壓力定為大氣壓，由于所搜集到的巖心樣品體積為90～100mL，所以將標準塊體積定為100 mL。因此，可調整的參數(shù)主要有：參考室體積、充滿標準塊后巖心樣品室自由體積和參考室初始壓力。

根據(jù)敏感性分析結果，利用式（11）和式（12）對實驗裝置進行優(yōu)化。優(yōu)化后實驗裝置的參考室體積與充滿標準塊后巖心樣品室自由體積分別為12.84和18.88mL。測壓裝置的精度為0.001MPa。

4 效果評價

致密油儲層巖心樣品來自松遼盆地青山口組。由不同充滿標準塊后巖心樣品室自由體積下參考室體積對Y值的影響（圖3）可見，參考室體積在最優(yōu)區(qū)域范圍內。由不同參考室體積下充滿標準塊后巖心樣品室自由體積對Y值的影響（圖4）可見，充滿標準塊后巖心樣品室自由體積比較合理，對應的Y值在測壓裝置精度范圍內。根據(jù)優(yōu)化后的參考室體積和充滿標準塊后巖心樣品室自由體積，結合式（11）和式（12），計算得Y值為0.005 8 MPa，能夠達到測壓裝置精度范圍要求。

圖3 不同充滿標準塊后巖心樣品室自由體積下參考室體積與Y值的關系Fig.3 Relationship between V1and Y with different V2

圖4 不同參考室體積下充滿標準塊后巖心樣品室自由體積與Y值的關系Fig.4 Relationship between V2and Y with different V1

利用優(yōu)化后的實驗裝置，通過調節(jié)參考室的初始壓力，獲得對應的致密油儲層巖心樣品孔隙度，測定巖心樣品孔隙度的平均值為2.55%。為了驗證測定結果的準確性，對同一致密油儲層巖心樣品，通過壓汞法測定其孔隙度為2.40%。兩者相差不大，說明優(yōu)化后的波義耳定律雙室法實驗裝置能較準確、快速地測定致密油儲層巖心樣品的孔隙度。

對已知孔隙度的人造巖心進行測定，該人造巖心孔隙度為25.16%。利用優(yōu)化后的裝置測定人造巖心的孔隙度為25.56%，誤差為1.59%，進一步說明優(yōu)化后的波義耳定律雙室法實驗裝置的精度較高。

5 結論

致密油儲層孔隙結構主要是微孔和納米級孔隙，孔隙度測量精度要求較高，影響致密油儲層孔隙度測定精度的因素主要有：參考室體積、充滿標準塊后巖心樣品室自由體積、標準塊體積、巖心樣品體積、參考室初始壓力和巖心樣品室初始壓力。敏感性分析結果表明：參考室體積取值合適、充滿標準塊后巖心樣品室自由體積越小、參考室初始壓力越大，巖心樣品室初始壓力越小，標準塊體積和巖心樣品體積越接近，巖心樣品體積越大，孔隙度測定裝置的測量精度越高。

通過參數(shù)優(yōu)化，設計出測定致密油儲層孔隙度的實驗裝置，對于同一致密油儲層巖心樣品，該裝置測定的結果與壓汞法相差不大，并且對已知孔隙度的人造巖心進行測試，結果準確，證明優(yōu)化后的波義耳定律雙室法實驗裝置能夠快速、準確地測定致密油儲層樣品的孔隙度。

符號解釋：pc1和 pc2——第1次、第2次測定的參考室初始壓力，MPa；V1——參考室體積，mL；py1和py2——第1次、第2次測定的巖心樣品室初始壓力，MPa；V2——充滿標準塊后巖心樣品室自由體積，mL；pcy1和pcy2——第1次、第2次測定的平衡壓力，MPa；Vb——標準塊體積，mL；Vy——巖心樣品體積，mL；L——巖心樣品長度，cm；D——巖心樣品直徑，cm；pc——參考室初始壓力，MPa；py——巖心樣品室初始壓力，MPa；Vk——巖心樣品孔隙體積，mL；pcy——平衡壓力，MPa；φ——巖心樣品孔隙度，%；Y——孔隙度測定壓力區(qū)分度函數(shù)，MPa；φ1，φ2——不同巖心樣品的孔隙度，%。

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編輯 劉北羿

Methods research of porosity determ ination for tightoil reservoir

Wang Lei1，LiKewen2，Zhao Nan1，Zhang Hui1，Chu Yanyan1

（1.Zhanjiang Branch，China National Offshore Oil Corporation（China）Ltd.，Zhanjiang City，Guangdong Province，524000，China；2.School of Energy Resources，China University of Geosciences（Beijing），Beijing City，100083，China）

Porosity is an important parameter of reservoir rock，which is mainly used to evaluate reservoir physical properties and to calculate original reserves of petroleum.Pore structure characterization of tight oil reservoir is mainly on micronano scale.The tight oil reservoir porosity is generally less than10%.It is difficult to measure tight oil reservoir porosity accurately and quickly using conventional methods.Based on Boyle’s law and pressure differentiation function of porosity measuring，parameters affecting the accuracy of porosity measurement were analyzed.Also，experimental instrument parameters were optimized.Experimental apparatus for porosity determination，which is suitable for the tight oil reservoir，was designed.The porosity of a core sample is 2.55%using the experimental apparatus，while the core porosity is 2.40%using mercury intrusion method.The two results agrees.In order to verify the accuracy of the experimental apparatus，the porosity of an artificial core which is 25.16% was measured using the optimized experimental apparatus.The result is 25.56%. Therefore，porosity of the tight samples can be quickly and accurately determined by the optimized experimental apparatus.

tight oil；porosity；sensitivity analysis；parameter optimization；experimental apparatus

TE112.23

A

1009-9603（2015）04-0049-05

2015-05-08。

王磊（1986—），男，陜西渭南人，助理工程師，碩士，從事采油工程及提高采收率研究。聯(lián)系電話：13702682177，E-mail：wanglei 95@cnooc.com.cn。

國家自然科學基金重點項目“提高低滲透油氣田采收率的氣潤濕反轉理論和方法”（51034004）。