高壓壓汞在致密氣藏孔喉分布表征和早期產(chǎn)能評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

朱晴， 喬向陽(yáng)， 張磊

(陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院， 陜西 西安 710065)

準(zhǔn)確評(píng)價(jià)儲(chǔ)層巖石的孔喉(包括孔隙和喉道)結(jié)構(gòu)特征，是滲流機(jī)理研究和產(chǎn)能預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)。目前分析巖石孔喉結(jié)構(gòu)特征的主要方法包括：鑄體薄片、掃描電鏡、恒速壓汞、氮?dú)馕?、?jì)算機(jī)斷層掃描(CT)三維重建、核磁共振和高壓壓汞等，但不同方法皆存在一定的應(yīng)用局限性。鑄體薄片和掃描電鏡僅能實(shí)現(xiàn)在一定尺度下對(duì)巖心剖面的觀察和描述[1-3]；恒速壓汞法不能測(cè)量半徑小于0.1μm的孔喉[4]；氮?dú)馕椒ㄖ饕獪y(cè)定半徑小于0.1μm的孔喉[5-7]；CT三維重建測(cè)試成本較高[8-9]；核磁共振無(wú)法單獨(dú)實(shí)現(xiàn)定量表征，需聯(lián)合其他實(shí)驗(yàn)[10]；高壓壓汞法不能測(cè)量半徑小于0.003μm的孔喉。影響致密氣藏開(kāi)發(fā)的有效孔喉半徑下限通常大于0.05μm[11]，CT三維重建、核磁共振和高壓壓汞等方法均能實(shí)現(xiàn)對(duì)有效孔喉半徑的完整表征，但CT三維重建和核磁共振的測(cè)試成本較高，而高壓壓汞法的測(cè)試成本較低[12-13]，故被廣泛采用。

高壓壓汞法的研究起源于20世紀(jì)40年代，最早由Purcell[14]在1949年提出了采用高壓壓汞測(cè)量毛管壓力，隨后國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量關(guān)于高壓壓汞法的研究。例如，Wardlaw等[15-16]、Pittman[17]先后開(kāi)展了毛管壓力曲線的變化特征和通過(guò)毛管壓力曲線評(píng)價(jià)孔喉尺寸相關(guān)性等方面的研究；唐仁騏等[18]、洪世鐸等[19]開(kāi)展了關(guān)于退汞效率的研究；Rashid等[20]、Salimifard等[21]、廖明光等[22]分別研究了高壓壓汞與滲透率的關(guān)系；Schmitt等[23]、Clarkson等[24]開(kāi)展了聯(lián)合高壓壓汞法和氮?dú)馕椒ū碚骺缀斫Y(jié)構(gòu)的研究；Gane等[25]、Marschall等[26]、公言杰等[27]、寧傳祥等[28]和李?lèi)?ài)芬等[29]聯(lián)合高壓壓汞和核磁共振對(duì)儲(chǔ)層定量評(píng)價(jià)進(jìn)行了研究；歐陽(yáng)思琪等[30]、嚴(yán)強(qiáng)等[31]對(duì)高壓壓汞聯(lián)合掃描電鏡表征致密砂巖儲(chǔ)層孔喉結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。在油氣儲(chǔ)層的孔喉結(jié)構(gòu)表征和物性特征研究等方面，高壓壓汞發(fā)揮了重要作用。

鄂爾多斯油氣藏資源豐富[32-41]，東南部山西組致密氣藏開(kāi)發(fā)潛力巨大[42-46]，前人已開(kāi)展了相關(guān)研究。如胡林楠[47]對(duì)東南部山西組致密砂巖的成藏規(guī)律進(jìn)行了研究；秦波等[48]通過(guò)掃描電鏡等手段對(duì)東南部山西組致密砂巖的有效儲(chǔ)層識(shí)別和定量評(píng)價(jià)進(jìn)行了分析；朱晴等[4]采用恒速壓汞評(píng)價(jià)了東南部山西組致密砂巖的喉道特征；魏虎[49]采用高壓壓汞對(duì)東南部山西組致密砂巖的孔喉分布形態(tài)和孔隙結(jié)果分類(lèi)進(jìn)行了深入研究。目前高壓壓汞法在東南部山西組致密砂巖儲(chǔ)層中的應(yīng)用很少，通過(guò)高壓壓汞分析東南部山西組致密砂巖孔隙和喉道分布特征亦報(bào)道不多，基于準(zhǔn)確表征孔喉分布的重要性和高壓壓汞評(píng)價(jià)孔喉分布的實(shí)用性，亟需開(kāi)展高壓壓汞實(shí)驗(yàn)在鄂爾多斯盆地東南部致密砂巖儲(chǔ)層中的應(yīng)用研究。

本文選取了鄂爾多斯山西組致密砂巖儲(chǔ)層巖心進(jìn)行高壓壓汞實(shí)驗(yàn)，根據(jù)毛管壓力曲線和孔喉半徑分布曲線研究孔喉發(fā)育情況，分析孔喉特征參數(shù)和物性參數(shù)的主要控制因素，基于高壓壓汞實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了完整孔喉結(jié)構(gòu)的表征，進(jìn)而提出了致密氣藏早期產(chǎn)能評(píng)價(jià)的方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

鄂爾多斯盆地東南部為典型的致密砂巖氣藏，主力開(kāi)采層位為山西組，根據(jù)山西組致密砂巖儲(chǔ)層的物性特征，選取6口典型氣井進(jìn)行取心，取心深度為2158.21～2916.13m，取心層位為山西組1段(簡(jiǎn)稱(chēng)“山1段”)和山西組2段(簡(jiǎn)稱(chēng)“山2段”)，鉆取柱塞樣巖心，進(jìn)行孔隙度和滲透率測(cè)試。本次實(shí)驗(yàn)巖心測(cè)試的基本參數(shù)如表1所示，孔隙度分布范圍為5.84%～10.64%，滲透率分布范圍為0.02～4.72mD。

表1 實(shí)驗(yàn)巖心基本參數(shù)

Table 1 Basic parameters of experiment cores

樣品編號(hào)取心深度(m)層位孔隙度(%)滲透率(mD)巖心12158.21山1段9.880.02巖心22825.71山1段7.070.05巖心32672.64山2段6.070.25巖心42916.13山1段10.640.08巖心52708.70山2段6.070.82巖心62871.33山2段5.844.72

1.2 測(cè)試方法

對(duì)巖心樣品1～6進(jìn)行高壓壓汞實(shí)驗(yàn)，獲取巖心的毛管壓力曲線和孔喉半徑分布。本次實(shí)驗(yàn)在西南石油大學(xué)油氣田開(kāi)發(fā)工程實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，主要實(shí)驗(yàn)儀器為AutoPore Ⅳ 9505全自動(dòng)壓汞儀，設(shè)備最高實(shí)驗(yàn)壓力為228MPa。實(shí)驗(yàn)流程按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《巖石毛管壓力曲線的測(cè)定》(GB/T 29171—2012)進(jìn)行，具體測(cè)試條件為：測(cè)試溫度25.4℃，測(cè)試濕度38%RH，表面張力0.48N/m，潤(rùn)濕接觸角140°。

2 結(jié)果與討論

2.1 毛管壓力曲線特征

圖1a為實(shí)驗(yàn)巖心的進(jìn)汞曲線。進(jìn)汞曲線呈現(xiàn)出明顯的三段式特征，進(jìn)汞曲線反映了孔喉的整體發(fā)育及連通情況[5,29]：初始段的進(jìn)汞飽和度反映出巖心的大尺度孔隙發(fā)育相對(duì)很少；中間段進(jìn)汞曲線說(shuō)明隨著進(jìn)汞飽和度增大，孔喉之間的連通性經(jīng)歷了變好再變差的過(guò)程；末端段的上翹特征表明不同巖心細(xì)小尺度孔喉的連通性差異顯著。

圖1 毛管壓力曲線特征及不同壓力區(qū)間的飽和度分布Fig.1 Capillary pressure curve characteristics and saturation distribution in different pressure intervals

圖1b為實(shí)驗(yàn)巖心的退汞曲線。Wardlaw等[15]和嚴(yán)強(qiáng)等[31]提出了退汞曲線代表喉道的退汞過(guò)程，根據(jù)這一認(rèn)知，殘余汞飽和度代表孔隙體積占比，退汞飽和度代表喉道體積占比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：殘余汞飽和度分布范圍介于43.39%～70.43%之間，平均值56.18%；退汞飽和度介于9.43%～42.10%之間，平均值31.22%；殘余汞飽和度和退汞飽和度差異均較大，表明不同巖心的孔隙和喉道發(fā)育情況差異較大。

借鑒十進(jìn)制孔隙分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)的思路[5,7]，采用十進(jìn)制將毛管壓力分成四個(gè)區(qū)間：100～1000MPa、10～100MPa、1～10MPa和0.1～1MPa。

圖1c為進(jìn)汞過(guò)程中不同毛管壓力區(qū)間的進(jìn)汞飽和度分布。結(jié)果表明：整體孔喉發(fā)育的毛管壓力區(qū)間依次為0.1～1MPa、1～10MPa、10～100MPa和100～1000MPa，孔喉發(fā)育數(shù)量隨著毛管壓力增大呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)。毛管壓力在0.1～1MPa區(qū)間孔喉整體最為發(fā)育，毛管壓力在100～1000MPa區(qū)間孔喉整體最不發(fā)育。由此可見(jiàn)，0.1～1MPa和1～10MPa為鄂爾多斯盆地東南部山西組致密砂巖儲(chǔ)層整體孔喉發(fā)育的主要毛管壓力區(qū)間。

圖1d為退汞過(guò)程中不同毛管壓力區(qū)間的退汞飽和度分布。結(jié)果顯示：?jiǎn)为?dú)喉道發(fā)育的毛管壓力區(qū)間依次為0.1～1MPa、1～10MPa、10～100MPa和100～1000MPa，喉道發(fā)育數(shù)量隨著毛管壓力增大呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)。毛管壓力在0.1～1MPa區(qū)間喉道整體最為發(fā)育，毛管壓力在100～1000MPa區(qū)間喉道整體最不發(fā)育。由此可見(jiàn)，0.1～1MPa和1～10MPa為鄂爾多斯盆地東南部山西組致密砂巖儲(chǔ)層單獨(dú)喉道發(fā)育的主要毛管壓力區(qū)間。

2.2 孔喉半徑分布特征

圖2a為孔喉半徑分布特征曲線。結(jié)果顯示全部巖心都呈現(xiàn)出典型的雙峰特征[33]。左峰峰值半徑分布范圍介于0.09～2.87μm之間，平均值1.12μm；左峰峰值占比分布范圍介于11.26%～33.18%之間，平均值21.40%。分析表明：不同巖心孔喉峰值分布兩極分化現(xiàn)象明顯，峰值半徑越小的巖心其峰值占比越低，峰值半徑越大的巖心其峰值占比越高，整體呈現(xiàn)出遞增的趨勢(shì)。

右峰與左峰完全分離，不同巖心的右峰跨度和右峰峰值半徑均比較接近，右峰峰值占比分布范圍介于0.96%～4.89%之間，平均值2.44%，左峰峰值比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)右峰。對(duì)比表明鄂爾多斯盆地東南部山西組致密砂巖儲(chǔ)層的小尺度孔喉發(fā)育差異很大，大尺度孔喉發(fā)育比較相似，表現(xiàn)出獨(dú)特的孔喉發(fā)育特征。

基于全部巖心均發(fā)育雙峰且兩峰幾乎完全分離，將左峰定義為小孔喉區(qū)，將右峰定義為大孔喉區(qū)，如圖2b所示。采用積分計(jì)算左峰和右峰的面積，結(jié)果顯示：小孔喉相對(duì)體積占比分布范圍介于84.51%～94.88%之間，平均值91.59%；大孔喉相對(duì)體積占比分布范圍介于5.12%～15.49%之間，平均值8.41%。表明鄂爾多斯盆地東南部山西組致密砂巖儲(chǔ)層以小孔喉為主，小孔喉所占空間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)大孔喉。

2.3 孔喉分布對(duì)參數(shù)的影響

圖3a和圖3b為平均孔喉體積比的影響因素。平均孔喉體積比為退汞飽和度與殘余汞飽和度的比值，代表了孔隙體積和喉道體積的比值。分析平均孔喉體積比的影響因素，結(jié)果顯示：平均孔喉體積比與最大進(jìn)汞飽和度和殘余汞飽和度之間的相關(guān)性較差，與分選系數(shù)和退出汞飽和度之間的相關(guān)性很好。對(duì)比表明喉道決定了巖心的孔喉配比情況。

圖3c和圖3d為退汞效率的影響因素。退汞效率為退出汞飽和度與最大進(jìn)汞飽和度的比值，在一定程度上反映了喉道體積占孔喉總體積的比例。分析退汞效率的影響因素，結(jié)果顯示：退汞效率與最大進(jìn)汞飽和度、殘余汞飽和度和分選系數(shù)之間的相關(guān)性一般，與退出汞飽和度和平均孔喉體積比之間的相關(guān)性很好。表明喉道體積決定了巖石的退汞效率，隨著孔喉發(fā)育情況越來(lái)越均勻，孔喉配比越接近1，退汞效率越高。

圖3e和圖3f為滲透率的影響因素。分析表明：滲透率與小孔喉體積占比和大孔喉體積占比之間均無(wú)明顯的相關(guān)性，與小孔喉峰值半徑和孔喉半徑均值之間的相關(guān)性很好。由于小孔喉體積遠(yuǎn)超過(guò)大孔喉，小喉道決定了孔喉半徑均值，滲透率代表了巖石的滲流能力，揭示儲(chǔ)層滲流能力主要受到小孔喉發(fā)育程度的控制。

圖3g和圖3h為孔隙度的影響因素。分析表明：孔隙度與小孔喉區(qū)峰值占比和小孔喉區(qū)體積占比之間均無(wú)明顯的相關(guān)性，與大孔喉區(qū)峰值占比和大孔喉區(qū)體積占比之間的相關(guān)性很好。與滲透率主要受到小孔喉區(qū)控制相反，孔隙度主要受到大孔喉區(qū)峰值占比和大孔區(qū)喉體積占比的影響，與小孔喉區(qū)參數(shù)之間的相關(guān)性較弱，孔隙度代表了巖石的儲(chǔ)容性，表明儲(chǔ)容性主要受到大孔喉區(qū)發(fā)育程度的控制。

圖3 孔喉分布對(duì)參數(shù)的影響Fig.3 Effect of pore-throat distribution on parameters

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的應(yīng)用

3.1 完整孔喉分布表征

本次實(shí)驗(yàn)最大進(jìn)汞壓力為200.33MPa，對(duì)應(yīng)的孔喉半徑為3.67nm，表明小于3.67nm的喉道及其所控制的孔喉空間通過(guò)本次壓汞實(shí)驗(yàn)無(wú)法測(cè)量，這亦是所有巖心最大進(jìn)汞飽和度均小于100%的根本原因。

平均孔喉體積比為相對(duì)體積占比，結(jié)合最大進(jìn)汞飽和度和孔隙度，分別計(jì)算得到小孔喉區(qū)和大孔喉區(qū)的絕對(duì)體積占比，拼接出巖心的高壓壓汞完整孔喉分布[7]，如圖4所示。結(jié)果顯示：巖心樣品5的未進(jìn)汞孔喉絕對(duì)體積占比最高，占巖心體積的2.86%；巖心樣品2的大孔喉絕對(duì)體積占比最高，占巖心體積的0.60%；巖心樣品4的小孔喉絕對(duì)體積占比最高，占巖心體積的9.89%。

計(jì)算各巖心的絕對(duì)殘余汞體積和絕對(duì)退汞體積，絕對(duì)殘余汞體積和絕對(duì)退汞體積分別代表巖心的孔隙絕對(duì)體積和喉道絕對(duì)體積，分析大小孔喉區(qū)絕對(duì)體積占比與孔喉絕對(duì)體積之間的相關(guān)性，如圖5所示。結(jié)果顯示：大孔喉區(qū)絕對(duì)體積占比與孔喉絕對(duì)體積之間無(wú)明顯相關(guān)性，小孔喉區(qū)絕對(duì)體積占比與孔隙(圖5a)和喉道(圖5b)絕對(duì)體積之間具有較好的相關(guān)性，表明小孔喉區(qū)發(fā)育程度決定了儲(chǔ)層孔隙和喉道的發(fā)育程度。

3.2 早期產(chǎn)能評(píng)價(jià)

統(tǒng)計(jì)高壓壓汞實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果、可動(dòng)流體飽和度和對(duì)應(yīng)層位的壓裂規(guī)模。表2結(jié)果顯示可動(dòng)流體飽和度隨著大孔喉區(qū)絕對(duì)體積占比增加而增大，表明大孔喉區(qū)發(fā)育程度決定了儲(chǔ)層的可動(dòng)流體飽和度。根據(jù)滲流力學(xué)原理，氣井投產(chǎn)早期產(chǎn)能主要來(lái)自壓裂裂縫和大孔喉中可動(dòng)流體的貢獻(xiàn)，在壓裂規(guī)模相當(dāng)?shù)那闆r下，早期產(chǎn)能主要由大孔喉區(qū)發(fā)育程度決定。實(shí)驗(yàn)巖心對(duì)應(yīng)氣井在相應(yīng)層位的壓裂液量相當(dāng)，推測(cè)大孔喉區(qū)絕對(duì)體積占比越高的氣井其早期產(chǎn)能越高，氣井的試氣效果證實(shí)了這一現(xiàn)象。氣井鉆完井未壓裂試氣之前，通過(guò)分析儲(chǔ)層巖心大孔喉區(qū)的發(fā)育程度，可實(shí)現(xiàn)對(duì)氣井早期產(chǎn)能的初步評(píng)價(jià)。

圖4 巖心完整孔喉分布

Fig.4 Complete pore-throat distribution of cores

表2顯示山2段儲(chǔ)層的大孔喉區(qū)絕對(duì)體積占比普遍超過(guò)山1段儲(chǔ)層，山2段儲(chǔ)層的可動(dòng)流體飽和度整體好于山1段儲(chǔ)層，在壓裂規(guī)模相當(dāng)?shù)那闆r下，揭示了鄂爾多斯盆地東南部山西組致密砂巖氣藏山2段儲(chǔ)層的整體試氣效果好于山1段儲(chǔ)層，這與目前開(kāi)發(fā)實(shí)踐相吻合。

圖5 小孔喉區(qū)絕對(duì)體積占比對(duì)孔喉絕對(duì)體積的影響Fig.5 Effect of the absolute volume ratio in the small pore-throat area on the absolute volume of pore-throat

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和評(píng)價(jià)參數(shù)

Table 2 Experimental results and evaluation parameters

樣品編號(hào)層位小孔喉區(qū)絕對(duì)體積占比(%)大孔喉區(qū)絕對(duì)體積占比(%)可動(dòng)流體飽和度(%)壓裂規(guī)模(m3)巖心1山1段89.854.8526.77365.2巖心2山1段79.748.4757.75356.5巖心3山2段88.166.1248.62367.5巖心4山1段92.955.0643.07360.6巖心5山2段44.648.1862.93399.7巖心6山2段88.108.2981.44366.1

4 結(jié)論

本文以鄂爾多斯東南部山西組致密砂巖儲(chǔ)層巖心為例，開(kāi)展了高壓壓汞實(shí)驗(yàn)在孔喉結(jié)構(gòu)表征和早期產(chǎn)能評(píng)價(jià)中的應(yīng)用研究。結(jié)果表明：不同巖心小尺度孔喉和喉道的發(fā)育特征差異較大，總體孔喉和單獨(dú)喉道發(fā)育的主要毛管壓力區(qū)間均為0.1～1MPa和1～10MPa，山西組致密砂巖儲(chǔ)層以小孔喉為主，喉道決定了巖心的孔喉配比情況和退汞效率，小孔喉區(qū)發(fā)育程度控制了儲(chǔ)層滲流能力，大孔喉區(qū)發(fā)育程度控制了儲(chǔ)層儲(chǔ)容性，孔隙和喉道的發(fā)育程度均由小孔喉區(qū)發(fā)育程度決定，在壓裂規(guī)模相當(dāng)?shù)那闆r下早期產(chǎn)能主要由大孔喉區(qū)發(fā)育程度決定。

高壓壓汞實(shí)驗(yàn)為廣泛采用的儲(chǔ)層孔喉評(píng)價(jià)方法，采用退汞曲線代表喉道退汞過(guò)程的分析思路，拓展了利用高壓壓汞實(shí)驗(yàn)研究?jī)?chǔ)層孔喉特征的評(píng)價(jià)范圍。本文根據(jù)孔喉半徑分布曲線劃分出小孔喉區(qū)和大孔喉區(qū)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了完整孔喉結(jié)構(gòu)的表征，豐富了對(duì)鄂爾多斯東南部山西組致密砂巖孔喉分布特征的認(rèn)知。結(jié)合可動(dòng)流體飽和度和壓裂規(guī)模等參數(shù)，進(jìn)一步提出了通過(guò)大孔喉區(qū)評(píng)價(jià)氣井早期產(chǎn)能的方法，為致密氣藏科學(xué)開(kāi)發(fā)提供了新的思路。