孫軍昌郭和坤劉 衛(wèi)李治碩姜 鵬

（1.中國(guó)科學(xué)院滲流流體力學(xué)研究所，河北 廊坊 065007；2.中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京 100049）

低滲致密火山巖氣藏微觀孔喉特征

孫軍昌1，2郭和坤1劉 衛(wèi)1李治碩1，2姜 鵬1，2

（1.中國(guó)科學(xué)院滲流流體力學(xué)研究所，河北 廊坊 065007；2.中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京 100049）

儲(chǔ)層巖石的微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征直接影響其儲(chǔ)集和滲流能力，并最終決定油氣藏產(chǎn)能的大小。使用恒速壓汞測(cè)試技術(shù)，對(duì)低滲致密火山巖氣藏微觀孔喉發(fā)育特征研究表明，低滲火山巖氣藏喉道半徑非常細(xì)微但孔道半徑較大，不同滲透率大小的儲(chǔ)層喉道發(fā)育特征差異明顯，主流喉道半徑與儲(chǔ)層滲透率具有較好的函數(shù)關(guān)系，喉道控制儲(chǔ)層滲流能力。與滲透率接近的砂巖儲(chǔ)層相比，低滲火山巖儲(chǔ)層孔道半徑較大但分布范圍相對(duì)較小、孔喉比超大且呈多峰態(tài)分布，孔喉匹配關(guān)系復(fù)雜，開(kāi)發(fā)過(guò)程中極易產(chǎn)生水鎖傷害。同時(shí)數(shù)學(xué)擬合結(jié)果表明，火山巖氣藏孔喉半徑比加權(quán)均值隨滲透率的增大而減小，但其相關(guān)性小于低滲砂巖孔喉比均值與滲透率之間的相關(guān)性；儲(chǔ)層有效孔道、喉道體積與孔隙度和滲透率具有較好的相關(guān)性，但其與前者的相關(guān)性好于后者，這與低滲砂巖儲(chǔ)層規(guī)律相反。

低滲透；微觀結(jié)構(gòu)；孔喉特征；恒速壓汞；火山巖氣藏；孔喉比

火山巖氣藏作為一種特殊類(lèi)型的油氣藏儲(chǔ)層類(lèi)型越來(lái)越受到人們的關(guān)注，目前在我國(guó)松遼、準(zhǔn)噶爾和渤海灣盆地等均有所發(fā)現(xiàn)，資源量已超過(guò)3×1012m3［1-2］。但是由于火山巖儲(chǔ)層巖相巖性豐富多樣，以及噴發(fā)成巖的緣故使得儲(chǔ)層微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征與常規(guī)碎屑巖儲(chǔ)層差別較大。這些因素使得火山巖氣藏開(kāi)發(fā)難度加大，尤其是對(duì)于我國(guó)松遼盆地特大火山巖氣藏，更是缺少開(kāi)發(fā)實(shí)踐［1-2］。大量的生產(chǎn)實(shí)踐表明，儲(chǔ)層的微觀孔隙結(jié)構(gòu)直接影響其儲(chǔ)集和滲流能力，并最終決定油氣藏產(chǎn)能的大?。?］。筆者使用恒速壓汞測(cè)試技術(shù)，對(duì)取自大慶油田的低滲致密火山巖氣藏巖樣微觀孔喉發(fā)育特征進(jìn)行了分析研究，比較了不同儲(chǔ)集和滲流能力的火山巖儲(chǔ)層孔、喉半徑及有效孔、喉體積發(fā)育特征，研究結(jié)果對(duì)深入認(rèn)識(shí)火山巖儲(chǔ)層孔、喉發(fā)育的特殊性及制定合理的氣藏開(kāi)發(fā)方案具有一定的指導(dǎo)作用。

1 恒速壓汞測(cè)試技術(shù)簡(jiǎn)介

恒速壓汞實(shí)驗(yàn)中儀器以極低的恒定速度向巖樣內(nèi)進(jìn)汞，很小的進(jìn)汞速度能夠基本保證準(zhǔn)靜態(tài)進(jìn)汞過(guò)程的發(fā)生。在此過(guò)程中，界面張力和接觸角均保持不變。因此，巖樣內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的微小變化均會(huì)導(dǎo)致進(jìn)汞前緣彎月面形狀的改變，從而引起毛管壓力的變化。一般來(lái)說(shuō)，儲(chǔ)層孔道與喉道半徑之間存在數(shù)量級(jí)的差別［2］。因此，通過(guò)檢測(cè)毛管壓力的波動(dòng)就可以將孔道與喉道區(qū)分開(kāi)來(lái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)二者發(fā)育個(gè)數(shù)的精確測(cè)量和記錄［4］。

實(shí)驗(yàn)均在美國(guó)Coretest公司制造的ASPE730恒速壓汞儀上進(jìn)行，最高進(jìn)汞壓力約為6.21 MPa，進(jìn)汞速度為5×10-5mL·min-1，測(cè)試巖樣體積約為3.5 cm3。

2 微觀孔喉特征

恒速壓汞實(shí)驗(yàn)共對(duì)36塊巖樣進(jìn)行了測(cè)試，包括流紋巖、凝灰角礫巖、熔結(jié)角礫巖和凝灰?guī)r4種巖性。36塊巖樣孔隙度分布在1.30%～21.83%，均值為9.43%。滲透率分布在 8.260×10-3～0.001×10-3μm2，均值為0.791×10-3μm2，屬于典型的低滲、特低滲儲(chǔ)層［3］。同時(shí)對(duì)36塊小巖樣對(duì)應(yīng)的全直徑巖心CT圖像觀察發(fā)現(xiàn)巖樣中主要為較小的氣孔、粒間孔和極少量微裂縫。根據(jù)滲透率大小將36塊巖樣分為3組：Ⅰ組7塊（Kg≥1×10-3μm2）、Ⅱ組8塊（0.1×10-3μm2≤Kg＜1×10-3μm2）和Ⅲ組21塊（Kg＜0.1×10-3μm2）。表1為有代表性的4塊巖樣常規(guī)物性參數(shù)（編號(hào)V1—V4），其中編號(hào)為S1，S2和S3的3塊是作為對(duì)比研究的低滲砂巖巖樣。

表1 低滲火山巖和砂巖巖樣常規(guī)物性參數(shù)及恒速壓汞測(cè)試結(jié)果

2.1 孔喉發(fā)育特征

從圖1可以看出，不同滲透率的低滲火山巖巖樣孔道半徑分布差別不明顯，4塊巖樣孔道半徑分布均接近正態(tài)分布，僅滲透率最小的V4號(hào)巖心孔道半徑略有減小。數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)表明，Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ組巖樣孔道半徑均值分別為146.70，138.81和130.48 μm，差別不明顯。同時(shí)從圖1a可以看出，與滲透率接近的砂巖巖樣相比，火山巖孔道半徑分布范圍較窄且半徑較大（150 μm左右），而低滲砂巖孔道半徑分布范圍較寬、峰值孔道半徑較?。?20 μm左右）［5-6］。

觀察圖1b可知，不同滲透率的低滲火山巖巖樣喉道半徑差異比較明顯。滲透率越大，巖樣中發(fā)育的大喉道明顯增多；巖樣滲透率越小，喉道半徑越小且集中分布在0.3 μm左右。滲透率較大的V1和V2號(hào)巖樣中分別有36%和6%的喉道半徑大于1 μm，但滲透率較小的V3和V4號(hào)巖樣中小于0.3 μm的喉道分別占其總喉道個(gè)數(shù)的72%和81%。統(tǒng)計(jì)表明Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ組火山巖巖樣喉道半徑均值分別為0.98，0.61和0.35 μm，不同滲透率級(jí)別火山巖巖樣喉道半徑差異遠(yuǎn)較孔道半徑差異明顯。低滲火山巖氣藏喉道半徑非常細(xì)微，尤其是當(dāng)滲透率小于1×10-3μm2時(shí)巖樣中80%以上的喉道半徑小于0.5 μm，對(duì)應(yīng)的毛管壓力曲線與低滲砂巖差異明顯［6］（見(jiàn)圖2）。

圖3為低滲火山巖和砂巖主流喉道半徑與滲透率的關(guān)系，其中主流喉道半徑的計(jì)算是根據(jù)Winland和Pittman等人提出的將進(jìn)汞飽和度為35%時(shí)對(duì)應(yīng)的喉道半徑定義為主流喉道半徑的方法所計(jì)算結(jié)果［7］。從圖3可以看出，當(dāng)滲透率基本相同時(shí)，低滲火山巖氣藏喉道半徑小于低滲砂巖喉道半徑，并且這種差距隨滲透率的增大而增大。

2.2 孔喉半徑比特征

孔喉半徑比是孔道與喉道半徑大小的比值，其大小和分布規(guī)律在一定程度上反映了孔道與喉道相互匹配關(guān)系的復(fù)雜程度［2］?？缀肀容^小時(shí)，喉道和孔道半徑大小相差不大，孔隙中的油氣容易通過(guò)喉道滲流出來(lái)。而當(dāng)孔喉比較大時(shí)，大孔隙被小喉道包圍，尤其是對(duì)于噴發(fā)成巖的火山巖氣藏儲(chǔ)層，氣孔、溶洞等較大的儲(chǔ)集孔隙空間往往被微細(xì)的喉道所包圍，此時(shí)大孔隙中的流體很難通過(guò)小喉道滲流出來(lái)，開(kāi)發(fā)過(guò)程中極易發(fā)生水鎖現(xiàn)象［6］。

從圖4可以看出，低滲火山巖氣藏孔喉比呈多峰態(tài)分布，大小孔喉比均比較發(fā)育。圖4a中4塊火山巖巖樣大于200的孔喉比個(gè)數(shù)分別占孔喉比總個(gè)數(shù)的49%，90%，91%和87%。Ⅰ、Ⅱ組和Ⅲ組火山巖孔喉比加權(quán)均值分別為462.93，541.35和678.81。而與其滲透率接近的低滲砂巖孔喉比分布范圍較窄，孔喉比分布圖上僅有一個(gè)明顯突起的峰值。隨著巖樣滲透率的減小，圖4b中低滲火山巖與砂巖孔喉比分布范圍均有所增寬，較大孔喉比增多而較小孔喉比明顯減少，但砂巖孔喉比與滲透率的變化趨勢(shì)具有較明顯的一致性，而低滲火山巖孔喉比與滲透率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系不明顯。

對(duì)36塊低滲火山巖與9塊低滲砂巖巖樣滲透率與孔喉比加權(quán)平均值的數(shù)學(xué)擬合表明：前者相關(guān)性?xún)H為0.475，遠(yuǎn)小于后者的0.869。引起這種差異的主要原因在于火山巖氣藏儲(chǔ)層孔隙空間的復(fù)雜性，通過(guò)巖心、巖屑觀察及顯微結(jié)構(gòu)分析，由于噴發(fā)成巖的緣故該類(lèi)儲(chǔ)層中一般發(fā)育有原生超大氣孔、石泡空腔孔、杏仁體內(nèi)孔、晶粒間孔、晶內(nèi)溶孔和微裂縫等各種不同類(lèi)型的原生及次生孔隙，且不同類(lèi)型孔隙大小相差較大，從而導(dǎo)致微小的喉道與不同類(lèi)型的孔道匹配關(guān)系非常復(fù)雜，孔喉比較大［8］。

2.3 有效孔喉體積

將在儀器施加的最高進(jìn)汞壓力下汞所進(jìn)入的孔隙空間定義為巖樣的有效孔隙空間，同時(shí)根據(jù)毛管壓力波動(dòng)將有效孔隙體積分為有效孔道和有效喉道體積，相應(yīng)的定義了孔道與喉道進(jìn)汞飽和度，總的進(jìn)汞飽和度即為孔道與喉道進(jìn)汞飽和度之和［4］。有效孔道、喉道體積是孔隙、喉道半徑及其發(fā)育個(gè)數(shù)的函數(shù)，分別反映了儲(chǔ)層儲(chǔ)集和滲流空間的大?。?］。

圖5為表1中V1和S1號(hào)巖樣孔道、喉道進(jìn)汞飽和度與總進(jìn)汞飽和度的關(guān)系。從圖5可以看出，火山巖與砂巖孔道進(jìn)汞飽和度均大于喉道進(jìn)汞飽和度，但相對(duì)來(lái)說(shuō)火山巖孔道與喉道進(jìn)汞飽和度差距較小，表明在儀器可檢測(cè)范圍內(nèi)孔道與喉道體積差距較小，對(duì)其余3塊巖樣孔道與喉道進(jìn)汞飽和度曲線分析也具有相同的變化規(guī)律。當(dāng)進(jìn)汞壓力大于某一值后，孔道進(jìn)汞飽和度曲線將逐漸趨于水平狀態(tài)，此時(shí)由于汞無(wú)法突破更小的喉道而進(jìn)入孔道中，因此孔道進(jìn)汞飽和度將不再增加，但喉道進(jìn)汞飽和度曲線接近于以斜率為1的直線增長(zhǎng)，此時(shí)喉道進(jìn)汞量貢獻(xiàn)了總的進(jìn)汞飽和度［4］。

由圖6可知，孔隙度與有效孔道、孔道體積的相關(guān)性最好，而滲透率與有孔道、喉道體積相關(guān)性較差，這與低滲砂巖相反［6］。對(duì)于低滲火山巖儲(chǔ)層而言，儲(chǔ)層物性尤其是有效儲(chǔ)集物性越好，則單位體積巖樣有效孔道、喉道體積越大。

3 結(jié)論

1）不同滲透率的低滲火山巖氣藏喉道半徑分布差異比較明顯，孔道半徑差別不大，喉道控制儲(chǔ)層的滲流能力。

2）與滲透率接近的砂巖儲(chǔ)層相比，低滲致密火山巖氣藏儲(chǔ)層喉道半徑非常細(xì)微，絕大多數(shù)喉道半徑小于1 μm，但其孔道半徑較大、孔喉比超大且呈多峰態(tài)分布，孔、喉半徑大小差別很大。

3）低滲火山巖氣藏儲(chǔ)層孔喉發(fā)育特征及孔喉體積隨滲透率的變化所導(dǎo)致的差異較大，單位體積巖樣有效孔道、喉道體積與孔隙度和滲透率具有較好的函數(shù)關(guān)系，但其與孔隙度的相關(guān)性最好，與滲透率的相關(guān)性次之，這與低滲砂巖儲(chǔ)層具有相反的變化規(guī)律。

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Characteristics of micro pore-throat in low permeability volcanic gas reservoir

Sun Junchang1，2Guo Hekun1Liu Wei1Li Zhishuo1，2Jiang Peng1，2
(1.Institute of Porous Flow and Flow Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Langfang 065007,China;2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)

The storage and flow capacity as well as the ultimate recovery of reservoir are directly affected by its micro-pore structure which determines the productivity of reservoir.The characteristics of the micro pore-throat in low permeability volcanic gas reservoir were analyzed using the constant-rate mercury injection technology.The result shows that the radius of the pore throat is very small and the pore path is large.There are obvious differences among the radius of pore throat in different permeability reservoir.There is a very good functional correlation between the mainstream pore throat and the permeability.The pore path controls on the flow capacity of reservoir.The volcanic gas reservoir is characterized by larger pore body and the pore-throat ratio than that of sandstone reservoir.There are several peaks in the distribution figures of the pore-to-throat ratio of volcanic reservoir,but one of sandstone reservoir,which is easy to cause the water locking damage.Mathematics matching shows that the average value of pore-to-throat decreases when the permeability of volcanic increases,but the relationship between the parameters of micro-structure and physical property of volcanic reservoir is more complicated than that of sandstone reservoir.It has also found that the effective pore throat and pore path volume are correlative with the porosity and permeability of volcanic reservoir.But the former is better than the later, which is opposite to the sandstone reservoir

low permeability,micro-pore structure,pore-throat characteristics,constant-rate mercury injection technology,volcanic gas reservoir,pore-to-throat ratio.

TE135＋.3

A

2009-12-01；改回日期：2010-07-30。

孫軍昌，男，1983年生，在讀碩士研究生，主要從事油氣藏滲流力學(xué)研究。E-mail：jjsun1983@yahoo.com.cn。

（編輯 趙旭亞）

1005-8907（2010）05-548-05

孫軍昌，郭和坤，劉衛(wèi)，等.低滲致密火山巖氣藏微觀孔喉特征［J］.斷塊油氣田，2010，17（5）：548-552.

Sun Junchang，Guo Hekun，Liu Wei，et al.Characteristics of micro pore-throat in low permeability volcanic gas reservoir［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2010，17（5）：548-552.