肖前華，張 堯，楊正明，郭和坤

(1.重慶科技學(xué)院，重慶 401331；2.中國科學(xué)院滲流流體力學(xué)研究所，河北 廊坊 065007；3.中國石化川慶鉆探有限公司土庫曼分公司，四川 成都 610051；4.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北 廊坊 065007)

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中國典型致密油區(qū)低溫氮氣吸附實驗

肖前華1，2，張 堯3，楊正明2，4，郭和坤2，4

(1.重慶科技學(xué)院，重慶 401331；2.中國科學(xué)院滲流流體力學(xué)研究所，河北 廊坊 065007；3.中國石化川慶鉆探有限公司土庫曼分公司，四川 成都 610051；4.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北 廊坊 065007)

選取中國四大典型致密油區(qū)(長慶、四川、大港和大慶)56塊巖樣，利用低溫氮氣吸附實驗研究了不同油區(qū)、不同巖性的致密油儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征，利用等溫吸附回線分析了不同致密油區(qū)以及不同巖性儲層孔隙形狀特征，同時提出結(jié)構(gòu)“甜點”系數(shù)，綜合評價了四大致密油區(qū)的甜點性質(zhì)。研究表明，致密碳酸鹽巖儲層50 nm以下空間占據(jù)50%以上，致密砂巖儲層50 nm以下空間占據(jù)30%～40%。各致密油區(qū)巖樣表面積-體積比與孔隙度、滲透率無明顯的相關(guān)關(guān)系。結(jié)構(gòu)“甜點”系數(shù)計算結(jié)果表明，長慶、四川、大港和大慶油區(qū)依次變差，與現(xiàn)場反饋情況基本一致。大慶油區(qū)只有通過大規(guī)模體積壓裂方可改善開采效果。

致密油儲層；氮氣吸附；孔隙結(jié)構(gòu)；表面積-體積比；結(jié)構(gòu)甜點系數(shù)

0 引 言

美國在Bakken、Eagle Ford、Barnet等區(qū)帶成功突破致密油的勘探開發(fā)，使致密油成為繼頁巖氣之后全球非常規(guī)油氣勘探開發(fā)的又一新熱點[1-2]，致密油也因此被石油工業(yè)界譽為“黑金”[3]。受北美致密油大發(fā)展的影響，10余個國家積極展開致密油研究[4-5]。致密油指以吸附或游離狀態(tài)賦存于生油巖中或與生油巖互層、緊鄰的致密砂巖、致密碳酸鹽巖等儲集巖中，未經(jīng)過大規(guī)模長距離運移的石油聚集。中國致密油分布廣泛，鄂爾多斯盆地、準噶爾盆地、四川盆地、松遼盆地、渤海灣盆地等均發(fā)育豐富的致密油[6]。已有研究發(fā)現(xiàn)致密油儲集層孔喉直徑大部分為納米級[7-8]，致密油一般為輕質(zhì)油，黏度較低，油品較好，而儲層孔隙骨架將是控制流動效果的主要因素，因此有必要深入研究致密油儲集層納米級孔隙結(jié)構(gòu)特征。

1 材料與方法

國際純化學(xué)和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(IUAPC)按孔隙直徑大小將孔隙分為3類：微孔(小于2 nm)、介孔(2～50 nm)、宏孔(大于50 nm)[9]。低溫低壓下N2的等溫吸附可有效反映巖樣微孔和介孔的孔徑分布，且通過BET方程可計算比表面積[10]，通過BJH方程可計算孔容分布[11]，通過等溫吸附與脫附曲線可預(yù)測孔隙形狀特征[12-13]。該項研究在美國Quantachrome公司的Autosorb?-6B自動等溫吸附儀上進行，溫度為77.35K，在相對壓力0.01～1.00下測定等溫吸附曲線，對于介孔分布規(guī)律具有較好的測試效果。樣品來自中國四大典型致密油區(qū)，共計56塊巖樣。

2 數(shù)據(jù)分析與討論

表1為中國四大典型致密油區(qū)56塊巖樣常規(guī)物性參數(shù)以及低溫吸附測試結(jié)果。

表1 不同致密油區(qū)巖樣物性資料及低溫吸附實驗結(jié)果

表1中孔隙度和滲透率為平均值。微-介孔百分數(shù)由微孔和介孔孔容結(jié)合巖樣密度換算得來，表示50 nm以下孔隙體積相對總孔隙體積的大小，表征了儲層50 nm以下空間的相對占有量。通過微、介孔百分數(shù)和巖樣孔隙度還可計算得到50 nm以下孔隙體積相對巖樣總體積的大小，稱為微、介孔隙度，表征儲層50 nm以下孔隙空間的絕對占有量。由表1可知，四川、長慶、大慶和大港油區(qū)50 nm以下孔隙空間的相對占有量和絕對占有量都依次增大。四大典型致密油區(qū)儲層至少有30%的孔隙空間處于50 nm以下，其中大港致密碳酸鹽巖儲層明顯區(qū)別于致密砂巖儲層，致密碳酸鹽巖儲層超過1/2的空間處于50 nm以下，而致密砂巖儲層介于30%～40%。致密油儲層孔隙度低于常規(guī)儲層，且大量孔隙空間處于50 nm以下，因此，從根本上加大了開發(fā)難度。

對不同巖性儲層介孔空間含量的巨大差異，有多種解釋。目前大多數(shù)學(xué)者從有機質(zhì)類型及含量、黏土類型及含量等入手研究微觀孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育特征[14-16]。通過對比研究長慶致密砂巖和大港致密碳酸鹽巖發(fā)現(xiàn)，長慶致密砂巖黏土含量為14%～18%，而大港致密碳酸鹽巖黏土含量在30%以上；長慶致密砂巖有機質(zhì)含量為2%～10%，而大港致密碳酸鹽巖有機質(zhì)含量約為5%?？梢?，不同巖性儲層的黏土含量差異與介孔含量的差異是同步的。因此，黏土礦物是中國致密油儲層介孔含量的主要控制因素，這也是造成中國致密碳酸鹽巖儲層50 nm以下孔隙空間含量遠大于中國致密砂巖儲層的主要原因。另外大港致密碳酸鹽巖主要有泥質(zhì)白云巖和白云質(zhì)泥巖，因此，大港致密碳酸鹽巖泥質(zhì)含量高是導(dǎo)致納米級孔隙空間含量高的另一重要原因。

表面積-體積比是通過低溫吸附實驗得到的另外一個重要物性參數(shù)，為巖樣總的表面積與巖樣外觀體積之比，可用來評價流-固作用強度。四大典型致密油區(qū)表面積-體積比變化特征見圖1。由圖1可知，不同致密油區(qū)表面積-體積比與孔隙度、滲透率的關(guān)系并不明顯，但所有致密巖樣孔隙度的大趨勢基本與表面積-體積比成正相關(guān)。致密儲層的滲流能力主要來自于裂縫以及較大的孔隙，100 nm以下孔隙空間對滲透率的貢獻相當(dāng)微弱，而表面積-體積比的增大主要源于孔喉尺度的減小[17]，因此，很難確定表面積-體積比與巖樣滲透率的關(guān)系。

圖1 表面積-體積比變化特征

經(jīng)計算，大港、大慶油區(qū)平均表面積-體積比較長慶油區(qū)大，說明大港、大慶油區(qū)流-固耦合作用較強，但滲流能力反而較長慶油區(qū)大。但從現(xiàn)場反饋來看，長慶致密油開發(fā)效果明顯比其他幾大致密油區(qū)要好。由以上分析可知，單憑表面積-體積比或者滲透率很難評定儲層孔隙結(jié)構(gòu)的好壞。因此，需要探尋新的參數(shù)或者方法來評價致密油儲層。根據(jù)Kozeny-Carman方程[18]，儲層巖樣滲透率為：

(1)

式中：ν為形狀系數(shù)；τ為迂曲度；φ為孔隙度；S/V為表面積-體積比，m-1。

形狀系數(shù)、迂曲程度以及孔隙度為微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)，是巖樣的直接物性表征參數(shù)，而滲透率以及表面積-體積比為宏觀統(tǒng)計參數(shù)，是巖樣的間接物性表征參數(shù)(或輔助物性表征參數(shù))。將直接參數(shù)與間接參數(shù)分開，在式(1)基礎(chǔ)上定義結(jié)構(gòu)“甜點”系數(shù)為：

(2)

結(jié)構(gòu)“甜點”系數(shù)為無量綱參數(shù)，其物理意義在于從儲層巖樣形狀特征、迂曲度、孔隙度等方面綜合評價儲層巖石結(jié)構(gòu)特征，從而優(yōu)選“甜點”區(qū)塊。降低了滲透率與表面積-體積比之間的不一致性，統(tǒng)一了宏觀統(tǒng)計參數(shù)和微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)。由表1可知，不同致密油儲層滲透率相差只有幾倍。而表面積-體積比的二次方項一般相差幾倍至幾十倍，因此結(jié)構(gòu)“甜點”系數(shù)中表面積-體積比為主控因素項，即結(jié)構(gòu)“甜點”系數(shù)越小，儲層相對較好。根據(jù)平均滲透率和表面積-體積比，長慶、四川、大港、大慶油區(qū)結(jié)構(gòu)“甜點”系數(shù)依次為0.626×10-3、1.214×10-3、7.710×10-3、13.578×10-3?？梢?，長慶、四川、大港和大慶油區(qū)的儲層依次變差，由近年致密油開采效果來看，長慶、四川、大港和大慶油區(qū)也是依次變差。因此，根據(jù)低溫吸附數(shù)據(jù)計算得到的結(jié)構(gòu)“甜點”系數(shù)能有效評價儲層的好壞。

如引言中所述，對于致密油儲層，孔隙骨架是決定油藏開采效果的決定性因素。因此，結(jié)構(gòu)“甜點”系數(shù)通過獲取致密油巖樣低溫氮氣吸附實驗數(shù)據(jù)，簡單、高效的對不同儲層進行對比評價，進而優(yōu)選“甜點”區(qū)塊，這將有利于指導(dǎo)當(dāng)前致密油開采。

根據(jù)IUPAC分類可簡單預(yù)測儲層孔隙形狀(圖2)。四大致密油區(qū)吸附、脫附曲線大致可以分為4種類型(圖3)。

長慶致密油區(qū)，吸附回線主要為a類。吸附曲線緩慢上升，相對壓力接近1.0時才陡然上升；脫附曲線在中間相對壓力時迅速下降。該類吸附回線類似于H3型，對應(yīng)平行板構(gòu)成的狹縫毛細孔，該類毛細孔更有利于連通整個孔隙空間，可改善流動效果，進而改善開采效果，這從根本上解釋了長慶致密油開采的突出表現(xiàn)。

四川致密油區(qū)，吸附回線主要為b類。與a類區(qū)別主要在于脫附曲線在中間相對壓力時急劇下降，下降速度明顯快于a類。該類吸附回線類似于H1型，同時也類似于H3型，因此除了含有兩端開口的圓筒和類似圓筒狀孔隙外，也含有平行板構(gòu)成的狹縫毛細孔。

圖2 吸附回線類型及孔隙類型示意圖

圖3 典型致密油區(qū)吸附、脫附曲線

大港致密油區(qū)，吸附回線主要為c類和d類。c類吸附曲線在相對壓力接近1.0時，不會像a類和b類那樣迅速上升，類似于H2型；d類明顯類似于H4型。因此，大港對應(yīng)的孔隙主要為瓶形孔、口小腔大的毛細管以及槽狀孔。

大慶致密油區(qū)，吸附回線主要為d類。主要為槽狀孔。由圖3可知，槽狀孔孔隙較大(可達微米級)，連通性并不好，即大慶致密巖樣孔隙度大，但流動能力弱。因此，現(xiàn)場開發(fā)需要進行體積壓裂，形成大規(guī)模人工縫網(wǎng)系統(tǒng)才能從根本上改善開采效果。

事實上，各個致密油區(qū)的吸附、脫附曲線含有多種類型，但主要類型只有1～2種。因此，各致密油區(qū)的孔隙形狀絕不是單一的，而是各種形狀的復(fù)雜組合。

3 結(jié) 論

(1) 利用低溫氮氣吸附法對比研究了中國四大典型致密油區(qū)微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征。致密碳酸鹽巖儲層50 nm以下的孔隙空間占據(jù)50%以上，致密砂巖的孔隙空間為30%～40%。長慶油區(qū)表面積-體積比最小，大慶油區(qū)表面積-體積比最大?？紫抖?、滲透率與表面積-體積比之間無明顯的相關(guān)關(guān)系。

(2) 提出了結(jié)構(gòu)“甜點”系數(shù)，通過計算發(fā)現(xiàn)，長慶、四川、大港和大慶致密油儲層逐漸變差，與現(xiàn)場反饋一致。中國致密砂巖稍好于致密碳酸鹽巖，但大慶油區(qū)致密砂巖須通過大規(guī)模體積壓裂方可從根本上改善開采效果。

(3) 孔隙骨架是控制致密油開采的關(guān)鍵因素。致密油儲層孔隙形狀復(fù)雜，不同儲層吸附脫附曲線不同。通過研究吸附脫附曲線可深入分析與理解不同致密油儲層開采難易的深層因素，進而指導(dǎo)當(dāng)前致密油的有效開發(fā)。

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編輯 王 昱

20150309；改回日期：20150530

國家油氣重大專項“特低滲透油藏有效開發(fā)技術(shù)”(2011ZX05013-006)；中國石油天然氣集團公司重大科技專項“特低超低滲透油藏物理模擬方法與開發(fā)機理研究”(2011B-1203)

肖前華(1987-)，男，2010年畢業(yè)于西南石油大學(xué)建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)，2015年畢業(yè)于中國科學(xué)院大學(xué)流體力學(xué)專業(yè)，獲博士學(xué)位，主要從事致密油開發(fā)、微納孔隙滲流研究。

10.3969/j.issn.1006-6535.2015.04.021

TE311

A

1006-6535(2015)04-0082-04