柴曉龍， 田冷， 王恒力， 成毅， 王嘉新， 閆方平

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 102249； 2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院， 北京 102249； 3.中國(guó)石油國(guó)際勘探開(kāi)發(fā)有限公司， 北京 100032； 4.河北石油職業(yè)技術(shù)大學(xué)石油工程系， 承德 067000)

儲(chǔ)層巖石表面發(fā)生液體流散的現(xiàn)象為巖石的潤(rùn)濕性。潤(rùn)濕性是在一定的溫度和壓力條件下，油-水-巖石之間的相互作用，該性質(zhì)對(duì)微觀孔喉內(nèi)原油的分布狀態(tài)具有重要的作用，也是提高開(kāi)發(fā)效果和評(píng)價(jià)油田采收率的重要指標(biāo)之一。巖石潤(rùn)濕性會(huì)對(duì)地層油和地層水的流動(dòng)特征、分布模式和類型產(chǎn)生重要影響，也是選擇何種開(kāi)放方式的重要考量指標(biāo)之一。因此確定巖石潤(rùn)濕性，對(duì)于油藏合理開(kāi)發(fā)具有重要意義[1-3]。中外學(xué)者對(duì)明確儲(chǔ)層巖石潤(rùn)濕性進(jìn)行了不同測(cè)定方法的研究。目前油藏潤(rùn)濕性實(shí)驗(yàn)測(cè)定的傳統(tǒng)方法有定量測(cè)定法、定性測(cè)定法和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定法[4]。孫軍昌等[5]在大量文獻(xiàn)調(diào)研的基礎(chǔ)上，采用核磁共振的方法表征了巖石的潤(rùn)濕性，對(duì)核磁共振明確巖石潤(rùn)濕性方法機(jī)理、適用性進(jìn)行了描述；戎克生等[6]使用光滑的石英玻片和經(jīng)拋光的方解石晶片替代典型砂巖和碳酸鹽巖的巖石表面，對(duì)接觸角測(cè)定巖石潤(rùn)濕性的方法進(jìn)行了改進(jìn)，得到了改進(jìn)后的潤(rùn)濕角確定巖石潤(rùn)濕性的方法；Alvarez等[7]研究表明，采用接觸角法、核磁共振法和Zeta電位測(cè)量法能夠準(zhǔn)確評(píng)價(jià)非常規(guī)油藏巖石潤(rùn)濕性，同時(shí)也是最合適的評(píng)價(jià)方法；楊正明等[8]采用物理模擬實(shí)驗(yàn)和核磁共振技術(shù)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)方法，確定巖石的潤(rùn)濕性，并在此基礎(chǔ)上，對(duì)巖石潤(rùn)濕指數(shù)進(jìn)行了分類；張亞云等[9]采用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，建立了巖石潤(rùn)濕性廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)巖石潤(rùn)濕性的定量表征，并明確了潤(rùn)濕性主控因素為有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、黏土礦物和石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)；閆頂點(diǎn)等[10]采用測(cè)井技術(shù)，通過(guò)自然伽馬、密度或中子、和電阻率組合等測(cè)井資料，計(jì)算飽和度指數(shù)n值，以此來(lái)確定巖石潤(rùn)濕性。并與核磁共振測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性；梁燦等[11]采用核磁共振的方法，進(jìn)一步分析了T1-T2弛豫圖譜，根據(jù)弛豫值表征出了巖石的潤(rùn)濕性，該方法并與實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性；郭建春等[12]針對(duì)巖石潤(rùn)濕性影響因素較多，難以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)的難題，采用多種實(shí)驗(yàn)手段，并建立了混合潤(rùn)濕性模型，同時(shí)結(jié)合層次分析法和灰色關(guān)聯(lián)法，實(shí)現(xiàn)潤(rùn)濕性的定性分析和定量表征，并明確了巖石潤(rùn)濕性主控因素；曾雋等[13]采用光學(xué)接觸角測(cè)試方法，明確了巖石潤(rùn)濕性，并通過(guò)建立樣式方程，通過(guò)界面張力實(shí)現(xiàn)了定量表征巖石潤(rùn)濕性特點(diǎn)，與接觸角法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了評(píng)價(jià)巖石潤(rùn)濕性；Feng等[14]推導(dǎo)了毛管壓力、孔隙度和中值壓力的J函數(shù)估計(jì)電阻率指數(shù)的模型，并將J函數(shù)與SDR(schlumberger-doll-research)模型相結(jié)合，建立了一種基于電阻率指數(shù)預(yù)測(cè)的潤(rùn)濕性測(cè)定新方法。

綜上所述，目前物理模擬實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的方法時(shí)目前測(cè)定巖石潤(rùn)濕角的常用方法之一。然而，致密砂巖儲(chǔ)層毛管效應(yīng)明顯，現(xiàn)有潤(rùn)濕性測(cè)定方法未能充分利用毛管壓力。因此，提出一種利用毛管壓力確定儲(chǔ)層巖石潤(rùn)濕性的方法，為確定致密砂巖油藏巖石潤(rùn)濕性提供更好選擇，為合理設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)方案和提高致密砂巖油藏采收率提供一定的支撐作用。

1 儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)

在非常低的恒速進(jìn)汞過(guò)程中，汞與巖石的界面張力和汞-巖石表面接觸角保持恒定，汞進(jìn)入每一個(gè)孔隙，汞液體表面形狀會(huì)發(fā)生改變，造成毛管壓力隨之降低或增大。通過(guò)測(cè)定該過(guò)程中壓力和體積之間的關(guān)系及兩者的變化規(guī)律，可以獲得孔隙結(jié)構(gòu)的信息[15]。巖石喉道的大小和形狀會(huì)對(duì)汞流體進(jìn)入孔隙的過(guò)程產(chǎn)生影響，當(dāng)注入的汞由喉道進(jìn)入巖心孔隙中時(shí)，汞在巖心內(nèi)的分布會(huì)在瞬間發(fā)生改變，這將產(chǎn)生壓力降落的現(xiàn)象。隨后，壓力會(huì)上升，直到汞將孔隙充填完成，之后汞開(kāi)始進(jìn)入下一個(gè)孔隙，可以得到此半徑下孔隙所占的體積[15]。如圖1所示為進(jìn)汞過(guò)程及壓力與進(jìn)汞體積的變化規(guī)律曲線。

為明確巖心孔隙結(jié)構(gòu)，開(kāi)展巖心壓汞實(shí)驗(yàn)，本次實(shí)驗(yàn)采用恒速壓汞儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其型號(hào)為ASPE730，由美國(guó)Coretest公司制造。該儀器實(shí)驗(yàn)參數(shù)指標(biāo)進(jìn)汞壓力范圍為0～6.3 MPa。進(jìn)汞速度為5×10-5mL/min。實(shí)驗(yàn)選取鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組致密儲(chǔ)層巖樣進(jìn)行恒速壓汞實(shí)驗(yàn)。

1.1 孔喉特征

選取3塊巖樣進(jìn)行恒速壓汞實(shí)驗(yàn)，其編號(hào)分別為1#、2#和3#，其滲透率分別為1.22、0.828、0.129 mD。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，分別得到3塊巖心的孔隙半徑(圖2)、喉道半徑(圖3)、孔喉半徑比(圖4)分布特征。

圖2 孔隙半徑頻率分布圖Fig.2 The percentage distribution of radius of pore

圖3 喉道半徑頻率分布圖Fig.3 The percentage distribution of radius of throat

圖4 孔喉半徑比頻率分布圖Fig.4 The percentage distribution of radius rate of pore and throat

孔隙半徑分布結(jié)果圖表明：三塊巖心孔隙半徑分布圖形態(tài)較為相近，孔隙半徑分布范圍也基本一致。孔隙半徑主要分布在80～200 μm，而滲透率相差較大，滲透率與孔隙半徑分布的關(guān)系不大。

由巖心喉道半徑分布圖可以看出：喉道半徑主要分布在0.1～2 μm，三塊巖心的喉道半徑分布分別為0.1～2.2、0.1～1.6、0.1～0.4 μm。巖心滲透率越大，對(duì)應(yīng)的大喉道所占的比例越高，喉道半徑大小會(huì)對(duì)巖心滲透率產(chǎn)生影響。但滲透率較大時(shí)，其相應(yīng)的大喉道也越多；當(dāng)巖心滲透率降低時(shí)，導(dǎo)致喉道半徑分布范圍隨之變窄，最大喉道半徑降低。因此，致密巖心滲透率主要受喉道半徑控制。

孔喉半徑比分布圖表明：三塊巖心孔喉半徑比主要分布分別30～300、30～300、300～900。孔喉半徑比大小表征了流體在巖心中流動(dòng)能力的高低。當(dāng)巖心滲透率降低時(shí)，孔喉半徑比分布范圍變大，最大孔喉半徑比增大并且向大值方向偏移。

1.2 滲透率與喉道半徑關(guān)系

根據(jù)修正毛管束模型(經(jīng)典Kozeny-Carman方程)[16]，滲透率與毛管半徑計(jì)算公式為

(1)

式(1)中：K為滲透率，10-3μm2；φ為孔隙度；r為毛管半徑，μm；τ為迂曲度。

基于滲透率與毛管半徑計(jì)算公式，構(gòu)建各個(gè)巖心的滲透率與平均喉道半徑、平均孔隙半徑、平均喉道半徑平方、平均孔隙半徑平方比值關(guān)系(圖5)。

圖5 不同巖心滲透率與各個(gè)參數(shù)比值散點(diǎn)圖Fig.5 The scatter of the rate of the permeability and radius square

滲透率與平均喉道半徑和平均喉道半徑平方的比值接近1，而滲透率與平均孔隙半徑和平均孔隙半徑平方的比值相差較大，表明巖心滲透率與平均喉道半徑關(guān)系密切?；谠撜J(rèn)識(shí)，建立了滲透率與平均喉道半徑平方的關(guān)系(圖6)。

圖6 滲透率與平均喉道半徑平方關(guān)系圖Fig.6 The curve of the relationship and the square of the average radius of the throat

當(dāng)巖心滲透率不同時(shí)，巖心平均喉道半徑也存在較大差異。平均喉道半徑越大，滲透率越大，滲透率與平均喉道半徑成正比。巖心滲透率與平均喉道半徑平方的相關(guān)系數(shù)平方為0.942 1，兩者具有較好的相關(guān)性。平均喉道半徑平方值可以表征流體通過(guò)巖心的難易程度，平均喉道半徑平方越大，滲流阻力越小。

2 動(dòng)態(tài)毛管壓力

為解決靜態(tài)毛管壓力無(wú)法準(zhǔn)確描述低滲儲(chǔ)層油水滲流規(guī)律的問(wèn)題，開(kāi)展動(dòng)態(tài)驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，測(cè)定并分析動(dòng)態(tài)毛管壓力變化規(guī)律。

2.1 毛管壓力測(cè)試

毛管壓力大小受到毛細(xì)管半徑和的界面張力的影響，常采用拉普拉斯方程[17]計(jì)算毛管壓力大小，毛管壓力計(jì)算公式為

(2)

式(2)中：Pc為毛管壓力，MPa；σ為非混相液體的界面張力，10-3N/m；θ為潤(rùn)濕角，(°)。

本次采用全自動(dòng)巖心驅(qū)替系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，其型號(hào)為美國(guó)AFS300TM，實(shí)驗(yàn)巖心為鄂爾多斯盆地致密巖心，以恒壓差進(jìn)行驅(qū)替。根據(jù)毛管壓力的含義，其大小為潤(rùn)濕相和非潤(rùn)濕相兩者之間的壓差(圖7)。采用恒壓差驅(qū)替模式，在飽和鹽水的巖心兩端建立壓差，其計(jì)算公式為

ΔPt=ΔPnw+Pc+ΔPw

(3)

式(3)中：ΔPt為入口端與出口端壓差，MPa；ΔPw為巖心中潤(rùn)濕相流體的壓力降，MPa；ΔPnw為非巖心中潤(rùn)濕相流體的壓力降，MPa。

圖7 動(dòng)態(tài)毛管壓力測(cè)試原理圖Fig.7 The schematical diagram of dynamic capillary pressure measurement

動(dòng)態(tài)毛管壓力計(jì)算假設(shè)條件如下。

(1)忽略非潤(rùn)濕相流體在巖心上游端面處時(shí)的壓力損失(由于非潤(rùn)濕相流體滲流速度低，經(jīng)計(jì)算非潤(rùn)濕相流體消耗壓差僅為總壓差0.5%～1%)。

(2)兩相流體接觸前緣沒(méi)有指進(jìn)現(xiàn)象，驅(qū)替為活塞式驅(qū)替。

(3)流體在巖心中的流動(dòng)特征為達(dá)西滲流。

當(dāng)非潤(rùn)濕相流體驅(qū)替潤(rùn)濕相流體時(shí)，受到毛管壓力的作用，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與驅(qū)替方向相反的反向作用力，降低了驅(qū)替壓差，導(dǎo)致出口端計(jì)量的流體體積降低。非潤(rùn)濕相驅(qū)替潤(rùn)濕相時(shí)，驅(qū)替壓差計(jì)算公式為

(4)

因此，毛管壓力計(jì)算公式為

Pc=ΔPt-ΔPw

(5)

式中：μ為黏度，mP·s；L為巖心長(zhǎng)度，cm；A為巖心橫截，cm2；Qw為潤(rùn)濕相流量，mL。

2.2 動(dòng)態(tài)毛管壓力實(shí)驗(yàn)

早在1967年學(xué)者們就發(fā)現(xiàn)毛管壓力的動(dòng)態(tài)效應(yīng)，根據(jù)毛管壓力與飽和度分別為動(dòng)態(tài)條件下、穩(wěn)態(tài)條件下和準(zhǔn)靜態(tài)條件下的三條曲線，表明同一飽和度下驅(qū)替速度大的毛管壓力值不同于靜態(tài)毛管壓力值，并且動(dòng)態(tài)毛管壓力值大于靜態(tài)條件下的毛管壓力值[18-20]。實(shí)驗(yàn)步驟(圖8)如下。

圖8 毛管壓力實(shí)驗(yàn)流程圖Fig.8 The flow diagram of capillary experiment

(1)恒壓驅(qū)替，在巖心兩端建立壓差ΔPt，向巖心內(nèi)注入非潤(rùn)濕相流體。

(2)在非潤(rùn)濕相流體未進(jìn)入巖心入口端端面時(shí)，巖心內(nèi)飽和潤(rùn)濕相流體，只存在潤(rùn)濕相流動(dòng)，此時(shí)注入端與出口端兩端壓差為ΔPt，記錄巖心出口端的流量。

(3)當(dāng)非潤(rùn)濕相在巖心入口端面時(shí)，由于受到毛管壓力(Pc)的作用，導(dǎo)致潤(rùn)濕相流體驅(qū)替壓差降低。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)選取物性相近的巖心進(jìn)行不同速度下的壓汞實(shí)驗(yàn)，巖心編號(hào)為3-1-1和3-1-2(表1)。進(jìn)汞時(shí)間分別取為10 s與1 800 s，得到不同進(jìn)汞速度下結(jié)果(圖9)。結(jié)果表明：同一進(jìn)汞飽和度下，速度越大，毛管壓力越大，毛管壓力存在著動(dòng)態(tài)效應(yīng)。

表1 常規(guī)壓汞實(shí)驗(yàn)巖心參數(shù)表Table 1 The parameters of cores in the experiment

圖9 不同進(jìn)汞速度下的毛管壓力Fig.9 The capillary pressure of different mercury injection rate

在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開(kāi)展不同進(jìn)汞速度的毛管壓力變化規(guī)律研究，分別設(shè)置巖心的進(jìn)汞時(shí)間為10、60、300、600 s，計(jì)算得到不同進(jìn)汞速度下毛管壓力曲線(圖10)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果揭示了進(jìn)汞速度與毛管壓力之間的關(guān)系，當(dāng)進(jìn)汞速度增大時(shí)，毛管壓力也隨之增大。進(jìn)汞時(shí)間為300 s與600 s時(shí)的毛管壓力相差不大。當(dāng)進(jìn)汞時(shí)間達(dá)到300 s時(shí)，動(dòng)態(tài)毛管壓力的大小可以近似為靜態(tài)毛管壓力值。

圖10 不同進(jìn)汞速度下的毛管壓力Fig.10 The capillary pressure of different mercury injection rate

通過(guò)對(duì)長(zhǎng)6巖心進(jìn)行動(dòng)、態(tài)毛管壓力的測(cè)定，建立了喉道半徑與動(dòng)、靜態(tài)毛管壓力之差的關(guān)系(圖11)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：毛管壓力的動(dòng)態(tài)效應(yīng)(動(dòng)靜態(tài)毛管壓力之差)隨著滲透率的降低而急劇增加。當(dāng)滲透率大于10×10-3μm2時(shí)，毛管壓力的動(dòng)態(tài)效應(yīng)可以忽略不計(jì)；當(dāng)滲透率小于1×10-3μm2時(shí)，毛管壓力的動(dòng)態(tài)效應(yīng)不可忽略。對(duì)于致密儲(chǔ)層，毛管壓力動(dòng)態(tài)效應(yīng)明顯。

圖11 不同滲透率的巖心毛管壓力動(dòng)態(tài)效應(yīng)Fig.11 The dynamic effect of capillary pressure of cores of different permeability

3 儲(chǔ)層巖石潤(rùn)濕性的確定

巖石的潤(rùn)濕性決定著流體在巖石內(nèi)的原始狀態(tài)及微觀重新分布情況[21-23]。當(dāng)潤(rùn)濕相(非潤(rùn)濕相)驅(qū)替非潤(rùn)濕相(潤(rùn)濕相)的時(shí)候，由于巖心中存在兩相界面(圖12)，巖心兩端就會(huì)存在壓差來(lái)平衡毛管壓力，所以通過(guò)測(cè)定巖心兩端壓差的大小和方向，就可以判斷巖心的潤(rùn)濕性[24-25]。

圖12 毛管壓力示意圖Fig.12 The schematic diagram of the capillary pressure

如圖13所示，將巖心飽和油(水)，并且以恒定壓力的模式將油(水)注入巖心，直到出口端流速達(dá)到恒定狀態(tài)，此時(shí)關(guān)閉油(水)的閥門，同時(shí)開(kāi)啟水(油)的閥門，并且測(cè)定巖心末端的流量，當(dāng)巖心末端流量出現(xiàn)拐點(diǎn)時(shí)，表明油水(水油)界面已經(jīng)進(jìn)入巖心入口端，此時(shí)，關(guān)閉巖心下游端閥門，由于注入并未停止，所以巖心末端壓力上升，直到兩端壓差與毛管壓力平衡為止。通過(guò)測(cè)定巖心兩端的壓差，可以確定巖心中的毛管壓力大小及方向。

圖13 實(shí)驗(yàn)流程示意圖Fig.13 The schematic diagram of the experiment process

分別進(jìn)行水驅(qū)油和油驅(qū)水毛管壓力測(cè)定實(shí)驗(yàn)，得到不同潤(rùn)濕性巖心毛管壓力曲線(圖15)。1號(hào)巖心與2號(hào)巖心潤(rùn)濕性均為水濕，1號(hào)巖心中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)是水驅(qū)煤油，最終兩端壓差為135 kPa；2號(hào)巖心中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)是煤油驅(qū)水，最終兩端壓差為-160 kPa；3號(hào)巖心與4號(hào)巖心潤(rùn)濕性均為油濕，3號(hào)巖心中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)是水驅(qū)煤油，最終兩端壓差為-317 kPa；4號(hào)巖心中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)是煤油驅(qū)水，最終兩端壓差為58 kPa。

巖心中只有單相流體存在并且?guī)r心中流體處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，巖心兩端的壓差為0(圖14)。這可以用來(lái)對(duì)比兩相流體存在時(shí)的情況。

1 psi=6.895 kPa圖14 巖心中單獨(dú)水相的壓差動(dòng)態(tài)曲線Fig.14 The dynamic differential pressure in the case of single water flow in the core

1 psi=6.895 kPa圖15 巖心毛管壓力測(cè)試曲線Fig.15 The static capillary pressure in the core

為了證實(shí)此方法的正確性，進(jìn)行了接觸角法與吸入法(Amott法)測(cè)定了巖心的潤(rùn)濕性，對(duì)比分析了不同潤(rùn)濕角確定方法的潤(rùn)濕角和潤(rùn)濕性(表2)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與本方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果相同，驗(yàn)證了本方法的準(zhǔn)確性。

表2 巖心潤(rùn)濕性測(cè)定參數(shù)表Table 2 The parameters of the wettability of cores

4 結(jié)論

(1)根據(jù)不同滲透率巖心的孔隙半徑、喉道半徑以及孔喉半徑比頻率分布曲線形態(tài)，分析表明喉道半徑呈對(duì)數(shù)正態(tài)分布，其分布參數(shù)與滲透率的相關(guān)性很好，流體滲流能力主要受到喉道半徑的影響。

(2)利用壓汞實(shí)驗(yàn)研究了兩相滲流的阻力變化特征，致密油藏毛管壓力及毛管壓力動(dòng)態(tài)效應(yīng)尤其明顯，通過(guò)室內(nèi)動(dòng)態(tài)驅(qū)替物理模擬實(shí)驗(yàn)，測(cè)定并分析了潤(rùn)濕相和非潤(rùn)濕相動(dòng)態(tài)毛管力。

(3)提出了利用毛管壓力確定巖石潤(rùn)濕性的新方法，通過(guò)測(cè)定巖心兩端的壓差可以確定儲(chǔ)層巖石的潤(rùn)濕性。