鄭 欣
(中國(guó)石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司勘探開發(fā)研究院,上海 200120)
巖石微觀孔喉主要由喉道和孔隙組成,是影響儲(chǔ)層孔隙度、滲透率及滲流性的主要因素。常見的研究方法包括毛管壓力曲線法(由壓汞試驗(yàn)得出)、圖像分析法(根據(jù)鑄體薄片、CT 掃描)、三維數(shù)字巖心重構(gòu)法(各類數(shù)值模擬)等,從多個(gè)方面確定巖石微觀孔喉特征,并進(jìn)行表征[1-4]。目前實(shí)驗(yàn)室測(cè)定毛管壓力的方法主要有半滲透隔板法、壓汞法和離心機(jī)法等,其中壓汞法由于其快速、準(zhǔn)確,是目前測(cè)定巖石毛管壓力的主要手段[5-8]。圖像分析法是通過儀器對(duì)巖心截面進(jìn)行圖像采集、展示,通過人工或計(jì)算機(jī)觀察、描述樣品圖像的孔隙與喉道的大小和連通分布情況。該方法包括鑄體薄片法、SEM 掃描電鏡法和CT 掃描法等[9-12]。CT 機(jī)對(duì)巖心進(jìn)行掃描,得到巖心的三維圖像[13]。國(guó)內(nèi)將CT 掃描應(yīng)用于油藏研究工作,利用CT 掃描研究巖心裂縫與巖石的孔隙度、礦物成分[14-15]?;贑T 掃描實(shí)驗(yàn)的圖像分析法,其原理是X 射線穿透介質(zhì)時(shí),X 射線強(qiáng)度的衰減與介質(zhì)的吸收能力和穿過的距離成正比,因此可以通過測(cè)量吸收系數(shù)來分析介質(zhì)組成。利用CT 掃描數(shù)字巖心技術(shù)可以對(duì)巖心的特征進(jìn)行定量分析。
西湖凹陷X 油田平湖組儲(chǔ)層一直缺乏數(shù)字巖心技術(shù)研究。本次研究對(duì)象為西湖凹陷X 油田平湖組儲(chǔ)層微觀孔喉,采用毛管壓力曲線法與CT 掃描數(shù)字巖心技術(shù)兩種方法表征,并對(duì)比分析該兩種方法,為油氣勘探開發(fā)人員精確表征微觀孔喉提供理論參考。
巖石微觀孔喉的分布與組合控制儲(chǔ)層物性,毛管壓力曲線法,可以準(zhǔn)確表征儲(chǔ)層的物性[2,16]。本次通過高壓壓汞實(shí)驗(yàn),參照石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《SY/T 5346—2005 巖石毛管壓力曲線的測(cè)定》,對(duì)X 油田巖樣進(jìn)行毛管壓力曲線法分析,將高壓壓汞連續(xù)的進(jìn)退汞飽和度與毛管壓力對(duì)應(yīng),分析、計(jì)算得到最大連通半徑、排驅(qū)壓力、中值壓力、中值半徑、殘余汞飽和度、退汞效率等壓汞特征參數(shù)。根據(jù)毛管壓力曲線法計(jì)算得到的排驅(qū)壓力、進(jìn)退汞飽和度、中值半徑等參數(shù),可以定量對(duì)比巖樣的儲(chǔ)層物性,排驅(qū)壓力較小、進(jìn)汞飽和度較大、殘余汞飽和度較低的儲(chǔ)層物性較好,產(chǎn)能較高,采收率較高。但在實(shí)際評(píng)價(jià)中毛管壓力曲線的壓汞實(shí)驗(yàn)所用巖心取樣費(fèi)用昂貴,且不可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)儲(chǔ)層段的分析。
X 油田平湖組砂巖的排驅(qū)壓力較低,兩塊實(shí)驗(yàn)樣品的排驅(qū)壓力最小均為0.124 MPa,對(duì)應(yīng)的最大連通半徑均為5.934 μm;兩塊巖樣的毛管壓力曲線在低壓區(qū)均存在平緩的水平段,占總進(jìn)汞量的40%,表明此處的孔喉較發(fā)育[17]。2 395 m 巖樣飽和度中值0.585 MPa低于2 291.3 m 巖樣飽和度中值0.698 MPa,對(duì)應(yīng)的中值半徑1.257 μm 卻高于2 291.3 m 巖樣的中值半徑1.054 μm,表明2 395 m 巖樣的孔滲性較好。2 395 m巖樣殘余汞飽和度(56.57%)高于2 291.3 巖樣殘余汞飽和度(39.81%),表明2 395 m 巖樣中的可動(dòng)流體占比較低(表1、圖1)。
圖1 高壓壓汞實(shí)驗(yàn)毛管壓力曲線Fig.1 Capillary pressure curve of high pressure mercury injection experiment
表1 高壓壓汞毛管力曲線特征參數(shù)Table 1 Characteristic parameters of high pressure mercury injection capillary pressure curve
根據(jù)公式Pc=0.735 /rc(Pc為毛管壓力,MPa;rc為毛管半徑,mm)可由樣品的毛管壓力曲線計(jì)算出孔喉半徑分布曲線,樣品的孔喉分布曲線大致可以分為三段。一段為孔喉半徑大于5 mm 的部分,這部分孔喉的汞飽和度極低,認(rèn)為是樣品的麻皮效應(yīng)引起的。二段為樣品的孔喉主體分布區(qū)域,其中2 395 m 巖樣的孔喉主體位于1.952~3.624 mm,占比(對(duì)應(yīng)的進(jìn)汞飽和度峰值)9.61%~14.61%;2 291.3 m 巖樣的孔喉主體為1.95 mm,占比11.21%。三段為孔喉主體以下的部分,對(duì)應(yīng)的汞飽和度峰值小于6%,但累計(jì)汞飽和度較高(相對(duì)小孔隙占比較大)(圖2)。
圖2 高壓壓汞實(shí)驗(yàn)孔喉分布直方圖Fig.2 Histogram of pore throat distribution in high pressure mercury injection experiment
數(shù)字巖心技術(shù)對(duì)于巖心中孔喉特征定量刻畫,首先需要將灰度圖像轉(zhuǎn)換成二值圖像。數(shù)字巖心的內(nèi)涵是二相體,用 0 代表孔喉,1 代表骨架。CT 掃描實(shí)驗(yàn)獲得的圖像均為灰度介于[0, 255]的灰度圖像。因此,通過物理方法構(gòu)建數(shù)字巖心選取合適的閾值可將灰度圖像轉(zhuǎn)換為二值圖像[18]。選取2 291.3 m 巖樣、2 395 m 巖樣2 塊巖心分別進(jìn)行一次CT 14 μm CT 掃描實(shí)驗(yàn)(表2)。
表2 CT 掃描數(shù)字巖心基本物性參數(shù)Table 2 Basic physical parameters of CT scanning digital core
通過2 次CT 掃描,得到2 mm 典型切片灰度圖像及局部區(qū)域放大圖,圖中黑色為粒間孔隙,偏灰色為巖石骨架,泛白色為高密度礦物(圖3(b)、圖3(e))。分析2 291.3 m 巖樣粒度較細(xì),2 395 m 巖樣粒度較粗。2 次CT 掃描圖中均可觀察到大量的粒間孔以及部分黏土礦物(通常黏土礦物密度較低,顏色偏深灰),重建的三維數(shù)字巖心與真實(shí)巖心的相似度高(圖3(c)、圖3(f))。
基于CT 掃描的圖像資料,分別對(duì)2 291.3 m、2 395 m 巖樣進(jìn)行了三維數(shù)字巖心重構(gòu)(骨架和孔隙兩相數(shù)字巖心模型)??紫犊臻g信息的提取采用最大球算法。最大球算法是以孔隙中心某一點(diǎn)為圓心,向四周射線狀伸展,以碰到的最大的巖石骨架顆粒為半徑做內(nèi)切球,不同內(nèi)切球相交疊合的部分就是喉道,通過這種方法刻畫描述的孔隙空間是目前國(guó)際流行的孔隙空間描述方法[19]?;谏鲜龇椒ǐ@得的孔隙度與實(shí)驗(yàn)室物理實(shí)驗(yàn)測(cè)得的孔隙度接近(誤差在±5%內(nèi)),所構(gòu)建的三維數(shù)字巖心與真實(shí)巖心的相似度較高。
三維數(shù)字巖心技術(shù)重構(gòu)3D 巖心與孔隙空間分布。圖4(b)、圖4(e)中藍(lán)色為重構(gòu)孔隙空間分布,圖4(c)、圖4(f)中彩色圖像為孔隙與所連接喉道的重構(gòu)孔隙空間,圖4(g)中紅色為空間孔隙-喉道球棍模型。重構(gòu)巖樣三維數(shù)字巖心的孔隙均呈網(wǎng)格狀分布,孔隙間連通性均較好。14 μm CT 掃描條件下, 2 291.3 m 巖樣的孔隙分布中藍(lán)色占絕大部分空間,明顯多于2 395 m巖樣,說明該巖樣的孔隙分選均質(zhì)性更優(yōu)。
數(shù)字巖心技術(shù)以3D 數(shù)學(xué)模型統(tǒng)計(jì)孔喉分布參數(shù)。分析孔喉直徑分布曲線形態(tài)都類似于單峰模式,孔隙直徑的單峰體積分?jǐn)?shù)大于喉道直徑單峰體積分?jǐn)?shù)。2 291.3 m 樣品的孔隙直徑分布于20~800 μm,其中主要孔隙直徑區(qū)間為60 ~200 μm,占比約70%。2 395 m 樣品的孔隙直徑分布于400~2 000 μm,其中主要孔隙直徑區(qū)間為800~1 200 μm,占比約58%(圖5)。
圖5 三維數(shù)字巖心孔喉分布直方圖Fig.5 3D digital core pore throat distribution histogram
基于CT 掃描的數(shù)字巖心技術(shù)結(jié)果與基于高壓壓汞實(shí)驗(yàn)毛管壓力曲線法的技術(shù)對(duì)比(2 291.3 m 巖樣),基于高壓壓汞實(shí)驗(yàn)的毛管壓力曲線法測(cè)得數(shù)據(jù)精度較高,孔喉半徑范圍較廣(0.007~5.934 mm),但其無法區(qū)分喉道和孔隙,且僅能分析規(guī)則的巖樣;CT 掃描數(shù)字巖心技術(shù)可以直接掃描巖心,直觀地展現(xiàn)孔隙喉道的空間展布,并且可以定量區(qū)分孔隙直徑(400~2 000 μm)與喉道直徑(8~800 μm),但其精度較毛管壓力曲線法低。
兩種方法的結(jié)果對(duì)比來看,孔喉直徑分布曲線形狀趨勢(shì)相仿,為單峰狀,但數(shù)字巖心的孔隙、喉道直徑較小,僅為毛管壓力曲線法得到的孔喉直徑的1/2~1/4。數(shù)字巖心的孔隙、喉道直徑參數(shù)段范圍較窄且峰值較集中(峰值參數(shù)占比約50%),僅分布于100~4 800 μm;而通過毛管壓力曲線法所得孔喉直徑參數(shù)范圍為20~8 000 μm。造成不同的原因主要有以下三個(gè)方面:第一,數(shù)字巖心與真實(shí)巖心的孔喉半徑統(tǒng)計(jì)方法存在差異,數(shù)字巖心利用最大球法,建模得到數(shù)據(jù)為規(guī)則的球狀,實(shí)際的孔隙并非球狀,實(shí)際的喉道并非筆直的圓柱狀;第二,CT 掃描存在一定的2D 隨機(jī)性,較難測(cè)定每個(gè)孔隙直徑的最大值;第三,與真實(shí)巖心相比,重新構(gòu)建的數(shù)字巖心模型設(shè)置的尺寸與CT 掃描的的尺度、層數(shù)、精度與實(shí)際巖樣仍有一定的差距(圖6)。
圖6 毛管壓力曲線法對(duì)比數(shù)字巖心技術(shù)孔喉直徑分布直方圖(14 μm)Fig.6 Comparison of pore throat diameter distribution histograms by capillary pressure curve method and digital core technology (14 μm)
基于以上對(duì)比分析,將2 291.3 m 巖心巖樣的CT 掃描精度提高,進(jìn)行CT 1 μm 精掃(圖7)。CT 1 μm 精掃巖心切片分辨率高于14 μm CT 掃描,同時(shí),三維數(shù)字巖心重構(gòu)的彩色孔隙空間占總矩形空間充滿度更高,且孔隙空間較(圖7(e))14 μm CT 掃描的數(shù)字巖心的孔隙整體更大,紅色孔隙-喉道球棍模型充滿度也更高,并且較14 μm CT 掃描的數(shù)字巖心孔隙-喉道球棍模型多出大量小孔隙與小喉道充填于空間(圖7(f))。CT 1 μm 精掃數(shù)字巖心技術(shù)結(jié)果與基于高壓壓汞實(shí)驗(yàn)毛管壓力曲線法的效果對(duì)比(2 291.3 m巖樣),孔喉直徑分布曲線形狀趨勢(shì)相仿,為單峰狀,但數(shù)字巖心的孔隙、喉道直徑仍較小,僅為毛管壓力曲線法得到的孔喉直徑的1/2~3/4,但較14 μm CT掃描結(jié)果改進(jìn)效果明顯,證明精細(xì)掃描可增加數(shù)字巖心技術(shù)的量化精度,得到更準(zhǔn)確的孔喉直徑參數(shù)與更廣的參數(shù)范圍(圖8)。
圖8 毛管壓力曲線法對(duì)比數(shù)字巖心技術(shù)孔喉直徑分布直方圖(1 μm)Fig.8 Comparison of pore throat diameter distribution histograms by capillary pressure curve method and digital core technology (1 μm)
毛管壓力曲線法通過高壓壓汞實(shí)驗(yàn)得到進(jìn)、退汞曲線,準(zhǔn)確獲取最大連通半徑、排驅(qū)壓力、中值壓力、中值半徑、殘余汞飽和度、退汞效率等壓汞特征參數(shù)。CT 掃描數(shù)字巖心技術(shù)可進(jìn)行三維數(shù)字巖心重構(gòu),從而真實(shí)地反應(yīng)巖樣內(nèi)部微觀孔喉結(jié)構(gòu),且構(gòu)建的三維數(shù)字巖心與真實(shí)巖心的相似度高,結(jié)合最大球法與圖像處理方法,模擬計(jì)算數(shù)字巖心孔隙度與實(shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)的孔隙度基本一致,做到了定量化、可視化巖石微觀孔喉表征。CT 掃描數(shù)字巖心技術(shù)與毛管壓力曲線法(高壓壓汞實(shí)驗(yàn))結(jié)果對(duì)比,孔喉半徑分布曲線形狀大致相似,但是重構(gòu)的數(shù)字巖心模型設(shè)置的尺寸與CT 掃描的尺度、層數(shù)、精度與實(shí)際巖樣仍有一定的差距。隨著微米CT 向著納米CT 的發(fā)展,掃描精度大幅度提高,可以更好地表征納米級(jí)別的微觀巖心孔喉特征,并利用CT 掃描數(shù)字巖心技術(shù)彌補(bǔ)毛管壓力曲線法無法直觀展現(xiàn)孔隙喉道空間展布的缺陷。