致密砂岩束缚水饱和度和微观孔喉结构关系实验研究*
时间：2023-01-26 16:00:07 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
白玉湖 王苏冉 徐兵祥 陈 岭 李彦尊 董志强
(中海油研究总院有限责任公司 北京 100028)
中国致密气储量丰富，主要分布在鄂尔多斯、四川、塔里木、松辽等地。在致密气开发过程中发现生产井普遍存在产水现象，容易造成井筒积液、产量快速递减甚至停产等问题，影响了致密气藏的开发效果。目前普遍认为致密气藏产出水可以分为地层水、凝析水和工作液等类型，识别方法包括水性识别、生产动态资料识别等。其中水性识别是利用矿化度、水型、组分分析等对产出水类型进行判别，如对大牛地气田产水进行水型分析后，发现地层水占总出水量的61%。苏里格气田苏东区块依据水化学特征系数等对产出水分析发现，气井产水同样主要为地层水，伴有少量的工作液及凝析液。利用上述方法对苏里格、大牛地、川西致密气田产水井进行分析，同样发现大部分产出水为地层水。因此，认识致密砂岩储层地层水赋存规律对于含水致密气藏的开发至关重要[1-2]。
前人针对致密砂岩可动流体饱和度的测量开展了大量的实验研究，试图研究束缚水饱和度的变化规律[3-6]、渗流规律[7-9]及微观孔隙结构与之关系[10-14]，但目前关于致密砂岩地层水赋存规律的实验研究，多是通过核磁共振实验、高压驱替实验、半渗隔板实验等单个或者两个对比实验开展[15-16]，能够获得目标油田目的层的束缚水饱和度分布，但影响该实验岩心束缚水饱和度主控因素的直接实验研究较少，通常是采用一批岩心测试束缚水饱和度，而采用另外一批岩心开展影响束缚水饱和度因素的实验研究，并以此来分析束缚水饱和度的主控因素。由于致密砂岩的非均质性很强，由此所得的束缚水饱和度和其影响因素的实验结果缺乏一一对应关系，推广性受限，普适性相对较差。因此，本文基于同一块致密砂岩岩心，围绕揭示束缚水饱和度和微观孔隙结构的关系，依次开展孔渗测试、核磁共振实验、高压驱替实验和恒速压汞实验，从而通过实验手段揭示致密砂岩束缚水饱和度和其对应的微观孔喉的量化关系，为定量评价致密砂岩气藏的产水能力提供基础依据和指导。
致密砂岩样品来自于鄂尔多斯盆地东缘的中国海油临兴致密气矿区，主要目的层为盒八段。古生代下石盒子组盒八段为三角洲平原亚相，水动力较强，砾石发育，岩性较粗，砂层平均厚度超过30 m，测井解释孔隙度平均值为9.2%，渗透率平均值为0.78 mD，储量占比较大。为定量分析束缚水饱和度和岩心样品微观孔喉结构的关系，选取盒八段典型岩心8块，针对同一块岩心，依次开展：①岩心孔隙度、渗透率实验测定；
②核磁共振实验，孔隙结构分析，不同离心力下(至少3种离心力)束缚水饱和度测定；
③高压驱替实验，模拟地层压力条件，开展不同压差条件下(至少4种压差)相渗、束缚水饱和度测定；
④恒速压汞实验，开展微观孔隙结构分析。保证同一岩心依次完成上述4项测试化验，通过实验①获得基础物性参数，通过实验②可以获得孔隙结构分析及束缚水饱和度分析，通过实验③可获得束缚水饱和度分析，且和实验②具有对比性，通过实验④可以获得微观孔隙结构分析。通过上述4种实验，即可得到同一块岩心的一系列数据，包括不同实验方法获得的束缚水饱和度、孔隙结构参数等，因此就可以开展不同岩心的微观孔隙结构对比和束缚水饱和度对比研究，以及同一块岩心的微观孔隙结构和束缚水饱和度的量化关系研究。
为评价岩心在孔隙度和渗透率测试、核磁共振实验和高压驱替实验之后微观孔隙结构是否发生变化，留取4块备用岩心直接开展恒速压汞实验，备用岩心取样位置和开展系列实验的岩心在同一个位置，以保证岩心物性相似，具有可对比性。将开展一系列实验后的岩心恒速压汞结果和备用岩心的恒速压汞结果进行对比，即可评价一系列实验对岩心孔隙结构的影响。
1)孔渗分析。
本次常规储层物性测试主要是指储层岩心的孔隙度、渗透率测试。测试仪器SCMS-C3型全自动岩心孔渗测量系统。实验方法参照标准SY/T 6385-2016《覆压下岩石孔隙度和渗透率测定方法》进行。图1给出了临兴矿区致密砂岩储层盒八段岩心渗透率与孔隙度的关系。可见，对于临兴致密储层，盒八段所选取的8块岩心的渗透率与孔隙度之间相关性较好，覆压渗透率较低，属于致密储层物性。
图1 临兴盒八段储层岩心基本物性参数
2)基于核磁共振的基质岩心孔隙结构及束缚水分布研究。
运用核磁共振技术，设计岩心在饱和水再高速离心后开展孔隙分布以及束缚水分布研究。以开展孔渗分析的8块岩心，继续分别进行饱和水多次离心后开展核磁共振测试，获取束缚水饱和度及孔隙结构测试。离心机转速分别为1 900、2 750和4 500 n/s。
以LX-4井2号岩心为例，阐述实验结果情况，图2给出该岩心多次离心后孔隙度分量与孔隙半径核磁共振T2谱分布对比图。该岩心核磁共振T2谱分布图显示其储层孔隙结构类型以小孔径为主。饱和水后核磁孔隙度为6.2%，离心1次后核磁孔隙度为4.5%，离心2次后核磁孔隙度为4.1%，离心3次后核磁孔隙度为3.7%(也即在这种情况下的束缚水核磁孔隙度)。数据处理后得到的该岩心孔隙孔径主要分布在0.000 5～0.078 0 μm、0.1～1.0 μm、1～10 μm。可流通孔隙孔径占比小，主要分布0.1～10.0 μm，离心后不可流通孔隙孔径占比大，主要分布在0.000 5～0.100 0 μm，束缚水主要占据小于0.01 μm的孔隙中。
图2 LX-4井2号岩心多次离心后核磁共振T2谱分布对比图(半径)
同样，对另外7块岩心实验数据进行分析，整体来看，束缚水饱和度随着离心力的增大而减少，随着岩样渗透率的增大而减少(图3、4)。
图3 束缚水饱和度和岩心渗透率关系
图4 束缚水饱和度和离心力关系
3)致密储层岩心高压驱替实验研究。
为了对比不同实验方法对束缚水饱和度的影响，同样针对经过核磁共振实验后的8块岩心，开展了气驱水过程的非稳定法气水相渗曲线测试，实验过程是将目标岩样先100%饱和水，气驱水至束缚水饱和度，从而测得每块岩心气驱水过程的气水相对渗透率实验数据，并对比分析不同压差下的气水相渗及束缚水饱和度特征。实验条件：围压50 MPa，地层压力45 MPa，温度25 ℃，饱和地层水矿化度35 343.5 mg/L，实验所用的水黏度1.05 mPa·s，气体黏度0.030 2 mPa·s，驱替压差分别为450、650、850、1 000 psi。
不同驱替压差下，岩心束缚水饱和度对比表明(图5)，随着驱替压差的增大，岩心束缚水饱和度降低，降低趋势呈现两段式，在低驱替压差下呈非线性关系递减，在高驱替压差下，呈近似线性关系递减；
渗透率越高的样品，例如LX-17-4样品，两段式递减规律也越明显。针对不同的岩心样品，其束缚水饱和度随着岩心渗透率的降低而增加，基本呈现线性变化(图6)，回归得到关系式如下：
图5 岩心的相渗驱替束缚水饱和度数据对比
图6 高压驱替束缚水饱和度和渗透率关系
Swir=-13.551K+70.929
(1)
式(1)中：Swir为束缚水饱和度；
K为渗透率，mD。
4)岩心孔喉结构恒速压汞分析。
采用恒速压汞方法除了能够得到常规的毛管压力曲线外，还可把喉道和孔道分辨开来，能够分别测得孔道半径分布和喉道半径分布，真正得到了具有力学意义的孔喉比参数。采用美国Coretest ASPE730恒速压汞仪，最高进汞压力为6.21 MPa，与之对应的喉道半径大小约为0.12 μm。继续利用高压驱替实验后的8块岩心开展恒速压汞实验，得到岩心样品的喉道和孔隙半径分布频率图(图7、8)。可以看出，渗透率越低，喉道半径越小，渗透率越高，喉道半径越大，一致性关系较好(图7)。孔隙半径分布与渗透率关系不明显(图8)，即影响渗透率的主要因素为平均喉道半径。
图7 渗透率和喉道半径平均值关系
图8 渗透率和孔隙半径平均值关系
分析8块岩心的核磁共振束缚水饱和度和喉道半径及孔隙半径平均值的关系，发现束缚水饱和度和喉道半径平均值具有较好的线性关系(图9)，经回归得到：
图9 束缚水饱和度和喉道半径平均值的关系
Swir=-7.238 1rth+77.329
(2)
式(2)中：rth为喉道半径平均值，μm。
束缚水饱和度和孔隙半径平均值的关系较差(图10)，说明影响束缚水饱和度分布的参数是喉道半径。
图10 束缚水饱和度和孔隙半径平均值的关系
为对比经过一系列实验后，岩心孔隙结构的变化情况，针对备用岩心LX-22-9直接开展恒速压汞实验，该备用岩心和LX-22-2为同一取样点，物性相近。LX-22-2岩心经过孔隙度和渗透率测试、核磁共振实验和高压驱替之后，再进行恒速压汞，结果如下：岩心孔隙半径平均值为134.599 μm；
喉道半径平均值为0.679 μm；
主流喉道半径为0.700 μm，主流喉道半径下限为0.200 μm；
迂曲度为9.293；
微观均质系数为0.433。总体上微观非均质性较强，分选性差。备用岩心LX-22-9的恒速压汞结果如下：孔隙半径平均值为115.867 μm；
喉道半径平均值为0.519 μm；
主流喉道半径为0.550 μm；
主流喉道半径下限为0.250 μm；
迂曲度为13.334；
微观均质系数为0.571。可见总体上，两块岩心的微观孔隙结果参数较为一致，说明LX-22-2岩心经过一系列实验后，本身微观孔隙结构未发生本质变化。此外，由于本地区盒八段的黏土含量在10%左右，相对较低，在进行系列驱替实验时，采用的地层水样能抑制黏土膨胀，因此，经过一些列的实验，岩心微观结构变化不大。
图11给出了3种方法测定的束缚水饱和度的对比，其中核磁共振束缚水饱和度为在最大离心力(1.34 MPa)下得到的束缚水饱和度；
驱替束缚水饱和度是在最大驱替压差(10.2 MPa)下得到的束缚水饱和度；
恒速压汞法获得的束缚水饱和度是根据压汞毛管压力测量结果，将压汞数据中汞压力转换成气水两相条件下的驱替压力，在毛管压力曲线上读取对应驱替压力下的含水饱和度即为束缚水饱和度[17]。总体而言，恒速压汞法得到的束缚水饱和度最低，对相对低渗岩心，其驱替实验的束缚水饱和度与核磁离心束缚水饱和度整体上较为接近，但在相对高渗条件下，差别较大，如图11中的LX-17-4样品，这主要是由于孔隙结构、获取束缚水方式以及压差的不同所致。
图11 3种方法测定的束缚水饱和度的对比
核磁共振及高压气驱水测试实验表明，储层束缚水饱和度随着喉道半径平均值的增大而减小，随着离心力及驱替压差的增大而减少，孔喉半径是束缚水饱和度含量大小的主控因素。储层内束缚水饱和度整体在40%～70%，且赋存在小于0.1 μm的孔隙内以及较大孔隙的亲水表面上。
1)针对致密砂岩储层，可以采用同一块岩心，依次开展孔渗测试分析、核磁共振实验、高压驱替实验和恒速压汞实验，通过实验手段揭示束缚水饱和度和致密砂岩微观孔喉一一对应量化关系。
2)针对临兴矿区盒八段致密砂岩储层，三种方法测试得到的束缚水饱和度略有差异，储层内束缚水饱和度整体在40%～70%，且赋存在小于0.1 μm的孔隙内以及较大孔隙的亲水表面上。
3)束缚水饱和度随着喉道半径平均值的增加而降低，具有较好的线性关系；
束缚水饱和度随渗透率增加而降低，具有较好的线性关系。
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