程鵬舉，于青春

(中國地質(zhì)大學(北京)水資源與環(huán)境學院，北京 100083)

非飽和低滲砂巖突破壓力試驗研究
——以柴達木盆地東部石炭系砂巖為例

程鵬舉，于青春

(中國地質(zhì)大學(北京)水資源與環(huán)境學院，北京 100083)

突破壓力是氣藏開采和蓋層評估中的重要參數(shù)。文章選取柴達木盆地東部石炭系低滲砂巖巖心3塊，對每塊巖心進行6個不同含水率下的突破壓力試驗。通過XRD、XRF分析方法對砂巖的礦物成分、化學成分進行定量測試；利用氦氣雙室法與壓汞試驗對砂巖的孔隙度和孔徑分布特征進行分析；用CH4氣體模擬滲流試驗對砂巖的絕對滲透率進行分析。結(jié)果表明：研究區(qū)低滲砂巖孔隙度在9.02%～10.96%之間，平均孔隙半徑在0.1082～0.3709 μm之間，絕對滲透率在0.008～0.012 mD之間，干巖石突破壓力值在0.05～0.19 MPa之間，飽和巖石突破壓力值在1.51～2.73 MPa之間。黏土礦物遇水膨脹對孔隙結(jié)構(gòu)不會造成顯著性改變，因此對突破壓力沒有明顯影響。影響突破壓力的主要因素是孔隙結(jié)構(gòu)和含水率。試驗結(jié)果表明突破壓力與巖石孔隙大小之間呈現(xiàn)負相關(guān)的關(guān)系，隨著平均孔徑和中值半徑的增大，突破壓力隨之降低。本研究得到了突破壓力與含水率之間的定量函數(shù)關(guān)系：突破壓力隨含水率增加呈指數(shù)函數(shù)形式增加。

突破壓力；孔隙結(jié)構(gòu)；含水率；低滲砂巖

柴達木盆地是我國西部三大含油氣盆地之一，具有很好的勘探前景[1～3]。 東部地區(qū)石炭系發(fā)育，大量的油氣調(diào)查工作證實石炭系是發(fā)育良好的烴源巖，油氣資源潛力很大[4～5]。東部石炭系發(fā)育的砂巖巖層，具有厚度均一穩(wěn)定、連續(xù)性好、低滲透性等特點。

突破壓力是連續(xù)的非潤濕相(氣)在潤濕相(水)中通過時所克服的孔喉中的毛細壓力[6～8]。當自由相的氣體壓力超過了孔喉處的突破壓力時，氣體能夠克服源于毛細效應產(chǎn)生的毛細壓力滲流至下一個更小的孔喉，這樣氣體就會在一系列相互連通的孔喉中滲流，在巖石中形成連續(xù)通道，沿著這個通道遷移、聚集從而形成氣藏[9～11]。在低滲儲層開采時，只有當氣體壓力大于地層裂隙處的突破壓力時，自由相的氣體才會在壓差作用下輸送至井眼處[12]。當?shù)蜐B砂巖作為蓋層時，毛細突破壓力必須大于非潤濕相和潤濕相之間的壓差，氣體才不會泄露[11,13～15]。可見，突破壓力是氣藏開采和蓋層評估中的重要參數(shù)。突破壓力對氣體運移、聚集和氣藏形成都有著重要的作用，對低滲透性的介質(zhì)中的多相滲流機理研究也有著重要的意義。

國內(nèi)外關(guān)于突破壓力的研究成果較多，但這些研究大多是對飽水巖心或者干巖心進行的，對不同飽和度的巖石的突破壓力研究較少。許多條件下巖層往往是部分飽和[16～17]，所以對非飽和巖石的突破壓力研究十分必要。本文研究非飽和低滲砂巖的突破壓力，選取柴達木盆地東部石炭系的3塊低滲砂巖巖心，對巖心分別進行6個不同含水率下的突破壓力試驗，對礦物成分、孔隙結(jié)構(gòu)和含水率對突破壓力的影響進行了分析。

1 試驗樣品

本研究選取的#16、#13、#11三塊低滲透性砂巖巖心，從柴達木東部石炭系的砂巖巖層獲取，取樣深度、尺寸、孔隙度和絕對滲透率見表1。運用X 射線衍射分析方法(XRD、XRF)對砂巖的全巖組分及礦物成分相對含量進行分析(表 2)。通過壓汞試驗對砂巖的孔隙結(jié)構(gòu)特征進行定量分析，得到砂巖的孔徑分布曲線(圖1)。

表1 巖樣深度、尺寸、孔隙度和滲透率

表2 巖樣的礦物成分

圖1 巖石孔徑分布曲線Fig.1 Pore size distributions of three samples

2 巖心參數(shù)測試

2.1孔隙度測試

用氦氣雙室法測定孔隙度的實驗裝置見圖2，包括水浴加熱系統(tǒng)、兩室(參比室、樣品室)、抽真空系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、兩個壓力傳感器以及6個閥門。參比室用于儲存氦氣，樣品室盛放巖心樣品。裝置的主要部分(雙室以及連接雙室的管線)用水浴加熱；雙室的壓力值由壓力傳感器監(jiān)測得到；抽真空系統(tǒng)用于抽出裝置中雙室、巖心以及管線中的空氣；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)每60 s記錄一次溫度及壓力值。氣體由真空泵將氦氣在預先確定的基準壓力(0.689 ～1.378 MPa)下注入到參比室中，待壓力穩(wěn)定后，將參比室中的氦氣擴散到樣品室中，平衡壓力降低，由此可以計算出巖心固體顆粒的體積，由總體積減去固體顆粒的體積，便可得到孔隙體積，從而求得巖石的孔隙度。

圖2 孔隙度測試裝置圖Fig.2 Schematic diagram of the apparatus to measure porosity

測試前首先將巖心置于通風處自然風干7 d，然后將巖心放入樣品室，打開真空泵及閥門V3、V4和V6對系統(tǒng)抽真空2 h，待壓力穩(wěn)定后，打開閥門V1和V4，向參比室中輸入1.2 MPa的氦氣(純度gt;99.9999%)，之后關(guān)閉V4待壓力穩(wěn)定2 h；打開閥門，V5參比室中的氦氣膨脹進入樣品室中，壓力平衡4 h；以上所有壓力數(shù)據(jù)通過壓力傳感器每隔60 s記錄一次；重復試驗，求取平均值。

根據(jù)式(1)來計算巖心的孔隙度：

式中：Vs1——樣品室的體積/cm3；

Vs2——樣品室含有巖心時的自由體積/cm3；

D、L——巖心的直徑和長度值(表1)。

Vs1、Vs2都包括連接閥門5和閥門6之間的管道體積。

Vs2由式(2)求出

式中：Pg1、Ps1——參比室和樣品室的初始壓力值/MPa；

Pg2、Ps2——參比室和樣品室的膨脹后的壓力值/MPa；

Vg——參比室的體積(包括連接閥門1和閥門5之間的管道體積)/cm3；

Z1、Z2——參比室在初始壓力條件下和膨脹后壓力值條件下氦氣的壓縮因子；

Z3——樣品室在膨脹后壓力值條件下氦氣的壓縮因子；

R——理想氣體常數(shù)，取8.3144 J/(mol·K)；

T——水浴加熱系統(tǒng)的溫度值/K。

為確定樣品室和參比室的體積(Vs、Vg)，在樣品室中放入體積不同的不銹鋼塊(模擬孔隙度值為0的巖心)，按照上述試驗步驟，進行三次試驗，代入上述公式并取平均值計算得到Vs=15.0620 cm3，Vg=15.4756 cm3。

2.2絕對滲透率測試

CH4氣體滲流模擬試驗裝置見圖3，包括巖心夾持系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)、氣體注入系統(tǒng)、液體注入系統(tǒng)、回環(huán)壓系統(tǒng)以及計量系統(tǒng)。巖心夾持系統(tǒng)主要由巖心夾持器組成，包裹著實驗巖心的橡膠管被放置于巖心夾持器中，該橡膠管具有耐高壓、延展性的特性。在夾持器的進口和出口分別安裝壓力傳感器從而通過儀表來顯示入口和出口端的壓力。抽真空系統(tǒng)用于抽出巖心夾持器以及管道中的空氣；氣體注入系統(tǒng)和液體注入系統(tǒng)可分別通過管道連續(xù)地向夾持器中注入氣體和去離子水?；貕合到y(tǒng)安裝在夾持器出口端，只有出口端壓力大于所設置的回壓值，出口端才會有液體或者氣體流出。環(huán)壓系統(tǒng)可環(huán)繞巖心施加一定壓力。

圖3 氣體突破壓力和滲透率測試裝置圖Fig.3 Schematic diagram of the apparatus to measure breakthrough pressure and permeability

具體步驟：將砂巖巖心在通風良好的地方自然風干7 d后放入夾持器中，接通CH4氣源向夾持器中注入氣體，用泵恒壓控制試驗的環(huán)壓，環(huán)壓的大小設置為入口壓力的兩倍以上，避免巖樣周圍發(fā)生氣體躥流。通過調(diào)壓閥控制入口壓力，通過氣泡觀測裝置觀測有均勻的氣泡冒出，穩(wěn)定30 min，記錄每小時的排水量。每個樣品多次試驗排除誤差，用記錄的數(shù)據(jù)，結(jié)合克氏滲透率公式計算出氣測滲透率。計算公式如下：

式中：Kapp——氣測滲透率/mD；

Pa——大氣標準壓力/MPa；

P1、P2——入口壓力值和出口壓力值/MPa；

Q——標準條件下氣體的體積流量/cm3；

μ——試驗條件下的氣體黏度/MPa·s；

Z、Za——試驗溫度和試驗壓力條件下的氣體壓縮因子及試驗溫度和Pa條件下的氣體壓縮因子；

L——巖心的長度/cm；

A——巖心的橫截面積/cm2。

3 突破壓力試驗

突破壓力試驗裝置見圖3。試驗步驟如下： (1)巖心在8 MPa壓力下飽和去離子水24 h；(2)將飽和完全的巖心裝入夾持器中，按圖3連接好試驗裝置；(3)根據(jù)砂巖所在地層深度確定恒溫箱的溫度值，并在夾持器周圍加2 MPa環(huán)壓，出口端回壓設置為0，達到設定值后穩(wěn)定30 min；(4)接通CH4氣源至夾持器進口端，通過調(diào)壓閥逐步增加夾持器進口端CH4的壓力，并穩(wěn)定一段時間。其中恒壓時間和試驗壓力間隔按照《巖石氣體突破壓力測定方法》規(guī)范[18]設定(表3)。在增加進口端壓力的同時，環(huán)壓也要一并增大，始終保持環(huán)壓比進口端壓力大2 MPa。試驗過程中通過氣泡檢測裝置監(jiān)測出口端情況，當氣泡均勻連續(xù)逸出時，對應的進、出口端壓差值即為該巖石的CH4氣體突破壓力。這時，停止向夾持器里注入CH4氣體，并將夾持器里氣體放空，撤掉環(huán)壓，取出巖心。(5)將所取出的巖心浸泡在去離子水中，30 min后取出在通風良好的地方自然風干至一定含水率值，然后重復步驟(2)、(3)、(4)、(5)，從而得到各個巖石在各個含水率下對應的突破壓力值。

表3 試驗恒壓時間和壓力間隔

4 試驗結(jié)果與分析

采用上述試驗裝置分別對三塊砂巖進行了6個不同含水率下的CH4突破壓力試驗，結(jié)果見表4。從數(shù)據(jù)可以看出，隨著含水率的增長，突破壓力值逐漸增加，含水率對巖石的突破壓力有很大的影響。氣體突破是一個復雜的過程，尤其是巖石被水飽和后，包括很多階段，受許多因素影響。下面從巖石的孔隙結(jié)構(gòu)、礦物成分和含水率等參數(shù)對突破壓力的影響進行分析。

表4 不同含水率下突破壓力數(shù)值

4.1礦物成分對突破壓力的影響

巖石的礦物成分及含量由XRD、XRF分析方法測試得到(表2)，分析結(jié)果表明三塊砂巖的主要礦物成分都是石英；#16含有2%的方解石；#11含有4%的高嶺石。方解石的溶解一般發(fā)生在富含CO2的水中，本次試驗所用CH4氣體純度為99.9999%，方解石一般不會溶解，方解石溶解堵塞孔隙從而引起突破壓力值發(fā)生變化這種情況可以忽略。黏土礦物是小粒徑的親水礦物，在巖石飽水之后黏土礦物吸水膨脹，成為水流動的障礙[19～20]。一些孔徑小的孔隙就會閉合，孔隙喉道隨之縮小[21]，突破壓力也會隨之增大。對#16和#11試驗結(jié)果進行比較：二者突破壓力隨含水率變化曲線走勢大致相同；二者增加的幅度大致相當，這表明試驗巖樣中黏土礦物遇水膨脹不會對巖石的孔隙結(jié)構(gòu)造成顯著的影響，對突破壓力沒有明顯影響。

4.2孔隙結(jié)構(gòu)對突破壓力的影響

孔隙大小是影響突破壓力值的主要因素之一。平均孔徑、中值孔徑是反映巖石孔隙大小的重要參數(shù)。平均孔徑為考慮不同孔徑所對應的孔的數(shù)量計算出的加權(quán)平均值；中值孔徑為孔徑分布曲線與橫軸所包圍面積的1/2處所對應的孔徑。通過壓汞試驗測得的三塊砂巖的孔徑分布見圖1，可以看出#16、#13、#11的平均孔徑分別為0.1082 μm、0.3709 μm、0.1287 μm；中值孔徑分別為0.4071 μm、0.8146 μm、0.6146 μm。巖石在飽水的過程中孔徑會發(fā)生變化[22]。在此假設隨著孔隙中充填的水逐漸增加，各個巖心的平均孔徑和中值孔徑大小排序不變。由于上述各個孔徑大小分布特征是對干巖樣測得的，并不能代表樣品在各個含水率值條件下的實際孔徑大小分布。因此，我們只能得到砂巖在含水率為0的條件下突破壓力與孔徑大小的關(guān)系曲線(圖4)。通過曲線擬合，突破壓力Pbt與平均孔徑(Rave)以及中值孔徑(Rm)呈現(xiàn)如下函數(shù)關(guān)系：

采用式(4)、(5)擬合相關(guān)系數(shù)R2分別為0.9562、0.9373。結(jié)果表明孔隙大小和突破壓力有著緊密的聯(lián)系，而且平均孔徑對突破壓力的影響較中值孔徑更為敏感，因此，用平均孔徑而不是中值孔徑來代替孔隙大小對突破壓力的影響更為準確。

圖4 干巖樣的突破壓力與平均孔徑(y1)、中值孔徑(y2)的擬合曲線Fig.4 Fitting curves of breakthrough pressure and average (y1) or medium (y2) pore radius for the dry sample

4.3含水率對突破壓力的影響

從表4可以看出，突破壓力隨著含水率的增加而增大。在巖石飽水的過程中，巖石顆粒表面由于靜電作用會吸附水分子，并在顆粒表面形成水膜。隨著巖石含水率的增大，巖石孔隙中充填的水增加，顆粒表面上的水膜厚度增加[11]，完全被水填充的孔隙的體積也隨著增加，這會導致孔隙有效孔徑減小，從而引起毛細壓力增大。因此隨著巖石含水率的增加，CH4氣體需要更大的突破壓力才能去克服孔隙內(nèi)逐漸增加的毛細壓力。為進一步確定含水率(Sw)與突破壓力(Pbt)的定量函數(shù)關(guān)系，對試驗結(jié)果進行擬合，發(fā)現(xiàn)突破壓力與巖石的含水率的函數(shù)關(guān)系能夠用指數(shù)函數(shù)來描述。圖5中各擬合曲線相關(guān)系數(shù)均超過了0.93，表明了擬合的準確性和有效性。二者之間的函數(shù)方程從圖5可以得到?？山y(tǒng)一寫成式(6)的形式：

其中，a、b均為擬合參數(shù)。為了確定擬合參數(shù)a、b，從以下兩種情況著手分析：

圖5 砂巖突破壓力與含水率的關(guān)系曲線和擬合曲線(y16、y13、y11分別表示#16、#13、#11的擬合曲線方程)Fig.5 Fitting curves and relationship between breakthrough pressures and water saturation for three sandstones

(1)當Sw=0時，突破壓力值等于a的值，結(jié)合式(4)可知a=-0.4826Rave+0.2278。

(2)當Sw=1時，對式(6)兩端同時取對數(shù)，可以得到式(7)：

擬合參數(shù)a、b的值見表5。從表5可以看出，參數(shù)a、b的值隨平均孔徑的變化而變化，參數(shù)a的值隨平均孔徑的增大而減小，而參數(shù)b的值隨著平均孔徑的增大而增大。參數(shù)a的值隨中值孔徑的增大而減小，而參數(shù)b的值隨著中值孔徑的變化不明顯(當中值孔徑由0.4071(#16)到0.6146(#11)增大1.5倍時，b的值基本不變)這說明了中值孔徑與突破壓力之間的相關(guān)性較差，因此，用平均孔徑而不是中值孔徑來代替孔隙大小對突破壓力的影響更為有效。

表5 突破壓力與含水率的模型參數(shù)

從表5中數(shù)據(jù)可知，當平均孔徑由0.1082(#16)到0.3709(#13)增大3.4倍時，a的值減小至原來的近1/3，而b的值僅僅增加至原來的1.22倍，這表明a值隨孔隙大小的變化更明顯，也就是說，在含水率一定時，孔隙大小更多地通過影響參數(shù)a值的變化，從而來影響突破壓力的大小。

5 結(jié)論

(1)孔隙結(jié)構(gòu)是影響巖石突破壓力的主要因素之一。隨著平均孔徑或中值半徑的增加，干砂巖巖石的突破壓力呈線性下降。平均孔徑對突破壓力的影響較中值孔徑更為敏感，用平均孔徑而不是中值孔徑來代替孔隙大小對突破壓力的影響更為準確。

(2)巖石含水率的增大引起突破壓力明顯的增長。本研究得到了突破壓力與含水率之間的定量函數(shù)關(guān)系，突破壓力隨含水率增加呈指數(shù)函數(shù)形式增加。

(3)指數(shù)函數(shù)關(guān)系中參數(shù)a、b都隨孔隙大小的變化而變化，參數(shù)a隨平均孔徑的增大而減小，參數(shù)b隨著平均孔徑的增大而增大。參數(shù)a對孔隙大小的變化更為敏感?？紫洞笮「嗟赝ㄟ^影響參數(shù)a值的變化，從而來影響突破壓力的大小(由于本次研究樣品有限，突破壓力與孔隙大小之間的定量函數(shù)關(guān)系有待于進一步研究)。

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責任編輯

：汪美華

Anexperimentalstudyofthebreakthroughpressureofunsaturatedlow-permeabilitysandstone:acasestudyoftheCarboniferoussandstoneintheeasternQaidamBasin

CHENG Pengju, YU Qingchun

(SchoolofWaterResourcesandEnvironment,ChinaUniversityofGeosciences(Beijing),Beijing100083,China)

Breakthrough pressure is a significant parameter in the processes of gas reservoir exploration and cap rock evaluation. This study investigates the breakthrough pressure of unsaturated low-permeability sandstones through a series of laboratory experiments. Three core samples of low-permeability sandstone were obtained from the Carboniferous sandstone formation in the eastern Qaidam Basin. The breakthrough pressure of each of the samples was tested under six different levels of water saturation. The mineral and clay compositions of the samples were analyzed using the X-Ray Diffraction and X-Ray Fluorescence method. Porosities and pore size distribution of the samples were measured with the He double chamber and mercury intrusion methods. CH4was used in the seepage simulation experiments to measure the absolute permeability of the samples. The results indicate that porosity of the low permeability sandstones ranges from 9.02% to 10.96%. The average pore radius ranges from 0.1082 μm to 0.3709 μm. The permeability ranges from 0.008 mD to 0.012 mD. The breakthrough pressure for the dry sandstone ranges from 0.05 MPa to 0.19 MPa. The breakthrough pressure for the fully saturated sandstone ranges from 1.51 MPa to 2.73 MPa. The pore structure will not be prominently changed by the swelling of the caly mineral and therefore the swelling has little effect on the breakthrough pressure. The pore structure and water saturation are the main factors controlling the breakthrough pressure. The results suggest that there is a negative correlation between the breakthrough pressure and the pore radius, i.e., the increasing average pore radius or medium pore radius will lead to a decreasing breakthrough pressure. A quantitative relationship between the breakthrough pressure and water saturation is obtained. The breakthrough pressure increases exponentially with the water saturation.

breakthrough pressure; pore structure; water saturation; low-permeability sandstone

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.06.12

TU453

A

1000-3665(2017)06-0077-06

2016-11-21;

2017-03-29

國家自然科學基金項目(40772208，41272387)；中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項目(DD2016173)

程鵬舉(1992-)，男，碩士研究生，水文地質(zhì)學專業(yè)。E-mail: chengpj@cugb.edu.cn

于青春(1963-)，男，教授，博士生導師，主要從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)研究。E-mail: yuqch@cugb.edu.cn