熊 鈺 徐宏光 王永清 周文勝 劉 晨 王善善

1. 西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院, 四川 成都 610500;2. 中海石油(中國)有限公司北京研究中心, 北京 100027;3. 中國石油化工股份有限公司中原油田分公司濮東采油廠, 山東 菏澤 274500

0 前言

人造巖心主要有常規(guī)人造巖心和非常規(guī)人造巖心兩種。其中,常規(guī)人造巖心包含膠結(jié)巖心和疏松巖心。膠結(jié)巖心采用膠結(jié)劑膠結(jié)石英砂壓制烘烤而成,膠結(jié)程度較好;疏松巖心以填砂管巖心、黏土膠結(jié)石英砂制作的巖心為主,膠結(jié)程度差,結(jié)構(gòu)疏松。目前學(xué)界對于非常規(guī)人造巖心制備技術(shù)的研究較少。在巖心的制作過程中存在很多影響因素,對巖心的物理特性及滲流特性存在較大的影響。不同的制作方法得到不同類型的人造巖心,其物理特性的主要影響因素也存在一定差別,因此對于各種因素對巖心影響的研究十分必要。在巖心制作過程中,一般以模擬巖心的物理特性為主,但隨著制備技術(shù)的發(fā)展,又考慮了巖心的滲流特性。

目前,常規(guī)領(lǐng)域的人造巖心制備技術(shù)已經(jīng)相對成熟,但有些制備技術(shù)仍需改進完善,而非常規(guī)人造巖心的研究處于初始探索階段,研究較少。該文對現(xiàn)有的巖心制備技術(shù)進行分析比較,綜述不同類型人造巖心的制作方法,探討不同制作方法的特點、巖心物理特性的影響因素以及滲流特性,并對人造巖心研究在各方面的進展進行總結(jié)分析。

1 巖心的物理特性

沉積巖儲集層是地下石油與天然氣的主要儲層,而沉積巖儲層中又以碎屑巖和碳酸鹽巖儲集層為主。目前人造巖心制備以模擬碎屑巖為主。巖石的研究通常從巖石骨架的構(gòu)成出發(fā),在此基礎(chǔ)上研究與滲流、儲集、開采有關(guān)的巖石物理特性。

1.1 巖心的非均質(zhì)性

非均質(zhì)巖石是指研究的整個多孔介質(zhì)空間內(nèi),任意空間點上巖石的所有物理性質(zhì)參數(shù)都不相等的多孔介質(zhì)巖石。通常天然柱狀巖心體積小,不能反映油藏的宏觀非均質(zhì)性等特征,無法模擬油層的真實情況。

鑒于此,皮彥夫[1-2]采用環(huán)氧樹脂膠結(jié)石英砂制作了柱狀巖心、方形巖心等特殊巖心,制作的巖心在非均質(zhì)性上超過天然巖心的代表性。徐洪波等人[3]采用復(fù)合膠結(jié)劑制作了砂巖全巖巖心,解決了因天然巖心非均質(zhì)性導(dǎo)致實驗數(shù)據(jù)無重復(fù)性和可比性的難題。李芳芳等人[4]采用環(huán)氧樹脂膠結(jié)石英砂研制了層內(nèi)、層間、平面非均質(zhì)與實際油藏接近的大尺寸巖心,可代替油藏巖心進行部分模擬實驗,為非均質(zhì)油藏物理模擬實驗提供了新的技術(shù)和手段。非均質(zhì)人造巖心種類多樣,包含各種形狀的巖心以及大尺寸巖心等,其非均質(zhì)性的代表性可以滿足研究的需求。

1.2 巖石的骨架性質(zhì)

對于砂巖類型的儲層巖石,其骨架是由性質(zhì)不同、大小不等的砂粒膠結(jié)而成的。顆粒的大小、排列方法,膠結(jié)物的成分以及膠結(jié)方法等影響到巖心的性質(zhì)。在人造巖心的制作中,眾多研究者對此進行了研究。

長期以來,人們根據(jù)經(jīng)驗定性分析巖心物性與砂粒配比等因素的關(guān)系,定量分析較少。因此,林琪等人[5]提出了理論計算方法,以理想球形模型定量分析了顆粒直徑配比與巖心孔滲的關(guān)系,為砂粒配比提供了理論依據(jù)。但隨著油田勘探的深入,遇到了復(fù)雜泥質(zhì)砂巖儲層,而上述方法采用了理想球形模型,與實際巖石顆粒存在較大差距。于寶等人[6]采用黏土包裹砂礫的方法,形成了混合泥質(zhì)砂巖巖心制作方法。張國新、邱建君等人[7-8]利用儲層松散巖心,在不加黏結(jié)劑的情況下研制出了與儲層物性相似的巖心,并研究了粒徑等對孔滲的影響：壓制壓力一定,砂粒顆粒越大,巖心孔滲越高,但制作的巖心僅是針對河南油田部分儲層。王志勇、馮慶賢等人[9-10]以等徑球形顆粒模型和科澤尼公式為依據(jù)研究了管式填砂巖心和平板填砂巖心,發(fā)現(xiàn)顆粒排列方法和粒徑分布范圍影響巖心孔滲,但其制作巖心主要用于評價堵水調(diào)剖劑的封堵性能。針對上述巖心的局限性,韓學(xué)輝等人[11]利用膠結(jié)劑和黏土覆膜石英砂壓制得到分散泥質(zhì)膠結(jié)疏松砂巖，認為相對壓力而言,粒度是影響孔滲、孔喉半徑的主要因素：隨著粒度中值的減小,骨架顆粒變細,細小顆粒充填在骨架孔隙之間,孔隙體積減小、孔喉半徑變小導(dǎo)致滲透率變小。韓學(xué)輝等人制作的巖心惰性好、成功率高,可為相關(guān)研究提供滿意的樣品。

粒徑對巖心性質(zhì)有較大影響,研究者從定性和定量兩方面進行了分析,巖心的應(yīng)用范圍從局部到整體,取得了較好的效果。另一方面,膠結(jié)劑對巖石顆粒的膠結(jié)以及巖石性質(zhì)有較大影響,樹脂作為膠結(jié)劑在人造巖心的制作中應(yīng)用較早,其中環(huán)氧樹脂是應(yīng)用廣泛且效果較好的膠結(jié)劑[12]。

環(huán)氧樹脂因其固化方便、黏附力強等特點而成為樹脂膠結(jié)劑的主流,在巖心制作中環(huán)氧樹脂將會繼續(xù)得到廣泛應(yīng)用。但環(huán)氧樹脂存在一定缺陷，即耐沖擊損傷能力差,韌性差,耐熱性能較低。針對環(huán)氧樹脂的不足,有學(xué)者研究了磷酸鋁膠結(jié)劑膠結(jié)石英砂的造心方法。磷酸鋁膠結(jié)劑具有不導(dǎo)電,燒結(jié)溫度高,膠結(jié)強度高的特點,采用這種膠結(jié)劑制作的巖心穩(wěn)定性好,抗壓強度高,可滿足高溫高壓條件下的實驗需求,但此種巖心由于燒結(jié)溫度高,存在黏土變性的問題。針對上述膠結(jié)劑的局限,徐洪波等人[13-14]研制出了環(huán)保硅酸鹽類復(fù)合膠結(jié)劑,復(fù)合膠結(jié)劑解決了黏土礦物被膠死與黏土變性的問題。在巖心制作中,復(fù)合膠結(jié)劑會是膠結(jié)劑發(fā)展的一種趨勢。

1.3 巖石的孔隙結(jié)構(gòu)及孔隙性

砂巖中未被固體物質(zhì)占據(jù)的空間,稱為孔隙。巖石孔隙空間主要由孔隙和喉道組成。在人造巖心的發(fā)展中,許多學(xué)者從模擬儲層巖心的孔隙結(jié)構(gòu)和孔隙性入手,取得了一定成果。

唐仁騏等人[15]采用石英砂和磷酸鋁膠結(jié)劑完善了LC巖心,其孔隙結(jié)構(gòu)與天然巖心孔隙結(jié)構(gòu)接近,具有較好的重復(fù)性和可靠性,但主要針對勝坨油田主力油層。隨著三次采油的開展,人們希望人造巖心的孔隙結(jié)構(gòu)與天然巖心能更加接近,于是開展了含黏土人造巖心的研制。唐仁騏等人[16]研制出了HNT巖心,該巖心的孔隙結(jié)構(gòu)與天然巖心的孔隙結(jié)構(gòu)相似,其中影響巖心孔隙結(jié)構(gòu)的因素是膠結(jié)物含量和黏土含量。蔣志斌等人[17]用河砂和不銹鋼管填制成不同物性級別的巖心,巖心孔隙結(jié)構(gòu)等參數(shù)與儲層巖心的參數(shù)相似。

影響人造巖心孔隙結(jié)構(gòu)及孔隙性的主要因素是砂粒的磨圓度、壓制壓力、膠結(jié)物含量和黏土含量。砂粒的磨圓度對孔隙的形狀有很大影響,特別是對孔隙和孔隙之間的連通喉道有明顯的作用,砂粒磨圓度越好,其分選也好,孔隙度越好。壓制壓力越大,巖心孔喉越小。砂巖中的膠結(jié)物含量和黏土含量也是使巖石孔隙度降低的重要因素,隨著膠結(jié)物、黏土含量的增加,粒間孔隙會被填充,使巖石的孔隙與喉道變小。

1.4 巖石的滲透性

滲透性是表示巖石在一定壓差下,允許流體通過的性質(zhì),滲透性的大小用滲透率來表示。滲透率是衡量制作巖心能否代表儲層巖心的關(guān)鍵因素之一。巖心的滲透率受多種因素的影響,學(xué)者對此進行了研究。

盧祥國等人[18]研究了環(huán)氧樹脂膠結(jié)人造巖心滲透率的影響因素,其主次順序為:砂型、膠結(jié)物含量、壓制壓力、加壓時間。隨著膠結(jié)物含量降低、壓制壓力減小、砂粒粒徑增加和加壓時間縮短,巖心滲透率增大,其研究對后續(xù)制心具有重要的應(yīng)用價值。徐洪波等人[13-14]認為影響巖心滲透率的因素依次為膠結(jié)劑用量、壓力、時間,與盧祥國等人的研究結(jié)果相似。而韓學(xué)輝[11]的研究認為巖心滲透率的影響因素是壓制壓力、巖石粒度中值和泥質(zhì)含量,其又考慮了泥質(zhì)含量的影響。研究表明，影響巖心滲透率的因素有砂型、膠結(jié)物含量、壓力、時間、泥質(zhì)含量、膨潤土等。不同類型人造巖心滲透率的影響因素略有差異,但主要的影響因素相同。滲透率隨著膠結(jié)物含量、壓力和時間的增大而減小。

1.5 巖心的敏感性

在油井勘探開發(fā)各個環(huán)節(jié)中,儲層會與不同入井流體接觸,當(dāng)流體與儲層不匹配時,會傷害儲層,導(dǎo)致滲流能力下降,損害油井產(chǎn)能。為保護儲層,需對巖心的敏感性進行評價,找出儲層潛在的問題,向鉆、完井等提出推薦措施。因此,對于人造巖心敏感性的研究也十分重要。巖心的敏感性是基于黏土礦物的特征體現(xiàn),確定其能否具有天然巖心的敏感特性,可以采用不同礦化度的水溶液開展敏感性評價實驗。

巖心的敏感性主要是由敏感性礦物引起的,可通過控制黏土礦物的類型和含量來調(diào)節(jié)巖石的敏感性。目前人造巖心敏感性的研究主要集中在鹽敏、速敏、水敏,但研究較少,人造巖心敏感性研究有待進一步開展。

1.6 巖石的其他物理特性

巖石的其他物理特性主要包括巖石的聲學(xué)特性、力學(xué)特性等,這些特性與油氣藏勘探開發(fā)有著密切的聯(lián)系。為此,在巖心的制作中,許多學(xué)者也考慮了這些特性并進行了研究。

巖石密度是決定地層聲速大小的重要因素,巖石密度越大,聲波速度越大。由于不同巖石的彈性和密度不同,因此當(dāng)聲波在巖石中傳播時,各類巖石中聲波的傳播速度也不同。趙群[20]利用超聲物理模擬技術(shù)制作了微弱膠結(jié)疏松砂巖巖心。疏松砂巖的彈性波速度對孔隙度的依賴性較弱,膠結(jié)物的性質(zhì)對巖石物性有重要影響。司文朋等人[21]利用超聲波透射法研究了人造巖心的聲學(xué)性質(zhì),認為顆粒大小、環(huán)氧樹脂配比以及壓力大小是控制人造砂巖縱橫波速度的重要參數(shù)。

巖石在力的作用下會發(fā)生變形,隨著力的進一步增大,變形量增加,當(dāng)力和形變超過一定界限時,巖石會發(fā)生破壞。巖石在地層條件下受力狀態(tài)復(fù)雜,受到地層壓力與上覆巖石壓力的作用。隨著開發(fā)的進行,巖石的物性會隨著應(yīng)力的改變而變化,從而影響產(chǎn)能,因此研究巖石的力學(xué)性質(zhì)具有重要的意義。唐仁騏[16]制作的HNT巖心抗壓強度達到10 MPa以上,認為一般膠結(jié)劑越多、黏土越少,巖心抗壓強度越大。趙群[20]的研究顯示溫度過低,巖石顆粒膠結(jié)程度不夠,固結(jié)強度較低;溫度過高,巖心將變得松散,抗壓強度明顯降低。程林峰等人[22]采用磷酸鋁膠結(jié)劑制作了高滲抗壓強度高的巖心,但巖心沒有黏土礦物。而后熊鈺、徐宏光等人[23-25]在研究疏松砂巖樣制備時提出考慮地層水的影響,使制作巖心承壓能力和變形能力符合疏松砂巖性質(zhì),且測試顯示其力學(xué)性質(zhì)等也符合疏松砂巖巖心的特點。

為得到與儲層力學(xué)性質(zhì)相近的巖心,在制樣時需考慮壓力、膠結(jié)物、黏土、溫度與巖石力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系。壓制壓力越大、膠結(jié)物含量越大、黏土含量越少、膠結(jié)溫度適中,顆粒排列越緊密,顆粒之間的固結(jié)程度越高,巖石的抗壓強度越大。

2 巖心的滲流特性

巖石顆粒細、孔道小,使得巖石有巨大的表面,流體本身是多組分的不穩(wěn)定體系,在孔道中會出現(xiàn)多相,會造成巖石中流體各相之間、流體與巖石顆粒之間存在多種界面,表現(xiàn)出與界面現(xiàn)象有關(guān)的界面張力、潤濕作用等,對流體在巖石中的分布和流動產(chǎn)生重大影響。人造巖心的滲流特性也是制作中模擬的重要因素。

3 非常規(guī)巖心

非常規(guī)領(lǐng)域人造巖心技術(shù)難度大,準確性差,研究較少。目前的研究涉及天然氣水合物巖心、泥頁巖巖心等。天然氣水合物巖心獲取異常困難,導(dǎo)致許多研究無法進行。因此,鄭明明等人[26]采用石英砂、環(huán)氧樹脂和聚酰樹脂,研制出了水合物巖心。其中,對滲透率影響的主次順序依次為膨潤土、壓力、砂型、時間和黏結(jié)劑;對孔隙度影響的主次順序依次為壓力、膨潤土、黏結(jié)劑和時間。對于泥頁巖,缺乏公認的代表性強的泥頁巖標準巖心。邱正松等人[27]改進了泥頁巖穩(wěn)定指數(shù)評價方法中巖心的制備方法,得到了高、低含水人造巖心。巖心的微觀孔隙尺度、含水量與實際地層泥頁巖的微觀孔隙尺度、含水量相近。目前關(guān)于非常規(guī)巖心的研究有限,相關(guān)制備技術(shù)有待深入研究。

4 巖心的制作及應(yīng)用

在前人研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合國家重大專項的研究需求,進行了弱膠結(jié)疏松柱塞巖心和三維大尺寸巖心的制作及應(yīng)用。根據(jù)巖心尺寸與儲層巖心性質(zhì)進行模具制作、骨架顆粒選取、配料、裝模、壓制、烘烤以及測試等,得到成型巖心,包括柱塞巖心(圖1)、三維大尺寸巖心(圖2)。巖心代表性測試可參考熊鈺、徐宏光等人[23-25]的研究,制作的巖心在孔隙度、滲透率(表1)、力學(xué)性質(zhì)(圖3)以及滲流特性(圖4)等方面與儲層性質(zhì)相似,可替代儲層巖心進行室內(nèi)實驗研究。

圖1 不同批次的疏松人造巖心

圖2 成型三維大尺寸人造巖心

表1儲層巖心及人造巖心物性參數(shù)

編號孔隙度/(%)氣測滲透率/10-3μm2C?1322805C?2311891C?3311651A?13192306A?23131874A?33111672

圖3 人造巖心應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖4 儲層巖心和人造巖心相對滲透率曲線

5 結(jié)論

1)有效表征人造巖心與天然巖心相似性的參數(shù)須從宏觀、微觀以及滲流三方面考慮:宏觀特征的主要考慮因素為滲透率、孔隙度、力學(xué)性質(zhì)；微觀特征的重點因素為孔隙結(jié)構(gòu)；滲流特性的主要表征為潤濕性、相滲曲線與毛管壓力曲線。而其它參數(shù)根據(jù)儲層的特殊性針對性地考慮。

2)膠結(jié)劑膠結(jié)砂粒制作的巖心膠結(jié)程度較好,可滿足不同儲層條件下的實驗研究,但難以制作疏松砂巖樣;人工填砂制作的疏松巖心可用于疏松砂巖油藏的研究,但此種巖心幾乎沒有承壓能力,與實際疏松儲層存在較大差距,研究中制作的疏松柱塞巖心解決了這一問題。

3)不同類型標準巖心制作技術(shù)比較成熟,但標準巖心適用于微觀研究,不能用于注采井網(wǎng)等宏觀特征的研究,尤其是能夠進行原地條件下實驗的膠結(jié)三維大尺寸巖心,目前研究較少,此類巖心的制作和應(yīng)用是人造巖心的一個難點。本文展示了研制的三維大尺寸巖心,制作的巖心在十三五國家重大專項關(guān)于疏松砂巖儲層原地條件下的室內(nèi)實驗研究中得到了較好的應(yīng)用。

4)非常規(guī)人造巖心的難點在于沿用常規(guī)的制作方法無法得到所需巖心,需要開發(fā)新技術(shù)與新設(shè)備。巖石微觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜,物理模擬始終與天然巖石存在一定差距,而虛擬巖石物理可進行物理實驗的數(shù)字仿真。因此,結(jié)合虛擬巖石物理和物理實驗來解決油氣勘探開發(fā)中的實際問題是一種趨勢。

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