查 明, 蘇 陽, 曲江秀, 丁修建, 朱玉雙

(1.中國石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東青島 266580; 2.西北大學(xué)大陸動力學(xué)國家重點實驗室,陜西西安 710069)

油氣運移由于其復(fù)雜性一直是石油地質(zhì)研究中的薄弱環(huán)節(jié),物理模擬試驗在油氣運移機制研究中具有重要作用和意義[1-5]。油氣在儲層中的運移方式受儲層孔喉結(jié)構(gòu)控制,真實砂巖微觀模型保留了巖心的孔隙結(jié)構(gòu)特征、巖石表面物理性質(zhì)及大部分的填隙物,能夠記錄驅(qū)替過程中流體在二維孔隙網(wǎng)絡(luò)中的運移方式、運移路徑、分布特征及滲流規(guī)律[6-7]。目前真實砂巖微觀模型主要應(yīng)用在低滲透儲層微觀非均質(zhì)性[8-9]、微觀滲流特征及驅(qū)油效率等方面[10-11],對致密儲層孔隙介質(zhì)內(nèi)油驅(qū)水過程鮮有報道。筆者利用真實砂巖微觀模型,開展不同驅(qū)替壓力條件下油驅(qū)水試驗,對致密儲層中石油的運移過程及主控因素進行研究,旨在豐富致密油運聚機制。

1 地質(zhì)背景

吉木薩爾凹陷位于準噶爾盆地西南緣,是中國西部重要的非常規(guī)油氣資源富集區(qū)[12-13]。凹陷南、北、西三面邊界均為斷裂,吉木薩爾斷裂為北邊界,與沙奇凸起毗鄰,老莊灣斷裂和西地斷裂為西邊界,緊鄰北三臺凸起,三臺斷裂為南邊界,而東邊沉積地層逐漸尖滅于古西凸起,面積約為1 300 km2(圖1)。吉木薩爾凹陷經(jīng)歷了多次構(gòu)造抬升與沉降,受周邊邊界斷裂和石炭系基底構(gòu)造格局的控制,形成了一西斷東超的箕狀凹陷[14]。研究區(qū)中二疊統(tǒng)蘆草溝組是一套細粒混合沉積巖,巖石組分多樣,巖石類型復(fù)雜[15-16]。儲集層主要分布于蘆草溝組一段二層組(P2l12)和二段二層組(P2l22)內(nèi)的“甜點段”,氣測孔隙度主要分布在6.09%～ 25.79%,氣測滲透率以小于1×10-3μm2為主,氣測孔隙度和滲透率相關(guān)性較差,屬于典型的致密儲層[17]。油源對比結(jié)果表明“甜點段”原油來源于緊鄰烴源巖,烴源巖與儲集層緊密接觸,這種配置組合對石油的運聚十分有利[18-19]。

圖1 吉木薩爾凹陷區(qū)域位置與蘆草溝組巖性綜合柱狀圖Fig.1 Location of Jimsar sag and lithological histogram of Lucaogou formation

2 試驗樣品與試驗方法

2.1 試驗裝置

油水驅(qū)替試驗系統(tǒng)包括真實砂巖模型、抽真空系統(tǒng)、加壓系統(tǒng)、顯微觀察系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)[8,20]。首先對巖心進行抽提和烘干預(yù)處理,經(jīng)切片和磨平后固定在兩片透明玻璃間,制作真實砂巖微觀孔隙模型。該微觀模型直徑約為2.5 cm,厚度約為0.06 cm,最大承受壓力0.25 MPa,耐溫200 ℃。利用抽真空壓力泵將模型抽真空,以減少試驗過程中氣體對試驗結(jié)果造成的誤差。利用氮氣瓶對模型施加驅(qū)替壓力,數(shù)字壓力儀控制壓力大小。通過顯微鏡和圖象采集系統(tǒng)組成的可視化界面,觀察流體在實際儲層巖石孔隙空間的流動特征[9,20],對油水驅(qū)替過程、壓力等重要信息進行記錄和采集(圖2)。

圖2 真實砂巖微觀模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of authentic sandstone micro-model

2.2 試驗條件與參數(shù)

試驗樣品來自于蘆草溝組甜點段,孔隙度為11.26%,滲透率為0.012×10-3μm2。地層水水型主要為NaHCO3型,礦化度平均為12 g/L,根據(jù)地層水中各離子的平均濃度配置試驗用水,為便于觀察,配制時加入少量甲基蘭,使水呈現(xiàn)藍色。試驗用油為模擬油,黏度約為8.5 mPa·s(20 ℃),為便于觀察,試驗用油中加入少量油溶紅,使油呈現(xiàn)紅色。

2.3 試驗方法

首先利用抽真空壓力泵對模型抽真空,隨后將模型一端封閉(圖2),試驗用水依靠抽真空時產(chǎn)生的低壓由另一端進入模型。保持模型出水端封閉,進水端與刻度管相連,使刻度管中的試驗用水在壓力差下進入模型至飽和。在模型充分飽和水后,將模型置于顯微鏡工作臺,利用圖像采集系統(tǒng)對模型全視域及局部視域進行錄像和拍照。隨后在進水端接裝有試驗用油的刻度管(最小刻度為0.2 mL),并通過壓力系統(tǒng)對模型施加壓力,開展油驅(qū)水試驗。試驗過程中不斷加大壓力,在記錄壓力的同時實時觀測試驗進程,直至模型內(nèi)波及面積不再擴大且模型兩端進出油量相等時結(jié)束試驗。

3 結(jié)果分析

3.1 孔隙結(jié)構(gòu)特征

選取樣品的巖石類型為含凝灰質(zhì)粉砂巖,主要由石英、長石、白云石等礦物組成,粉砂級長英質(zhì)礦物與火山碎屑組分混積,其中陸源碎屑組分約占80%,火山碎屑組分約占15%,碳酸鹽組分約占5%。凝灰質(zhì)、鉀長石等不穩(wěn)定組分易發(fā)生溶蝕,形成了大量粒間、粒內(nèi)溶孔,局部發(fā)育鑄?？?孔喉形狀多不規(guī)則(圖3)。樣品的氣測孔隙度為11.26%,滲透率為0.012×10-3μm2,根據(jù)鏡下鑒定及微米CT二維切片分析,其面孔率主要分布在9.20%～16.30%,平均為12.33%?？缀戆霃匠孰p峰式分布,具有微納米孔喉共存的特點,其中孔隙半徑多小于5 μm,半徑大于10 μm的孔隙對總孔隙體積貢獻度大于90%(圖4 (a))。由微米CT數(shù)字巖心孔隙網(wǎng)絡(luò)模型可知,樣品孔喉連通性較好,連片狀孔隙發(fā)育,孔隙連通率大于70%,配位數(shù)主要分布在1～10,最大配位數(shù)為25(圖4(b))。

圖3 蘆草溝組致密儲層孔隙結(jié)構(gòu)特征Fig.3 Pore structure characteristics of tight reservoirs in Lucaogou Formation

圖4 蘆草溝組致密儲層孔喉半徑及配位數(shù)分布Fig.4 Pore throat size and coordination number distribution of tight reservoir in Lucaogou Formation

3.2 模型含油飽和度變化特征

真實砂巖微觀模型油驅(qū)水過程代表在一定驅(qū)替壓力條件下石油在儲層中的運聚過程,實現(xiàn)儲層孔隙和喉道內(nèi)石油運移過程及分布特征的可視化。通過對比模型全視域及局部圖像,分析二維運移方向上石油的推進方式及含油飽和度變化特征[21],探討孔隙介質(zhì)中石油的運移過程[7,22]。

由圖5模型中油水分布特征可知,由于微觀孔隙結(jié)構(gòu)的差異,在孔隙結(jié)構(gòu)差、滲透率低的區(qū)域進水(油)很少甚至不進水(油),表明儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)對石油運移具有重要的控制作用。在持續(xù)油源供給和驅(qū)替壓力不斷增大的條件下,在孔隙結(jié)構(gòu)好、滲透率高的區(qū)域,模型含油性好,含油飽和度可高達75%(圖5)。

圖5 真實砂巖微觀模型含油飽和度變化特征Fig.5 Changes of oil saturation of authentic sandstone micro-model

3.3 石油運移特征

通過觀察不同時刻不同壓力條件下模型油驅(qū)水過程,認為石油運移過程具有以下特征:石油在孔隙間呈跳躍式前進、發(fā)育優(yōu)勢運移路徑、石油沿優(yōu)勢運移路徑向四周運移;由同一局部視域在不同壓力條件下的油水分布特征可知,在驅(qū)替壓力較低的條件下,石油主要沿著儲層中孔隙半徑較大且連通性較好的粒間孔隙網(wǎng)絡(luò)前行,在石油運移方向上油驅(qū)水速度存在差異,跳躍式運移現(xiàn)象明顯,發(fā)育優(yōu)勢運移路徑,儲層含油飽和度低(圖6(a)、(b)和圖7(a)、(b));驅(qū)替壓力增大導(dǎo)致石油逐漸進入儲層中的微孔隙,孤立狀或多孔狀油珠逐漸與后續(xù)油柱匯合,在網(wǎng)狀運移路徑上形成連續(xù)油柱,儲層含油飽和度增加(圖6(c)、(d)和圖7(c)、(d))。

圖6真實砂巖微觀模型局部視域(區(qū)域a)Fig.6 Partial view of authentic sandstone micro-model(area a)

圖7 真實砂巖微觀模型局部視域(區(qū)域b)Fig.7 Partial view of authentic sandstone micro-model(area b)

在p=105 kPa壓力條件下對模型中不同時刻油水分布進行實時記錄發(fā)現(xiàn),石油在孔隙間的移動呈跳躍式,跳躍式運移過程表現(xiàn)為石油突破喉道、充注孔隙并發(fā)生卡斷,石油呈孤立狀分布在單個孔隙中,或呈多孔狀分布在相連通的多個孔隙中(圖8)。跳躍式運移的速度很快,通常石油從一個孔隙運移至緊鄰孔隙中僅需要幾毫秒,具有瞬時性。在油驅(qū)水試驗初期,在初始壓力條件下(p=105 kPa),石油進入儲層孔隙后,優(yōu)先選擇毛細管阻力最小的孔喉進入,油珠多分布在孔隙中央,后續(xù)石油不斷進入孔隙,油珠體積逐漸增大,并為下一次“跳躍”事件積攢能量和物質(zhì)條件。隨著充注時間的推移,分布在優(yōu)勢運移路徑上的孤立油珠逐漸合并,形成多孔狀或網(wǎng)絡(luò)狀油簇。在外界驅(qū)替壓力不變的情況下,油驅(qū)水過程中發(fā)生的跳躍式運移現(xiàn)象說明石油在微觀孔隙中的流動受局部毛細管力控制,而且由于儲層孔隙結(jié)構(gòu)的強非均質(zhì)性,這種現(xiàn)象在運移過程中多次出現(xiàn)。外界驅(qū)替壓力較低時,儲層孔隙充滿程度較低,石油易沿著孔徑較大的孔喉形成優(yōu)勢運移路徑,優(yōu)勢運移路徑上孔隙充滿程度較高(圖8)。

在增大驅(qū)替壓力(如170 kPa)后,儲層喉道處卡斷現(xiàn)象發(fā)生的頻率變低,石油主要以連續(xù)相發(fā)生流動。石油可沿一條或多條路徑同時向前推進,若某一條運移路徑前方孔喉半徑變小,因油水界面處毛細管壓差不足以克服喉道的臨界毛細管力,石油暫時停止沿該路徑向前運移(圖9(a)、(b)),外界壓力驅(qū)使石油不斷進入儲層,油水界面前緣壓力的聚集使得石油突破喉道,繼續(xù)向前移動(圖9(c)、(d))。這些運移路徑在向前推移過程中形成多個分支,分支交叉合并使得石油的運移路徑迂回曲折,呈網(wǎng)狀式分布(圖9(d)),繼續(xù)增大驅(qū)替壓力,石油主要沿已形成的路徑網(wǎng)絡(luò)運移至周邊孔隙中,提高儲層整體的含油飽和度(圖6(d))。

圖8 壓力p=105 kPa條件下不同時刻真實砂巖微觀模型中油水分布Fig.8 Oil and water distribution of authentic sandstone micro-model at different moments under pressure of 105 kPa

圖9 壓力p=170 kPa條件下不同時刻真實砂巖微觀模型中油水分布Fig.9 Oil and water distribution of authentic sandstone micro-model at different moments under pressure of 170 kPa

4 討 論

4.1 石油流動機制

孔隙介質(zhì)中兩相流體流動受多種因素影響,如流體物理性質(zhì)、界面張力、孔隙結(jié)構(gòu)、巖石潤濕性及孔隙表面粗糙程度等[23-24]。Lenormand R等[23]認為毛細管數(shù)和黏度比是影響二維微觀模型中兩相流驅(qū)替過程的兩個最為重要的因素,根據(jù)毛細管數(shù)和黏度比圖版將流體驅(qū)替方式劃分為穩(wěn)定驅(qū)替、黏性指進和毛細管指進[23]。若毛細管數(shù)很小時(一般小于10-6),孔隙介質(zhì)中流體流動主要受控于毛細管力,孔隙尺度表面張力不穩(wěn)定導(dǎo)致流體驅(qū)替過程變得不連續(xù),且流體向模型的各個方向發(fā)生移動,流體流動機制為毛細管指進。

蘆草溝組致密儲層中石油的流動機制為“毛細管指進”,孔隙介質(zhì)中石油的流動主要受毛細管力控制,其典型特征為“逾滲式”侵入,表現(xiàn)為非潤濕性流體(即石油)按照連通孔喉的大小次序先后進入孔隙,優(yōu)先進入大孔喉。石油在流動時表現(xiàn)為不連續(xù)的突破式流動,正如真實砂巖微觀模型中油水界面前緣處石油發(fā)生跳躍式運移。石油空間分布特征表明油水界面前緣的移動不僅僅與充注方向一致,在局部還與充注方向相反,即石油從大孔隙中向四周小孔隙中發(fā)生移動,這也說明石油運移主要受局部流體動力學(xué)控制。

根據(jù)毛細管指進與“逾滲式”侵入的概念模式,隨著石油注入孔隙過程的推進,不連續(xù)的非潤濕相(石油)團簇逐漸匯聚合并至連續(xù)的非潤濕相主體中[25]。在蘆草溝組致密儲層中,隨著驅(qū)替壓力的不斷增大,石油不斷向已充注孔隙的周邊連通孔隙中運移,由低壓力條件下相互獨立的小油簇逐漸形成連通的大油簇(圖6、8)。在石油運移過程中,外界驅(qū)替壓力可轉(zhuǎn)換成能量從巖心入口端不斷向油水接觸界面方向傳遞,在石油運移狀態(tài)達到準靜態(tài)平衡時,可認為外界驅(qū)替壓力與油水界面前緣毛細管壓差大致相同,外界驅(qū)替壓力不斷增大導(dǎo)致孔隙中油水界面前緣毛細管壓差逐漸增大,根據(jù)Young-Laplace方程,石油會優(yōu)先驅(qū)替與巖心入口端相連通大孔中的地層水,隨后緩慢驅(qū)替連通小孔中的地層水,儲層整體含油性隨著驅(qū)替壓力的增大而增大(圖5)。

由于石油在孔隙中的流動受局部毛細管力控制,根據(jù)Young-Laplace方程,毛細管力與界面張力呈正相關(guān),與孔喉有效半徑呈負相關(guān)。在油水界面前緣抵達狹窄喉道時,油水界面前緣處毛細管壓差會有一個持續(xù)增加的過程,直至兩相流體間的毛細管壓差大于喉道臨界毛細管力,油水界面會迅速穿過喉道進入鄰近孔隙中,發(fā)生跳躍式運移(圖10(a)、(b)),此時由于油水界面前緣曲率減小,非潤濕相的毛細管力驟然降低。

圖10 孔隙介質(zhì)中流體充注次序示意圖Fig.10 Schematic diagram of sequence of fluid filling porous media

根據(jù)能量守恒原則,油水界面前緣部分與主體分離引起的能量不平衡勢必會導(dǎo)致孔喉中流體的重新分布,喉道重新被水占據(jù),界面前緣油滴與主體分離,即發(fā)生卡斷,分離后的油滴充填孔隙的中間部分,形成不連續(xù)油簇(圖10(c))。喉道處的油水界面前緣繼續(xù)累積能量,直至下一次卡斷事件發(fā)生,石油不斷充填孔隙(圖10(d)～(f)),為進入下一個喉道做準備,因此孔隙中石油的運移具有瞬時性和階段性。真實砂巖微觀模型試驗結(jié)果表明石油運移過程中存在的“瞬時”現(xiàn)象在很短的時間和很小的尺度上就可發(fā)生,其對石油連續(xù)性分布及孔隙占有率影響較大。

4.2 石油運移過程的主控因素

根據(jù)真實砂巖微觀模型試驗分析結(jié)果,致密油的運移過程主要受孔隙結(jié)構(gòu)和外界驅(qū)替壓力的控制?？紫督Y(jié)構(gòu),尤其是局部孔隙幾何結(jié)構(gòu),對流體流動機制具有明顯的控制作用。根據(jù)幾何形態(tài)學(xué)定義將孔隙空間劃分為孔隙和喉道,真實砂巖微觀模型試驗結(jié)果表明石油跳躍式運移既可發(fā)生在單孔中也可發(fā)生在多個相連通的孔隙中(圖6、8),后者的發(fā)生可能是協(xié)同式的,包含多個單孔(幾何形態(tài)學(xué)孔隙),這種跳躍式運移主要受孔喉結(jié)構(gòu)控制,多發(fā)生在孔喉比較小的區(qū)域(圖8)。致密儲層孔隙結(jié)構(gòu)具有很強的非均質(zhì)性(圖3、5),其孔喉尺寸分布范圍較廣(圖4),在油驅(qū)水過程中,非潤濕相(油相)穿過狹窄孔隙喉道時需要克服較高的臨界毛細管力,正是由于狹窄喉道的“限流”作用導(dǎo)致油水前緣在運移過程中發(fā)生跳躍式運移。而且狹窄喉道極不均勻地分布在儲層中,受狹窄喉道控制,非潤濕相呈孤立狀或多孔狀極不均勻地分布在孔隙系統(tǒng)中(圖8)。

在孔隙結(jié)構(gòu)一定的情況下,外界施加的驅(qū)替壓力和局部壓力場以特定方式影響石油運移過程。在石油運移過程中常發(fā)生跳躍性事件,油水界面前緣發(fā)生跳躍的過程會引起油水界面附近局部應(yīng)力場的不穩(wěn)定,這種局部壓力場的變化反過來也會影響孔隙尺度非穩(wěn)定事件發(fā)生的數(shù)量和次序。在一次跳躍性事件中,油水界面具有的彈性能轉(zhuǎn)化為充填孔隙的動能,受慣性力和黏性力影響,動能最終被損耗掉,油珠會停止運動,充填在孔隙中(圖8),同時喉道處油水界面毛細管壓差(局部)的不斷積累為下一次跳躍性事件的發(fā)生做準備;而外界施加的驅(qū)替壓力可決定單位橫截面積在單位時間內(nèi)發(fā)生跳躍性事件的數(shù)量[26],影響巖心中石油的運移方式。在低壓力條件下,石油驅(qū)替孔隙中的地層水多以快速不可逆的方式(跳躍式)進行,因跳躍事件的發(fā)生將損耗大部分能量,所以石油運移范圍小;而增大壓力后,跳躍性事件發(fā)生的頻率變緩,石油緩慢充填孔喉驅(qū)替地層水,運移范圍變大(圖6～8)。在準靜態(tài)條件下,認為外界驅(qū)替壓力是局部油水毛細管壓差的最大值,控制著油水界面所能突破的最小孔喉半徑。另外油水驅(qū)替過程中孔隙的充填過程不僅受控于孔隙自身的結(jié)構(gòu)特征,還受鄰近孔隙網(wǎng)絡(luò)中流體分布特征的影響,即油水界面處“緩沖”的石油體積是否足以觸發(fā)下一次局部流體重新分配的發(fā)生。由于快速孔隙充填事件的發(fā)生將消耗系統(tǒng)能量,外界施加持續(xù)不斷的驅(qū)替壓力會提供持續(xù)的油源補給,進而能夠增大油水界面的毛細管壓差,提高喉道處油相相對于水相的競爭能力,控制油水相對滲透率變化,有利于孔隙介質(zhì)中油驅(qū)水過程的進行。

5 結(jié) 論

(1)蘆草溝組巖性為含凝灰質(zhì)粉砂巖的致密儲層中溶孔發(fā)育,微納米孔喉共存,孔喉連通性較好,但孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性較強,導(dǎo)致真實砂巖微觀模型中油水分布的不均一性,孔隙發(fā)育,滲透率高的區(qū)域,含油性好,整體上含油飽和度可高達75%。

(2)低驅(qū)替壓力條件下石油運移呈明顯“跳躍式”,石油優(yōu)先選擇孔隙半徑較大且連通性較好的粒間孔隙網(wǎng)絡(luò)向前推進,發(fā)育優(yōu)勢運移路徑,石油呈孤立狀分布在孔隙中央,或呈多孔狀分布?！疤S式”運移具有瞬時性,且在運移過程中多次發(fā)生,整體上儲層含油飽和度低。驅(qū)替壓力增大使得孤立狀分布的油簇逐漸發(fā)生合并,發(fā)育多條運移路徑,油水界面前緣仍呈現(xiàn)跳躍式移動,運移路徑發(fā)生交叉合并,石油沿優(yōu)勢運移路徑向四周運移。

(3)蘆草溝組致密儲層中石油的流動機制為“毛細管指進”,石油運移過程主要受控于孔隙結(jié)構(gòu)和外界驅(qū)替壓力。油驅(qū)水過程中“跳躍式”運移會消耗系統(tǒng)能量,外界施加的壓力可為“跳躍式”運移提供能量和物質(zhì)補給,增大油水界面的毛細管壓差,不斷突破孔徑較小的喉道,擴大石油的分布范圍。