吳 偉, 李英杰, 肖文華, 魏浩元, 張 虔, 牟明洋, 刁春梅

(1.中國石油集團測井有限公司測井應用研究院,西安 710000;2.玉門油田公司勘探開發(fā)研究院,酒泉735000)

由于儲集巖的孔隙空間由極細小的孔隙和喉道組成，相當于毛細管，因此毛管壓力在油氣的運移、勘探及開發(fā)提高采收率中，都無疑是一種極重要的力[1-4]。測定毛管壓力的方法較多，如離心機法、半滲透隔板法、蒸汽壓力法及壓汞法。其中壓汞法由于測量速度快、測量范圍大等優(yōu)點，是目前最常用的測定毛管壓力方法。試驗時，將經過抽提烘干的巖樣放入密封的真空巖心室，將汞推入巖心室使其淹沒巖樣，然后逐級加壓并測量水銀液面的標記線。但是由于巖樣表面不規(guī)則，在加壓初始階段，汞首先會填滿巖樣表面的各種凹槽。該部分進汞量沒有進入巖石孔隙，不能反應巖樣的真實飽和度，這一現象[5]稱為“麻皮效應”?！稁r石毛管壓力曲線的測定》(SY/T 5346—2005)已經明確在壓汞資料的運用過程中應當進行麻皮效應校正。

中外文獻中關于巖心麻皮系數的校正研究較少。張關根等[1]最早提出了麻皮效應對壓汞資料的影響。1988年《石油勘探與開發(fā)》刊出的該文關于麻皮系數的影響研究過去30多年，當初的理論方法和研究手段不是很成熟。胡勇等[2]、Bardin等[3]通過對平均毛管壓力曲線展開分類研究，優(yōu)化了流體飽和度的計算模型；Harsha等[4]、張濤等[5]研究了壓汞法測定飽和度的各種影響因素，實際包括麻皮效應。近些年一些文獻雖然提到了麻皮效應會對壓汞資料產生影響[6-10]，但是對于麻皮系數具體是怎么得到的，缺少更為詳細透徹的分析。筆者以巖樣J函數曲線為基礎，詳細分析了油藏平均毛管壓力、排驅壓力以及麻皮效應的影響區(qū)間，給出了影響油藏飽和度的麻皮系數具體量化標準。

1 麻皮效應的產生

1.1 利用巖石物理模型分析麻皮效應現象

汞具有很高的表面張力，不潤濕巖石，屬于非潤濕相，不加壓力它不會自動進入巖石孔隙。麻皮效應表現為壓汞實驗初始階段，進汞量的增加是由于非潤濕相汞在巖樣粗糙表面坑凹處的貼合而引起的虛假進汞體積。隨著真空狀態(tài)下巖樣逐漸被汞淹沒，坑凹被填滿，但此時汞并沒有真正進入孔隙系統(tǒng)。所以在總進汞量中必須把這部分虛假進汞量去除，否則會造成進汞飽和度數值偏大。一般地，麻皮效應與巖石性質有關，巖性越細，分選性越好，磨圓度越高，巖石表面就越光滑，產生的麻皮效應也越弱。

圖1所示為簡化的巖石物理模型。巖石體積由巖石骨架、孔隙、裂縫組成，模型示意巖石表面有兩處缺口。a處為巖石表面顆粒的坑凹處，直徑為r，該處并沒有連通到巖石孔隙系統(tǒng)，這類凹槽是產生麻皮效應的主要因素，一般由巖樣表面天然坑凹或者震動造成的礫石脫落形成；b處為巖石表面與孔隙系統(tǒng)連通處，隨著壓力增加，汞從b處進入孔隙系統(tǒng)。真空實驗中，壓入的汞首先會填滿a處虛線所示的凹槽。忽略凹槽表面的靜壓差和真空度，這部分的進汞量就是壓汞實驗測量值增加的虛假體積，即麻皮效應；b處所示缺口是汞正常進入孔隙系統(tǒng)的通道。隨著實驗壓力繼續(xù)增加，汞克服b所示缺口表面的張力，進入與此連通的孔隙。突破點的壓力等于巖石的排驅壓力，隨著壓力超過排驅壓力，汞進入巖石更細小的孔隙中。

圖1 巖石物理模型Fig.1 Model of rock physics

根據這一模型，麻皮效應發(fā)生在巖樣被淹沒，實驗開始計壓時，結束在排驅壓力點。因此，麻皮系數的計算最重要的是確定排驅壓力點。

1.2 利用取心樣品分析麻皮效應現象

將選好的樣品切削為直徑25 mm的圓柱狀，利用CoreLab 氦孔隙度、滲透率儀測量干巖樣在實驗室條件下的有效孔隙度；用KX-90F液體飽和裝置對樣品進行油、水飽和度測試分析，測試標準為國標《巖心分析方法》(GB/T 29172—2012)，測試數據如表1所示。由表1可知，含油巖心的孔隙度主要分布在3%～15%，測量含油飽和度為28%～80%，測量含水飽和度為4%～49%，測量含油飽和度最大值明顯偏高。

圖2 鴨兒峽油田柳北構造下溝組段巖心照片Fig.2 Core photograph of member of Xiagou formation in Liubei structure, Yaerxia Oilfield

表1 油、水飽和度測試數據

2 麻皮效應對壓汞實驗的影響

2.1 進汞初期實驗影響分析

在毛管中產生的液面上升或下降的曲面附加壓力稱為毛管壓力[8,11-12]。對巖石而言，汞為非潤濕相，如欲使汞注入巖石孔隙系統(tǒng)內，必須克服孔隙喉道所造成的毛細管阻力。因此，當求出與之平衡的毛管壓力Pc和壓入巖樣內的汞的體積，便能得到毛管壓力和巖樣中汞飽和度的關系。

毛管壓力計算公式[11]為

(1)

式(1)中：Pc為毛管壓力，MPa；σ為汞的界面張力，mN/m；θ為汞的潤濕接觸角，(°)；r為孔隙喉道半徑，cm。

從式(1)可知，Pc與孔隙喉道半徑r成反比，因此，根據注入汞的毛管壓力就可以計算相應的孔隙喉道半徑。界面張力和接觸角的大小取決于巖石和流體的性質，巖石毛管半徑反映巖石的孔隙結構，它與儲層孔隙度和滲透率相關。

因此，當給一定的外加壓力將汞注入巖樣，則可根據平衡壓力計算相應的孔隙喉道半徑；在這個平衡壓力下進入巖樣孔隙系統(tǒng)中的汞體積應是具有這個壓力的相應孔隙喉道的孔隙容積；孔隙喉道越大，毛細管阻力越小，注入汞的壓力越小。因此，在注入汞時，隨著注入壓力的增高，汞將由大到小依次進入其相應喉道的孔隙系統(tǒng)中去。

由流體飽和度概念可知，計算含汞飽和度的基本公式為

(2)

式(2)中：SHg為汞飽和度，%；VHg為孔隙系統(tǒng)中所含汞的體積，cm3；Vf為巖樣的外表體積，cm3；φ為巖樣的孔隙度，%。

由于沉積巖大都憎油親水，故原油進入儲層中的排驅機理相似于汞。因此，在計算儲層的含油飽和度時可近似應用含汞飽和度的測定值。通過毛管壓力實驗，可獲得一系列互相對應的毛管壓力和飽和度數據。S4樣品毛管壓力測試曲線如圖3所示。

圖3 S4樣品毛管壓力測試曲線Fig.3 Capillary pressure test curve of S4 sample

因為毛管壓力是巖石喉道半徑和液柱高度的函數，為了使用方便，毛管壓力曲線的縱坐標還常用喉道半徑或液柱高度表示。圖3中，毛管壓力曲線具有兩頭陡、中間緩的特征。開始的陡段表現為隨壓力升高非潤濕相飽和度緩慢增加。此時非潤濕相飽和度的增加是由巖樣表面凹凸不平或切開較大孔隙引起的，即麻皮效應。此時并不表示非潤濕相已進入巖石，或者只有其中的一部分進入巖石內部，其余部分消耗于填補凹面和切開的大孔隙。中間的平緩段主要是進液段，它表示大部分非潤濕相是在該壓力區(qū)間進入的。最后的陡段表示，隨壓力急劇升高，非潤濕相的進入速度越來越小，最后完全不進入巖石。

因為單個巖心所得出的毛管壓力僅僅是儲層的一點，要得到代表整個地層的毛管壓力，必須將所有資料加以平均和綜合?？紤]到油層的非均質性，為了表征一個油層的毛管壓力特征，提出了J函數的概念[9-13]。J函數是一個無因次量，是含水飽和度的函數，它與滲透率、孔隙度、界面張力以及潤濕接觸角有關。研究區(qū)油層J函數曲線如圖4所示。

圖4 酒泉盆地鴨兒峽油田J函數曲線Fig.4 J function curve of Yaerxia Oilfield in Jiuquan Basin

圖4中，J函數是研究區(qū)多塊巖樣測量的毛管壓力和進汞飽和度的擬合，單塊巖樣J函數計算公式為

(3)

鴨兒峽油田毛管壓力實驗為水銀-空氣系統(tǒng)，界面張力為汞的表面張力最大值(480 mN/m)，接觸角為140°，用典型的界面張力和接觸角值(表2)換算為

(4)

式(4)中：J(Sw)為J函數，無因次量；K為滲透率，10-3μm2。

表2 典型的界面張力和接觸角值

2.2 平均毛管壓力曲線計算

由圖4可知，在單對數坐標系中，J函數是毛管壓力和進汞飽和度的冪函數，也是含水飽和度的冪函數。對某一塊巖樣，J函數可寫為

(5)

式(5)中：a、n為系數，小數。

將每一塊巖樣擬合的系數a、n求和平均，得到代表油藏的一條典型平均J函數，記作J(Sw)。由式(3)可知：

(6)

式(6)中：K、φ由巖心實驗數據獲取，分別取值4.36×10-3μm2、12%。于是可得:

(7)

圖5所示為J函數處理獲得的酒泉盆地鴨兒峽油田平均毛管壓力曲線。沿著曲線相對平緩的部分作切線，得到曲線的4個拐點P1、P2、P3、P4將曲線基本分為4個部分：兩端的高斜率直線段、中間的低斜率直線段和高低直線段的交點形成的兩個弧線段。低斜率直線段反映巖石的主體孔隙特征，主體孔隙內流體飽和度高；高斜率直線段的高壓部分反映了巖石的微孔特征，低壓部分為實驗開始時的系統(tǒng)誤差；高低直線段的交點為轉折壓力，P1至P2反映了非潤濕相流體達到排驅壓力的過程，即為麻皮效應區(qū)間；P3至P4反映汞從主體孔隙進入巖石微孔隙的難易程度，該段弧線越平緩則汞進入越容易，反之越難。

圖5 酒泉盆地鴨兒峽油田平均毛管壓力曲線Fig.5 Average capillary pressure curve of Yaerxia Oilfield in Jiuquan Basin

3 麻皮系數的確定

3.1 根據排驅壓力確定麻皮效應的影響區(qū)間

平均毛管壓力曲線中排驅壓力的確定是獲得麻皮系數的關鍵。普遍認為壓汞試驗中汞為非潤濕相流體[16]，巖樣孔隙中的可動流體油、氣、水為潤濕相流體。由于沉積巖多被水濕潤，油氣要通過它進行運移，必須首先排替其中的水才能進入其中。如果驅使石油的動力未達到進入蓋層所需的排替壓力值，則石油就被遮擋于蓋層之下。壓汞測量法[17-19]與該理論基本相同。

排驅壓力是在特定成藏條件下決定油氣能否突破儲層界面而聚集成藏的控制因素。它既反映了巖石的孔隙喉道的集中程度，同時又反映了這種集中的孔隙喉道的大小。排驅壓力一般是非潤濕相開始進入巖樣最大喉道的壓力，確定方法各不相同，一般采用的方法是將毛管壓力曲線中間的平緩段延長至零非潤濕相飽和度，與縱坐標相交，其交點所對應的壓力即為排驅壓力Pd，與Pd相應的喉道半徑是連通巖樣表面孔隙的最大喉道半徑rd。排替壓力的大小與孔隙喉道大小有直接關系。巖樣的排驅壓力越大，則其最大孔隙喉道半徑越?。环粗膨寜毫υ叫?，巖樣的最大孔隙喉道半徑越大[19]。一般來說，孔隙度高、滲透性好的巖石，排驅壓力較低。

P2：表現為隨著壓力Pd的增加，汞開始進入巖石粗孔喉系統(tǒng)。P1至P2的壓力差是克服汞填滿巖石表面凹槽的過程，即麻皮效應產生區(qū)間，對應的壓力P′c即排驅壓力Pd。

P3：壓汞曲線平緩部分的左切點，與P2構成的曲線區(qū)間是汞逐漸填滿巖石粗孔喉系統(tǒng)，貢獻實驗中絕大部分進汞量。當孔隙結構相對較好時，曲線特征為隨著壓力的小范圍增加，進汞量大幅上升。

P3：隨著壓力的增加，進汞量急驟放緩。汞開始深入巖石更細小的微孔隙，此時實驗是否繼續(xù)取決于儀器性能。

3.2 根據麻皮效應響應區(qū)間確定麻皮系數

麻皮效應發(fā)生的區(qū)間是汞接觸巖樣表面，直到填滿巖樣的凹槽空間為止。由平均毛管壓力曲線可知，當進汞壓力達到排驅壓力時，曲線開始變得平緩，汞開始真正進入孔隙空間。因此進汞壓力達到排驅壓力前的進汞飽和度為虛假的進汞體積，排驅壓力對應的進汞飽和度15%為麻皮效應影響的極限值，即為麻皮系數。巖樣飽和度參數經麻皮系數校正后的結果如表3所示。

表3 經麻皮系數校正后的飽和度參數

4 結論

(2)平均毛管壓力曲線分析得到，麻皮效應影響的區(qū)間為進汞飽和度由0到15%的過程，麻皮系數取極限值15%。