儲層巖石孔隙結構特征的意義

儲層巖石孔隙結構特征的意義

孔隙結構特征評價儲層巖石的空隙結構特征是指巖石上的間隙和喉嚨的幾何形狀、大小、分布以及相互關聯(lián)的關系。對于碳酸鹽巖，其間隙結構主要是指巖石上的孔、孔、縫的大小、形狀和相互關聯(lián)的關系。儲集層巖石的孔隙結構特征是影響儲層流體(油、氣、水)的儲集能力和開采油、氣資源的主要因素,因此明確巖石的孔隙結構特征是發(fā)揮油氣層的產(chǎn)能和提高油氣采收率的關鍵。常規(guī)巖石孔隙結構特征的描述方法主要包括:室內(nèi)實驗方法和測井資料現(xiàn)場評價法。室內(nèi)實驗方法是目前最主要,也是應用最廣泛的描述和評價巖石孔隙結構特征的方法,主要包括:毛管壓力曲線法(半滲透隔板法、壓汞法和離心機法等)、鑄體薄片法、掃描電鏡法及CT掃描法。利用測井資料研究巖石孔隙結構特征則為室內(nèi)實驗開辟了另一條途徑,且測井資料具有縱向上的連續(xù)性,大大方便了儲層孔隙結構的研究。1室內(nèi)實驗方法1.1儲層變形實驗方法儲層巖石的毛管壓力和濕相(或非濕相)飽和度關系曲線稱之為巖石的毛管壓力曲線。它是研究巖石孔隙結構特征最重要的資料,其測定方法主要包括:半滲透隔板法、壓汞法和離心機法。半滲透隔板法是一種經(jīng)典的、標準的測量巖石毛管壓力的方法,其主要步驟是將飽和濕相流體(水)的巖心放入一個帶半滲透隔板的巖心室內(nèi)。半滲透隔板經(jīng)過處理只允許濕相通過,而不能通過非濕相。然后在室內(nèi)充滿非濕相流體(油或氣體),這時對非濕相施以排驅壓力,非濕相將克服巖心的毛管力而進入巖心,將其中的濕相水排出。記錄一系列的壓力值及其相應的累計排出水體積,根據(jù)巖樣最初飽和水的體積(相當于巖石的總孔隙體積),便可計算出每個壓力下的濕相飽和度。根據(jù)所測資料,便可繪制出該巖心的壓力和飽和度關系曲線,即驅替毛管壓力曲線。半滲透隔板法能夠模擬地下儲層條件,測量精度較高,但缺點是平衡速度緩慢,測試時間太長。壓汞法就是將非濕相流體——水銀注入到被抽真空的巖心內(nèi)。由于水銀在注入時一定要克服巖石孔隙對其的毛管阻力,因此注入水銀的每一點壓力就是代表一個相應的孔隙大小下的毛管壓力,在這個壓力下進入孔隙系統(tǒng)的水銀量就代表這個相應的孔喉大小在系統(tǒng)中所連通的孔隙體積。因此在每個壓力點待巖樣中達到平衡時,同時記錄注入壓力和水銀注入量,繪制若干壓力點下的壓力和水銀飽和度曲線,即壓汞法得到的巖石毛管壓力曲線。壓汞法由于快速、準確,而且壓力可以較高,因而是目前測定巖石毛管壓力的主要手段。離心機法是依靠高速離心機所產(chǎn)生的離心力,代替外加的排驅壓力從而達到非濕相驅替濕相的目的。實驗時由低到高逐漸增大離心機轉速,使與之平衡的毛管壓力也不斷增大,記錄不同壓力下驅出的濕相液體體積,便可繪制巖石的毛管壓力與濕相飽和度的關系曲線,即毛管壓力曲線。離心機法的優(yōu)點是重復性好、精度高,操作簡單,但高速離心機較為昂貴。應用毛細管壓力曲線的形態(tài)特征及其特征參數(shù),可定性和定量地研究儲層的孔隙結構,評價儲層的儲集性能。從毛管壓力曲線上能夠獲得反映孔喉大小的參數(shù):最大孔喉半徑、孔喉半徑中值等;反映孔喉分選性的參數(shù):分選系數(shù)、孔喉歪度和孔喉豐度等;反映孔喉連通性和滲流能力的參數(shù):排驅壓力、壓力中值和驅油效率等。1.2巖心切片觀察巖石孔隙結構特征的鑄體薄片研究法是將染色樹脂注入到被洗凈和抽空的巖心孔隙內(nèi),待樹脂凝固后,再將巖心切片(按需要的方位,定向或不定向)放在顯微鏡下觀察。鑄體薄片中帶色的樹脂部分就是代表巖石二維空間的孔隙結構狀態(tài),因此可以很方便地直接觀察到巖石薄片中的面孔率、孔隙、喉道及孔喉配位數(shù)等。1.3電子信號成像掃描電鏡(SEM)的原理類似于電視攝像,采用電子束作光源,通過電磁場使電子束偏轉并聚焦,再轟擊到被分析的樣品之上,然后接收到電子信號成像。作為研究巖石孔隙結構特征的主要手段之一的掃描電鏡能夠清楚地觀察到儲層巖石的主要孔隙類型:粒間孔、微孔隙(包括粒內(nèi)溶孔、雜基內(nèi)微孔隙、微裂縫)、喉道類型(包括點狀、片狀和縮頸喉道)和測定出孔喉半徑等參數(shù)。1.4x-ct掃描算法CT掃描法又叫層析成像法,是發(fā)射X射線對巖心作旋轉掃描,在每個位置可采集到一組一維的投影數(shù)據(jù),再結合旋轉運動,就可得到許多方向上的投影數(shù)據(jù);綜合這些投影數(shù)據(jù),經(jīng)過迭代運算就可以得到X射線衰減系數(shù)的斷面分布圖,這就是重建巖心斷面CT圖像的基礎。CT掃描法的最大優(yōu)點是對巖心沒有損傷,且測量速度快,但是其測量方法復雜,且費用較高。巖心的CT掃描能夠提供巖石孔隙結構、充填物分布、顆粒表面結構、構造及物性參數(shù)等。2儲層宏觀參數(shù)與孔隙結構的關系室內(nèi)實驗研究巖石孔隙結構往往容易受到巖石樣品尺寸大小的限制,不能很好地反映一定地區(qū)的儲層孔喉結構特征,而且很難與儲層宏觀參數(shù)建立關系,在沒有巖心的情況下就無法描述孔隙結構。而測井資料恰恰具有“平面上”和“縱向上”的優(yōu)勢,為研究儲層巖石孔隙結構特征開辟了一條新的途徑。2.1儲層巖石電阻率分析利用電阻率測井資料研究儲層巖石的孔隙結構特征,主要還是建立在巖石導電物理模型和Archie公式的基礎之上。電阻率測井資料反應的是巖石復雜孔隙結構內(nèi)在不同流體(油、氣、水)時的電阻率,因此儲層巖石不同的孔隙結構特征一定會對電阻率測井響應產(chǎn)生影響。國內(nèi)外關于巖石微觀孔隙結構模型、物理模型也較多,包括毛管束模型、曲折度模型、電阻網(wǎng)絡模型和滲流理論、有效介質理論等。毛志強等采用網(wǎng)絡模型模擬巖石孔喉大小及分布、水膜厚度、孔隙連通性等微觀孔隙結構特征參數(shù)的變化對含兩相流體巖石電阻率的影響,得出了影響油氣層電阻率變化規(guī)律的2個主要因素分別是孔隙連通性(以孔喉配位數(shù)表示)和巖石固體顆粒表面束縛水水膜厚度?？紫哆B通性差的儲集層具有較高的電阻率;相反,當巖石顆粒表面束縛水水膜厚度增加時,儲集層的電阻率則明顯降低。楊錦林等采用簡化的巖石導電物理模型,定義了一個巖石孔隙結構參數(shù)S,綜合反映了儲層孔隙孔道的曲折程度及其大小。如果孔隙孔道越大越平直,S值越大,說明儲層條件越好;反之孔隙孔道越小,越曲折,S值越小,說明儲層條件越差。利用測井資料求取S的公式為:S=0.564(Rw/R0)0.75?-0.25(1)式中:Rw為地層水電阻率,Ω·m;R0為巖石100%含水時的電阻率,Ω·m;?為巖石孔隙度。Archie公式表明,地層的電阻率因素F主要決定于巖石孔隙度,且與巖石性質、膠結程度和孔隙結構有關。李秋實等研究表明,Archie公式中的電阻率因素F不但與儲層孔隙度、孔隙曲折度有關,還與儲層的孔喉比有關,孔喉比越小,F值越低。同時地層電阻率指數(shù)n值的大小也主要受儲層孔喉比的影響,當儲層是孔喉比為1的管狀孔時,n最小(等于1),孔喉比越大,n值越大。n值反映的是儲層孔喉比的大小。2.2核磁共振t1分布與巖心毛管壓力曲線轉換關系核磁共振測井是20世紀90年代以來投入使用的最新測井技術之一,它是通過研究地層中孔隙流體的原子核磁性及其在外加磁場作用下的振動特性,來研究各種流體孔隙度,進而評價巖石的孔隙結構。核磁共振測井測量的信號是由不同大小的孔隙內(nèi)地層水的信號疊加,經(jīng)過復雜的數(shù)學擬合得到核磁共振T2分布,因此T2的分布反映了巖石孔隙大小的分布,大孔隙內(nèi)的組分對應長的T2分布,小孔隙組分對應短的T2分布,這就是利用核磁共振測井資料研究儲層巖石孔隙結構的基礎。目前利用核磁共振測井資料研究地層孔隙結構的方法都是進行室內(nèi)實驗,將巖心的壓汞毛管壓力曲線和核磁共振T2分布對比,建立其相關性,進而通過核磁共振T2分布,間接地利用巖石的毛管壓力分布曲線來研究巖石的孔隙結構。高敏等利用一定數(shù)量巖心毛管壓力資料和核磁共振測井資料對比建立了T2分布與巖石孔隙結構參數(shù)之間的關系。T2幾何平均值與孔喉半徑均值Rm關系為:Rw=0.8752e0.0431T2(2)T2幾何平均值與分選系數(shù)μ關系為:μ=1.6006E0.0484T2(3)T2幾何平均值與均質系數(shù)ω關系為:ω=0.0074T2+0.4205(4)T2幾何平均值與孔滲比K/?關系為:(K/?)1/2=2.7887e-0.0841T2(5)運華云等通過對巖心的核磁共振T2分布與壓汞孔喉半徑分布對比,發(fā)現(xiàn)其具有較好的相關性,進而從理論上推導出毛管壓力曲線和核磁共振T2分布的轉換關系見式(6),這樣就可以由T2分布計算出相應的毛管壓力曲線,從而為測井解釋大規(guī)模研究孔隙結構提供了有效的方法。Pc=C?1T2(6)Ρc=C?1Τ2(6)式中:Pc為毛管壓力,MPa;C為轉換系數(shù),與巖石孔隙形狀和巖石橫向表面馳豫率有關。趙杰等通過對不同巖性(包括砂巖、砂礫巖和泥質粉砂巖等)的巖心實驗表明,核磁共振T2分布和毛管壓力曲線的轉換系數(shù)C與巖石的孔滲比具有對數(shù)線性關系,轉換系數(shù)隨孔滲比的增大而減小;轉換系數(shù)還受到巖石中的順磁物質的影響,隨著順磁物質含量的增加,轉換系數(shù)增大。從而建立了核磁共振T2分布和毛管壓力曲線的轉換系數(shù)與巖石孔滲比和順磁物質含量的對應關系式為:C=f[WFe,1n(?/n)](7)這樣,通過對某地區(qū)的實驗數(shù)據(jù)進行回歸,消除巖石內(nèi)順磁物質的影響,就可以確定地區(qū)性經(jīng)驗參數(shù),通過轉換核磁共振T2分布與毛管壓力曲線來研究該地區(qū)的巖石孔隙結構。3孔隙結構參數(shù)分析儲層巖石的孔隙結構是油氣儲層評價的重要參數(shù),也是發(fā)揮油氣層產(chǎn)能和提高油氣采收率的關鍵。室內(nèi)實驗方法主要是通