蓋層全孔隙結(jié)構(gòu)測定方法

1、石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì)PETROLEUM GEOLOGY & EXPERIMENT文章編號 :1001 - 6112 （2006） 06 - 0604 - 05蓋層全孔隙結(jié)構(gòu)測定方法承秋泉，陳紅宇，范明，王強(qiáng)，陳偉鈞（中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇無錫 214151）摘要：目前測定巖石孔隙結(jié)構(gòu)的方法有壓汞法氣 體吸附法等，但壓汞法測不到巖石中最小的孔隙，氣體吸附法測不到巖石中較 大的孔隙，測定結(jié)果均不能得到完整的巖石全孔隙結(jié)構(gòu)。將壓汞法和氣體吸附法2種測定結(jié)果換算相銜接可得到完整的蓋層全 孔隙結(jié)構(gòu)孔徑分布圖及其毛細(xì)管壓力曲線，結(jié)合全驅(qū)巖樣飽和水模擬實(shí)驗(yàn)即可直接測定巖樣

2、突破壓力。研究結(jié)果表明，泥巖、灰 巖白云巖、粉砂質(zhì)泥巖等的突破飽和度在19 %37 %之間，平均26 % ,而細(xì)砂巖、粉砂巖、含礫泥質(zhì)砂巖等的突破飽和度在 41 %49 %，平均44 %。根據(jù)巖樣的巖性，結(jié)合其毛細(xì)管壓力曲線和孔徑分布圖選擇合適的飽和度值，該飽和度值所對應(yīng)的毛細(xì) 管壓力可以近似地看作該巖樣在地層條件下的突破壓力。關(guān)鍵詞：突破壓力；毛細(xì)管壓力曲線；孔徑分布；壓汞法；氣體吸附法中圖分類號 :TE135文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A對巖石微孔隙結(jié)構(gòu)的測定，目前主要采用壓汞法 和氣體吸附法”。壓汞法測定巖石的微孔隙結(jié)構(gòu) 時，進(jìn)口壓汞儀工作壓力雖最高可達(dá)400 MPa ,可測最 小孔隙半徑1. 8 nm

3、，但對天然氣蓋層來講，這種分析 結(jié)果離蓋層巖樣微孔隙結(jié)構(gòu)全分析還有差距；國產(chǎn)壓 汞儀因工作壓力偏低，測定結(jié)果與實(shí)際要求差距更 大。靜態(tài)氣體吸附法雖可以測定孔隙半徑小于100 nm的微孔，但難以確定少量孔隙半徑大于100 nm的 較大孔隙的存在。由此可見，單一的壓汞法或氣體吸 附法均無法完成蓋層巖樣微孔的全分析。本文所述 方法將壓汞法和氣體吸附法相結(jié)合，通過2種測定結(jié) 果的銜接實(shí)現(xiàn)蓋層全孔隙結(jié)構(gòu)測定，是目前國內(nèi)最為 完整全面的蓋層微孔分析方法。測試裝置及原理1 . 1 壓汞法壓汞法測定巖石孔隙結(jié)構(gòu)使用的儀器為無錫 石油地質(zhì)研究所自行研制的WX - 2000型孔隙結(jié) 構(gòu)儀（圖1）,其最高工作壓力為

4、120 M Pa ,可測量 最小孔隙半徑6. 3 nm，該儀器已獲國家發(fā)明專利。圖1 WX - 2000型孔隙結(jié)構(gòu)儀Fig. 1 Type WX - 2000 po re text ure analytical inst rument收稿日期 :2006 - 03 - 22 ;修訂日期 :2006 - 10 - 30。作者簡介：承秋泉（1964 -），男（漢族），江蘇無錫人，工程師，主要從事石油實(shí)驗(yàn)測試工作。毛細(xì)管壓力公式：3 2ocos3P =s X10cr3c一毛管壓力,M Pa ;毛管半徑,nm ;。表面張力,N/ m ;&潤濕角，()。將汞的表面張力。理=0. 48 N/ m ,汞潤濕

5、。理=140代入公式(1)中，簡化得公式：式中：Pcr - cr = rk + t吸附層厚度的計(jì)算公式是：t = - 0. 557 lg Pn2 / Ps ) - 3?PN 2 / Ps為氮?dú)庀鄬毫?，?jì)算公式為：PN 2 / Ps = ( R N2 / R )X( Pa / P ) 式中：PN2氮?dú)饬魉?mL/ s ;Rt混合氣(N 2和He)流速，mL/(5)(6)(7)rm7 50P =c Hg rc毛管壓力和巖石中汞飽和度(S Hg )是單函數(shù)關(guān)系，即理(2)Pc Hg = f ( S Hg )由公式(2)和(3)可繪出巖石孔隙半徑分布圖 和巖石毛細(xì)管壓力曲線。1.2氣體吸附法氣體吸附

6、法測定固體物質(zhì)的孔徑分布，是基于 多孔物質(zhì)孔壁對氣體的多層吸附和毛細(xì)管凝聚原 理 4 測試裝置見圖2。根據(jù)凱爾文導(dǎo)出的計(jì)算公式 5可以計(jì)算凱爾 文半徑 rk : rk = - 0. 414 lg (Pn 2 / Ps )Pa大氣壓,M Pa。根據(jù)毛細(xì)管壓力計(jì)算公式(1 ),若 氣、水兩相條件下，將氣水界面 0.07 N/ m，潤濕角0gw = 0o，代入(1)式，貝IJ 孔隙半徑為： 8W 140:- - r =r Pc由公式(5)和(8)可得：Pc =-。吟附PJP 任 ) - 1 +1PC = f( PN2 / Ps )(4)巖樣處在張力o =gw巖樣 的(8)(9)式中：PN2氮?dú)鈮毫?

7、M Pa ;Ps液氮飽和蒸氣壓,M Pa。被測的孔隙半徑r不等于凱爾文半徑 等于rk和吸附層厚度t之和，即(10)又因?yàn)镻N2 / Ps與Vd (吸附量，mL )成函數(shù)關(guān),即PN 2 / Ps = f (匕)(11)rk ,而是Pc = f (S) 由式(10) , (11) , (12)可得：(12)，嘵li榔彘屆圖2 ST - 2000型比表面積與孔徑測定裝置Fig. 2 Type ST - 2000 specific surface area and pore diameter measuring inst rument u1Juirru EluctcriTiX il.lisriing

8、EIulisu. A IlitlpAv w.enki.nu:體吸附法 巖樣完整 圖。理論換力曲線，然后與氣 線相接，即可得到 線及其孔徑分布s ( sPHg / 命=(-氣 C0 氣)/ 命 C0 X )(16)把汞的表面張力命=0. 48 N/ m，接觸角0Hg = 140，氣水表面張力 偵 0. 07 N/ m，接觸角=0代入(16)式，并簡化后得：P瑚 Pw * 252. 2. 2 突破壓力(17)S = f (Vd )(13)由此可見，毛細(xì)管壓力Pc和氣飽和度S分別 與吸附過程中的相對壓力(PN2 / Ps )和吸附量(V d ) 之間存在函數(shù)關(guān)系，通過換算可由吸附量Vd求出 氣飽和度

9、S，并繪出毛細(xì)管壓力曲線和孔隙半徑分 布圖 。全孔隙結(jié)構(gòu)測定2.1氣驅(qū)巖樣飽和水直接測定巖樣突破壓力的模擬實(shí)驗(yàn)選擇14個不同巖性的巖樣進(jìn)行模擬地層條件 下氣驅(qū)巖樣飽和水直接測定突破壓力的實(shí)驗(yàn)，同時 對這14個巖樣采用壓汞法和氣體吸附法進(jìn)行微孔 隙結(jié)構(gòu)全分析，然后用實(shí)驗(yàn)測定的突破壓力在其微 孔隙結(jié)構(gòu)分析的毛細(xì)管壓力曲線上找出與其相對 應(yīng)的突破飽和度。測定結(jié)果表明，泥巖灰?guī)r白云巖和粉砂質(zhì)泥 巖的突破飽和度在19 %37 %之間，平均26 %，而 細(xì)砂巖粉砂巖含礫砂巖(包括含礫砂質(zhì)泥巖)的 突破飽和度在41 %49 %之間，平均44 %。這種 結(jié)果與1991年王允誠 6 教授等人對扎賁諾爾群樣品測定

10、分析，得到汞突破時的飽和度為21. 5 % 55. 7 %的結(jié)果十分相近。另外，通過實(shí)驗(yàn)還可以清楚地看到，氣驅(qū)飽和 煤油巖樣實(shí)驗(yàn)測定的突破壓力遠(yuǎn)小于氣驅(qū)飽和水 巖樣實(shí)驗(yàn)測定的突破壓力，由此可以說明，巖樣突 破壓力的大小與巖樣飽和介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)，不同飽 和介質(zhì)有其不同的突破壓力。過去人們把毛管壓 力曲線上氣飽和度10 %所對應(yīng)的毛管壓力近似地 看作巖層的突破壓力7 ,盡管氣飽和度10 %也直用巖樣的總孔隙體積V孔減去壓入汞的孔隙體積 V孔-汞，二者之差為氣體吸附法所得到的孔隙體積 V孔-吸，即：V孔-吸V孔-V孔-汞(15)式中：V孔-吸為巖樣孔隙半徑小于6. 3 nm微孔的 孔隙體積，cm3

11、;v孔-汞為巖樣孔隙半徑大于或等于 6. 3 nm的孔隙體積，cm3。氣體吸附法共測5個點(diǎn)，按順序由二測量點(diǎn)吸 附量的差，共同平分吸附體積V孔-吸。根據(jù)前面氣 體吸附法基本原理中的有關(guān)計(jì)算公式，即可得氣水 條件下的毛細(xì)管壓力曲線和孔徑分布 。把壓汞法測得的汞毛細(xì)管壓力曲線換算成氣 水條件下的毛細(xì)管壓 測得的毛細(xì)管壓力曲 的毛細(xì)管壓力曲 算公式如下：王允誠 6 教授等人通過模擬實(shí)驗(yàn)，指出地層條 件下巖樣的突破壓力均大于過去所定義的排驅(qū)壓力值。本測定方法根據(jù)氣驅(qū)巖樣飽和水直接測定巖樣突破壓力的模擬實(shí)驗(yàn)，結(jié)合巖樣微孔隙結(jié)構(gòu)全分 析測定，確定泥巖、巖、云巖、粉砂質(zhì)泥巖等在氣飽和度19 %37 %范圍內(nèi)

12、，細(xì)砂巖、粉砂巖、含接來自于氣驅(qū)飽和煤油巖樣測定突破壓力的實(shí)驗(yàn)， 但與氣驅(qū)飽和水巖樣測定突破壓力的實(shí)驗(yàn)相比較， 顯然后者更逼近實(shí)際的地質(zhì)條件。2.2數(shù)據(jù)處理2. 2. 1 毛細(xì)管壓力曲線及其孔徑分布被測巖樣的孔隙體積按下式計(jì)算：V 孔=M G/ D(14)式中:V孔孔隙體積，cm3 ；M巖樣孔隙度，% ；D = 巖常重比重地/ cm。3礫砂巖等在氣飽和度41 %49 %范圍內(nèi)；再結(jié)合 其毛細(xì)管壓力曲線和孔徑分布圖，選擇合適的飽和 度值，可以把該飽和度值所對應(yīng)的毛管壓力近似地 看作該巖樣在地層條件下的突破壓力PA。由于游離氣相在穿過被液體飽和的巖層時需要有一定體積的連通孔隙，因此一般而言，孔隙度

13、 較小的巖樣取其飽和度較大值，反之則相反。2. 2. 3 突破時間突破時間就是天然氣外泄時穿過蓋層所需的 時間 。其計(jì)算公式如下 ： = (4.L a / (ZkP r ) x10(幻由壓汞法測得的各壓入點(diǎn)對應(yīng)汞量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)公式(2)和(3)計(jì)算，可得汞毛細(xì)管壓力曲線和孔徑分布以及汞進(jìn)入巖樣孔隙的總體積V ，孔-水m；式中：tA突破時間rA破半徑10 2M流體粘度，Pa19s-4-2f.il 1 Chio：i Aciidc：n.ic JijurnH. AI righlfilitlpA-ww.ciiki.tiei(19)L 層厚度10 2 m;a彎曲度理論修正值，取a=n/ 2 ;AP從半徑

14、為rA孔隙通道中排出液體時的壓力差,M Pa。2. 2. 4中值壓力Pm和中值半徑rm在毛細(xì)管壓力曲線圖上，飽和度為50 %時所 對應(yīng)的毛管壓力為中值壓力Pm，與其所對應(yīng)的孔 隙半徑為中值半徑rm。計(jì)算公式：r =140/P式中：rm中值半徑，nm ;Pm中值壓力，M Pa。2. 2. 5 氣柱高度hg及遮蓋系數(shù)Kf蓋層的突破壓力PA控制了儲集層捕集天然氣 的高度。儲集層捕集烴類氣體的臨界高度稱為蓋層 的氣柱高度hg，它與氣藏的氣水密度差有關(guān)。即：hg = 100 PA/Apgw(20)式中：PA突破壓力,M Pa ;Apgw氣水密度差,g/ cm3。在具體圈閉中，蓋層對天然氣的遮蓋程度可用

15、下式表示 ：Kf = ( hg / Z) X100 %(21)式中：Kf天然氣蓋層的遮蓋系數(shù)，Z構(gòu)造閉合度,m。2.3重復(fù)性校驗(yàn)由于沒有校驗(yàn)孔徑分布和突破壓力的標(biāo)準(zhǔn)物 質(zhì)，加之壓汞法被測樣只能作一次壓汞實(shí)驗(yàn)，不能 作第二次壓汞重復(fù)實(shí)驗(yàn)，因此本測定方法重復(fù)性實(shí) 驗(yàn)的樣品，只能選擇與實(shí)驗(yàn)巖樣相鄰的 塊平行樣。由于平行樣之間的孔隙結(jié)構(gòu)實(shí)際上已存在一 定的差異，而突破壓力是本方法測定的 主要參數(shù)，故本測定方法的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)僅對巖樣的突破壓 力進(jìn)行測試。共作了 9個巖樣的重復(fù)實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果 見表1。從表1中可以看出，同一巖樣的2塊平行 樣品，突破壓力2次測定結(jié)果的相對誤差均 小于7 %，說明本方法只要嚴(yán)格掌

16、握操作步驟，實(shí)驗(yàn)結(jié)果 的重復(fù)性較好。但實(shí)驗(yàn)畢竟有其局限性，也不可能 對所有的巖樣進(jìn)行比較，因此為具更廣泛性，適合 各種巖性樣品的測量要求，本方法測定的重復(fù)性， 其相對誤差可以暫定為小于10 %。地質(zhì)應(yīng)用在油氣藏蓋層研究中，蓋層的突破壓力PA是 主要評價參數(shù)，它的主要遮擋機(jī)理是蓋層微孔的毛 管阻力阻止烴類在蓋層中的運(yùn)移而起到封蓋作用。 在宏觀地質(zhì)體和漫長的地質(zhì)時代中，天然氣得以保 存成藏的基本條件是蓋層的突破壓力PA必須大 于或等于氣藏的剩余壓力辱(即PA Ap)。如果 PA Ap，氣藏就有足夠的能量使天然氣慢慢地突 破蓋層而向上滲漏逸散，隨著氣藏中天然氣的不斷 滲漏逸散，氣藏剩余壓力AP將逐漸

17、減小，當(dāng)PA - Ap時，氣藏將達(dá)到相對平衡狀態(tài)，若不考慮天然 氣經(jīng)蓋層擴(kuò)散等作用，此時天然氣就被保存在氣藏 中。所以一般地講，蓋層的突破壓力越大，其封蓋 能力就越好，反之則差。在氣水共存的靜態(tài)平衡條件下，氣柱高度hg 相當(dāng)于天然氣在蓋層微孔隙中的勢能。遮蓋系數(shù)8Kf則是將微觀測定的氣柱高度hg與宏觀測量的 地質(zhì)體的構(gòu)造閉合度結(jié)合而得到的一項(xiàng)參數(shù)，它表 示蓋層對氣藏的遮蓋程度。氣柱高度hg和遮蓋系 數(shù)Kf的大小與蓋層的突破壓力PA成正比。因此 對評價蓋層而言，氣柱高度hg和遮蓋系數(shù)Kf與突 破壓力具有相同的地質(zhì)意義：樣品號巖性孔隙度，第一次測定第二次測定相對誤差，突破飽和度FG- 4G灰?guī)r灰綠

18、色泥巖0. 531. 809. 19JH- 6-紅色泥灰色泥巖12. 640. 519. 551147巖深灰色泥質(zhì)粉相”10. 204. 37Y- 5G灰色泥質(zhì)粉砂巖6 7011. 33G- 1-砂巖深灰色泥質(zhì)粉24. 4413. 95G- 48灰白色白砂巖2. 2112. 86G- 5云巖深灰色泥巖2. 0013. 56突破壓力/ MPa,%表1巖樣突破壓力重復(fù)性測定結(jié)果Table 1 Results of repetitive measure for the breakthrough pressure of the rock samples16. 418. 851. 9269. 819.

19、042. 7274. 723. 92412. 113. 32813. 9502114. 726. 72813. 951. 43116. 861. 4218. 954. 624表2河南泌陽安3006井部分蓋層巖石微孔結(jié)構(gòu)分析結(jié)果Table 2 Results of the pore texture analysis for the caprock in the Well An 3006 in Anpeng Oilf ield表2為河南泌陽安棚油田安3006井核桃三組 3 1863 242 m的5塊蓋層巖石微孔結(jié)構(gòu)全分析 數(shù)據(jù)表。這5塊巖石的突破壓力PA的分布范圍 是13. 5728. 19 M

20、Pa，平均為18. 58 M Pa，表明它 們對油氣的封蓋能力極好。由表2看出這些樣品 的遮蓋系數(shù)很大，氣柱高度也很高，說明安棚油田 的含油飽和度高，油藏的彈性產(chǎn)率也高，這與實(shí)際 情況是完全相符合的。參考文獻(xiàn)：朱盤良，張文達(dá).天然氣蓋層微孔隙形態(tài)的研究方法及其地質(zhì) 意義J .石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì),1994 ,16 (2) :172179張文達(dá)，朱盤良.砂巖壓汞毛細(xì)管壓力曲線評價儲層的新參數(shù)及地質(zhì)意義J .石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì),1994 ,16 (4) :384388肖無然，張文達(dá)，蔡仲祥.壓汞法測定巖石孔隙結(jié)構(gòu) 及其應(yīng)用A .見：地質(zhì)礦產(chǎn)部石油普查勘探局.石油地質(zhì)文 集：油氣C,北京：地質(zhì)出版社，1982.

21、252261王志欣.毛細(xì)管力是油(氣)初次運(yùn)移的動力嗎J .石油實(shí)驗(yàn) 地質(zhì),2000 ,22 (3) :195 200嚴(yán)繼民.吸附與凝聚：固體的表面與孔M .北京：科學(xué)出版 社，1979. 1 211羅蜇潭，王允誠.油氣儲集層的孔隙結(jié)構(gòu)M .北京：科學(xué)出版 社，1986. 1 26向 陽，趙冠軍，單鈺銘.儲集巖真實(shí)突破壓力的研究及其應(yīng)用J .成都理工學(xué)院學(xué)報,1994 ,21 (3) :96101樣品號項(xiàng) 目井深/ m13 186. 423 195. 533 213. 143 226. 753 242. 1巖性深灰色泥巖深灰粉砂泥巖深灰粉砂泥巖深灰色泥巖深灰粉砂泥巖比表面積/ ( m2g -

22、1 )0. 170. 150. 190. 300. 76孔隙流體能/ (Jg - 1 )0. 010. 010. 010. 020. 05突破壓力/ MPa18. 7815. 5413. 5716. 8628. 19突破半徑/ nm7. 459. 0110. 318. 314. 97突破時間/ (am - 1 )61. 4942. 0932. 1149. 52138. 55中值半徑/ nm4. 555. 526. 954. 703. 63中值壓力/ MPa30. 7625. 3820. 1529. 838. 57孔隙集中范圍/ nm1. 025. 01. 016. 02. 516. 01. 010. 01. 010. 0含量，10097. 1410096. 25100氣柱高度/ m1 8221 5071 3161 6432 734遮蓋系數(shù)%3644301426333695469DETERMINATION OF THE TOTAL PORE TEXTURE OF CAPROCKCheng Qiuquan ,Chen Ho ngyu ,Fan Ming ,Wang Qiang ,Chen W