中国典型致密油区低温氮气吸附实验

肖前华，张 尧，杨正明，郭和坤

(1.重庆科技学院，重庆 401331；2.中国科学院渗流流体力学研究所，河北 廊坊 065007；3.中国石化川庆钻探有限公司土库曼分公司，四川 成都 610051；4.中国石油勘探开发研究院廊坊分院，河北 廊坊 065007)



中国典型致密油区低温氮气吸附实验

肖前华1，2，张 尧3，杨正明2，4，郭和坤2，4

(1.重庆科技学院，重庆 401331；2.中国科学院渗流流体力学研究所，河北 廊坊 065007；3.中国石化川庆钻探有限公司土库曼分公司，四川 成都 610051；4.中国石油勘探开发研究院廊坊分院，河北 廊坊 065007)

选取中国四大典型致密油区(长庆、四川、大港和大庆)56块岩样，利用低温氮气吸附实验研究了不同油区、不同岩性的致密油储层微观孔隙结构特征，利用等温吸附回线分析了不同致密油区以及不同岩性储层孔隙形状特征，同时提出结构“甜点”系数，综合评价了四大致密油区的甜点性质。研究表明，致密碳酸盐岩储层50 nm以下空间占据50%以上，致密砂岩储层50 nm以下空间占据30%～40%。各致密油区岩样表面积-体积比与孔隙度、渗透率无明显的相关关系。结构“甜点”系数计算结果表明，长庆、四川、大港和大庆油区依次变差，与现场反馈情况基本一致。大庆油区只有通过大规模体积压裂方可改善开采效果。

致密油储层；氮气吸附；孔隙结构；表面积-体积比；结构甜点系数

0 引 言

美国在Bakken、Eagle Ford、Barnet等区带成功突破致密油的勘探开发，使致密油成为继页岩气之后全球非常规油气勘探开发的又一新热点[1-2]，致密油也因此被石油工业界誉为“黑金”[3]。受北美致密油大发展的影响，10余个国家积极展开致密油研究[4-5]。致密油指以吸附或游离状态赋存于生油岩中或与生油岩互层、紧邻的致密砂岩、致密碳酸盐岩等储集岩中，未经过大规模长距离运移的石油聚集。中国致密油分布广泛，鄂尔多斯盆地、准噶尔盆地、四川盆地、松辽盆地、渤海湾盆地等均发育丰富的致密油[6]。已有研究发现致密油储集层孔喉直径大部分为纳米级[7-8]，致密油一般为轻质油，黏度较低，油品较好，而储层孔隙骨架将是控制流动效果的主要因素，因此有必要深入研究致密油储集层纳米级孔隙结构特征。

1 材料与方法

国际纯化学和应用化学联合会(IUAPC)按孔隙直径大小将孔隙分为3类：微孔(小于2 nm)、介孔(2～50 nm)、宏孔(大于50 nm)[9]。低温低压下N2的等温吸附可有效反映岩样微孔和介孔的孔径分布，且通过BET方程可计算比表面积[10]，通过BJH方程可计算孔容分布[11]，通过等温吸附与脱附曲线可预测孔隙形状特征[12-13]。该项研究在美国Quantachrome公司的Autosorb®-6B自动等温吸附仪上进行，温度为77.35K，在相对压力0.01～1.00下测定等温吸附曲线，对于介孔分布规律具有较好的测试效果。样品来自中国四大典型致密油区，共计56块岩样。

2 数据分析与讨论

表1为中国四大典型致密油区56块岩样常规物性参数以及低温吸附测试结果。

表1 不同致密油区岩样物性资料及低温吸附实验结果

表1中孔隙度和渗透率为平均值。微-介孔百分数由微孔和介孔孔容结合岩样密度换算得来，表示50 nm以下孔隙体积相对总孔隙体积的大小，表征了储层50 nm以下空间的相对占有量。通过微、介孔百分数和岩样孔隙度还可计算得到50 nm以下孔隙体积相对岩样总体积的大小，称为微、介孔隙度，表征储层50 nm以下孔隙空间的绝对占有量。由表1可知，四川、长庆、大庆和大港油区50 nm以下孔隙空间的相对占有量和绝对占有量都依次增大。四大典型致密油区储层至少有30%的孔隙空间处于50 nm以下，其中大港致密碳酸盐岩储层明显区别于致密砂岩储层，致密碳酸盐岩储层超过1/2的空间处于50 nm以下，而致密砂岩储层介于30%～40%。致密油储层孔隙度低于常规储层，且大量孔隙空间处于50 nm以下，因此，从根本上加大了开发难度。

对不同岩性储层介孔空间含量的巨大差异，有多种解释。目前大多数学者从有机质类型及含量、黏土类型及含量等入手研究微观孔隙结构发育特征[14-16]。通过对比研究长庆致密砂岩和大港致密碳酸盐岩发现，长庆致密砂岩黏土含量为14%～18%，而大港致密碳酸盐岩黏土含量在30%以上；长庆致密砂岩有机质含量为2%～10%，而大港致密碳酸盐岩有机质含量约为5%。可见，不同岩性储层的黏土含量差异与介孔含量的差异是同步的。因此，黏土矿物是中国致密油储层介孔含量的主要控制因素，这也是造成中国致密碳酸盐岩储层50 nm以下孔隙空间含量远大于中国致密砂岩储层的主要原因。另外大港致密碳酸盐岩主要有泥质白云岩和白云质泥岩，因此，大港致密碳酸盐岩泥质含量高是导致纳米级孔隙空间含量高的另一重要原因。

表面积-体积比是通过低温吸附实验得到的另外一个重要物性参数，为岩样总的表面积与岩样外观体积之比，可用来评价流-固作用强度。四大典型致密油区表面积-体积比变化特征见图1。由图1可知，不同致密油区表面积-体积比与孔隙度、渗透率的关系并不明显，但所有致密岩样孔隙度的大趋势基本与表面积-体积比成正相关。致密储层的渗流能力主要来自于裂缝以及较大的孔隙，100 nm以下孔隙空间对渗透率的贡献相当微弱，而表面积-体积比的增大主要源于孔喉尺度的减小[17]，因此，很难确定表面积-体积比与岩样渗透率的关系。

图1 表面积-体积比变化特征

经计算，大港、大庆油区平均表面积-体积比较长庆油区大，说明大港、大庆油区流-固耦合作用较强，但渗流能力反而较长庆油区大。但从现场反馈来看，长庆致密油开发效果明显比其他几大致密油区要好。由以上分析可知，单凭表面积-体积比或者渗透率很难评定储层孔隙结构的好坏。因此，需要探寻新的参数或者方法来评价致密油储层。根据Kozeny-Carman方程[18]，储层岩样渗透率为：

(1)

式中：ν为形状系数；τ为迂曲度；φ为孔隙度；S/V为表面积-体积比，m-1。

形状系数、迂曲程度以及孔隙度为微观结构参数，是岩样的直接物性表征参数，而渗透率以及表面积-体积比为宏观统计参数，是岩样的间接物性表征参数(或辅助物性表征参数)。将直接参数与间接参数分开，在式(1)基础上定义结构“甜点”系数为：

(2)

结构“甜点”系数为无量纲参数，其物理意义在于从储层岩样形状特征、迂曲度、孔隙度等方面综合评价储层岩石结构特征，从而优选“甜点”区块。降低了渗透率与表面积-体积比之间的不一致性，统一了宏观统计参数和微观结构参数。由表1可知，不同致密油储层渗透率相差只有几倍。而表面积-体积比的二次方项一般相差几倍至几十倍，因此结构“甜点”系数中表面积-体积比为主控因素项，即结构“甜点”系数越小，储层相对较好。根据平均渗透率和表面积-体积比，长庆、四川、大港、大庆油区结构“甜点”系数依次为0.626×10-3、1.214×10-3、7.710×10-3、13.578×10-3。可见，长庆、四川、大港和大庆油区的储层依次变差，由近年致密油开采效果来看，长庆、四川、大港和大庆油区也是依次变差。因此，根据低温吸附数据计算得到的结构“甜点”系数能有效评价储层的好坏。

如引言中所述，对于致密油储层，孔隙骨架是决定油藏开采效果的决定性因素。因此，结构“甜点”系数通过获取致密油岩样低温氮气吸附实验数据，简单、高效的对不同储层进行对比评价，进而优选“甜点”区块，这将有利于指导当前致密油开采。

根据IUPAC分类可简单预测储层孔隙形状(图2)。四大致密油区吸附、脱附曲线大致可以分为4种类型(图3)。

长庆致密油区，吸附回线主要为a类。吸附曲线缓慢上升，相对压力接近1.0时才陡然上升；脱附曲线在中间相对压力时迅速下降。该类吸附回线类似于H3型，对应平行板构成的狭缝毛细孔，该类毛细孔更有利于连通整个孔隙空间，可改善流动效果，进而改善开采效果，这从根本上解释了长庆致密油开采的突出表现。

四川致密油区，吸附回线主要为b类。与a类区别主要在于脱附曲线在中间相对压力时急剧下降，下降速度明显快于a类。该类吸附回线类似于H1型，同时也类似于H3型，因此除了含有两端开口的圆筒和类似圆筒状孔隙外，也含有平行板构成的狭缝毛细孔。

图2 吸附回线类型及孔隙类型示意图

图3 典型致密油区吸附、脱附曲线

大港致密油区，吸附回线主要为c类和d类。c类吸附曲线在相对压力接近1.0时，不会像a类和b类那样迅速上升，类似于H2型；d类明显类似于H4型。因此，大港对应的孔隙主要为瓶形孔、口小腔大的毛细管以及槽状孔。

大庆致密油区，吸附回线主要为d类。主要为槽状孔。由图3可知，槽状孔孔隙较大(可达微米级)，连通性并不好，即大庆致密岩样孔隙度大，但流动能力弱。因此，现场开发需要进行体积压裂，形成大规模人工缝网系统才能从根本上改善开采效果。

事实上，各个致密油区的吸附、脱附曲线含有多种类型，但主要类型只有1～2种。因此，各致密油区的孔隙形状绝不是单一的，而是各种形状的复杂组合。

3 结 论

(1) 利用低温氮气吸附法对比研究了中国四大典型致密油区微观孔隙结构特征。致密碳酸盐岩储层50 nm以下的孔隙空间占据50%以上，致密砂岩的孔隙空间为30%～40%。长庆油区表面积-体积比最小，大庆油区表面积-体积比最大。孔隙度、渗透率与表面积-体积比之间无明显的相关关系。

(2) 提出了结构“甜点”系数，通过计算发现，长庆、四川、大港和大庆致密油储层逐渐变差，与现场反馈一致。中国致密砂岩稍好于致密碳酸盐岩，但大庆油区致密砂岩须通过大规模体积压裂方可从根本上改善开采效果。

(3) 孔隙骨架是控制致密油开采的关键因素。致密油储层孔隙形状复杂，不同储层吸附脱附曲线不同。通过研究吸附脱附曲线可深入分析与理解不同致密油储层开采难易的深层因素，进而指导当前致密油的有效开发。

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编辑 王 昱

20150309；改回日期：20150530

国家油气重大专项“特低渗透油藏有效开发技术”(2011ZX05013-006)；中国石油天然气集团公司重大科技专项“特低超低渗透油藏物理模拟方法与开发机理研究”(2011B-1203)

肖前华(1987-)，男，2010年毕业于西南石油大学建筑环境与设备工程专业，2015年毕业于中国科学院大学流体力学专业，获博士学位，主要从事致密油开发、微纳孔隙渗流研究。

10.3969/j.issn.1006-6535.2015.04.021

TE311

A

1006-6535(2015)04-0082-04