国内人造岩心物理研究进展

熊 钰 徐宏光 王永清 周文胜 刘 晨 王善善

1. 西南石油大学石油与天然气工程学院, 四川 成都 610500;2. 中海石油(中国)有限公司北京研究中心, 北京 100027;3. 中国石油化工股份有限公司中原油田分公司濮东采油厂, 山东 菏泽 274500

0 前言

人造岩心主要有常规人造岩心和非常规人造岩心两种。其中,常规人造岩心包含胶结岩心和疏松岩心。胶结岩心采用胶结剂胶结石英砂压制烘烤而成,胶结程度较好;疏松岩心以填砂管岩心、黏土胶结石英砂制作的岩心为主,胶结程度差,结构疏松。目前学界对于非常规人造岩心制备技术的研究较少。在岩心的制作过程中存在很多影响因素,对岩心的物理特性及渗流特性存在较大的影响。不同的制作方法得到不同类型的人造岩心,其物理特性的主要影响因素也存在一定差别,因此对于各种因素对岩心影响的研究十分必要。在岩心制作过程中,一般以模拟岩心的物理特性为主,但随着制备技术的发展,又考虑了岩心的渗流特性。

目前,常规领域的人造岩心制备技术已经相对成熟,但有些制备技术仍需改进完善,而非常规人造岩心的研究处于初始探索阶段,研究较少。该文对现有的岩心制备技术进行分析比较,综述不同类型人造岩心的制作方法,探讨不同制作方法的特点、岩心物理特性的影响因素以及渗流特性,并对人造岩心研究在各方面的进展进行总结分析。

1 岩心的物理特性

沉积岩储集层是地下石油与天然气的主要储层,而沉积岩储层中又以碎屑岩和碳酸盐岩储集层为主。目前人造岩心制备以模拟碎屑岩为主。岩石的研究通常从岩石骨架的构成出发,在此基础上研究与渗流、储集、开采有关的岩石物理特性。

1.1 岩心的非均质性

非均质岩石是指研究的整个多孔介质空间内,任意空间点上岩石的所有物理性质参数都不相等的多孔介质岩石。通常天然柱状岩心体积小,不能反映油藏的宏观非均质性等特征,无法模拟油层的真实情况。

鉴于此,皮彦夫[1-2]采用环氧树脂胶结石英砂制作了柱状岩心、方形岩心等特殊岩心,制作的岩心在非均质性上超过天然岩心的代表性。徐洪波等人[3]采用复合胶结剂制作了砂岩全岩岩心,解决了因天然岩心非均质性导致实验数据无重复性和可比性的难题。李芳芳等人[4]采用环氧树脂胶结石英砂研制了层内、层间、平面非均质与实际油藏接近的大尺寸岩心,可代替油藏岩心进行部分模拟实验,为非均质油藏物理模拟实验提供了新的技术和手段。非均质人造岩心种类多样,包含各种形状的岩心以及大尺寸岩心等,其非均质性的代表性可以满足研究的需求。

1.2 岩石的骨架性质

对于砂岩类型的储层岩石,其骨架是由性质不同、大小不等的砂粒胶结而成的。颗粒的大小、排列方法,胶结物的成分以及胶结方法等影响到岩心的性质。在人造岩心的制作中,众多研究者对此进行了研究。

长期以来,人们根据经验定性分析岩心物性与砂粒配比等因素的关系,定量分析较少。因此,林琪等人[5]提出了理论计算方法,以理想球形模型定量分析了颗粒直径配比与岩心孔渗的关系,为砂粒配比提供了理论依据。但随着油田勘探的深入,遇到了复杂泥质砂岩储层,而上述方法采用了理想球形模型,与实际岩石颗粒存在较大差距。于宝等人[6]采用黏土包裹砂砾的方法,形成了混合泥质砂岩岩心制作方法。张国新、邱建君等人[7-8]利用储层松散岩心,在不加黏结剂的情况下研制出了与储层物性相似的岩心,并研究了粒径等对孔渗的影响：压制压力一定,砂粒颗粒越大,岩心孔渗越高,但制作的岩心仅是针对河南油田部分储层。王志勇、冯庆贤等人[9-10]以等径球形颗粒模型和科泽尼公式为依据研究了管式填砂岩心和平板填砂岩心,发现颗粒排列方法和粒径分布范围影响岩心孔渗,但其制作岩心主要用于评价堵水调剖剂的封堵性能。针对上述岩心的局限性,韩学辉等人[11]利用胶结剂和黏土覆膜石英砂压制得到分散泥质胶结疏松砂岩，认为相对压力而言,粒度是影响孔渗、孔喉半径的主要因素：随着粒度中值的减小,骨架颗粒变细,细小颗粒充填在骨架孔隙之间,孔隙体积减小、孔喉半径变小导致渗透率变小。韩学辉等人制作的岩心惰性好、成功率高,可为相关研究提供满意的样品。

粒径对岩心性质有较大影响,研究者从定性和定量两方面进行了分析,岩心的应用范围从局部到整体,取得了较好的效果。另一方面,胶结剂对岩石颗粒的胶结以及岩石性质有较大影响,树脂作为胶结剂在人造岩心的制作中应用较早,其中环氧树脂是应用广泛且效果较好的胶结剂[12]。

环氧树脂因其固化方便、黏附力强等特点而成为树脂胶结剂的主流,在岩心制作中环氧树脂将会继续得到广泛应用。但环氧树脂存在一定缺陷，即耐冲击损伤能力差,韧性差,耐热性能较低。针对环氧树脂的不足,有学者研究了磷酸铝胶结剂胶结石英砂的造心方法。磷酸铝胶结剂具有不导电,烧结温度高,胶结强度高的特点,采用这种胶结剂制作的岩心稳定性好,抗压强度高,可满足高温高压条件下的实验需求,但此种岩心由于烧结温度高,存在黏土变性的问题。针对上述胶结剂的局限,徐洪波等人[13-14]研制出了环保硅酸盐类复合胶结剂,复合胶结剂解决了黏土矿物被胶死与黏土变性的问题。在岩心制作中,复合胶结剂会是胶结剂发展的一种趋势。

1.3 岩石的孔隙结构及孔隙性

砂岩中未被固体物质占据的空间,称为孔隙。岩石孔隙空间主要由孔隙和喉道组成。在人造岩心的发展中,许多学者从模拟储层岩心的孔隙结构和孔隙性入手,取得了一定成果。

唐仁骐等人[15]采用石英砂和磷酸铝胶结剂完善了LC岩心,其孔隙结构与天然岩心孔隙结构接近,具有较好的重复性和可靠性,但主要针对胜坨油田主力油层。随着三次采油的开展,人们希望人造岩心的孔隙结构与天然岩心能更加接近,于是开展了含黏土人造岩心的研制。唐仁骐等人[16]研制出了HNT岩心,该岩心的孔隙结构与天然岩心的孔隙结构相似,其中影响岩心孔隙结构的因素是胶结物含量和黏土含量。蒋志斌等人[17]用河砂和不锈钢管填制成不同物性级别的岩心,岩心孔隙结构等参数与储层岩心的参数相似。

影响人造岩心孔隙结构及孔隙性的主要因素是砂粒的磨圆度、压制压力、胶结物含量和黏土含量。砂粒的磨圆度对孔隙的形状有很大影响,特别是对孔隙和孔隙之间的连通喉道有明显的作用,砂粒磨圆度越好,其分选也好,孔隙度越好。压制压力越大,岩心孔喉越小。砂岩中的胶结物含量和黏土含量也是使岩石孔隙度降低的重要因素,随着胶结物、黏土含量的增加,粒间孔隙会被填充,使岩石的孔隙与喉道变小。

1.4 岩石的渗透性

渗透性是表示岩石在一定压差下,允许流体通过的性质,渗透性的大小用渗透率来表示。渗透率是衡量制作岩心能否代表储层岩心的关键因素之一。岩心的渗透率受多种因素的影响,学者对此进行了研究。

卢祥国等人[18]研究了环氧树脂胶结人造岩心渗透率的影响因素,其主次顺序为:砂型、胶结物含量、压制压力、加压时间。随着胶结物含量降低、压制压力减小、砂粒粒径增加和加压时间缩短,岩心渗透率增大,其研究对后续制心具有重要的应用价值。徐洪波等人[13-14]认为影响岩心渗透率的因素依次为胶结剂用量、压力、时间,与卢祥国等人的研究结果相似。而韩学辉[11]的研究认为岩心渗透率的影响因素是压制压力、岩石粒度中值和泥质含量,其又考虑了泥质含量的影响。研究表明，影响岩心渗透率的因素有砂型、胶结物含量、压力、时间、泥质含量、膨润土等。不同类型人造岩心渗透率的影响因素略有差异,但主要的影响因素相同。渗透率随着胶结物含量、压力和时间的增大而减小。

1.5 岩心的敏感性

在油井勘探开发各个环节中,储层会与不同入井流体接触,当流体与储层不匹配时,会伤害储层,导致渗流能力下降,损害油井产能。为保护储层,需对岩心的敏感性进行评价,找出储层潜在的问题,向钻、完井等提出推荐措施。因此,对于人造岩心敏感性的研究也十分重要。岩心的敏感性是基于黏土矿物的特征体现,确定其能否具有天然岩心的敏感特性,可以采用不同矿化度的水溶液开展敏感性评价实验。

岩心的敏感性主要是由敏感性矿物引起的,可通过控制黏土矿物的类型和含量来调节岩石的敏感性。目前人造岩心敏感性的研究主要集中在盐敏、速敏、水敏,但研究较少,人造岩心敏感性研究有待进一步开展。

1.6 岩石的其他物理特性

岩石的其他物理特性主要包括岩石的声学特性、力学特性等,这些特性与油气藏勘探开发有着密切的联系。为此,在岩心的制作中,许多学者也考虑了这些特性并进行了研究。

岩石密度是决定地层声速大小的重要因素,岩石密度越大,声波速度越大。由于不同岩石的弹性和密度不同,因此当声波在岩石中传播时,各类岩石中声波的传播速度也不同。赵群[20]利用超声物理模拟技术制作了微弱胶结疏松砂岩岩心。疏松砂岩的弹性波速度对孔隙度的依赖性较弱,胶结物的性质对岩石物性有重要影响。司文朋等人[21]利用超声波透射法研究了人造岩心的声学性质,认为颗粒大小、环氧树脂配比以及压力大小是控制人造砂岩纵横波速度的重要参数。

岩石在力的作用下会发生变形,随着力的进一步增大,变形量增加,当力和形变超过一定界限时,岩石会发生破坏。岩石在地层条件下受力状态复杂,受到地层压力与上覆岩石压力的作用。随着开发的进行,岩石的物性会随着应力的改变而变化,从而影响产能,因此研究岩石的力学性质具有重要的意义。唐仁骐[16]制作的HNT岩心抗压强度达到10 MPa以上,认为一般胶结剂越多、黏土越少,岩心抗压强度越大。赵群[20]的研究显示温度过低,岩石颗粒胶结程度不够,固结强度较低;温度过高,岩心将变得松散,抗压强度明显降低。程林峰等人[22]采用磷酸铝胶结剂制作了高渗抗压强度高的岩心,但岩心没有黏土矿物。而后熊钰、徐宏光等人[23-25]在研究疏松砂岩样制备时提出考虑地层水的影响,使制作岩心承压能力和变形能力符合疏松砂岩性质,且测试显示其力学性质等也符合疏松砂岩岩心的特点。

为得到与储层力学性质相近的岩心,在制样时需考虑压力、胶结物、黏土、温度与岩石力学性质的关系。压制压力越大、胶结物含量越大、黏土含量越少、胶结温度适中,颗粒排列越紧密,颗粒之间的固结程度越高,岩石的抗压强度越大。

2 岩心的渗流特性

岩石颗粒细、孔道小,使得岩石有巨大的表面,流体本身是多组分的不稳定体系,在孔道中会出现多相,会造成岩石中流体各相之间、流体与岩石颗粒之间存在多种界面,表现出与界面现象有关的界面张力、润湿作用等,对流体在岩石中的分布和流动产生重大影响。人造岩心的渗流特性也是制作中模拟的重要因素。

3 非常规岩心

非常规领域人造岩心技术难度大,准确性差,研究较少。目前的研究涉及天然气水合物岩心、泥页岩岩心等。天然气水合物岩心获取异常困难,导致许多研究无法进行。因此,郑明明等人[26]采用石英砂、环氧树脂和聚酰树脂,研制出了水合物岩心。其中,对渗透率影响的主次顺序依次为膨润土、压力、砂型、时间和黏结剂;对孔隙度影响的主次顺序依次为压力、膨润土、黏结剂和时间。对于泥页岩,缺乏公认的代表性强的泥页岩标准岩心。邱正松等人[27]改进了泥页岩稳定指数评价方法中岩心的制备方法,得到了高、低含水人造岩心。岩心的微观孔隙尺度、含水量与实际地层泥页岩的微观孔隙尺度、含水量相近。目前关于非常规岩心的研究有限,相关制备技术有待深入研究。

4 岩心的制作及应用

在前人研究的基础上,结合国家重大专项的研究需求,进行了弱胶结疏松柱塞岩心和三维大尺寸岩心的制作及应用。根据岩心尺寸与储层岩心性质进行模具制作、骨架颗粒选取、配料、装模、压制、烘烤以及测试等,得到成型岩心,包括柱塞岩心(图1)、三维大尺寸岩心(图2)。岩心代表性测试可参考熊钰、徐宏光等人[23-25]的研究,制作的岩心在孔隙度、渗透率(表1)、力学性质(图3)以及渗流特性(图4)等方面与储层性质相似,可替代储层岩心进行室内实验研究。

图1 不同批次的疏松人造岩心

图2 成型三维大尺寸人造岩心

表1储层岩心及人造岩心物性参数

编号孔隙度/(%)气测渗透率/10-3μm2C⁃1322805C⁃2311891C⁃3311651A⁃13192306A⁃23131874A⁃33111672

图3 人造岩心应力应变曲线

图4 储层岩心和人造岩心相对渗透率曲线

5 结论

1)有效表征人造岩心与天然岩心相似性的参数须从宏观、微观以及渗流三方面考虑:宏观特征的主要考虑因素为渗透率、孔隙度、力学性质；微观特征的重点因素为孔隙结构；渗流特性的主要表征为润湿性、相渗曲线与毛管压力曲线。而其它参数根据储层的特殊性针对性地考虑。

2)胶结剂胶结砂粒制作的岩心胶结程度较好,可满足不同储层条件下的实验研究,但难以制作疏松砂岩样;人工填砂制作的疏松岩心可用于疏松砂岩油藏的研究,但此种岩心几乎没有承压能力,与实际疏松储层存在较大差距,研究中制作的疏松柱塞岩心解决了这一问题。

3)不同类型标准岩心制作技术比较成熟,但标准岩心适用于微观研究,不能用于注采井网等宏观特征的研究,尤其是能够进行原地条件下实验的胶结三维大尺寸岩心,目前研究较少,此类岩心的制作和应用是人造岩心的一个难点。本文展示了研制的三维大尺寸岩心,制作的岩心在十三五国家重大专项关于疏松砂岩储层原地条件下的室内实验研究中得到了较好的应用。

4)非常规人造岩心的难点在于沿用常规的制作方法无法得到所需岩心,需要开发新技术与新设备。岩石微观结构复杂,物理模拟始终与天然岩石存在一定差距,而虚拟岩石物理可进行物理实验的数字仿真。因此,结合虚拟岩石物理和物理实验来解决油气勘探开发中的实际问题是一种趋势。

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