致密砂岩岩心纳米级孔喉结构分布特征研究

2018-07-11刘淑波

中国石油大学胜利学院学报 2018年2期

刘淑波

(吉林油田石油勘探开发研究院,吉林松原 138000)

1　致密岩心纳米级孔喉结构测试方法

测试致密岩心纳米级孔喉结构的试验仪器为Quantachrome公司Autosorb-6B型气体吸附仪(图1),该仪器要求的工作环境温度为10～38 ℃,相对湿度不超过90%,使用的测试介质为氮气。通过静态体积法,可测量任何大小压力下的吸(脱)附气体量。

图1　Autosorb-6B型低温吸附仪

测量的吸附量(M)与绝对温度(T)、气体压力(P)和气体间的吸附作用势(E)满足以下关系式:

M=f(T,P,E) .

(1)

在给定气固体系和恒定温度下,吸附作用势为常数,因此,吸附量仅是气体压力的函数,可得到吸附等温线。吸附等温线是固体孔隙结构本身性质和氮气相互作用的宏观表现,通过氮气在不同岩心的孔隙结构中得到的不同等温吸附线,来反演固体孔隙结构本身性质。目前,IUPAC将氮气吸附等温线分为6类,试验所测得的任何等温线均可由这6类等温线组合得出,这为深入研究致密岩心纳米级孔隙结构提供了依据。

比表面积是表征多孔介质的一个重要特性参数,它对多孔介质的部分物理、化学性能会产生重要影响,计算时常采用BET模型。该模型认为,固体表面的高吸附位首先被气体分子覆盖,低能位未被吸附,接着高能位的第二层吸附和次能位的吸附,以此类推,直至各层均达到吸附平衡(图2)。

其计算模型为:

(2)

式中,c为常数,无量纲;V为吸附量,cm3/g;Vm为单分子层饱和吸附量;cm3/g;p为吸附质蒸汽吸附平衡时的压力,MPa;po为吸附温度下吸附质的饱和蒸气压,MPa。

多孔介质的孔径分布计算采用BJH 计算模型。该模型认为,孔隙中气体赋存形式包括吸附部分和凝聚部分,多孔介质的孔径大小是吸附层厚度与凝聚液体半径之和。

图2　多层吸附示意图

吸附厚度的计算采用赫尔赛方程,其表达式为:

(3)

式中,0.354为多层吸附的平均厚度值;t为吸附厚度,nm。

凝聚液体的半径的表达式为:

(4)

式中,θ为液体与毛细管壁的接触角,(°);γ为液体的表面张力,mN/m;VL为液体的摩尔体积,cm3/mol;R为普适气体常数,8.314N m/(mol·K);T为体系温度,K;rk毛细管凝聚临界半径,nm。

则多孔介质的孔径大小为:

r=rk+t.

(5)

2　试验样品的脱气预处理

设计的样品量为含有10～20 m2表面积的多孔介质,由于样品中常含有部分油或水汽,试验前,必须采用真空法对每个样品进行脱气处理。为避免脱气温度过高引起样品结构性改变,本次样品的预处理温度不高于250 ℃,选择的脱气时间应使待测样品中的杂质完全清除,大量的试验结果表明,3 h的脱气时间为合理的最小脱气时间。

3　致密砂岩岩心纳米级微观孔隙结构特征分析

利用低温氮气吸附试验技术对8块致密砂岩储层样品进行纳米级孔喉结构特征分析,主要包括致密岩心的纳米孔隙形状、孔径分布和孔隙含量。

表1为8块致密油砂岩岩心的孔渗基础数据,测试的1号和3号岩心等温吸附曲线结果如图3和图4所示。

表1　致密砂岩岩心的孔渗基础数据

图3　1号岩心等温吸附曲线

图4　3号岩心等温吸附曲线

由图中分析得出,所测试的致密油砂岩岩样的等温吸附曲线主要是IUPAC提出的吸附等温线H1、H3两型曲线的组合,孔隙形态以平行板状孔和不明显的墨水瓶形孔为主。

对8块致密砂岩岩样进行低温吸附试验,测试结果见表2,其中,1号和8号岩心的孔容频率分布如图5和图6所示。试验获得的孔容、孔隙半径、孔隙率、孔隙百分数的数据,所对应的孔隙为半径小于100 nm的孔隙,而比表面积对应于所有孔隙,孔容为单位质量下的孔隙体积。研究结果表明:孔容越高、孔隙百分数越高、比表面积越大,表明微孔隙越多,降低了储层整体渗流能力。

表2　8块致密砂岩岩样的低温吸附测试结果

由表2分析得出,总体上,致密岩心渗透率越低,即岩心越致密,其比表面积越大,孔容也越大,孔隙百分数也越大;由此进一步表明,纳米级孔隙所占比例越高,其渗流能力越弱。

致密砂岩孔容频率分布图显示,致密砂岩岩心的微孔隙百分数分布范围宽,呈现双峰形式,表明其储层微观非均质性较强。渗透率较小的1号岩心的孔容的第一峰值在孔径1.91～2.10 nm处,第二峰值在孔径8.62～15.63 nm处。渗透率较大的8号岩心的孔容的第一峰值在孔径1.86 nm处,第二峰值在15.70～40.01 nm孔径处;且渗透率越大,前面的峰值越小,后面的峰值越高。