潜江凹陷页岩油藏渗流特征物理模拟及影响因素分析

雷 浩，何建华，胡振国

(中国石化江汉油田分公司，湖北 武汉 430223)

0 引 言

江汉盆地潜江凹陷盐间页岩油藏储量丰富，开发潜力大，但储层整体表现出低孔、低渗特征，属于典型的致密储层[1]。相比常规低渗储层，潜江页岩油储层双低特性使其流动特征十分复杂[2]，渗流过程中非达西渗流特征明显，加大了渗流机理的认识难度[3]，影响油藏开发方式优化及开发动态预测。

目前，致密储层中渗流特征研究方法主要为非稳态法[4]、稳态法[5]、毛细管平衡法[6]及非稳态驱替-毛细管法[7]，这些方法均取得了一定的认识，但在研究低孔、低渗致密储层时存在实验精度低、误差大及实验数据可靠性不足等问题；此外，在研究高温高压条件下油藏渗流特征时，常规测试方法主要通过加装回压阀等设备提升系统压力，但该装置使仪器中流体的流动状态呈现非连续状态，造成测得的渗流特征在一定程度上与实际渗流特征存在差异。因此，发展新型低孔、低渗致密储层渗流特征研究方法对加深致密储层的理论认识具有重要意义。

为了揭示潜江凹陷页岩油渗流机理，在前人研究基础上，设计并研制了致密储层全封闭式循环渗流系统，开展不同渗透率岩心渗流特征物理模拟实验，归纳总结了潜江凹陷页岩油渗流特征。同时，借助核磁共振以及MPAS等实验技术对潜江页岩油微观孔喉特征及渗流对孔喉分布所造成的影响进行了评价，深化了对潜江凹陷页岩油藏渗流规律的认识，为该油藏有效开发提供了理论指导。

1 实验原理

实验以一维岩心夹持器为基础，采用“流量-压差”法研究不同渗透率岩心在高温条件下的渗流特征。考虑页岩油岩心有效孔隙度低、测试流量小、测试精度要求高以及仪器微泄漏对测试结果可靠性的不利影响等因素，将岩心夹持器与2个中间容器构成全封闭式的循环渗流系统，通过高精度双缸Quizix泵分别与2个中间容器相连，采用一个泵进液、另一个泵吸液的工作模式，使通过岩心的流体在给定系统压力条件下达到稳定流动状态。当流体达到稳定状态，通过一段时间内岩心两端压力波动范围判断系统是否存在微泄露，从而提高渗流数据的可靠性。由于未采用常规的回压阀等装置来维持系统压力，该系统中流体流动为连续流动，因此，相比于常规方法，该封闭系统测试方法可以更好模拟实际地层中原油流动情况，测试结果更加准确。

2 实验方法

2.1 实验装置

实验装置主要由高精度恒压恒速双缸Quizix泵(流量精度为0.001 mL/h)、压力传感器(瑞士Keller，测量精度为0.05%FS)、中间容器、恒速围压跟踪泵、烘箱和数据跟踪记录系统组成。

2.2 实验条件和方法

2.2.1 岩心及流体参数

实验所用岩心为潜江凹陷页岩油藏天然岩心，实验用油为模拟油，其黏度在实验温度(50 ℃)下与地层原油黏度保持一致，均为3.200 mPa·s，密度为0.834 g/cm3。表1为实验岩心参数。

表1 实验岩心参数

页岩油自生自储的成藏机理及现场岩心干馏实验结果表明，潜江凹陷页岩油储层中几乎不含或者含有少量的地层水。因此，研究过程中不考虑地层水对渗流的影响。

2.2.2 实验步骤

①测定岩心渗透率、孔隙度、干重等基础物性参数；②岩心抽真空、饱和油后称重，由于页岩油储层几乎不存在束缚水，采用抽真空方式饱和岩心；③岩心进行核磁共振，获得岩心初始状态核磁共振T2谱图；④将饱和油后的岩心装入岩心夹持器，将压力升至12.0 MPa，为了模拟实际地层条件下原油的渗流规律，模型老化24 h以上，以便体系恢复初始平衡状态[8]；⑤开展不同流速(0.025～0.700 mL/h)的单相渗流实验，通过数据采集系统自动记录实验过程中相关数据。为了消除仪器微泄漏对实验结果的影响，当岩心两端压差稳定后，观察运行一段时间内的压力变化，若变化趋势稳定，则仪器运行完好，无泄漏；若两端压力逐渐降低，则仪器存在泄漏，应该立即停止实验，待泄漏消除后再继续实验，实验过程中采用围压跟踪泵，始终保持围压与系统压力维持在2.5 MPa；⑥渗流实验完成后，将岩心取出，进行核磁共振测试，获得渗流实验后的岩心核磁共振T2谱图；⑦开展下一组实验，重复步骤③—⑥。

3 实验结果与分析

3.1 潜江页岩油渗流特征

采用不同渗透率致密岩心模型，开展潜江凹陷页岩油渗流特征物理模拟实验，分析压差与流量的关系曲线(图1)可知，不同渗透率岩心渗流特征呈现出不同的变化趋势，分为以下3种类型。

图1 致密页岩油储层不同渗透率条件下渗流曲线

(1) 渗透率小于0.100 mD的致密页岩，渗流曲线(图1a)呈现出典型的“勺型”非线性特征[9]，与常规低渗、特低渗砂岩储层渗流特征相似[10]。产生“勺型”渗流特征主要是由岩心微纳米孔隙中液-固界面边界层效应导致的，渗透率越小，储层中液-固界面作用力越强，非线性渗流特征越明显[11]。从物理实验结果可以发现，该类型岩心存在启动压力梯度，其启动压力梯度为0.967 MPa/m。

(2) 渗透率为0.100～1.000 mD的致密页岩，渗流特征曲线(图1b)呈现出线性渗流特征，不存在非线性渗流段，说明影响潜江凹陷页岩油渗流特征的因素不仅为液-固边界层效应，还应存在其他相关因素的影响。由物理实验结果可以发现，虽然该类型岩心不存在明显的非线性渗流段，但通过数据拟合可得其启动压力梯度为0.179 MPa/m。

(3) 渗透率大于1.000 mD的致密页岩，其渗流特征曲线(图1c)呈现出“反勺型”渗流特征，与常规低渗、特低渗砂岩储层典型的渗流特征完全相反。该类型渗流特征同样分为非线性渗流段和线性渗流段。由于非线性渗流段呈现“反勺型”，因此，无法得到其启动压力梯度和拟启动压力梯度，说明此时影响渗流主控因素不再是边界层效应，而是由其他相关因素所决定。

3.2 潜江页岩油渗流特征影响因素分析

3.2.1 边界层效应对渗流特征的影响

为了研究微观孔隙结构对潜江凹陷页岩油油藏渗流的影响因素，实验选取潜江凹陷页岩油藏主力产油层6块具有代表性岩心进行压汞-吸附联合测定实验，以便获得全孔径分布曲线，实验分别对岩心进行编号：QJ-1、QJ-2、QJ-3、QJ-4、QJ-5、QJ-6，测试标准参考中国石油化工集团公司企业标准[12]。

实验结果如图2所示，潜江凹陷页岩油储层90%以上的孔隙都是由小于100 nm的孔隙组成的，说明潜江页岩油储层中大部分原油都是储存于纳米级别孔隙中；此外，全孔径分析结果显示主要的孔径分布范围为10～250 nm，孔喉半径中值为63～160 nm，说明纳米孔隙为原油渗流的主要通道。根据边界层理论[11]，致密储层中流体流动时产生非线性渗流特征的根本原因是由于其微纳米孔隙中边界层效应所导致，微纳米孔隙中边界层效应越强，致密储层中流体非线性渗流特征越明显。因此，可以推断，对于潜江凹陷页岩油储层流体在流动过程中会受到微纳米孔隙中边界层效应，而产生典型“勺型”的非线性渗流特征[13-14]。

图2 致密页岩油储层不同渗透率条件下渗流曲线

3.2.2 应力敏感效应对渗流特征的影响

根据核磁共振基本理论[14]，弛豫时间与孔喉半径成正比，弛豫时间越大，对应的孔隙半径越大[15]。此外，基于核磁共振双截止值理论[16]，孔隙中流体可以划分为完全可动、部分可动和完全束缚流体，其中，渗流特征主要由其完全可动流体流动所决定。

对比渗流实验前后岩心可动流体(大于50 ms)核磁共振谱图(图3)，无论是渗透率较大岩心(K=2.220 mD)还是基质类岩心(K=0.088 mD)，渗流实验后可动流体谱图(靠右小波峰)都有大部分消失，说明在渗流实验过程中随着岩心两端压差增大，岩心中孔隙有效应力增加，产生应力敏感效应，使得岩心中大孔隙(或微裂缝)发生闭合。由于储层渗流能力主要取决于大孔隙(或微裂缝)，应力敏感使大孔隙(或微裂缝)闭合将会导致储层渗流阻力增加，渗流能力减弱[17]。此外，对比不同渗透率的岩心核磁共振谱图可以发现，渗透率较高的岩心中包含可动流体的孔隙体积要远大于基质岩心，说明应力敏感效应对渗透率较高岩心渗流能力影响明显大于渗透率较低的基质类岩心。

结合页岩油渗流特征曲线可知，随着应力敏感效应对岩心渗流能力的影响增强，其渗流特征由“勺型”曲线转变“反勺型”曲线。对于“反勺型”渗流曲线，随着驱动压差增大，渗流流量呈现出先快速增加后缓慢增加的趋势，说明随着岩心有效应力的增加，应力敏感效应增强，主要渗流通道被压缩，渗流能力降低。因此，影响潜江页岩油渗流的因素不仅包括储层孔隙中液固界面的边界层效应，还包括储层应力敏感效应，并且应力敏感效应的强弱是决定页岩油渗流特征的主要因素。

图3 渗流实验前后岩心核磁共振对比

为确定渗流过程中由于应力敏感效应被压缩的部分为孔隙还是微裂缝，选取与渗流实验所用岩心为同一目的层的岩心进行MAPS扫描，得到储层孔隙结构的微观可视化结果(图4)，所选取的岩心物性参数与实验岩心相似。

实验结果表明：渗透率较大的岩心中存在天然微裂缝，该裂缝决定了岩心的渗流能力；对于渗透率较小的基质类岩心，则不存微裂缝，岩心主要由纳米级别孔隙组成。由于应力敏感效应对裂缝渗流能力的影响大于对基质孔隙渗流能力的影响[18-19]，实验中应力敏感效应对渗透率较大岩心的影响要大于基质类岩心。该结果与核磁共振分析结果一致，说明无论是基质还是含微裂缝的储层，应力敏感效应都会对渗流特征造成影响，因此，潜江页岩油储层开发过程中要严格控制产油量，避免生产压差过大[20]，产生储层应力敏感效应而压缩储层中微裂缝及大孔隙，导致渗流通道变窄，渗流阻力增加，从而影响油藏开发。

4 结 论

(1) 当岩心渗透率大于1.000 mD时，原油渗流特征表现出与常规非线性渗流特征不同的“反勺型”特征，不存在启动压力梯度；当岩心渗透率为0.100～1.000 mD时，原油以线性渗流为主，并且存在启动压力梯度；当岩心渗透率小于0.100 mD时，原油渗流特征与常规低渗储层非线性渗流特征相似，都为“勺型”曲线，并且拟合得到启动压力梯度为0.967 MPa/m。

图4 不同渗透率岩心的MAPS扫描结果示意图

(2) 与致密、低渗砂岩储层相比，页岩油储层渗流特征不仅受到边界层效应的影响，还由应力敏感效应所决定；页岩气油藏渗流特征主要由储层应力敏感强弱所决定。

(3) 应力敏感效应对页岩油储层中微裂缝、大孔隙以及基质的渗流能力都会造成影响，且对于微裂缝的影响程度大于对基质的影响程度。