利用压汞实验确定岩心麻皮系数——以鸭儿峡油田白垩系为例

吴 伟, 李英杰, 肖文华, 魏浩元, 张 虔, 牟明洋, 刁春梅

(1.中国石油集团测井有限公司测井应用研究院,西安 710000;2.玉门油田公司勘探开发研究院,酒泉735000)

由于储集岩的孔隙空间由极细小的孔隙和喉道组成，相当于毛细管，因此毛管压力在油气的运移、勘探及开发提高采收率中，都无疑是一种极重要的力[1-4]。测定毛管压力的方法较多，如离心机法、半渗透隔板法、蒸汽压力法及压汞法。其中压汞法由于测量速度快、测量范围大等优点，是目前最常用的测定毛管压力方法。试验时，将经过抽提烘干的岩样放入密封的真空岩心室，将汞推入岩心室使其淹没岩样，然后逐级加压并测量水银液面的标记线。但是由于岩样表面不规则，在加压初始阶段，汞首先会填满岩样表面的各种凹槽。该部分进汞量没有进入岩石孔隙，不能反应岩样的真实饱和度，这一现象[5]称为“麻皮效应”。《岩石毛管压力曲线的测定》(SY/T 5346—2005)已经明确在压汞资料的运用过程中应当进行麻皮效应校正。

中外文献中关于岩心麻皮系数的校正研究较少。张关根等[1]最早提出了麻皮效应对压汞资料的影响。1988年《石油勘探与开发》刊出的该文关于麻皮系数的影响研究过去30多年，当初的理论方法和研究手段不是很成熟。胡勇等[2]、Bardin等[3]通过对平均毛管压力曲线展开分类研究，优化了流体饱和度的计算模型；Harsha等[4]、张涛等[5]研究了压汞法测定饱和度的各种影响因素，实际包括麻皮效应。近些年一些文献虽然提到了麻皮效应会对压汞资料产生影响[6-10]，但是对于麻皮系数具体是怎么得到的，缺少更为详细透彻的分析。笔者以岩样J函数曲线为基础，详细分析了油藏平均毛管压力、排驱压力以及麻皮效应的影响区间，给出了影响油藏饱和度的麻皮系数具体量化标准。

1 麻皮效应的产生

1.1 利用岩石物理模型分析麻皮效应现象

汞具有很高的表面张力，不润湿岩石，属于非润湿相，不加压力它不会自动进入岩石孔隙。麻皮效应表现为压汞实验初始阶段，进汞量的增加是由于非润湿相汞在岩样粗糙表面坑凹处的贴合而引起的虚假进汞体积。随着真空状态下岩样逐渐被汞淹没，坑凹被填满，但此时汞并没有真正进入孔隙系统。所以在总进汞量中必须把这部分虚假进汞量去除，否则会造成进汞饱和度数值偏大。一般地，麻皮效应与岩石性质有关，岩性越细，分选性越好，磨圆度越高，岩石表面就越光滑，产生的麻皮效应也越弱。

图1所示为简化的岩石物理模型。岩石体积由岩石骨架、孔隙、裂缝组成，模型示意岩石表面有两处缺口。a处为岩石表面颗粒的坑凹处，直径为r，该处并没有连通到岩石孔隙系统，这类凹槽是产生麻皮效应的主要因素，一般由岩样表面天然坑凹或者震动造成的砾石脱落形成；b处为岩石表面与孔隙系统连通处，随着压力增加，汞从b处进入孔隙系统。真空实验中，压入的汞首先会填满a处虚线所示的凹槽。忽略凹槽表面的静压差和真空度，这部分的进汞量就是压汞实验测量值增加的虚假体积，即麻皮效应；b处所示缺口是汞正常进入孔隙系统的通道。随着实验压力继续增加，汞克服b所示缺口表面的张力，进入与此连通的孔隙。突破点的压力等于岩石的排驱压力，随着压力超过排驱压力，汞进入岩石更细小的孔隙中。

图1 岩石物理模型Fig.1 Model of rock physics

根据这一模型，麻皮效应发生在岩样被淹没，实验开始计压时，结束在排驱压力点。因此，麻皮系数的计算最重要的是确定排驱压力点。

1.2 利用取心样品分析麻皮效应现象

将选好的样品切削为直径25 mm的圆柱状，利用CoreLab 氦孔隙度、渗透率仪测量干岩样在实验室条件下的有效孔隙度；用KX-90F液体饱和装置对样品进行油、水饱和度测试分析，测试标准为国标《岩心分析方法》(GB/T 29172—2012)，测试数据如表1所示。由表1可知，含油岩心的孔隙度主要分布在3%～15%，测量含油饱和度为28%～80%，测量含水饱和度为4%～49%，测量含油饱和度最大值明显偏高。

图2 鸭儿峡油田柳北构造下沟组段岩心照片Fig.2 Core photograph of member of Xiagou formation in Liubei structure, Yaerxia Oilfield

表1 油、水饱和度测试数据

2 麻皮效应对压汞实验的影响

2.1 进汞初期实验影响分析

在毛管中产生的液面上升或下降的曲面附加压力称为毛管压力[8,11-12]。对岩石而言，汞为非润湿相，如欲使汞注入岩石孔隙系统内，必须克服孔隙喉道所造成的毛细管阻力。因此，当求出与之平衡的毛管压力Pc和压入岩样内的汞的体积，便能得到毛管压力和岩样中汞饱和度的关系。

毛管压力计算公式[11]为

(1)

式(1)中：Pc为毛管压力，MPa；σ为汞的界面张力，mN/m；θ为汞的润湿接触角，(°)；r为孔隙喉道半径，cm。

从式(1)可知，Pc与孔隙喉道半径r成反比，因此，根据注入汞的毛管压力就可以计算相应的孔隙喉道半径。界面张力和接触角的大小取决于岩石和流体的性质，岩石毛管半径反映岩石的孔隙结构，它与储层孔隙度和渗透率相关。

因此，当给一定的外加压力将汞注入岩样，则可根据平衡压力计算相应的孔隙喉道半径；在这个平衡压力下进入岩样孔隙系统中的汞体积应是具有这个压力的相应孔隙喉道的孔隙容积；孔隙喉道越大，毛细管阻力越小，注入汞的压力越小。因此，在注入汞时，随着注入压力的增高，汞将由大到小依次进入其相应喉道的孔隙系统中去。

由流体饱和度概念可知，计算含汞饱和度的基本公式为

(2)

式(2)中：SHg为汞饱和度，%；VHg为孔隙系统中所含汞的体积，cm3；Vf为岩样的外表体积，cm3；φ为岩样的孔隙度，%。

由于沉积岩大都憎油亲水，故原油进入储层中的排驱机理相似于汞。因此，在计算储层的含油饱和度时可近似应用含汞饱和度的测定值。通过毛管压力实验，可获得一系列互相对应的毛管压力和饱和度数据。S4样品毛管压力测试曲线如图3所示。

图3 S4样品毛管压力测试曲线Fig.3 Capillary pressure test curve of S4 sample

因为毛管压力是岩石喉道半径和液柱高度的函数，为了使用方便，毛管压力曲线的纵坐标还常用喉道半径或液柱高度表示。图3中，毛管压力曲线具有两头陡、中间缓的特征。开始的陡段表现为随压力升高非润湿相饱和度缓慢增加。此时非润湿相饱和度的增加是由岩样表面凹凸不平或切开较大孔隙引起的，即麻皮效应。此时并不表示非润湿相已进入岩石，或者只有其中的一部分进入岩石内部，其余部分消耗于填补凹面和切开的大孔隙。中间的平缓段主要是进液段，它表示大部分非润湿相是在该压力区间进入的。最后的陡段表示，随压力急剧升高，非润湿相的进入速度越来越小，最后完全不进入岩石。

因为单个岩心所得出的毛管压力仅仅是储层的一点，要得到代表整个地层的毛管压力，必须将所有资料加以平均和综合。考虑到油层的非均质性，为了表征一个油层的毛管压力特征，提出了J函数的概念[9-13]。J函数是一个无因次量，是含水饱和度的函数，它与渗透率、孔隙度、界面张力以及润湿接触角有关。研究区油层J函数曲线如图4所示。

图4 酒泉盆地鸭儿峡油田J函数曲线Fig.4 J function curve of Yaerxia Oilfield in Jiuquan Basin

图4中，J函数是研究区多块岩样测量的毛管压力和进汞饱和度的拟合，单块岩样J函数计算公式为

(3)

鸭儿峡油田毛管压力实验为水银-空气系统，界面张力为汞的表面张力最大值(480 mN/m)，接触角为140°，用典型的界面张力和接触角值(表2)换算为

(4)

式(4)中：J(Sw)为J函数，无因次量；K为渗透率，10-3μm2。

表2 典型的界面张力和接触角值

2.2 平均毛管压力曲线计算

由图4可知，在单对数坐标系中，J函数是毛管压力和进汞饱和度的幂函数，也是含水饱和度的幂函数。对某一块岩样，J函数可写为

(5)

式(5)中：a、n为系数，小数。

将每一块岩样拟合的系数a、n求和平均，得到代表油藏的一条典型平均J函数，记作J(Sw)。由式(3)可知：

(6)

式(6)中：K、φ由岩心实验数据获取，分别取值4.36×10-3μm2、12%。于是可得:

(7)

图5所示为J函数处理获得的酒泉盆地鸭儿峡油田平均毛管压力曲线。沿着曲线相对平缓的部分作切线，得到曲线的4个拐点P1、P2、P3、P4将曲线基本分为4个部分：两端的高斜率直线段、中间的低斜率直线段和高低直线段的交点形成的两个弧线段。低斜率直线段反映岩石的主体孔隙特征，主体孔隙内流体饱和度高；高斜率直线段的高压部分反映了岩石的微孔特征，低压部分为实验开始时的系统误差；高低直线段的交点为转折压力，P1至P2反映了非润湿相流体达到排驱压力的过程，即为麻皮效应区间；P3至P4反映汞从主体孔隙进入岩石微孔隙的难易程度，该段弧线越平缓则汞进入越容易，反之越难。

图5 酒泉盆地鸭儿峡油田平均毛管压力曲线Fig.5 Average capillary pressure curve of Yaerxia Oilfield in Jiuquan Basin

3 麻皮系数的确定

3.1 根据排驱压力确定麻皮效应的影响区间

平均毛管压力曲线中排驱压力的确定是获得麻皮系数的关键。普遍认为压汞试验中汞为非润湿相流体[16]，岩样孔隙中的可动流体油、气、水为润湿相流体。由于沉积岩多被水湿润，油气要通过它进行运移，必须首先排替其中的水才能进入其中。如果驱使石油的动力未达到进入盖层所需的排替压力值，则石油就被遮挡于盖层之下。压汞测量法[17-19]与该理论基本相同。

排驱压力是在特定成藏条件下决定油气能否突破储层界面而聚集成藏的控制因素。它既反映了岩石的孔隙喉道的集中程度，同时又反映了这种集中的孔隙喉道的大小。排驱压力一般是非润湿相开始进入岩样最大喉道的压力，确定方法各不相同，一般采用的方法是将毛管压力曲线中间的平缓段延长至零非润湿相饱和度，与纵坐标相交，其交点所对应的压力即为排驱压力Pd，与Pd相应的喉道半径是连通岩样表面孔隙的最大喉道半径rd。排替压力的大小与孔隙喉道大小有直接关系。岩样的排驱压力越大，则其最大孔隙喉道半径越小；反之排驱压力越小，岩样的最大孔隙喉道半径越大[19]。一般来说，孔隙度高、渗透性好的岩石，排驱压力较低。

P2：表现为随着压力Pd的增加，汞开始进入岩石粗孔喉系统。P1至P2的压力差是克服汞填满岩石表面凹槽的过程，即麻皮效应产生区间，对应的压力P′c即排驱压力Pd。

P3：压汞曲线平缓部分的左切点，与P2构成的曲线区间是汞逐渐填满岩石粗孔喉系统，贡献实验中绝大部分进汞量。当孔隙结构相对较好时，曲线特征为随着压力的小范围增加，进汞量大幅上升。

P3：随着压力的增加，进汞量急骤放缓。汞开始深入岩石更细小的微孔隙，此时实验是否继续取决于仪器性能。

3.2 根据麻皮效应响应区间确定麻皮系数

麻皮效应发生的区间是汞接触岩样表面，直到填满岩样的凹槽空间为止。由平均毛管压力曲线可知，当进汞压力达到排驱压力时，曲线开始变得平缓，汞开始真正进入孔隙空间。因此进汞压力达到排驱压力前的进汞饱和度为虚假的进汞体积，排驱压力对应的进汞饱和度15%为麻皮效应影响的极限值，即为麻皮系数。岩样饱和度参数经麻皮系数校正后的结果如表3所示。

表3 经麻皮系数校正后的饱和度参数

4 结论

(2)平均毛管压力曲线分析得到，麻皮效应影响的区间为进汞饱和度由0到15%的过程，麻皮系数取极限值15%。