基于毛管压力曲线分析的岩心麻皮系数计算——以鸭儿峡油田白垩系为例

李国利，吴伟，杜文博，曾利刚，牟明洋，魏浩元，赵燕红

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

0 引 言

毛管压力曲线是最重要的岩心分析项目之一[1-4]，岩样的毛管压力数据在油田的勘探和开发中应用广泛，可以用于研究储集层岩石的微观孔隙结构特征、估算储集层的储集和渗流能力、计算油层的原如油水饱合度分布等。实验室中获得毛管压力曲线的方法有半渗透隔板法、压汞法和离心法。由于勘探与生产时效要求，目前最常用的方法是压汞法。随着技术的进步，压汞测量试验又发展为恒压压汞法和恒速压汞法。恒速压汞法[5-6]是较新的技术，可以精确给出孔隙和喉道参数，但是在致密砂岩中仪器条件受限，特别是针对测量对象的渗透率下限有要求，本文采用较常用的恒压压汞试验法。

压汞测量方法在压汞初始阶段，汞首先会逐渐填满岩样表面的坑凹处，该部分进汞量不能反映岩样的真实饱和度，这一现象称为“麻皮效应”[5]。现行的中华人民共和国石油天然气行业标准SY/T5346—2005《岩石毛管压力曲线的测定》[6-7]已经引入麻皮效应，明确在压汞资料的运用过程中应当进行麻皮效应校正。

张关根等[1]最早提出了麻皮效应对压汞资料的影响；胡勇等[2]、D.Bardin等[3]对平均毛管压力展开分类，并应用在流体饱和度的计算中；C.S.Harsha等[4]、张涛等[7]研究了压汞法测定饱和度的影响因素，给出了校正公式。除了年代久远的1987年《石油勘探与开发》刊出关于麻皮系数的影响研究外，近年来鲜有提及。虽然有文献提到了麻皮系数的影响，但是对于麻皮系数具体怎么得到的，缺少更为详细、透彻的分析。本文依据实验室岩样“J”函数曲线特性，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具体量化标准。

鸭儿峡是青西凹陷两大正向构造单元之一，是典型的鼻状构造油气富集单元。鸭儿峡K1g1油藏大部分油层投产井试油均油水同出，平均含水15%～45%，含油饱和度不高。实验室对密闭取心含油岩样进行压汞试验分析，测量出含油饱和度(43%～55%)，饱和度明显高于阿尔奇公式计算的理论值，与试油不符，给储量计算带来很大困难。分析认为是忽略了压汞实验岩心麻皮效应的原因。因此，为了准确掌握油藏原始含油饱和度，压汞曲线麻皮效应的分析及麻皮系数的计算显得尤为重要。

1 试 验

1.1 麻皮效应与建模

麻皮效应表现为在压汞初始阶段，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，如图1所示。随着压力的逐渐增大，坑凹被汞填满，此时汞并没有真正进入孔隙系统，压力也没有达到排驱压力。但在总进汞量中如果不把这部分虚假进汞量去除，会造成进汞饱和度数值偏大。一般地，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 麻皮效应模型

图1模型将岩石表面的坑凹简化有两个缺口。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；b处为岩石表面与孔隙系统连通处。真空试验中，压入的汞首先会填满a处虚线所示的凹槽内。忽略凹槽表面的静压差和真空度，这部分的进汞量即为“麻皮效应”；b处所示的进汞应属粗孔喉的进汞量。如果试验压力继续增加，汞突破b所示缺口，进入与此连通的孔隙。突破点的压力等于排驱压力，随着压力超过排驱压力，汞进入岩石更细小的孔隙中。

根据这一模型，麻皮效应发生在试验起始压力时，结束在排驱压力点。因而，麻皮系数[1-4]的计算最重要的是确定排驱压力点。

1.2 样 品

试验样品取自鸭儿峡油田白垩系油藏一口重点评价井(YX-X井)，在目的层K1g1段共取S1～S9 9个岩样。样品深度4 300～4 600 m，位于白垩系下沟组，该组是酒泉盆地砂砾岩勘探开发的主要层位。储层的优势岩性为细砂岩和含砾不等粒砂岩，含油岩心的孔隙度主要分布在6%～18%间。从图2岩心横切面和断面可以看出，砾石颗粒的非均质性和钻具震动的小颗粒脱落，在岩心面上形成较多的坑凹(图2)。

图2 鸭儿峡油田柳北构造下沟组K1g1段岩心照片

Fig.2 Core photographs of K1g1member of Xiagou formation in Liubei structure，Yaerxia oilfield

将选好的样品切削成直径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有效孔隙度(表1)；同时用KX-90F液体饱和装置对样品进行了油水饱和度测试分析(表1)，测试标准为国标GB/T 29172—2012标准《岩心分析方法》。

表1 油水饱和度测试数据

2 压汞试验分析

2.1 构建“J”函数

麻皮系数是由平均毛管压力曲线获得的，首先对研究区压汞试验数据处理，以得到标准的平均毛管压力曲线。

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[8-10]，它是研究岩石孔隙结构及岩石中两相渗流所必需的资料，也是油层物理学的重要内容之一。

毛管压力计算公式为[11]

Pc=0.002σcosθ/r，

(1)

式中：Pc为毛管压力，MPa；σ为流体两相的界面张力，mN/m；θ为流体与固体的接触角，°；r为毛管半径，μm。

从式(1)可以看出，毛管压力和流体界面张力、润湿接触角的余弦成正比，与毛管半径成反比。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，它与油层孔隙度和渗透率相关。

S4样品毛管压力测试曲线如图3所示。

因为小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”函数概念[9-13]。研究区油层“J”函数曲线如图4所示。

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

(2)

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

(3)

式中：J(Sw)为“J”函数，无因次量；K为渗透率；φ为孔隙度，%。

表2 典型的界面张力和接触角度

2.2 平均毛管压力

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

(4)

式中，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，记做J(Sw)。由式(3)可知

(5)

式中，K,φ由岩心试验数据获取，分别取4.36,12。于是可得

(6)

在单对数坐标系中，平均毛管压力曲线如图5所示。

图5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。沿着曲线相对平坦的部分做切线，得到曲线的4个拐点(P1,P2,P3,P4)，将曲线基本分为4个部分,即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。

图5 酒泉盆地鸭儿峡油田平均毛管压力曲线

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。

3 影响系数确定

3.1 排驱压力

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。排替压力的大小，与孔隙喉道大小有直接关系。压汞测量法[17-18]与该理论基本相同。

排驱压力是表征储层物性的重要参数，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。排驱压力是划分岩石储集性能好坏的主要标志之一。因为它既反映了岩石的孔隙喉道的集中程度，又反映了这种集中的孔隙喉道的大小。排驱压力在数值上为汞和汞蒸汽开始驱替可动流体所需的最低压力，也为岩石孔隙系统中最大的连通孔隙的毛管压力，以Pd表示。泥岩具较大的排驱压力；随着岩石颗粒粒径的加大，排驱压力相应降低。原始油藏条件下，当储层中储集流体时的排驱压力与地层压力平衡，但是低于盖层。如果排驱压力过大，高于盖层，油气则继续运移，直到遇到新的遮挡，形成新的盖、储组合，见文献[19]。

P2,表现为随着压力Pc的增加，汞开始进入岩石粗孔喉系统。P1,P2与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Pc′为排驱压力Pd。

P3,压汞曲线平坦部分的左切点，与P2构成的曲线是汞逐渐填满岩石粗孔喉系统，贡献试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。

P4，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，此时试验是否继续，取决于仪器性能。

3.2 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，曲线开始变得平坦，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，即麻皮系数。岩样饱和度参数和麻皮系数计算结果如表3所示。

表3中，原始测量饱和度减去麻皮系数为校正后的饱和度。计算饱和度根据实际测井曲线利用阿尔奇公式计算获得。表2可知，YX-X井目的层所取岩样S1～S9原始测量含油饱和度分布在28.4%～79.9%，平均48.4%。研究认为,鸭儿峡油田K1g1段储层麻皮系数为15%，经该系数校正之后，S1～S9岩样含油饱和度分布在24.1～67.7 %，平均41.2%。

表3 经麻皮系数校正后的饱和度参数

以该井目的层系岩电资料计算的含油饱和度分布在16.2%～78.3%，平均40.6%。从而可知，由麻皮系数校正后的饱和度与阿尔奇公式计算的理论饱和度相对误差约为1.45%，麻皮系数的校正结果与理论计算值吻合较好。YX-X井在K1g1段射孔试油，综合含水38%，试油结论为油水同层，流体性质与校正后的饱和度吻合较好。

酒泉盆地鸭儿峡油田K1g1段储层物性变化较大(渗透率0.1～618 mD)，油层平面、层间、层内非均质性强。储层孔隙结构多样，岩性分选差、磨圆度低。该试验样品为不等粒砂岩，分选差，表面粗糙。确定出该油田K1g1油藏麻皮效应,为15%，即麻皮系数λ；油田孔隙排驱压力为2 MPa(P2点对应的进汞压力，此时汞开始真正进入孔隙空间)，麻皮效应影响较大。在计算和标定K1g1油藏含油饱和度时，应扣除麻皮系数。

4 结 论

(1)根据岩样的“J”函数处理，得到代表油藏的平均毛管压力曲线，对该平均毛管压力曲线分析发现，麻皮效应对酒泉盆地鸭儿峡油田白垩系砂砾岩油藏的影响区间为进汞饱和度由0到15%的变化过程，麻皮系数为极限值15%。

(2)白垩系K1g1油藏麻皮效应对实验室分析含油饱和度影响较大，在计算和标定含油饱和度时，应扣除麻皮系数。经麻皮系数校正后的含油饱和度与测井计算和试油情况吻合较好，一定程度上提高了试验测量结果的利用价值。