低渗火山岩气藏渗吸机理实验研究

刘先山，孙军昌，郭和坤，王皆明，李 春，朱思南

(1.中国石油勘探开发研究院 地下储库研究中心，河北 廊坊 065007； 2.中国石油天然气集团公司 油气地下储库工程重点实验室，河北 廊坊 065007； 3.中国石油勘探开发研究院 提高采收率研究所，河北 廊坊 065007)

引 言

渗吸是裂缝型低渗透油气藏开发过程中一种极为重要的开采机理。研究多孔介质中气水、油水渗吸机理及其影响因素对于低渗透油气藏的合理开发具有极为重要的指导作用[1-3]。在多相流体与多孔介质耦合作用的渗吸过程中，润湿相流体仅在毛管力驱动下进入多孔介质孔隙空间将非润湿性流体驱替出来的过程称为自发渗吸，而将有外加压力驱动的渗吸过程称为动态渗吸或强制渗吸[1-3]。

目前，很多学者对于低渗透油气藏储层渗吸机理进行了大量的实验和理论研究[1-11]，国内学者重点研究了水驱速度、油水黏度比、边界条件、渗吸方式等因素对油水渗吸机理的影响，认为低渗油藏动态渗吸过程中存在一个能够充分发挥渗吸作用的最佳水驱速度，油水黏度比越小则动态渗吸效率越高，亲水性越强则渗吸速度和渗吸效率越高[1-3]，研究对象主要为低渗透砂岩油藏油水渗吸机理。国外学者对于多孔介质油水渗吸机理进行的实验及理论研究相对较多，侧重点在于孔隙结构、渗透率、润湿性以及实验岩样形状、尺寸和边界条件等因素对渗吸机理的影响，同时也进行了数据归一化方法研究[4-11]。在气水渗吸方面，Kewen Li等[9-10]人对均质性较好的贝瑞岩心气水渗吸研究发现渗吸速度与渗吸效率的倒数之间存在线性函数关系，并提出了一种分别计算毛管力曲线和相对渗透率的方法和适合于气水渗吸的数据归一化方法。Minghua Ding等[11]人使用核磁共振技术研究发现气水动态渗吸过程中较大孔隙含水饱和度增加幅度较大，而较小孔隙含水饱和度增加幅度较小。Suzanne等[12]人对大量砂岩岩心气水自发渗吸研究发现，黏土含量决定自发渗吸残余气饱和度与孔隙度之间的关系，含有黏土的天然储层岩心残余气饱和度随孔隙度的减小而减小，自发渗吸结束后残余气主要分布在较大孔隙中。

上述学者的研究对象主要为均质性较好的贝瑞砂岩或中、高渗透的天然油藏砂岩，对低渗致密及孔隙结构异常复杂的火山岩气藏储层研究较少。火山岩气藏储层由于特殊的成岩机制及成岩后期经历的强烈地质改造作用，使得该类储层与常规沉积储层差异较大，尤其是孔隙类型复杂多样、孔喉匹配关系复杂及有利裂缝较为发育，气藏中气水分布同时受到构造和岩性的控制[13]。本文综合使用常规气水驱替、核磁共振、恒速压汞及CT成像技术，对复杂低渗火山岩气藏自发及动态渗吸机理进行了系统的实验研究，分析了渗吸时间、微观孔喉及渗吸方式等因素对渗吸效率的影响。

1 实验材料和方法

1.1 实验材料

针对火山岩气藏储层孔隙结构复杂、非均质性较强等特点，选取了松辽盆地北部大庆徐深火山岩气田12块全直径岩心(表1)进行实验研究，全直径岩心由于尺寸较大(10 cm×10 cm)，因此，能够更好地代表实际储层特征。

表1 12块全直径岩心常规物性资料Tab.1 Conventional physical parameters of 12 whole core samples

核磁共振实验是在中国石油勘探开发研究院研制的Magnet2000型全直径岩心核磁共振分析仪上进行的，该仪器各项性能指标均达到国际先进水平，其自带的数据处理软件可以自动反演计算得到测试岩样的核磁共振T2谱，不仅可以得到孔隙度、渗透率及流体饱和度等常规储层评价参数，而且可以根据核磁共振T2谱变化特征获得流体在多孔介质中的微观分布规律和变化特征。

1.2 实验步骤和方法

(1)岩心制备。选取有代表性的12块全直径岩心，测量长度、直径，岩心烘干后测量干重、气测渗透率；

(2)饱和模拟地层水。首先对干燥岩心抽真空及加压饱和模拟地层水，然后对饱和状态岩心进行核磁共振实验并测量岩心湿重；

(3)气驱建立束缚水状态。对饱和状态岩心定压气驱建立束缚水状态，之后进行核磁实验并测量岩心重量；

(4)自发渗吸实验。将束缚水状态岩心置于模拟地层水中进行自发渗吸实验，分别记录1 h、2 h、4 h、8 h、16 h和24 h的岩心重量，同时对部分渗吸状态岩心进行核磁共振实验；

(5)动态渗吸实验。自发渗吸实验结束后，将岩心装入夹持器重新气驱建立束缚水状态，之后进行水驱气的动态渗吸实验，分别记录见水、水驱0.5 PV、1 PV、2 PV、3 PV、4 PV和5 PV的岩心重量，对部分水驱状态进行核磁共振实验。

2 实验结果分析与讨论

2.1 自发渗吸实验

2.1.1 自发渗吸实验结果

为了更加清晰地反映自发渗吸过程中岩心含水饱和度变化特征，首先定义渗吸水饱和度的概念，其为不同时间自发渗吸进入岩心孔隙的水体积与岩心孔隙体积的比值。图1为12块岩心中有代表性的4块岩心渗吸水饱和度与自发渗吸时间的关系，图2为1号岩心饱和、束缚水及不同自发渗吸状态的核磁共振T2谱。

从图1可以看出，岩心自发渗吸水饱和度随渗吸时间的增加而增加，渗吸水饱和度增加幅度随渗吸时间的增加而减小。自发渗吸开始的1 h和2 h之内，12块岩心渗吸水饱和度平均值分别为13.99%和15.61%，而渗吸时间分别为8 h和16 h，12块岩心渗吸水饱和度平均值分别为17.47%、18.64%，渗吸水饱和度增加幅度随渗吸时间的增加越来越小，自发渗吸24 h岩心渗吸水饱和度仅比渗吸16 h渗吸水饱和度增加约1.13%.表明实验研究的低渗火山岩气藏岩心自发渗吸24 h(1 000 min左右)后已基本达到稳定状态，渗吸水饱和度明显增加主要集中在自发渗吸开始的2 h(100 min左右)之内，这也是亲水性较强岩心油水、气水渗吸的普遍规律[9,14]。同时从图2也可以看出，渗吸初期岩心核磁共振T2谱幅度增加较为明显，渗吸24 h后核磁共振T2谱已基本保持不变，这也从微观上进一步证明了自发渗吸24 h后已基本达到稳定状态。

图1 渗吸水饱和度与渗吸时间的关系Fig.1 Relationships of different core samples between imbibition water saturation and time

图2 1号岩心不同自发渗吸状态核磁共振T2谱Fig.2 NMR T2 spectra of 1# core sample in different spontaneous imbibition states

2.1.2 自发渗吸机理分析

从图1可以看出，不同渗透率岩心自发渗吸过程中渗吸速度及渗吸水饱和度具有明显的差别，如渗透率为0.053×10-3μm2的3号岩心24 h渗吸水饱和度为39.15%，且该岩心在渗吸初期的2 h之内含水饱和度急剧增加。而渗透率为17.655×10-3μm2的7号岩心24 h渗吸水饱和度仅为12.86%。不同渗透率岩心自发渗吸速度及渗吸水饱和度具有明显的差别，与岩心渗透率、润湿性、孔隙类型及其连通性密切相关[4-5,7-9,15]。

图3为12块全直径岩心自发渗吸24 h渗吸水饱和度和岩心含水饱和度与渗透率的关系。从图3可以看出，自发渗吸24 h后不同渗透率岩心含水饱和度差别不大，12块岩心含水饱和度平均值为81.49%。但12块岩心渗吸水饱和度随渗透率的增加总体呈减小趋势，即岩心渗透率越大，其渗吸水饱和度却越小。导致这种现象产生的主要原因是影响渗透率和自发渗吸效率的主控因素的差异。油气藏储层渗透率主要由其中所发育的连通性较好的大孔隙和裂缝控制，较大孔隙和裂缝越发育，则储层渗透率越高，孔喉半径较小的微孔隙对储层渗透率的贡献较小。而自发渗吸过程主要受控于毛管力大小，储层微孔隙越发育则作为渗吸动力的毛管力就越大，自发渗吸过程中渗吸速度和渗吸水饱和度自然较高，但对应的储层渗透率却较小[16-18]。以表1中渗透率较小的1和10号岩心为例，图4为1和10号岩心CT扫描照片，图5为该2块岩心恒速压汞获得的喉道半径大小分布图。从图4、图5可以看，1号岩心微观孔隙结构致密(图4(a))，绝大多数喉道半径小于0.4 μm，岩心气测水平渗透率仅0.14×10-3μm2，但其渗吸水饱和度达到15.8%。而10号岩心中发育部分微裂缝和气孔(图4(b))，约有30%的喉道半径大于0.4 μm，岩心气测水平渗透率为1.06×10-3μm2，但其渗吸水饱和度仅为10.4%。正是由于1号岩心喉道半径较小导致毛管力较大，因此，其渗吸水饱和度大于渗透率较大的10号岩心。

图3 渗吸水饱和度、岩心含水饱和度与渗透率的关系Fig.3 Relationships between imbibition water saturation/core water saturation and permeability

图4 不同渗透率火山岩岩心CT扫描照片Fig.4 CT scan photos of volcanic cores with different permeability

图5 不同渗透率火山岩岩心喉道半径分布Fig.5 Distribution of throat radius of volcanic cores with different permeability

观察图2可以发现，在自发渗吸过程中反映多孔介质中较小孔隙流体弛豫特征的核磁共振T2谱左峰信号随渗吸时间的增加而明显增加，而较大孔隙流体弛豫信号增加幅度较小，表明自发渗吸过程中储层微孔隙含水饱和度增幅较大而较大孔隙含水饱和度增加幅度较小。为了进一步分析自发渗吸过程中渗吸水在不同大小孔隙中的分布规律，以核磁共振T2谱连接左、右峰的凹点为较大孔隙和微孔隙流体T2弛豫时间的分界点，计算得到自发渗吸过程中不同大小孔隙渗吸水分布比例与渗吸时间的关系(图6)。从图6可以看出，低渗火山岩气藏岩心自发渗吸过程中微孔隙和较大孔隙渗吸水饱和度均随渗吸时间的增加而增加，但微孔隙渗吸速度明显大于较大孔隙自发渗吸速度，微孔隙渗吸水分布比例也明显大于较大孔隙渗吸水分布比例。自发渗吸初期微孔隙渗吸水饱和度急剧增加，自发渗吸1 h约有31.36%的渗吸水分布在微孔隙中，而较大孔隙渗吸水比例仅为1.94%，自发渗吸8 h后较大孔隙渗吸水分布比例才有较为明显的增加，之后较大孔隙渗吸水饱和度随渗吸时间的延长增加幅度很小，而微孔隙渗吸水饱和度随渗吸时间的延长一直处于较为明显的增加状态，表明微孔隙自发渗吸持续时间长于较大孔隙。自发渗吸24 h后，1号岩心中80.46%的渗吸水分布在微孔隙中，仅有19.54%的渗吸水分布在较大孔隙中。

图6 1号岩心不同大小孔隙渗吸水分布比例Fig.6 Proportion of imbibition water in different size pores of 1# core

对自发渗吸实验结果统计表明，12块岩心自发渗吸残余气饱和分布在12.04%～30.59%，平均值为18.51%。从图7岩心孔隙度与残余气饱和度的关系可以看出，自发渗吸的残余气饱和度与岩心孔隙度之间不存在明显的对应关系，如孔隙度为15.54%的6号岩心残余气饱和度为30.59%，而孔隙度为15.87%的7号岩心残余气饱和度却为12.04%，这与沉积砂岩气藏岩心自发渗吸规律具有明显的不同[12]。Suzanne Karine等[12]人对大量砂岩气藏及露头岩心研究发现自发渗吸残余气饱和度与孔隙度、渗透率之间均具有较好的函数关系。含黏土的气藏岩心残余气饱和度随孔隙度的减小而减小，而黏土含量很少的露头岩心残余气饱和度随孔隙度的减小而增大，认为黏土含量是决定自发渗吸残余气饱和度与孔隙度关系的关键因素，而孔隙度和黏土含量共同决定自发渗吸残余气饱和度大小。黏土含量越多则储层微孔隙越发育，作为渗吸动力的毛管力越大，因此使得残余气饱和度越小，即微孔隙中不会捕集非润湿相，残余气主要分布在较大孔隙中。Tetsuya Suekane、Dmitriy等[15,19]人均使用高分辨率X-CT成像观察到渗吸过程中滞留气泡分布在较大孔隙中的现象。

图7 残余气饱和度与孔隙度的关系Fig.7 Relationship between residual gas saturation and porosity

火山岩气藏由于喷发成岩的缘故以及后期经历的多期次地质改造作用，储层岩石矿物成分和孔隙结构与沉积砂岩储层具有明显的差别，不同成因类型和尺寸的孔隙均有发育[13]。火山岩储层黏土含量很少，其渗透率较低的原因主要在于储层基质胶结致密、孔喉细微及不同成因的较大孔隙连通性较差。CT成像实验结果表明，徐深气田火山岩储层孔隙结构较为明显的特征即为孔隙类型复杂多样及孔隙连通性较差，同时基质岩样恒速压汞实验结果表明，相同渗透率级别的低渗火山岩气藏储层喉道半径均小于低渗砂岩储层喉道半径，但其孔道半径却明显大于低渗砂岩储层孔道半径，使得火山岩气藏储层孔喉比超大且分布范围较宽[20-26]。如渗透率约为8.72×10-3μm2的砂岩岩心孔喉比分布在150～540，孔喉比加权平均值为77.88，而渗透率与其接近的低渗火山岩储层孔喉比分布在15～1 080，孔喉比加权平均值为379.75[27]。Wardlaw等[20]人研究认为渗吸过程中影响非湿相捕集机理的主要因素为孔喉比、孔喉配位数、非均质性及孔隙表面粗糙度。对于复杂低渗火山岩气藏储层而言，由于储层孔隙黏土含量较少，因此其孔隙表面相对较为光滑，因此，孔喉比较大、孔喉匹配关系复杂及非均质性较强是影响复杂低渗火山岩气藏自发渗吸残余气饱和度的主要因素，同时也是导致残余气饱和度与孔隙度之间关系较为复杂的主要原因。

图8为12块全直径岩心渗吸效率与渗透率的关系。从图8可以看出，自发渗吸效率与岩心渗透率具有一定的对应关系，岩心渗透率越小则渗吸效率越高。12块岩心自发渗吸效率分布在26.25%～75.26%，平均值为48.62%。

图8 渗吸效率与渗透率的关系Fig.8 Relationship between imbibition efficiency and permeability

2.2 动态渗吸实验结果分析

在自发渗吸实验基础上选取了9块有代表性全直径岩心进行了动态渗吸实验，图9为9块岩心中有代表性的1号岩心自发渗吸及动态渗吸不同阶段的核磁共振T2谱，图10为1号岩心动态渗吸过程中不同大小孔隙渗吸水分布规律。

从图9、图10及对比图2、图6可以看出，与自发渗吸过程中微小孔隙含水饱和度增加幅度较大而较大孔隙含水饱和度增加幅度较小不同，动态渗吸过程中随着水驱PV数的增加，岩心中大、小孔隙含水饱和度均明显增加，水驱初期较大孔隙含水饱和度增加幅度大于微小孔隙含水饱和度增加幅度。1号岩心水驱见水(注水0.21 PV)时较大孔隙含水饱和度增加幅度已明显大于微小孔隙含水饱和度增加幅度，见水时岩心较大孔隙含水饱和度已明显大于自发渗吸稳定状态较大孔隙含水饱和度。水驱见水至水驱1 PV，岩心微小孔隙含水饱和度增加幅度较小，而较大孔隙含水饱和度仍有较为明显的增加。水驱至5 PV时大、小孔隙含水饱和度增加幅度相反，此时微小孔隙含水饱和度增加幅度大于较大孔隙含水饱和度增加幅度，如图10所示。这表明动态渗吸过程中在外加驱替压差作用下，渗吸水首先以较快的速度进入连通性较好的较大孔隙，注水PV数较小时较大孔隙含水饱和度增加幅度大于微小孔隙含水饱和度增加幅度。随着注水PV数的增加和渗吸时间的延长，渗吸水在毛管力作用下逐渐进入微小孔隙，因此使得动态渗吸后期微小孔隙含水饱和度大于较大孔隙。总体而言，动态渗吸过程中较大孔隙渗吸水分布比例大于微小孔隙，动态渗吸初期较大孔隙渗吸速度较大但微小孔隙渗吸过程持续时间较长。在实际气藏开发过程中，控制合理的采气速度可以使得气藏边、底水以较低的速度推进，这样可以充分发挥自发渗吸作用将储层基质微孔隙中的气体排驱出来，避免采气速度过大导致储层水淹将较大气体排驱通道堵塞，不能充分发挥自发渗吸采气作用。

图9 1号岩心动态渗吸不同阶段核磁共振T2谱Fig.9 NMR T2 spectra of 1# core in different dynamic imbibition states

图10 1号岩心不同孔隙动态渗吸水分布比例Fig.10 Proportion of dynamic imbibition water in different size pores of 1# core

从图7可以看出，动态渗吸残余气饱和度均小于自发渗吸残余气饱和度，9块岩心动态渗吸残余气饱和度分布在1.70%～19.11%，平均值为6.55%。图8中动态渗吸效率大于自发渗吸效率，其与岩心渗透率具有较好的对应关系，渗透率越小则动态渗吸效率越高。其中当岩心渗透率分布在(0.1～1.0)×10-3μm2时，动态渗吸效率与自发渗吸效率相比增加幅度较为明显。

3 结 论

(1)低渗火山岩气藏自发渗吸过程中渗吸水饱和度随渗吸时间的增加而增加，渗吸水增加幅度随渗吸时间的增加而减小；火山岩实验样品渗吸水饱和度大幅增加主要发生在渗吸开始的2 h(100 min左右)之内，24 h(1 000 min左右)后自发渗吸基本达到稳定状态。

(2)核磁共振实验表明，自发渗吸过程中微小孔隙渗吸速度和渗吸持续时间均明显大于较大孔隙，80%左右的渗吸水分布在微小孔隙中，自发渗吸残余气主要分布在较大孔隙中，岩心渗透率越小，自发渗吸水饱和度越大；而动态渗吸初期较大孔隙渗吸速度大于微小孔隙，较大孔隙渗吸水分布比例大于微小孔隙，但微小孔隙渗吸持续时间较长。

(3)与沉积砂岩岩心自发渗吸不同，低渗火山岩气藏岩心自发与动态渗吸残余气饱和度与孔隙度之间不存在明显的对应关系，这与火山岩气藏储层特殊的喷发成岩机理、矿物组成及微观孔隙结构密切相关。实验研究的火山岩气藏岩心自发与动态渗吸残余气饱和度分别为183.51%和6.55%，自发与动态渗吸效率均随岩心渗透率的增大而减小，渗吸效率分别为48.62%和80.25%，气藏开发过程中控制采气速度的动态渗吸有利于提高水驱采收率。