页岩油岩心微纳米尺度非线性渗流实验研究

康竞舟

(山东石油化工学院，山东 东营 257061)

页岩油具有典型的自生自储、原地滞留聚集的特点，其在储集空间、赋存状态、渗流机理等方面都有别于常规气藏[1-2]。页岩油储层储集空间以纳米级为主，孔喉类型、分布、连通性复杂多变，毛管现象显著，流体在纳米级空间受到的作用力与微米级孔隙空间不同，由此导致流固作用力下页岩油的渗流规律也更加复杂[3-4]。

目前，对致密储层中流体渗流特征的测试方法主要有：毛管平衡法、压差-流量法和流量-压差法[5-8]。由于毛管平衡法只能得到启动压力梯度一个点，而无法得到非线性渗流曲线；流量-压差法难以实现低流速的稳定控制及计量，因此，笔者利用压差-流量法，通过改变岩心入口端压力，计量出口端流量，绘制稳定时不同压力下岩心出口端流体渗流速度，从而获得渗流曲线。针对页岩油储层渗透率低、一定压差下岩心的渗流速度极低的问题，笔者改进实验流程，通过显微观察与毛管测量相结合的方式，计量流体液面在毛管内(内径0.5mm)通过一定距离所需要的时间，依此计量微流速，从而实现对页岩储层流体非线性渗流的精细表征与测试。

1 实验方法与流程

非线性渗流测试步骤为：1)将所取的页岩油岩心洗油、称重，并测试岩心的长度与直径；2)将岩心进行抽真空，并加压充分煤油饱和；3)将岩心放入岩心夹持器，利用手动泵增加围压；4)通过调节气瓶后的精密减压阀，控制岩心入口端的压力，按照实验方案开展渗流实验，记录不同压力下稳定后流体液面在毛细管中的移动距离和所需时间，计算出流速；5)根据入口压力和出口流速，绘制页岩油岩心非线性渗流曲线，并计算特征参数。

为了防止毛细管中液体蒸发影响流量的计量精度，毛细管出口端采用液封。

实验岩心分别选用泥质粉砂岩和纹层状页岩岩心，其物性如表1所示。

表1 岩心基础数据

实验流程如图1所示，微流量计示意图如图2所示。

图1 实验流程图

图2 显微观察与毛管测量

微流量计量表示为：

(1)

式中：q为流量，cm3/h；d为毛细管内径，cm；l为液面在毛管中移动距离，cm；t为时间，h。

2 结果与分析

2.1 页岩油岩心孔隙结构特征

利用核磁共振测试2块煤油饱和岩心的微观孔隙结构分布，如图3所示。

图3 页岩油岩心核磁共振T2谱分布

核磁共振技术可以对页岩岩心进行快速无损的测试。根据弛豫原理[9]，在均匀磁场下，流体的T2弛豫时间与比表面积呈负相关关系。页岩岩心中具有小比表面积的大孔隙对应于大的T2弛豫时间，相反，具有大比表面积的小孔隙对应于小的T2弛豫时间，因此，T2弛豫时间谱可以用来表示不同孔隙中的流体分布，即页岩的微观孔隙分布。

从图3中看出，2块页岩油岩心均具有“三峰”结构，说明具有3种孔隙类型，孔隙结构复杂。其中，左峰的峰值较高，且对应的核磁共振T2弛豫时间小于1ms，说明页岩油岩心以纳米级微孔隙为主，而中峰和右峰明显不同。泥质粉砂岩中峰较低，与右峰连续且峰值比较接近，说明这两种孔隙大小虽然存在差距，但性质比较接近；而纹层状页岩的中峰较高，峰值明显高于右峰，且与中峰连续性差，说明这两种孔隙类型差异显著，右峰主要为灰质纹层，而中峰主要为泥质中的较大孔隙。

2.2 页岩油岩心渗流特征

利用改进的非线性渗流实验流程，分别对2块不同岩性的页岩油储层岩心进行渗流特征物理模拟实验。驱替压差与流量的关系曲线如图4所示。

图4 岩心非线性渗流测试曲线

从图4中看出，不同岩性的岩心渗流特征呈现不同的变化趋势：

1号岩心为泥质粉砂岩，岩心的渗流曲线在低压力梯度段呈现“下凹”型渗流特征，达到一定的驱替压力梯度后，则呈现拟线性渗流特征，其渗流规律与普通低渗透砂岩岩心相似。产生该渗流特征主要是由岩心中不同尺度空间内的流体边界层引起，在低压力梯度段，岩心中边界层影响显著，只有较大孔隙中的流体参与流动；随着压力梯度的增大，较小孔隙中的流体参与流动，渗流曲线呈现非线性渗流特征；当主流喉道半径中的原油参与流动时，渗流曲线呈现拟线性渗流特征。

2号岩心为纹层状页岩，岩心的渗流曲线在低压力梯度段呈现“上凸”型渗流特征，达到一定驱替压力梯度后，则呈现拟线性渗流特征，其渗流规律在低压力梯度段与普通低渗透砂岩、泥质粉砂岩都存在差异。产生该渗流特征主要是由于纹层状页岩中存在泥质和灰质两种差异较大的渗流介质，灰质纹层虽然比例较小，但其渗流能力强，对渗透率的贡献大；在低压力梯度段，主要由灰质中的流体参与流动，随着压力梯度的增大，泥灰之间产生一定的窜流。

分别对2块岩心的渗流曲线进行拟合，得到真实启动压力梯度和拟启动压力梯度。1号岩心的真实启动压力梯度为0.0093MPa/cm，拟启动压力梯度为0.0512MPa/cm；2号岩心的真实启动压力梯度为0.0026MPa/cm，拟启动压力梯度为0.0658MPa/m。可见，纹层状页岩岩心的真实启动压力梯度更小，且拟启动压力梯度与真实启动压力梯度的比值也远大于泥质粉砂岩。分析认为，由于泥质粉砂岩和纹层状页岩的孔隙结构存在一定的差异，纹层状页岩中灰质纹层的孔喉较大，动用难度较小，因此开始流动时的真实启动压力梯度较大，泥质和灰质两种渗流介质孔隙尺度和渗流能力差距显著，致使其真实启动压力梯度和拟启动压力梯度相差明显。

3 结论

1)建立了页岩油岩心非线性渗流曲线的测试方法，实现了页岩油岩心拟启动压力梯度和真实启动压力梯度的精确测量。

2)在低压力梯度段，泥质粉砂岩岩心的渗流曲线呈现“下凹”型渗流特征，纹层状页岩岩心的渗流曲线则呈现“上凸”型渗流特征，但达到一定的压力梯度后，渗流曲线都呈现拟线性渗流特征。

3)纹层状页岩岩心的真实启动压力梯度小于泥质粉砂岩，而拟启动压力梯度与真实启动压力梯度的比值却远大于泥质粉砂岩。