盖层全孔隙结构测定方法

石油实验地质PETROLEUM GEOLOGY & EXPERIMENT文章编号 :1001 - 6112 （2006） 06 - 0604 - 05盖层全孔隙结构测定方法承秋泉，陈红宇，范明，王强，陈伟钧（中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所，江苏无锡 214151）摘要：目前测定岩石孔隙结构的方法有压汞法气 体吸附法等，但压汞法测不到岩石中最小的孔隙，气体吸附法测不到岩石中较 大的孔隙，测定结果均不能得到完整的岩石全孔隙结构。将压汞法和气体吸附法2种测定结果换算相衔接可得到完整的盖层全 孔隙结构孔径分布图及其毛细管压力曲线，结合全驱岩样饱和水模拟实验即可直接测定岩样突破压力。研究结果表明，泥岩、灰 岩白云岩、粉砂质泥岩等的突破饱和度在19 %37 %之间，平均26 % ,而细砂岩、粉砂岩、含砾泥质砂岩等的突破饱和度在 41 %49 %，平均44 %。根据岩样的岩性，结合其毛细管压力曲线和孔径分布图选择合适的饱和度值，该饱和度值所对应的毛细 管压力可以近似地看作该岩样在地层条件下的突破压力。关键词：突破压力；毛细管压力曲线；孔径分布；压汞法；气体吸附法中图分类号 :TE135文献标识码:A对岩石微孔隙结构的测定，目前主要采用压汞法 和气体吸附法”。压汞法测定岩石的微孔隙结构 时，进口压汞仪工作压力虽最高可达400 MPa ,可测最 小孔隙半径1. 8 nm，但对天然气盖层来讲，这种分析 结果离盖层岩样微孔隙结构全分析还有差距；国产压 汞仪因工作压力偏低，测定结果与实际要求差距更 大。静态气体吸附法虽可以测定孔隙半径小于100 nm的微孔，但难以确定少量孔隙半径大于100 nm的 较大孔隙的存在。由此可见，单一的压汞法或气体吸 附法均无法完成盖层岩样微孔的全分析。本文所述 方法将压汞法和气体吸附法相结合，通过2种测定结 果的衔接实现盖层全孔隙结构测定，是目前国内最为 完整全面的盖层微孔分析方法。1 测试装置及原理1 . 1 压汞法压汞法测定岩石孔隙结构使用的仪器为无锡 石油地质研究所自行研制的WX - 2000型孔隙结 构仪（图1）,其最高工作压力为120 M Pa ,可测量 最小孔隙半径6. 3 nm，该仪器已获国家发明专利。图1 WX - 2000型孔隙结构仪Fig. 1 Type WX - 2000 po re text ure analytical inst rument收稿日期 :2006 - 03 - 22 ;修订日期 :2006 - 10 - 30。作者简介：承秋泉（1964 -），男（汉族），江苏无锡人，工程师，主要从事石油实验测试工作。毛细管压力公式：3 2ocos3P =s X10cr3c一毛管压力,M Pa ;毛管半径,nm ;。表面张力,N/ m ;&润湿角，()。将汞的表面张力。理=0. 48 N/ m ,汞润湿。理=140代入公式(1)中，简化得公式：式中：Pcr - cr = rk + t吸附层厚度的计算公式是：t = - 0. 557 lg Pn2 / Ps ) - 3?PN 2 / Ps为氮气相对压力，计算公式为：PN 2 / Ps = ( R N2 / R )X( Pa / P ) 式中：PN2氮气流速,mL/ s ;Rt混合气(N 2和He)流速，mL/(5)(6)(7)rm7 50P =c Hg rc毛管压力和岩石中汞饱和度(S Hg )是单函数关系，即理(2)Pc Hg = f ( S Hg )由公式(2)和(3)可绘出岩石孔隙半径分布图 和岩石毛细管压力曲线。1.2气体吸附法气体吸附法测定固体物质的孔径分布，是基于 多孔物质孔壁对气体的多层吸附和毛细管凝聚原 理 4 测试装置见图2。根据凯尔文导出的计算公式 5可以计算凯尔 文半径 rk : rk = - 0. 414 lg (Pn 2 / Ps )Pa大气压,M Pa。根据毛细管压力计算公式(1 ),若 气、水两相条件下，将气水界面 0.07 N/ m，润湿角0gw = 0o，代入(1)式，贝IJ 孔隙半径为： 8W 140:- - r =r Pc由公式(5)和(8)可得：Pc =-。吟附PJP 任 ) - 1 +1PC = f( PN2 / Ps )(4)岩样处在张力o =gw岩样 的(8)(9)式中：PN2氮气压力,M Pa ;Ps液氮饱和蒸气压,M Pa。被测的孔隙半径r不等于凯尔文半径 等于rk和吸附层厚度t之和，即(10)又因为PN2 / Ps与Vd (吸附量，mL )成函数关,即PN 2 / Ps = f (匕)(11)rk ,而是Pc = f (S) 由式(10) , (11) , (12)可得：(12)，哓li榔彘届图2 ST - 2000型比表面积与孔径测定装置Fig. 2 Type ST - 2000 specific surface area and pore diameter measuring inst rument u1Juirru EluctcriTiX il.lisriing EIulisu. A IlitlpAv w.enki.nu:体吸附法 岩样完整 图。理论换力曲线，然后与气 线相接，即可得到 线及其孔径分布s ( sPHg / 命=(-气 C0 气)/ 命 C0 X )(16)把汞的表面张力命=0. 48 N/ m，接触角0Hg = 140，气水表面张力 侦 0. 07 N/ m，接触角=0代入(16)式，并简化后得：P瑚 Pw * 252. 2. 2 突破压力(17)S = f (Vd )(13)由此可见，毛细管压力Pc和气饱和度S分别 与吸附过程中的相对压力(PN2 / Ps )和吸附量(V d ) 之间存在函数关系，通过换算可由吸附量Vd求出 气饱和度S，并绘出毛细管压力曲线和孔隙半径分 布图 。2 全孔隙结构测定2.1气驱岩样饱和水直接测定岩样突破压力的模拟实验选择14个不同岩性的岩样进行模拟地层条件 下气驱岩样饱和水直接测定突破压力的实验，同时 对这14个岩样采用压汞法和气体吸附法进行微孔 隙结构全分析，然后用实验测定的突破压力在其微 孔隙结构分析的毛细管压力曲线上找出与其相对 应的突破饱和度。测定结果表明，泥岩灰岩白云岩和粉砂质泥 岩的突破饱和度在19 %37 %之间，平均26 %，而 细砂岩粉砂岩含砾砂岩(包括含砾砂质泥岩)的 突破饱和度在41 %49 %之间，平均44 %。这种 结果与1991年王允诚 6 教授等人对扎贲诺尔群样品测定分析，得到汞突破时的饱和度为21. 5 % 55. 7 %的结果十分相近。另外，通过实验还可以清楚地看到，气驱饱和 煤油岩样实验测定的突破压力远小于气驱饱和水 岩样实验测定的突破压力，由此可以说明，岩样突 破压力的大小与岩样饱和介质的性质有关，不同饱 和介质有其不同的突破压力。过去人们把毛管压 力曲线上气饱和度10 %所对应的毛管压力近似地 看作岩层的突破压力7 ,尽管气饱和度10 %也直用岩样的总孔隙体积V孔减去压入汞的孔隙体积 V孔-汞，二者之差为气体吸附法所得到的孔隙体积 V孔-吸，即：V孔-吸V孔-V孔-汞(15)式中：V孔-吸为岩样孔隙半径小于6. 3 nm微孔的 孔隙体积，cm3 ;v孔-汞为岩样孔隙半径大于或等于 6. 3 nm的孔隙体积，cm3。气体吸附法共测5个点，按顺序由二测量点吸 附量的差，共同平分吸附体积V孔-吸。根据前面气 体吸附法基本原理中的有关计算公式，即可得气水 条件下的毛细管压力曲线和孔径分布 。把压汞法测得的汞毛细管压力曲线换算成气 水条件下的毛细管压 测得的毛细管压力曲 的毛细管压力曲 算公式如下：王允诚 6 教授等人通过模拟实验，指出地层条 件下岩样的突破压力均大于过去所定义的排驱压力值。本测定方法根据气驱岩样饱和水直接测定岩样突破压力的模拟实验，结合岩样微孔隙结构全分 析测定，确定泥岩、岩、云岩、粉砂质泥岩等在气饱和度19 %37 %范围内，细砂岩、粉砂岩、含接来自于气驱饱和煤油岩样测定突破压力的实验， 但与气驱饱和水岩样测定突破压力的实验相比较， 显然后者更逼近实际的地质条件。2.2数据处理2. 2. 1 毛细管压力曲线及其孔径分布被测岩样的孔隙体积按下式计算：V 孔=M G/ D(14)式中:V孔孔隙体积，cm3 ；M岩样孔隙度，% ；D = 岩常重比重地/ cm。3砾砂岩等在气饱和度41 %49 %范围内；再结合 其毛细管压力曲线和孔径分布图，选择合适的饱和 度值，可以把该饱和度值所对应的毛管压力近似地 看作该岩样在地层条件下的突破压力PA。由于游离气相在穿过被液体饱和的岩层时需要有一定体积的连通孔隙，因此一般而言，孔隙度 较小的岩样取其饱和度较大值，反之则相反。2. 2. 3 突破时间突破时间就是天然气外泄时穿过盖层所需的 时间 。其计算公式如下 ： = (4.L a / (ZkP r ) x10(幻由压汞法测得的各压入点对应汞量的实验数据，经公式(2)和(3)计算，可得汞毛细管压力曲线和孔径分布以及汞进入岩样孔隙的总体积V ，孔-水m；式中：tA突破时间rA破半径10 2M流体粘度，Pa19s-4-2f.il 1 Chio：i Aciidc：n.ic JijurnH. AI righlfilitlpA-ww.ciiki.tiei(19)L 层厚度10 2 m;a弯曲度理论修正值，取a=n/ 2 ;AP从半径为rA孔隙通道中排出液体时的压力差,M Pa。2. 2. 4中值压力Pm和中值半径rm在毛细管压力曲线图上，饱和度为50 %时所 对应的毛管压力为中值压力Pm，与其所对应的孔 隙半径为中值半径rm。计算公式：r =140/P式中：rm中值半径，nm ;Pm中值压力，M Pa。2. 2. 5 气柱高度hg及遮盖系数Kf盖层的突破压力PA控制了储集层捕集天然气 的高度。储集层捕集烃类气体的临界高度称为盖层 的气柱高度hg，它与气藏的气水密度差有关。即：hg = 100 PA/Apgw(20)式中：PA突破压力,M Pa ;Apgw气水密度差,g/ cm3。在具体圈闭中，盖层对天然气的遮盖程度可用 下式表示 ：Kf = ( hg / Z) X100 %(21)式中：Kf天然气盖层的遮盖系数，Z构造闭合度,m。2.3重复性校验由于没有校验孔径分布和突破压力的标准物 质，加之压汞法被测样只能作一次压汞实验，不能 作第二次压汞重复实验，因此本测定方法重复性实 验的样品，只能选择与实验岩样相邻的 块平行样。由于平行样之间的孔隙结构实际上已存在一 定的差异，而突破压力是本方法测定的 主要参数，故本测定方法的重复性实验仅对岩样的突破压 力进行测试。共作了 9个岩样的重复实验，其结果 见表1。从表1中可以看出，同一岩样的2块平行 样品，突破压力2次测定结果的相对误差均 小于7 %，说明本方法只要严格掌握操作步骤，实验结果 的重复性较好。但实验毕竟有其局限性，也不可能 对所有的岩样进行比较，因此为具更广泛性，适合 各种岩性样品的测量要求，本方法测定的重复性， 其相对误差可以暂定为小于10 %。3 地质应用在油气藏盖层研究中，盖层的突破压力PA是 主要评价参数，它的主要遮挡机理是盖层微孔的毛 管阻力阻止烃类在盖层中的运移而起到封盖作用。 在宏观地质体和漫长的地质时代中，天然气得以保 存成藏的基本条件是盖层的突破压力PA必须大 于或等于气藏的剩余压力辱(即PA Ap)。如果 PA Ap，气藏就有足够的能量使天然气慢慢地突 破盖层而向上渗漏逸散，随着气藏中天然气的不断 渗漏逸散，气藏剩余压力AP将逐渐减小，当PA - Ap时，气藏将达到相对平衡状态，若不考虑天然 气经盖层扩散等作用，此时天然气就被保存在气藏 中。所以一般地讲，盖层的突破压力越大，其封盖 能力就越好，反之则差。在气水共存的静态平衡条件下，气柱高度hg 相当于天然气在盖层微孔隙中的势能。遮盖系数8Kf则是将微观测定的气柱高度hg与宏观测量的 地质体的构造闭合度结合而得到的一项参数，它表 示盖层对气藏的遮盖程度。气柱高度hg和遮盖系 数Kf的大小与盖层的突破压力PA成正比。因此 对评价盖层而言，气柱高度hg和遮盖系数Kf与突 破压力具有相同的地质意义：样品号岩性孔隙度，第一次测定第二次测定相对误差，突破饱和度FG- 4G灰岩灰绿色泥岩0. 531. 809. 19JH- 6-红色泥灰色泥岩12. 640. 519. 551147岩深灰色泥质粉相”10. 204. 37Y- 5G灰色泥质粉砂岩6 7011. 33G- 1-砂岩深灰色泥质粉24. 4413. 95G- 48灰白色白砂岩2. 2112. 86G- 5云岩深灰色泥岩2. 0013. 56突破压力/ MPa,%表1岩样突破压力重复性测定结果Table 1 Results of repetitive measure for the breakthrough pressure of the rock samples16. 418. 851. 9269. 819. 042. 7274. 723. 92412. 113. 32813. 9502114. 726. 72813. 951. 43116. 861. 4218. 954. 624表2河南泌阳安3006井部分盖层岩石微孔结构分析结果Table 2 Results of the pore texture analysis for the caprock in the Well An 3006 in Anpeng Oilf ield表2为河南泌阳安棚油田安3006井核桃三组 3 1863 242 m的5块盖层岩石微孔结构全分析 数据表。这5块岩石的突破压力PA的分布范围 是13. 5728. 19 M Pa，平均为18. 58 M Pa，表明它 们对油气的封盖能力极好。由表2看出这些样品 的遮盖系数很大，气柱高度也很高，说明安棚油田 的含油饱和度高，油藏的弹性产率也高，这与实际 情况是完全相符合的。参考文献：1 朱盘良，张文达.天然气盖层微孔隙形态的研究方法及其地质 意义J .石油实验地质,1994 ,16 (2) :1721792 张文达，朱盘良.砂岩压汞毛细管压力曲线评价储层的新参数及地质意义J .石油实验地质,1994 ,16 (4) :3843883 肖无然，张文达，蔡仲祥.压汞法测定岩石孔隙结构 及其应用A .见：地质矿产部石油普查勘探局.石油地质文 集：油气C,北京：地质出版社，1982. 2522614 王志欣.毛细管力是油(气)初次运移的动力吗J .石油实验 地质,2000 ,22 (3) :195 2005 严继民.吸附与凝聚：固体的表面与孔M .北京：科学出版 社，1979. 1 2116 罗蜇潭，王允诚.油气储集层的孔隙结构M .北京：科学出版 社，1986. 1 267 向 阳，赵冠军，单钰铭.储集岩真实突破压力的研究及其应用J .成都理工学院学报,1994 ,21 (3) :96101样品号项 目井深/ m13 186. 423 195. 533 213. 143 226. 753 242. 1岩性深灰色泥岩深灰粉砂泥岩深灰粉砂泥岩深灰色泥岩深灰粉砂泥岩比表面积/ ( m2g - 1 )0. 170. 150. 190. 300. 76孔隙流体能/ (Jg - 1 )0. 010. 010. 010. 020. 05突破压力/ MPa18. 7815. 5413. 5716. 8628. 19突破半径/ nm7. 459. 0110. 318. 314. 97突破时间/ (am - 1 )61. 4942. 0932. 1149. 52138. 55中值半径/ nm4. 555. 526. 954. 703. 63中值压力/ MPa30. 7625. 3820. 1529. 838. 57孔隙集中范围/ nm1. 025. 01. 016. 02. 516. 01. 010. 01. 010. 0含量，10097. 1410096. 25100气柱高度/ m1 8221 5071 3161 6432 734遮盖系数%3644301426333695469DETERMINATION OF THE TOTAL PORE TEXTURE OF CAPROCKCheng Qiuquan ,Chen Ho ngyu ,Fan Ming ,Wang Qiang ,Chen Weijun(W ux i Research I nstitute of Pet roleum Geolog y , SIN O P EC, W ux i , J iangsu 214151 , China)Abstract : Based o n t he result s of mecury injectio n and gas absorptio n analytical met hods of cap rock ,t he co mplete pore diameter dist ributio n diagram of cap rock and t he capillary p ressure curve can be o btained.ent rock t ypes. The values are f ro m 19 % to 37 % wit h average value being 26 % in mudsto ne , limesto ne , dist ributio n diagram and t he lit hology of a rock sample ,a reaso nable sat uratio n value can be determined.t hro ugh p ressure of t he rock sample under t he fo matio n co nditio ns.tio n ； gas adsorptio n：心、d、二iu J. urn. Ehnm lis-iinj .二 I i成丁di.iiL.感谢您试 用 AnyBizSoft PDF to Word。试用版仅能转换5页文档。要转换全部文档，免费获取注册码请访问