代金友 林立新
(1. 油氣資源與探測國家重點實驗室(中國石油大學(北京) ), 北京 102249;2. 中國石油大學(北京) 石油工程學院, 北京 102249)
儲層是能夠儲存和滲濾流體的巖層。 儲層的基本特性是孔隙性和滲透性。 儲層孔隙性決定儲層滲透性, 因此儲層孔隙性研究是儲層滲透性研究的基礎。 儲層孔隙性研究往往以儲層孔隙分類為前提,研究目的不同, 孔隙分類方案也不相同。 目前, 具有代表性的孔隙分類方案可歸納為5 類: (1) 成因分類, 將儲層孔隙分為原生孔隙、 次生孔隙2 大類[1]; (2) 產(chǎn)狀分類, 將儲層孔隙分為粒間孔隙、粒內(nèi)孔隙、 填隙物內(nèi)孔隙及裂隙4 大類[2]; (3)組合關系分類, 將儲層孔隙分為孔道和喉道2 大類[3]; (4) 孔徑大小分類, 將儲層孔隙分為超毛細管孔隙、 毛細管孔隙和微毛細管孔隙3 大類[4];(5) 連通性分類, 將儲層孔隙分為連通孔隙和死孔隙2 大類[5]。 上述分類方案被廣泛地應用于儲層孔隙表征和孔隙結(jié)構(gòu)研究[6-11], 促進了對于儲層孔隙性的認識。
然而, 在儲層流體滲流過程中, 由于受到滲流阻力的影響, 參與“滲流” 的孔喉網(wǎng)絡規(guī)模與驅(qū)動壓力密切相關。 當驅(qū)動壓力一定時, 儲層中只有孔喉尺度大于某一界限的孔喉網(wǎng)絡可以發(fā)生滲流,而低于這一界限的孔喉網(wǎng)絡則不能發(fā)生滲流。 隨著驅(qū)動壓力的變化, 參與“滲流” 的孔喉網(wǎng)絡規(guī)模也發(fā)生漸擴或漸縮。 因此, “滲流” 孔喉網(wǎng)絡的規(guī)模具有“動態(tài)” 性。 目前, 儲層孔隙的分類方案均屬“靜態(tài)” 分類, 不能滿足儲層流體滲流的“動態(tài)” 特性要求, 不利于儲層不同尺度孔隙中流體流動狀態(tài)的判定。 為了更高效地進行油氣開發(fā),建立與滲流“動態(tài)” 相適應的儲層孔隙的“滲流”分類方案具有重要的現(xiàn)實意義。 為此, 在儲層不同尺度孔隙滲流能力、 滲流特性和滲流狀態(tài)分析基礎上, 提出了一種與儲層流體滲流“動態(tài)” 特性相適應的儲層孔隙“滲流” 分類方案。
儲層孔喉網(wǎng)絡中多數(shù)孔隙總能找到與其相配位連通的其他孔隙, 然而也存在少數(shù)不連通孔隙(或死孔隙), 流體滲流主要發(fā)生在連通孔隙中。儲層連通孔隙由孔徑不一、 形態(tài)各異的孔喉網(wǎng)絡相互交織耦合構(gòu)成。 儲層孔喉網(wǎng)絡的復雜性、 尤其是孔喉分布的級次性必然對流體的滲流產(chǎn)生直接影響。 為此, 前人根據(jù)孔徑大小將孔隙分為超毛細管孔隙、 毛細管孔隙和微毛細管孔隙3 類[3-5]。 其中,超毛細管孔隙是指孔徑大于500 μm 的毫米級孔隙, 其中液體在重力的作用下可自由流動; 毛細管孔隙是指孔徑0.2~500 μm 的微米級孔隙, 其中液體質(zhì)點受毛管力以及周圍固體界面分子力的作用不能自由流動, 只有在驅(qū)動壓力的作用下才能流動;微毛細管孔隙是指孔徑小于0.2 μm 的納米級孔隙, 其中液體質(zhì)點受毛管力以及周圍固體界面分子間引力很大, 在通常驅(qū)動壓力作用下液體不能流動而呈吸附態(tài)(表1)。
表1 儲層不同類型孔隙滲流能力Table 1 Seepage capacity of different types of pores in the reservoir
根據(jù)儲層滲流階段的不同, 儲層存在成藏、 生產(chǎn)和理論滲流3 種典型滲流狀態(tài):
(1) 成藏滲流狀態(tài)是成藏階段儲層中充注孔隙參與滲流的狀態(tài);
(2) 生產(chǎn)滲流狀態(tài)是指生產(chǎn)階段流動孔隙參與滲流的狀態(tài);
(3) 理論滲流狀態(tài)是指儲層中有效連通孔隙(或超毛細管、 毛細管孔喉) 全部參與滲流的一種理想滲流(或極限滲流) 狀態(tài)。 其無特定滲流階段, 可處于成藏或生產(chǎn)的任意滲流階段。 對于特定儲層, 只有當充注壓力或驅(qū)動壓力足以使有效連通孔喉流體100% 動用時, 儲層才處于理論滲流狀態(tài)。
儲層滲流狀態(tài)不同, 參與“滲流” 的孔喉網(wǎng)絡規(guī)模也不相同。 因此, 儲層孔隙的滲流特征與其所處的滲流狀態(tài)有關, 3 種滲流狀態(tài)下的儲層孔隙滲流特征為:
(1) 在成藏滲流狀態(tài)下, 油氣并非100%充滿有效連通孔隙, 充滿程度主要取決于充注壓力和滲流阻力的關系。 在充注壓力和滲流阻力作用下, 油氣首先進入儲層中阻力較小的大孔隙網(wǎng)絡, 在大孔隙網(wǎng)絡飽和后, 再依次逐步進入相對較小的孔隙網(wǎng)絡, 這一過程一直持續(xù)到與充注壓力相匹配的有效連通孔隙空間全部充滿油氣為止。 當充注壓力較小時, 有效連通孔隙油氣充滿程度較低; 反之亦然。這一過程中, 被油氣充滿的有效連通孔隙部分為充注孔隙, 反之為不可充注孔隙。
(2) 在生產(chǎn)滲流狀態(tài)下, 有效連通孔隙中的流體也不是100%可以流動, 其動用程度主要取決于驅(qū)動壓力和滲流阻力。 在驅(qū)動壓力和滲流阻力作用下, 儲層中阻力較小的大孔隙網(wǎng)絡中流體優(yōu)先動用, 然后相對較小的儲層孔隙網(wǎng)絡中流體再依次動用, 這一過程一直持續(xù)到與驅(qū)動壓力相匹配的有效連通孔隙內(nèi)流體全部動用為止。 當驅(qū)動壓力較小時, 有效連通孔隙中流體動用程度較低; 反之亦然。 這一過程中, 動用的有效連通孔隙部分為流動孔隙, 反之為不可流動孔隙。
(3) 在理論滲流狀態(tài)下, 對于連通孔隙, 液體滲流主要發(fā)生在超毛細管和毛細管孔隙中, 而微毛細管孔隙不具有理論上的流動性。 故連通的超毛細管和毛細管孔隙為有效連通孔隙, 而微毛細管孔隙則為無效孔隙。
依據(jù)儲層不同尺度孔隙滲流能力、 滲流特征和滲流狀態(tài)的差異, 提出與滲流“動態(tài)” 特性相適應的儲層孔隙“滲流” 分類方案, 將儲層孔隙分為總孔隙、 連通孔隙、 有效連通孔隙、 流動孔隙和充注孔隙5 種“滲流” 孔隙類型。
通過儲層孔隙模型可直觀表達出這5 種“滲流” 孔隙類型(圖1), 各類孔隙特征如下:
(1) 總孔隙: 該孔隙是儲層連通和不連通孔隙的總和, 亦稱絕對孔隙。 總孔隙構(gòu)成了儲集巖中流體賦存的孔喉網(wǎng)絡空間。 總孔隙對應總孔隙度,總孔隙度(或絕對孔隙度) 可表示為
式中:φa——總孔隙度,%;
Va——總孔隙體積, cm3;
V——巖樣體積, cm3;
Vc——連通孔隙體積, cm3;
Vd——死孔隙體積, cm3。
(2) 連通孔隙: 該孔隙是儲層超毛細管、 毛細管和微毛細管孔隙的總和, 亦稱傳質(zhì)孔隙。 連通孔隙構(gòu)成了儲集巖中流體傳質(zhì)的孔喉網(wǎng)絡空間。 這里的傳質(zhì)具有雙重性, 一是指流體在超毛細管和毛細管孔隙中的滲流, 即在驅(qū)動壓力作用下流體注入或產(chǎn)出; 二是指在微毛細管孔隙中存在濃度差的流體組分的擴散。 其中, 滲流傳質(zhì)為主, 擴散傳質(zhì)為輔。 連通孔隙對應連通孔隙度, 其表達式為
式中φc——連通孔隙度,%。
(3) 有效連通孔隙: 該孔隙是儲層超毛細管、毛細管孔隙的總和, 亦稱理論滲流孔隙。 有效連通孔隙構(gòu)成了儲集巖中流體理論滲流的孔喉網(wǎng)絡空間。 有效連通孔隙對應有效孔隙度, 其表達式為
式中:φe——有效孔隙度,%;
Ve——有效連通孔隙體積, cm3。
(4) 流動孔隙: 該孔隙是儲層生產(chǎn)條件下能夠參與滲流的超毛細管、 毛細管孔隙的總和, 亦稱生產(chǎn)滲流孔隙。 流動孔隙構(gòu)成了儲集巖中流體生產(chǎn)滲流的孔喉網(wǎng)絡空間。 流動孔隙對應流動孔隙度,其表達式為
式中:φf——流動孔隙度,%;
Δp——驅(qū)動壓力, MPa;
Vf——流動孔隙體積, cm3。
(5) 充注孔隙: 該孔隙是儲層成藏條件下能夠參與滲流的超毛細管、 毛細管孔隙的總和, 亦稱充注滲流孔隙。 充注孔隙構(gòu)成了儲集巖中油氣充注滲流的孔喉網(wǎng)絡空間, 即油氣賦存空間。 充注孔隙對應充注孔隙度, 其表達式為
式中:φin——充注孔隙度,%;
Δpin——充注壓力, MPa;
Vin——充注孔隙體積, cm3。
與儲層孔隙的“靜態(tài)” 分類方案相比, “滲流” 分類方案具有3 個特點:
(1) 與滲流“動態(tài)” 特性相適應: 隨著驅(qū)動壓力的變化, 儲層流體滲流空間呈漸擴或漸縮特征, “靜態(tài)” 孔隙難以與滲流空間的“動態(tài)” 變化建立直接聯(lián)系。 相對而言, “滲流” 孔隙表現(xiàn)為與驅(qū)動壓力相關的函數(shù), 因而能夠與滲流空間的“動態(tài)” 特性相適應。
(2) “滲流” 孔隙之間具有包容關系: 以往的“靜態(tài)” 孔隙分類方案中各類孔隙之間具有清晰的界限, 不同類型孔隙之間相互獨立、 互不相交。 如從成因角度來看, 原生孔隙和次生孔隙是不同的孔隙類型; 從連通性來看, 連通孔隙和死孔隙具有明確的界限; 從產(chǎn)狀來看, 粒間孔隙和填隙物內(nèi)孔隙也是互不相容的。 而儲層孔隙的“滲流” 分類方案中, “滲流” 孔隙之間不是相互獨立的, 而是具有一定的包容關系。
(3) 求和不歸一性: 以往的“靜態(tài)” 分類方案中各類孔隙之間具有求和歸一性, 即不同類型孔隙的體積之和等于總孔隙體積, 不同類型孔隙的孔隙度之和等于總孔隙度。 而“滲流” 分類方案中,不同“滲流” 孔隙體積之間的包容關系決定了其不存在求和歸一性。
原有分類方案中儲層“靜態(tài)” 孔隙類型很多,對應的“靜態(tài)” 孔隙度也很多。 如原生孔隙度、次生孔隙度、 粒間孔隙度、 粒內(nèi)孔隙度、 填隙物內(nèi)孔隙度及裂隙孔隙度等; 然而油田開發(fā)實踐中很少應用“靜態(tài)” 孔隙度, 而主要應用“滲流” 孔隙度, 如總孔隙度、 連通孔隙度、 有效孔隙度、 流動孔隙度等。 然而, 在“靜態(tài)” 分類方案中, 這些“滲流” 孔隙度所對應的孔隙類型并不明確, 缺乏清晰的“滲流” 孔隙原型; 而儲層孔隙的“滲流”分類方案則提供了“滲流” 孔隙度所對應的孔隙原型, 使得“滲流” 孔隙和“滲流” 孔隙度之間的對應關系得以明確, 有效解決了這種“靜態(tài)”孔隙和“滲流” 孔隙度不匹配問題。
儲層孔隙的“滲流” 分類方案是一種“動態(tài)”分類方案, 相較于以往的“靜態(tài)” 分類方案, 該方案劃分的孔隙類型之間具有“包容性” 和“求和不歸一性” 特點。 該方案確定的5 種“滲流”孔隙類型(總孔隙、 連通孔隙、 有效孔隙、 流動孔隙和充注孔隙), 較好地涵蓋了儲層流體滲流的5 種孔隙尺度范圍(賦存孔隙、 傳質(zhì)孔隙、 理論滲流孔隙、 生產(chǎn)滲流孔隙和充注滲流孔隙) 和3 種滲流狀態(tài)(理論、 生產(chǎn)和充注滲流), 能夠客觀地反映儲層不同滲流狀態(tài)間的聯(lián)系, 對儲層的理論滲流下限、 生產(chǎn)滲流下限和充注滲流下限的確定具有實際指導意義。 同時“滲流” 孔隙和“滲流” 孔隙度相互對應, 界限清晰, 形成了統(tǒng)一的“滲流”孔隙和“滲流” 孔隙度體系, 有利于開展不同滲流狀態(tài)下的滲流理論與應用研究。
目前, 人們對于儲層“滲流” 孔隙度的認識尚不統(tǒng)一。 何更生等[3]定義了絕對孔隙度、 連通孔隙度、 有效孔隙度和流動孔隙度; 紀友亮等[4]、楊勝來等[5]也分別定義了絕對孔隙度、 有效孔隙度和流動孔隙度。 以上學者對絕對孔隙度(或總孔隙度) 和流動孔隙度的定義與此次“滲流” 分類方案一致, 而有效孔隙度的定義則各不相同。 其中, 何更生等[3]定義的有效孔隙度(巖石中烴類體積與巖石總體積之比) 相當于“滲流” 分類方案中的充注孔隙度; 紀友亮等[4]定義的有效孔隙度(參與滲流的連通孔隙體積與巖石總體積之比)相當于“滲流” 分類方案中的有效孔隙度; 而楊勝來等[5]定義的有效孔隙度(連通孔隙體積與巖石總體積之比) 相當于“滲流” 分類方案中的連通孔隙度。 由此可見, 缺乏統(tǒng)一的儲層孔隙的“滲流” 分類方案是導致不同學者對“滲流” 孔隙度、 尤其是有效孔隙度定義分歧的主要原因。
目前, 盡管實驗室測定孔隙度的方法較為成熟[12-15], 但測定的孔隙度與5 種“滲流” 孔隙度之間的對應關系尚不明確。 主要表現(xiàn)在5 個方面:
(1) 巖石不連通孔隙(或死孔隙) 單獨識別和測定的方法報道較少, 儲層總孔隙度目前尚無法準確測定;
(2) 連通孔隙流體傳質(zhì)的雙重性決定了液體無法進入微毛管孔隙, 因此常規(guī)的實驗室液體飽和法不能測定連通孔隙度; 與之相比, 氣體能夠一定程度地進入巖石微毛管孔隙, 采用氣體法可大致確定連通孔隙度。 當實驗氣體分別為氮氣或氦氣時,與氮氣相比, 氦氣相對分子質(zhì)量更小能夠進入更小的巖石孔隙[5], 因而采用氦氣測定連通孔隙度較氮氣更為精確。 這說明不同的實驗氣體測得的連通孔隙度是不同的, 如何通過實驗手段能夠更為準確地測定連通孔隙度仍是一個需要努力的方向;
(3) 連通孔隙由微毛細管孔隙、 毛細管孔隙和超毛細管孔隙構(gòu)成, 有效連通孔隙由毛細管孔隙和超毛細管孔隙構(gòu)成, 只有確定了微毛細管孔隙和毛細管孔隙分界點(理論滲流下限點), 才能測定有效孔隙度。 因此, 確定理論滲流下限點是確定有效孔隙度的關鍵;
(4) 儲層流動孔隙度與具體的生產(chǎn)條件有關,并不是一個固定值, 而是通過與驅(qū)動壓力相關的函數(shù)來確定, 因而流動孔隙度的確定需要考慮生產(chǎn)壓差因素;
(5) 儲層充注孔隙度與具體的成藏條件有關,也不是一個確定值, 而是通過與充注壓力相關的函數(shù)來確定, 因而充注孔隙度的確定需要考慮成藏動力因素[16-17]。
上述分析表明, 5 種“滲流” 孔隙度中, 除連通孔隙度可以采用氣體法大致確定外, 其他4 種“滲流” 孔隙度該如何確定, 依然是一個極具實踐意義的現(xiàn)實而又迫切的問題, 發(fā)展針對性的測試技術是解決這一問題根本所在。
以利用容積法計算石油地質(zhì)儲量為例進行說明。 容積法計算地質(zhì)儲量公式為
式(10)說明,儲層流動孔隙原始含油飽和度是驅(qū)動壓力的分段函數(shù)。 當驅(qū)動壓力大于(等于)充注壓力時,油氣全部動用,Soi-f≤100%;而當驅(qū)動壓力小于充注壓力時,油氣只能部分動用,Soi-f=100%。
充注孔隙原始含油飽和度Soi-in可表達為
式(11) 說明, 充注孔隙原始含油飽和度Soi-in始終為100%。
綜合式(1) —式(11), 可以得到
由式(12) 可得出3 點認識: (1) 儲層總孔隙中原油體積、 儲層連通孔隙中原油體積、 儲層有效孔隙中原油體積與儲層充注孔隙中原油體積始終是相等的;
(2) 當驅(qū)動壓力大于(等于) 充注壓力時,油氣得到全部動用, 此時儲層充注孔隙中原油體積與儲層流動孔隙中原油體積也相等;
(3) 當驅(qū)動壓力小于充注壓力時, 油氣得到部分動用, 此時儲層充注孔隙中原油體積大于儲層流動孔隙中原油體積。
綜上所述, 容積法地質(zhì)儲量計算公式實際上隱含了4 種形式:
因此, 在采用容積法進行石油地質(zhì)儲量計算時, 無論采用哪種表達形式, 公式中的“滲流”孔隙原始含油飽和度都必須和相應的“滲流” 孔隙度相匹配。 例如公式(14) 中采用連通孔隙原始含油飽和度Soi-c, 則孔隙度必須為連通孔隙度φc。 此時若采用總孔隙度φa, 則儲量計算結(jié)果就會比實際大; 此時若采用有效孔隙φe, 則計算儲量又會比實際小。 可見, 從應用角度來看, 儲層孔隙的“滲流” 分類方案有助于“滲流” 孔隙度應用的規(guī)范化。
充注孔隙度可看作成藏過程中反映儲層油氣充注程度的度量, 流動孔隙度可看做油氣開發(fā)過程中反映儲層流體動用程度的度量。 因此, 可以利用充注孔隙度與流動孔隙度的相對大小來判斷油氣動用狀況。 定義流動充注比為η, 其表達式為
流動充注比η為驅(qū)動壓力和充注壓力的耦合函數(shù)。 當Δp<Δpin時,η<1, 此時流動孔隙度小于充注孔隙度, 油氣部分動用; 當Δp=Δpin時,η=1, 此時流動孔隙度等于充注孔隙度, 油氣剛好完全動用; 當Δp>Δpin時,η>1, 此時流動孔隙度大于充注孔隙度, 油氣完全動用且產(chǎn)水。
因此, 在油田開發(fā)過程中, 可以利用流動充注比判斷油氣動用狀況并為生產(chǎn)壓差優(yōu)化調(diào)整提供依據(jù)。
這里主要討論3 種“滲流” 孔隙度(有效孔隙度、 流動孔隙度和充注孔隙度) 的確定方法,這3 種孔隙度均可以通過壓汞法確定(圖2)。
(1) 當壓汞曲線達到最大進汞飽和度后, 繼續(xù)增加壓力進汞飽和度保持不變, 最大進汞飽和度保持不變的初始點可視為毛細管孔隙與微毛細管孔隙分界點, 此處的孔隙度即為有效孔隙度(圖2中A點)。
(2) 流動孔隙度需結(jié)合油田生產(chǎn)壓差來綜合確定, 即生產(chǎn)壓差對應的孔隙度(圖2 中B點)即為流動孔隙度。
(3) 充注孔隙度需結(jié)合儲層原始含氣飽和度來綜合確定, 即原始含油飽和度對應的孔隙度(圖2 中C點) 即為充注孔隙度。
此3 種孔隙度可表達為
式中:φi——有效孔隙度、 流動孔隙度或充注孔隙度,%;
Si——進汞飽和度,%。
以X 油田為例進行說明。 X 油田構(gòu)造隸屬于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡西南部, 油田主產(chǎn)層為三疊系上統(tǒng)延長組長63油組, 儲層平均連通孔隙度為10.9%, 平均滲透率為0.15×10-3μm2, 屬于低滲透儲層, 孔隙結(jié)構(gòu)復雜[18]。
根據(jù)X 油田的儲層地質(zhì)特點, 在樣品采集和物性分析的基礎上, 對選取的5 塊巖樣進行高壓壓汞實驗測試(表2)。 以3#巖樣為例, 根據(jù)壓汞曲線來確定滲流孔隙度(圖3)。 當進汞壓力達到49.5 MPa時, 樣品達到最大進汞飽和度88.3%,此后隨著進汞壓力的繼續(xù)增加, 最大進汞飽和度始終保持不變。
表2 壓汞巖樣特征Table 2 Characteristics of mercury injection rock samples
因此, 圖3 中A點對應有效孔隙度。 由于測試儲層連通孔隙度9.21%, 根據(jù)式(18) 計算有效孔隙度為8.1%。 生產(chǎn)資料統(tǒng)計表明, 該井的生產(chǎn)壓差3 MPa (相當于實驗壓力44.1 MPa)。 因此, 圖3 中B點對應流動孔隙度, 其所對應的進汞飽和度為85.9%, 根據(jù)式 (18) 計算流動孔隙度為7.9%。 已知3#巖樣儲層原始含油飽和度為56%,因此, 圖3 中C點對應充注孔隙度, 根據(jù)式(18)計算充注孔隙度為5.2%。 由于流動孔隙度大于充注孔隙度, 流動充注比大于1, 因此該井產(chǎn)水, 與實際情況吻合。
(1) 儲層孔隙的“滲流” 分類方案是一種“動態(tài)” 分類方案, 相較于以往儲層孔隙的“靜態(tài)”分類方案, 該方案確定的5 種“滲流” 孔隙類型(總孔隙、 連通孔隙、 有效孔隙、 流動孔隙和充注孔隙) 間具有“包容性” 和“求和不歸一性” 特點, 涵蓋了儲層流體滲流的5 種空間(賦存、 傳質(zhì)、 理論滲流、 生產(chǎn)滲流和成藏滲流空間) 和3 種滲流狀態(tài)(理論、 生產(chǎn)和成藏滲流), 能夠適應儲層流體滲流的“動態(tài)” 特性要求, 并客觀地反映了儲層不同的滲流狀態(tài)之間的聯(lián)系。
(2) 儲層孔隙的“滲流” 分類方案有效地解決了現(xiàn)有分類方案中“靜態(tài)” 孔隙和“滲流” 孔隙度不匹配問題, 從而建立了與“滲流” 動態(tài)相適應的統(tǒng)一的“滲流” 孔隙度體系, 有助于消除不同學者對“滲流” 孔隙度、 尤其是有效孔隙度理解的分歧, 有助于推動“滲流” 孔隙度針對性測試技術的發(fā)展和規(guī)范化應用。