張麗華，王 敏，單剛義，潘保芝，曹 玥

1.吉林大學地球探測科學與技術(shù)學院,長春 130026 2.中國石化東北油氣分公司, 長春 130000

0 引言

近年來，火山巖油氣藏已成為我國天然氣勘探和開發(fā)的主要領(lǐng)域之一，目前在松遼盆地、準噶爾盆地、渤海灣盆地等均有發(fā)現(xiàn)[1]。我國火山巖油氣藏一般埋藏比較深[2]。在油氣藏的開采過程中，隨著儲層內(nèi)部流體的產(chǎn)出，儲層孔隙壓力降低，儲層巖石原有的受力平衡狀態(tài)發(fā)生改變。根據(jù)巖石力學理論，從一個壓力狀態(tài)變到另一個壓力狀態(tài)必然要引起巖石的壓縮或拉伸，即巖石發(fā)生彈性或塑性變形。同時，巖石的變形必然要引起巖石孔隙結(jié)構(gòu)和孔隙體積的變化，如孔隙體積的縮小、孔隙喉道和裂縫的閉合等，最終表現(xiàn)為孔隙度、滲透率隨有效壓力的增加而降低。國內(nèi)外很多學者對孔隙度滲透率的壓力敏感性進行了研究[3-14]。如：楊正明等[3]對火山巖塞樣和全直徑樣品進行滲透率的壓力敏感性研究發(fā)現(xiàn)，全直徑巖心樣品的滲透率隨有效壓力的升高而下降幅度比塞樣的大；謝玉洪等[4]對鶯-瓊盆地中深層砂巖儲層巖樣進行了氣體介質(zhì)的變溫及高溫變圍壓孔隙度和滲透率測量，結(jié)果表明，溫度及壓力敏感特性主要受巖石剛性顆粒體積分數(shù)及膠結(jié)強度的控制；楊滿平等[5]對大慶油田升平地區(qū)營城組升深2-1井10塊流紋巖樣品進行壓力敏感性實驗，得到的結(jié)論是流紋巖孔隙度的下降幅度在5%～22%之間，說明流紋巖的壓力敏感性是不明顯的；朱華銀等[6]對大慶油田的火山巖的主要儲集巖類進行的壓力敏感性實驗和巖石力學實驗分析結(jié)果表明，大慶火山巖硬度大，抗壓強度高，應(yīng)力敏感性不強，當有效壓力從5 MPa增大到60 MPa時，孔隙度下降率小于5%(相對值)； Zhang等[7]對平頂山礦區(qū)不同深度煤樣滲透率和孔隙度的壓力敏感性進行了研究。Cao等[8]研究了致密儲層在壓力加卸載過程中的滲透率壓力敏感性；Zhao等[9]和Liu等[10]對不同微裂縫致密砂巖的滲透率壓力敏感性進行了實驗研究；Gao等[11]利用核磁共振技術(shù)研究鄂爾多斯盆地致密砂巖儲層的孔隙度壓力敏感性，結(jié)果表明，滲透率較高的巖樣表現(xiàn)出較強的孔隙度壓力敏感性。已有的文獻對砂巖氣藏的孔隙度和滲透率隨壓力的變化情況研究較多，目前普遍認為：地層壓力變化在20 MPa范圍內(nèi)，砂巖孔隙度的改變量在5%之內(nèi)，改變量不大[15]。隨著凈覆壓的增大，孔隙度、滲透率值變小；凈覆壓對低孔滲砂巖的影響較大，對高孔滲砂巖的影響較小[16]。前人對火山巖巖樣的壓力敏感性研究比較少，尤其是對孔隙度的壓力敏感性和對影響壓力敏感性的因素進行的分析更少。火山巖巖樣由于孔隙結(jié)構(gòu)復雜、而且發(fā)育有裂縫和孔洞，導致其孔隙度和滲透率隨壓力的變化情況與砂巖有所不同?；鹕綆r孔隙結(jié)構(gòu)非常復雜，孔隙結(jié)構(gòu)對生產(chǎn)過程中的壓力變化非常敏感?？紫督Y(jié)構(gòu)的變化影響巖石的物性，從而影響流體的動態(tài)流動。松遼盆地長嶺斷陷龍鳳山地區(qū)火山巖巖性主要為安山巖、玄武巖和凝灰?guī)r[17-18]。本文針對長嶺斷陷龍鳳山地區(qū)火山巖不同巖性的巖樣進行孔隙度隨壓力變化的實驗，探索壓力對火山巖不同巖性的巖樣孔隙度的影響，以期了解安山巖、含角礫凝灰?guī)r和凝灰?guī)r等不同巖性的孔隙度壓力敏感性。

1 儀器設(shè)備和實驗過程

1.1 實驗設(shè)備和條件

實驗儀器是美國CORETEST公司生產(chǎn)的適用于覆壓條件下的孔隙度和滲透率自動測量儀[19](AP-608)。測試過程和結(jié)果輸出完全自動化，可實現(xiàn)精確和可重復的測量。該儀器的Hassler型巖心夾持器具有快速釋放功能。該儀器的圍壓范圍(靜水應(yīng)力條件)為3.4～65.5 MPa，試驗中使用的孔隙壓力由設(shè)備程序自動控制。該儀器可測量的滲透率范圍為(0.001～5 000.000)×10-3μm2，有效孔隙度范圍為0.1%～40.0%。

1.2 實驗樣品

實驗樣品采自松遼盆地長嶺斷陷龍鳳山地區(qū)的火山巖,采集了安山巖、角礫凝灰?guī)r和凝灰?guī)r3種巖性巖樣。松遼盆地南部斷陷型盆地群總面積約5.36×104km2，由16個分割獨立的斷陷盆地組成，平面上可劃分為西、中、東3個斷陷帶，長嶺斷陷位于中部斷陷帶，中生界自下而上發(fā)育有下白堊統(tǒng)火石嶺組、沙河子組、營城組、登婁庫組、泉頭組，上白堊統(tǒng)青山口組、姚家組、嫩江組[20-21]?；鹗瘞X組沉積時期處于盆地的初始裂陷階段，主要巖性為沉積巖，發(fā)育有灰色粉砂巖、泥巖、粗砂巖和砂礫巖不等厚互層；局部發(fā)育火山巖，巖性為灰、深灰色安山巖、玄武安山巖及凝灰?guī)r。營城組沉積時期處于盆地的斷陷期，早期火山活動發(fā)育大套火山巖，巖性主要為安山巖、玄武巖和凝灰?guī)r。

1.3 實驗過程

打開儀器電源，按照本次實驗要求依據(jù)儀器取值原則設(shè)定氮氣出口壓力為1.5 MPa,氣泵壓力為0.7 MPa。先將切割成圓柱狀的樣品經(jīng)洗油、洗鹽、烘干后，測量巖樣的長度和直徑等，把巖樣裝入巖心夾持器，孔隙壓力設(shè)為3.4 MPa，施加的圍壓分別為3.4、8.3、13.1、17.9、22.8、27.6、32.4、37.2 MPa。然后開始測量不同壓力條件下巖樣的孔隙度?？紫抖鹊膲毫γ舾行晕闹卸x為圍壓改變時孔隙度的變化情況。采用的標準是石油行業(yè)標準SY/T 《6385—2016覆壓下巖石孔隙度和滲透率測定方法》[22]。巖樣的基本信息如表1所示。

1.4 實驗結(jié)果

巖心到達地面以后，由于地應(yīng)力完全釋放，巖石孔喉結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化。因此，在地面條件下進行的孔隙度和滲透率分析結(jié)果不能真實反映儲層條件下的儲集性能與滲流特性,需對實驗數(shù)據(jù)進行壓力敏感性分析。安山巖、角礫凝灰?guī)r和凝灰?guī)r的孔隙度比(φi/φ0)隨壓力變化的實驗結(jié)果如圖1所示。從圖1可以看出，3種巖性的孔隙度比都隨著壓力增大而減小，但是減小的幅度和速率是不同的：壓力小于13.80 MPa時，安山巖和角礫凝灰?guī)r的孔隙度隨著壓力的增大而急劇減小，壓力大于13.80 MPa時，則減小的速率變緩；而凝灰?guī)r從3.4～37.2 MPa施加時，孔隙度隨著壓力的增大而減少的幅度一直變化不大。在37.20 MPa壓力下，安山巖的平均孔隙度φi/φ0為0.62，角礫凝灰?guī)r的平均孔隙度φi/φ0為0.43，而凝灰?guī)r的平均孔隙度φi/φ0為0.10。

2 結(jié)果分析

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，火山巖的孔隙度壓力敏感性完全不同于砂巖[23-24]，也不同于其他地區(qū)的火山巖[5-6]。并且不同巖性火山巖的壓力敏感性不同。通過X射線衍射全巖分析、偏光顯微鏡下巖石薄片鑒定、高壓壓汞儀實驗和基于CPMG脈沖序列的核磁共振實驗對影響因素進行分析。在儲量計算中，要求計算油氣藏孔隙中的含油氣量, 應(yīng)該考慮用儲層壓力條件下的孔隙度，而且要考慮巖性的不同。構(gòu)造變形和體變形是巖石壓力敏感性的主要原因[25]，這兩種變形主要受巖石組分、膠結(jié)物類型、巖粒接觸方式和孔隙類型等因素的影響。因此下面從巖石組分、顆粒分選和孔徑分布方面對孔隙度的壓力敏感性進行分析。

表1 巖樣的基本信息表

φ0是圍壓為3.4 MPa下的孔隙度值，φi是在不同壓力下的孔隙度值。a. 安山巖；b. 角礫凝灰?guī)r；c. 凝灰?guī)r。

圖1 孔隙度比隨壓力變化關(guān)系圖

Fig.1 Relationship between porosity ratio and pressure

2.1 巖石組分

在外力作用下，硬度高的礦物不易變形或變形小，礦物硬度越低，越容易變形。礦物的硬度由強到弱的順序為石英、長石、方解石和黏土礦物。在外力作用下，巖石中黏土礦物體積分數(shù)高的巖石易變形或破碎，使孔隙體積減小，也可能引起顆粒運移堵塞孔喉，使儲層孔隙度和滲透率顯著降低。從3塊代表性巖樣的X射線衍射全巖分析結(jié)果(表2)來看：安山巖巖樣(X18_7)主要礦物是斜長石，斜長石、石英和鉀長石體積分數(shù)達到63.5%，黏土礦物為27.8%。角礫凝灰?guī)r巖樣(X13_4)的斜長石、石英和鉀長石體積分數(shù)達到54.0%，黏土礦物體積分數(shù)為28.6%；凝灰?guī)r巖樣(X17_1)斜長石、石英和鉀長石體積分數(shù)之和為59.9%，黏土礦物體積分數(shù)為31.6%。施壓后，孔隙度壓力敏感性由強到弱的順序為：凝灰?guī)r、角礫凝灰?guī)r和安山巖。黏土礦物為塑性礦物。表明塑性礦物體積分數(shù)越大，孔隙度的壓力敏感性越強。

2.2 顆粒分選

據(jù)Xiao等[25]研究可知，儲層巖石顆粒分選越好，在外力作用下變形的幅度越小，孔隙度壓力敏感性越弱。觀察顯微鏡下巖石薄片照片(圖2)。X18_7安山巖巖樣整體為斑狀結(jié)構(gòu)，巖石主要由斜長石斑晶和基質(zhì)組成，其中斜長石斑晶體積分數(shù)約占55%，基質(zhì)體積分數(shù)約占45%，斜長石斑晶粒徑為0.45～0.85 mm(圖2a)。由于分選較好，在施壓后其變形幅度較小。X13_4角礫凝灰?guī)r巖樣為火山碎屑結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。巖石由安山巖屑組成，巖屑粒徑分布在0.25～5.10 mm，其中大于2.00 mm顆粒約為40%，小于2.00 mm顆粒約為60%。巖屑顆粒全部為渾圓狀，分選好(圖2b)。巖屑顆粒大小不均，分選較差，在施壓后其變形幅度較大。X17_1凝灰?guī)r巖樣為火山碎屑結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，火山碎屑粒徑以0.30～1.85 mm為主，屬于火山凝灰粒級，僅有個別顆粒粒徑大于2.00 mm，成分為安山巖屑和長石，火山碎屑形狀多為次圓狀，分選較好?；鹕剿樾俭w積分數(shù)約為85%，填隙物為粒度更細的火山灰(圖2c)?；鹕剿樾碱w粒大小不均，分選差，且以粒徑小的為主，在施壓后其變形幅度最大。

本次研究得出的結(jié)論與文獻[25]一致，巖石顆粒分選越好，孔隙度壓力敏感性越弱。且火山巖的顆粒粒徑越小，孔隙度的壓力敏感性越強。

2.3 孔徑分布

據(jù)巖石薄片和鑄體薄片鑒定結(jié)果，研究區(qū)孔隙類型主要為粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔及晶間微孔，孔隙分布不均，局部發(fā)育構(gòu)造裂縫。從掃描電鏡圖片分析，孔隙類型以粒間孔隙為主，填隙物較多，以膠結(jié)物為主，主要為綠泥石、伊利石和次生石英。

傳統(tǒng)的壓汞技術(shù)是基于假設(shè)多孔介質(zhì)由不同直徑的毛細管束組成[26-27]。采用高壓壓汞和核磁共振技術(shù)對巖樣的孔隙分布情況進行了研究。圖3顯示了3塊代表性巖樣的孔徑分布區(qū)間以及孔徑分布頻率。3塊巖樣的孔徑有明顯差異。安山巖巖樣X18_7孔徑主要介于0.004 0～1.000 0 μm之間，峰值分布頻率約為7%(圖3a)；角礫凝灰?guī)r巖樣X13_4孔徑主要介于0.004 0～0.250 0 μm之間，峰值分布頻率約為18%(圖3b)；凝灰?guī)r巖樣X17_1孔徑主要介于0.004 0～0.063 0 μm之間，峰值分布頻率約為33%(圖3c)。可以看出，小孔喉的比例越高，越容易被壓縮。

表2 巖樣全巖分析結(jié)果表

a.巖樣X18_7; b.巖樣X17_1; c.巖樣X13_4。

a. 巖樣X18_7;b. 巖樣X13_4;c. 巖樣X17_1。

圖4是3種巖樣核磁共振T2譜圖。從圖4中可以看出：巖樣的孔隙結(jié)構(gòu)都比較單一，以小孔隙為主；X13_4的孔隙尺寸最小，巖樣X18_7的孔隙尺寸最大，巖樣X17_1的孔隙尺寸居中。施壓后，孔隙度壓力敏感性由強到弱的順序為：凝灰?guī)r、角礫凝灰?guī)r和安山巖。表明巖石顆粒分選越好，孔隙度的壓力敏感性越弱；火山巖的顆粒粒徑越小，孔隙度的壓力敏感性越強。

圖4 3種巖樣核磁共振T2譜圖

3 結(jié)論與建議

1)火山巖孔隙度隨著壓力的增大而減小，且不同巖性的樣品，孔隙度隨著壓力增大而減小的幅度不同。安山巖減小的幅度最小，凝灰?guī)r減小的幅度最大。故凝灰?guī)r的孔隙度受壓力的影響最明顯。

2)塑性礦物體積分數(shù)越大，孔隙度的壓力敏感性越強。

3)巖石顆粒分選越好，孔隙度的壓力敏感性越弱；火山巖的顆粒粒徑越小，孔隙度的壓力敏感性越強。

4)孔隙度的壓力敏感性與孔喉分布相關(guān)?？缀碓叫?，孔隙度的壓力敏感性越強。

儲量計算是要求計算油氣藏孔隙中的含油氣量, 應(yīng)該使用地層條件下的孔隙度。本文雖然通過實驗發(fā)現(xiàn)了不同巖性孔隙度的不同壓力敏感性，但沒有對覆壓孔隙度的校正方法進行研究，這將是下一步的研究方向。