毛管壓力曲線的應(yīng)用

1、第二章 毛管壓力曲線的應(yīng)用第一節(jié) 壓汞法基本原理及應(yīng)用一、基本原理由于表面張力的作用，任何彎曲液面都存在毛細(xì)管壓力。其方向總是指向非潤(rùn)濕相的一方。儲(chǔ)油巖石的孔隙系統(tǒng)由無(wú)數(shù)大小不等的孔隙組成，其間被一個(gè)或數(shù)個(gè)喉道所連結(jié)，構(gòu)成復(fù)雜的孔隙網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于一定流體，一定半徑的孔隙喉道具有一定的毛管壓力。在驅(qū)替過(guò)程中，只有當(dāng)外加壓力（非潤(rùn)濕相壓力）等于或者超過(guò)喉道的毛管壓力時(shí)，非潤(rùn)濕相才能通過(guò)喉道進(jìn)入孔隙，將潤(rùn)濕相從其中排出。此時(shí)，外加壓力就相當(dāng)于喉道的毛細(xì)管力。毛細(xì)管壓力是飽和度的函數(shù)，隨著壓力升高，非潤(rùn)濕相飽和度增大，潤(rùn)濕相飽和度降低。在排驅(qū)過(guò)程中起控制作用的是喉道的大小，而不是孔隙。一旦排驅(qū)壓力克服喉道

2、的毛細(xì)管壓力，非潤(rùn)濕相即可進(jìn)入孔隙。在一定壓力下非潤(rùn)濕相能夠進(jìn)入的喉道的大小是很分散的，只要等于及大于該壓力所對(duì)應(yīng)的喉道均可以進(jìn)入，至于孔隙，非潤(rùn)濕相能夠進(jìn)入與否，則完全取決于連結(jié)它的喉道。以上是毛細(xì)管壓力曲線分析的基礎(chǔ)。壓汞法又稱(chēng)水銀注入法，水銀對(duì)巖石是一種非潤(rùn)濕相流體，通過(guò)施加壓力使水銀克服巖石孔隙喉道的毛細(xì)管阻力而進(jìn)入喉道，從而通過(guò)測(cè)定毛細(xì)管力來(lái)間接測(cè)定巖石的孔隙喉道大小分布，得到一系列互相對(duì)應(yīng)的毛管壓力和飽和度數(shù)據(jù)，以此來(lái)研究油層物理特征。在壓汞實(shí)驗(yàn)中，連續(xù)地將水銀注入被抽空的巖樣孔隙系統(tǒng)中，注入水銀的每一點(diǎn)壓力就代表一個(gè)相應(yīng)的孔喉大小下的毛細(xì)管壓力。在這個(gè)壓力下進(jìn)入孔隙系統(tǒng)的水銀量就

3、代表這個(gè)相應(yīng)的孔喉大小所連通的孔隙體積。隨著注入壓力的不斷增加，水銀不斷進(jìn)入更小的孔隙喉道，在每一個(gè)壓力點(diǎn)，當(dāng)巖樣達(dá)到毛細(xì)管壓力平衡時(shí)，同時(shí)記錄注入壓力（毛細(xì)管力）和注入巖樣的水銀量，用縱坐標(biāo)表示毛管壓力pc,橫坐標(biāo)表示潤(rùn)濕相或非潤(rùn)濕相飽和度，作毛管壓力與飽和度關(guān)系曲線毛管壓力曲線，該曲線表示毛管壓力與飽和度之間的實(shí)測(cè)函數(shù)關(guān)系。通常把非潤(rùn)濕相排驅(qū)潤(rùn)濕相稱(chēng)為驅(qū)替過(guò)程，而把潤(rùn)濕相排驅(qū)非潤(rùn)濕相的反過(guò)程稱(chēng)之為吸入過(guò)程。在毛細(xì)管壓力測(cè)量中，加壓用非潤(rùn)濕相排驅(qū)巖芯中的潤(rùn)濕相屬于驅(qū)替過(guò)程，所得毛管壓力與飽和度關(guān)系曲線稱(chēng)之為驅(qū)替毛管壓力曲線，降壓用潤(rùn)濕相排驅(qū)非潤(rùn)濕相屬于吸入過(guò)程，所得毛管壓力與飽和度關(guān)系曲線稱(chēng)

4、之為吸入毛管壓力曲線，在壓汞法中，通常把驅(qū)替叫注入，把吸入叫退出。壓汞法的最大優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量特別方便、速度快，測(cè)量范圍大，測(cè)一個(gè)樣品僅需1-2小時(shí)，此外壓汞法對(duì)樣品的形狀、大小要求不嚴(yán)，甚至可以測(cè)量巖屑的毛細(xì)管壓力。但壓汞法也有很多缺點(diǎn)，例如非潤(rùn)濕相用水銀，水銀又是在真空條件下壓入的，這與油層實(shí)際情況差別較大，并且水銀有毒，操作不安全。二、應(yīng)用1確定油藏原始含油飽和度當(dāng)壓力達(dá)到一定高度后，壓力再繼續(xù)升高，非潤(rùn)濕相飽和度增加很小或不在增加，毛管壓力曲線與縱軸近乎平行，此時(shí)巖樣中的剩余潤(rùn)濕相飽和度，一般認(rèn)為相當(dāng)于油層巖石的束縛水飽和度Swi，而此時(shí)的非潤(rùn)濕相飽和度即為油藏原始含油飽和度So。2確定殘余

5、油飽和度在注入過(guò)程中，壓力從零到最高壓力，潤(rùn)濕相飽和度從100%降到最小值Smin，而非潤(rùn)濕相飽和度從0到最大值Smax。在退出過(guò)程中，壓力從最高值降到零，但非潤(rùn)濕相水銀并不完全退出，部分水銀因毛管壓力作用而殘留巖石，非潤(rùn)濕相（水銀）在退出時(shí)所殘余的飽和度（SR），可視為殘余油飽和度。3確定油藏巖石潤(rùn)濕性 將一塊巖芯分為兩半，一塊作油驅(qū)水，另一塊作空氣驅(qū)油，分別測(cè)出兩條毛管壓力曲線，并求出兩曲線的排驅(qū)壓力Pd(w-o),和Pd(o-g)。用qw-o、qo-g、sw-o、s0-g分別表示油水和油空氣系統(tǒng)的接觸角和表面張力。由于油和空氣相比巖石親油，故可取qo-g=0，cosqo-g=1。根據(jù)公式

6、pc=2s cosq /r,可以寫(xiě)出如下的比例式：W=cosqw-o/ cosqo-g = (Pd(w-o) s o-g)/ (Pd(o-g) s w-o) (2.2.1)比值cosqw-o/ cosqo-g稱(chēng)為潤(rùn)濕指數(shù)。由于cosqo-g=1，所以，潤(rùn)濕指數(shù)越大，巖石越偏向親水。若W=1，巖石完全親水；W=0，即Pd(w-o)=0，說(shuō)明油可以自動(dòng)吸入巖石，巖石為親油。應(yīng)當(dāng)指出的是，由于pc=2s cosq /r形式是定性地應(yīng)用于油層，所以, W=cosqw-o/ cosqo-g = (Pd(w-o) s o-g)/ (Pd(o-g) s w-o)公式形式上是定量的，實(shí)際上仍只能是定性地估計(jì)油

7、層的潤(rùn)濕性。這種確定油層潤(rùn)濕性的方法沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用。4確定低滲透砂巖油藏有效厚度的物性下限曲志浩根據(jù)伯格（Berg,.RR.,1975）論述的油氣藏二次運(yùn)移具有水動(dòng)力影響的基本公式，提出了孔隙喉道的含油下限，孔隙喉道的含油下限半徑應(yīng)為：rtmin=2s /(2s/rp+Zotg(rw-rh) (2.2.2)式中：rtmin ：油藏最小含油喉道半徑；Zot：油藏最大含油高度。油藏最小含油喉道半徑rtmin即為在給定條件下，油氣可以通過(guò)的最小喉道半徑。這一數(shù)值只有在油藏頂部才能達(dá)到。從頂部向下，隨著油柱高度的的降低，浮力越來(lái)越小，而石油所能進(jìn)入的最小喉道則越來(lái)越大。若Zot值取油藏高度的二分之一

8、，則所得的喉道半徑稱(chēng)之為油藏最小含油喉道半徑中值，以rtmin表示，它代表油藏的一般最小含油喉道半徑值。也即為低滲透砂巖油藏應(yīng)用孔喉半徑中值R50劃分有效厚度的物性下限值。確定低滲透砂巖油藏有效厚度的物性下限時(shí)，若低滲透砂巖孔喉半徑中值R50>rtmin，砂巖為儲(chǔ)集層；砂巖孔喉半徑中值R50<rtmin，砂巖為非儲(chǔ)層。5確定油水界面以上的油層高度利用以下公式可計(jì)算勘探階段油藏油水界面以上的油層高度:Z0=2s(1/rt 1/ rp )/g(rw rh) (2.2.3)式中:Z0：油水界面以上的油層高度，cm;s：油水的界面張力,達(dá)因/厘米rt：驅(qū)替壓力較高的儲(chǔ)集巖所對(duì)應(yīng)的喉道半徑，

9、cm;rp：儲(chǔ)集巖的平均孔喉半徑， cm;g：重力加速度，cm/s2;rw：地層水密度，g/cm3;rh：地層油密度，g/cm3。6評(píng)價(jià)外來(lái)流體對(duì)油層的損害及油層保護(hù)措施外來(lái)流體對(duì)油層的損害包括外來(lái)流體中水的礦化度低引起油氣儲(chǔ)層粘土礦物的水化、膨脹、分散、脫落、運(yùn)移，以及外來(lái)流體造成的微粒遷移，減小了儲(chǔ)層的孔隙通道。從而對(duì)油層造成損害。在儲(chǔ)層條件下，粘土礦物通過(guò)陽(yáng)離子交換作用可與任何天然儲(chǔ)層流體達(dá)到平衡。但是，在鉆井或注水開(kāi)采過(guò)程中，外來(lái)液體會(huì)改變孔隙流體的性質(zhì)并破壞平衡。當(dāng)外來(lái)液體的礦化度低（如注淡水）時(shí)，可膨脹的粘土便發(fā)生水化、膨脹，并可進(jìn)一步分散、脫落并遷移，從而減小甚至堵塞孔隙喉道，特

10、別是細(xì)小的喉道對(duì)即使不大的膨脹性也很敏感，使?jié)B透率降低，造成油層損害。通過(guò)遭受損害前的（油基泥漿、注水前）巖芯與遭受損害后（水基泥漿、注水后）巖芯的壓汞毛管壓力曲線的對(duì)比分析，對(duì)比飽和度中值壓力Pc50、排驅(qū)壓力Pd、孔喉半徑中值R50、平均孔喉半徑Rm、最大汞飽和度 Swmax前后的差異，來(lái)評(píng)價(jià)孔隙喉道的變化。以此評(píng)價(jià)外來(lái)流體對(duì)油層的損害狀況。儲(chǔ)層中可膨脹的粘土礦物，即水敏性粘土礦物，主要為蒙脫石族礦物及含蒙脫石的混層粘土礦物，因此為了預(yù)防油層中蒙脫石族粘土礦物的膨脹，在鉆井和注水過(guò)程中，使用屏蔽暫堵技術(shù)和添加防膨劑等，如在鉆井過(guò)程中，可在浸入油層的泥漿中添加KCl，或用油基泥漿，應(yīng)避免用淡

11、水，在注水開(kāi)發(fā)過(guò)程中，注入稀釋的AlCl3溶液，可大大減小因粘土礦物的膨脹而造成的儲(chǔ)層損害。外來(lái)流體造成的微粒遷移，可堵塞油層通道。包括兩個(gè)方面：一是外來(lái)液體本身所攜帶的微粒它們通過(guò)儲(chǔ)層的孔隙喉道時(shí)，往往造成直接的堵塞或橋堵；另一方面是儲(chǔ)層中的粘土礦物、膠結(jié)不堅(jiān)固的碎屑顆粒以及油層酸化處理被釋放出來(lái)的碎屑顆粒等，當(dāng)與外來(lái)流體接觸時(shí)，由于流體流速過(guò)高（超過(guò)油層的臨界流速）而發(fā)生遷移，堵塞了孔隙喉道，造成了滲透率的下降，導(dǎo)致油層受到損害。粘土礦物，特別是高嶺石類(lèi)、伊利石類(lèi)礦物，它們本身結(jié)構(gòu)力較弱，與儲(chǔ)層中碎屑顆粒粘結(jié)力不堅(jiān)固，容易脫落、分散、形成粘土微粒。當(dāng)外來(lái)液體流速過(guò)高時(shí)，就會(huì)使這些粘土微粒與

12、膠結(jié)不好的碎屑顆粒一起產(chǎn)生遷移，堵塞孔隙喉道。微粒遷移后能否堵塞孔喉，形成橋塞，取決于微粒大小、含量以及喉道的大小。當(dāng)微粒尺寸小于喉道尺寸時(shí)，在喉道處既可發(fā)生沉淀又可發(fā)生去沉淀作用，喉道橋塞即使形成也不穩(wěn)定，易于解體；當(dāng)微粒尺寸與喉道尺寸大體相當(dāng)時(shí)，則很容易發(fā)生孔喉的堵塞；若微粒尺寸大大超過(guò)喉道尺寸，則發(fā)生微粒聚集并形成可滲透的濾餅。根據(jù)Barkman和Davidion對(duì)懸浮物在多孔介質(zhì)中滲流的研究結(jié)果認(rèn)為：當(dāng)3 d顆> d孔喉時(shí)，顆粒在巖石表面堵塞，形成外濾餅，如果3 d顆d孔喉10d顆時(shí)，顆粒侵入巖石，在孔隙喉道部位搭橋形成內(nèi)部濾餅；若d孔喉>10 d顆時(shí),則顆粒更深地進(jìn)入巖石

13、,并在孔隙內(nèi)自身移動(dòng)。減小微粒遷移對(duì)孔喉的堵塞，除了對(duì)注水的水質(zhì)進(jìn)行嚴(yán)格的篩選外，為了穩(wěn)定油層中存在的粘土礦物顆粒，可在鉆井液、完井液、壓裂液，以及注入水中加入粘土穩(wěn)定劑。國(guó)內(nèi)常用的穩(wěn)定劑有無(wú)機(jī)鹽類(lèi)（如NaCl、KCl）、堿類(lèi)（KOH、Ca(OH)2）等。第二節(jié) 離心法基本原理及應(yīng)用一、 基本原理任何物質(zhì)在旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力場(chǎng)中均會(huì)受到離心力的作用。當(dāng)飽和有油（水）的巖樣，放在充滿(mǎn)水（油）的離心管中并使其旋轉(zhuǎn)形成離心力場(chǎng)時(shí)，由于油水的密度不同，在巖樣孔隙系統(tǒng)內(nèi)會(huì)由于離心力的差異形成離心驅(qū)替壓力（P），其數(shù)值大小符合以下關(guān)系式： (2.2.4)式中：油水密度差，g/cm3； 離心轉(zhuǎn)速，r/min；

14、 r 離心半徑，cm； dr 油（水）體在沿旋轉(zhuǎn)半徑方向上的長(zhǎng)度，cm。由（2.2.4）式可以推導(dǎo)計(jì)算出飽和油（水）的巖樣在水（油）中由于旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心驅(qū)替壓力P： (2.2.5)（2.2.4）式代入（2.2.5）式： (2.2.6)解方程（2.2.6）得： (2.2.7)式中：r1，r2巖樣兩端距離心軸的垂直距離； 令：（r1+r2）/2=r中，即巖樣中部與離心軸的垂直距離； r2-r1=L，即巖樣本身的長(zhǎng)度。則（2.2.7）式可寫(xiě)成： (2.2.8)當(dāng)離心驅(qū)替壓力大于巖樣中一定大小孔隙所對(duì)應(yīng)的毛細(xì)管壓力時(shí)，巖樣周?chē)挠停ㄋⅡ?qū)替巖樣內(nèi)部的水（油），直到離心驅(qū)替壓力與毛細(xì)管力平衡為止。油藏

15、巖樣內(nèi)部含油（水）飽和度的變化，由對(duì)應(yīng)階段驅(qū)替出的水（油）量（從離心計(jì)量管上讀?。┯靡韵鹿接?jì)算獲得。 (2.2.9)式中：Sw（o）巖樣中油（水）平均飽和度，%； Vo（w）巖樣中油（水）驅(qū)水（油）過(guò)程中驅(qū)替出的水（油）量，cm3； V巖樣孔隙體積，cm3。上述程序完成后，則能獲得一組巖樣毛細(xì)管壓力（Pc）與對(duì)應(yīng)油（水）飽和度（So（w）的值。變換離心機(jī)的轉(zhuǎn)速，就可以獲得巖樣一系列的PcSo（w）數(shù)據(jù)。用PcSo（w）數(shù)據(jù)繪制的巖樣的離心毛管壓力曲線見(jiàn)圖。圖 巖樣離心毛管壓力曲線圖 二、 應(yīng)用1預(yù)測(cè)油藏原始含油飽和度利用離心毛細(xì)管壓力曲線預(yù)測(cè)油藏原始含油飽和度的方法簡(jiǎn)述如下：1） 選擇一種可

16、靠的方法求出本油藏有代表性的毛細(xì)管壓力曲線。2） 用公式（2.2.10）把實(shí)驗(yàn)條件下求得的毛細(xì)管壓力曲線換算成油藏條件下的毛細(xì)管壓力曲線（設(shè)cos實(shí)驗(yàn)= cos油藏）。 (2.2.10)式中：PCR油藏條件下的毛細(xì)管壓力，MPa； PCL實(shí)驗(yàn)條件下的毛管壓力，MPa； R油藏條件下的油水界面張力，N/m； L實(shí)驗(yàn)條件下的油水界面張力，N/m。3）在原始油藏條件下，油水密度差產(chǎn)生的重力與毛細(xì)管力平衡，即 (2.2.11)式中：H樣品所處自由水面以上高度，m； w水的密度，g/cm3； o 油的密度，g/cm3； PCR 毛細(xì)管壓力值，MPa。4） 根據(jù)（2.2.10）、（2.2.11）的結(jié)果，可

17、以把毛細(xì)管壓力曲線轉(zhuǎn)化成油（水）飽和度與自由水面以上高度的關(guān)系曲線。5） 根據(jù)油藏樣品所處油藏的位置即離自由水面的高度，用）求得的關(guān)系曲線就可求出其含油（水）飽和度值。如果資料豐富則可取求一組曲線，覆蓋油藏滲透率的分布范圍，用同樣的方法求得一組油（水）飽和度值后再加權(quán)平均，這樣處理可以增加油（水）飽和度資料的代表性和可靠性。定性判別油藏的潤(rùn)濕性在油藏樣品中發(fā)生油水驅(qū)替作用時(shí)，潤(rùn)濕相驅(qū)替非潤(rùn)濕相所需作的功要小于非潤(rùn)濕相驅(qū)替潤(rùn)濕相所作的功。離心驅(qū)替時(shí)，油（水）驅(qū)替水（油）所作的功正相關(guān)于該過(guò)程毛細(xì)管壓力曲線所圍的面積，因此比較樣品油驅(qū)水和水驅(qū)油兩個(gè)過(guò)程毛細(xì)管壓力曲線所圍面積的大小，可以定性判別油藏

18、巖石的潤(rùn)濕性，見(jiàn)圖2.2.2。PcSwSwPc 親水巖石毛管力曲線 親油巖石毛管力曲線 圖2.2.2 不同潤(rùn)濕性巖石毛管力曲線計(jì)算油水相對(duì)滲透率方法涉及基本概念較深，計(jì)算方法復(fù)雜，本書(shū)不作介紹。研究樣品驅(qū)油效率與各種特性參數(shù)之間的關(guān)系變換各種實(shí)驗(yàn)條件（樣品的特性參數(shù)），用在相同條件下離心驅(qū)替的方法獲得驅(qū)油效率，然后再統(tǒng)計(jì)回歸計(jì)算分析樣品的各種特性參數(shù)與驅(qū)油效率之間的關(guān)系。例如：利用BN油田Y井S層的樣品實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到如下的關(guān)系式： (2.2.12)式中：o 水驅(qū)油效率，%； K 滲透率，m2； o油粘度，mPa·s； So初始含油飽和度，%； 孔隙度，%。5確定油藏有效厚度的物性下限針

19、對(duì)某一油藏，選擇一系列有代表性（K、）的樣品，模擬油藏驅(qū)替的動(dòng)力條件、油水性質(zhì)，完成一系列的油驅(qū)水實(shí)驗(yàn)。當(dāng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到某一孔隙度、滲透率值時(shí)，油相不能進(jìn)入樣品流動(dòng)，則該樣品的孔隙度和滲透率值為可動(dòng)油的臨界值或稱(chēng)下限值。例如根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果求得BN、WHZ油田可流動(dòng)的物性下限值：孔隙度為6.0%,滲透率為0.3×10-3m2。6評(píng)價(jià)入井液對(duì)油層的傷害狀況如果各種入井液對(duì)油層有傷害，會(huì)使有效滲流通道變小變少，在毛細(xì)管壓力曲線上則表現(xiàn)為閾壓值上升、油驅(qū)水過(guò)程結(jié)束時(shí)束縛水飽和度高、毛壓曲線向右上移。因此比較各種入井液進(jìn)入樣品前后的毛細(xì)管壓力曲線特征就可以評(píng)價(jià)其對(duì)油層的傷害狀況。第三節(jié) 離心毛細(xì)管壓

20、力曲線與壓汞法毛細(xì)管壓力曲線的對(duì)比一、驅(qū)替機(jī)理離心毛細(xì)管壓力的測(cè)定是巖樣中油和水處在高速旋轉(zhuǎn)的離心力場(chǎng)中，由于密度的差異產(chǎn)生的離心力驅(qū)替壓力與巖樣中毛細(xì)管壓力平衡，通過(guò)測(cè)定離心驅(qū)替壓力，間接測(cè)得毛細(xì)管壓力。飽和度變化由測(cè)量驅(qū)替出的油（水）量計(jì)算獲得。壓汞法毛細(xì)管壓力的測(cè)定是依據(jù)汞對(duì)巖樣絕對(duì)非潤(rùn)濕，汞不能自發(fā)進(jìn)入巖樣孔隙空間，只有在克服了相應(yīng)孔喉大小的毛細(xì)管壓力才能進(jìn)入對(duì)應(yīng)孔喉控制的孔隙空間，毛細(xì)管壓力由測(cè)量進(jìn)汞壓力獲得。飽和度變化由測(cè)量進(jìn)入的汞體積與巖樣孔隙體積計(jì)算得到。二、驅(qū)替過(guò)程由于汞對(duì)巖樣是絕對(duì)非潤(rùn)濕相，因此它的壓入過(guò)程是驅(qū)排過(guò)程，退汞過(guò)程是吸吮過(guò)程。對(duì)于離心毛細(xì)管壓力測(cè)定的三個(gè)過(guò)程，即油驅(qū)水過(guò)程、水驅(qū)油過(guò)程、再次油驅(qū)水過(guò)程，這三個(gè)過(guò)程要聯(lián)系油藏巖石的潤(rùn)濕性才能準(zhǔn)確定義。例如。油藏