一種計算致密砂巖油氣藏有效孔喉下限的新方法
——以蘇里格氣田盒8氣藏為例

劉曉鵬，劉新社，趙會濤，王懷廠，張　輝（中國石油長慶油田分公司a.勘探開發研究院；b.低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室，西安710018）

一種計算致密砂巖油氣藏有效孔喉下限的新方法
——以蘇里格氣田盒8氣藏為例

劉曉鵬，劉新社，趙會濤，王懷廠，張輝
（中國石油長慶油田分公司a.勘探開發研究院；b.低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室，西安710018）

鑒于壓汞實驗過程與油氣充注成藏過程相類似，認為在密閉取心樣品毛細管壓力曲線上，與密閉取心樣品含油氣飽和度相等的進汞飽和度毛細管壓力相對應的喉道半徑為油氣藏有效臨界孔喉半徑，具有代表性的密閉取心樣品中最小的有效臨界孔喉直徑為油氣藏有效孔喉下限。提出了一種準確、快捷計算致密砂巖油氣藏有效孔喉下限的新方法，分析討論了目前求取有效孔喉下限主要方法的優勢及其局限性。以蘇里格氣田盒8氣藏為例，采用密閉取心樣品毛細管壓力曲線法，求取的盒8氣藏有效孔喉半徑下限約為53.3 nm，由大于此喉道半徑連通的孔隙體系才是勘探開發的主要對象。

蘇里格氣田；盒8氣藏；致密砂巖油氣藏；最小孔喉半徑；水膜厚度；毛細管壓力曲線

油氣藏有效孔喉下限指油氣藏儲集層含油氣的最小孔喉半徑，其主要受儲集層微觀孔隙結構和油氣充注條件的雙重控制。有效孔喉下限是油氣資源潛力、產能評價的重要參數，也是影響勘探開發決策的關鍵參數。隨著致密砂巖儲集層微觀孔隙結構表征技術的不斷發展，納米級孔喉對油氣存儲和開發產量的貢獻日益受到人們的關注［1-6］。筆者提出了一種利用密閉取心樣品毛細管壓力曲線求取致密砂巖油氣藏有效孔喉下限的新方法，以蘇里格氣田盒8氣藏為例，計算了致密砂巖油氣藏有效孔喉下限。為確定勘探開發主體目標、舍棄對油氣儲集和產量沒有貢獻的致密砂巖、節約勘探開發成本提供了依據。

1　研究現狀

前人通過深入研究，歸納出3種計算油氣藏有效孔喉下限的方法，分別為兩倍水膜厚度+油氣分子集合體粒徑法、油氣充注動力學模型法和環境掃描電鏡實測臨界含油氣孔喉法。

1.1兩倍水膜厚度+油氣分子集合體粒徑法

此方法依據兩倍水膜厚度與油氣運移的分子集合體粒徑之和來確定油氣藏有效孔喉下限［1］。由于石油天然氣中甲烷、乙烷、正戊烴和瀝青分子直徑分別為0.38 nm，0.44 nm，0.58 nm和5.00～10.00 nm［6］，與水膜厚度相比，油氣分子集合體粒徑均較小，且相對固定，油氣藏有效孔喉下限的求取主要聚焦于水膜厚度計算。依據對水膜認識的不同，此方法又可進一步細分為土壤學束縛水水膜厚度模型法和分離壓力水膜厚度模型法，前者目前應用最為廣泛。

（1）土壤學束縛水水膜厚度模型法此方法認為兩倍束縛水水膜厚度是巖石有效孔喉下限，半徑大于束縛水水膜厚度的孔隙才有可能是儲集油氣的有效空間，半徑小于束縛水水膜厚度的孔隙空間將被水膜水充滿，成為無用空間［1，7-10］。計算土壤顆粒表面水膜厚度的理論公式為［1，7-9］

土壤學束縛水水膜厚度模型法的原理為將束縛水體積均攤在孔隙表面上，所得厚度即為束縛水水膜厚度。此方法的局限性為:①受實驗條件限制，束縛水飽和度很難準確求??；②不適用于納米級孔喉發育的致密砂巖油氣藏有效孔喉下限計算。

（2）分離壓力水膜厚度模型法文獻［11］和文獻［12］認為，土壤學束縛水模型中的束縛水包括毛細管水和水膜水，且毛細管水量遠多于水膜水量。毛細管水靠毛細管力滯留在小孔喉中，水膜水靠分子引力滯留在孔隙壁上，依靠束縛水飽和度計算的水膜厚度偏厚。

文獻［13］把液膜分離壓力定義為一定厚度的液膜達到平衡狀態所需要施加于體積液體的機械壓力。文獻［14］用橢圓偏振技術測定了不同分離壓力下親水石英表面的水膜厚度，發現水膜厚度隨著分離壓力的逐漸增大而逐漸減小。

文獻［12］提出了室溫環境下氣體環境中無離子水在強親水性礦物表面形成水膜厚度上限的計算公式:

分離壓力水膜厚度模型法可計算真實的水膜厚度上限，局限為僅反映理論上的油氣藏有效孔喉上限，真實油氣藏受充注動力限制，無法驅替掉所有孔喉中的毛細管水，此有效孔喉上限為理論上限。

1.2油氣充注動力學模型法

油氣充注動力學模型法認為，油氣藏最大埋深時，源儲界面烴源巖生烴增壓后孔隙流體壓力大于地層破裂壓力，充注史上最大充注動力為最大埋深時地層破裂壓力與靜水壓力之差，充注阻力為毛細管壓力，油氣充注孔喉直徑下限動力學模型為［15］:

文獻［15］應用油氣充注動力學模型法對鄂爾多斯盆地延長組、四川盆地中—下侏羅統和威利斯頓盆地Bakken致密油氣藏充注孔喉直徑下限進行了計算。依據原油密度確定了油水界面張力，求取的鄂爾多斯盆地延長組、四川盆地中—下侏羅統、威利斯頓盆地Bakken致密油氣藏儲集層充注孔喉直徑下限分別為39.45 nm，37.20 nm和52.32 nm.

油氣充注動力學模型法可計算油氣成藏充注的理論孔喉下限，但計算過程涉及過多理論模型，較多參數取值均為概念值，影響了求取的結果的精度。

1.3環境掃描電鏡實測臨界含油氣孔喉法

環境掃描電鏡實測臨界含油氣孔喉法通過能譜儀測定碳含量判定喉道是否含油或殘留烴類，采用環境掃描電鏡多次測量、逐漸逼近，確定含油氣孔喉臨界喉道直徑。通過多條含油氣孔喉臨界值的交集縮小相應的取值區間［1，16］。

文獻［16］采用環境掃描電鏡實測臨界含油氣孔喉法對四川盆地公山廟油田侏羅系致密油聚集孔喉下限進行了研究。確定公22井沙溪廟組2 477 m砂巖中2條喉道直徑下限值分布區間分別為43.44～75.87 nm和44.78～58.48 nm，得到喉道直徑下限值分布區間43.44～58.48 nm，最終將四川盆地公山廟油田公22井侏羅系沙溪廟組致密油藏聚集孔喉直徑下限定為44.00 nm.

環境掃描電鏡實測臨界含油氣孔喉法為一種實測方法，數據可信度高，但此方法不足之處在于受樣品代表性和實驗技術的限制，場發射掃描電鏡精準測定的半徑極限值為13.7 nm［16］，能譜束直徑為3 μm，穿透厚度為1 μm，檢測時受孔隙附近顆粒影響大，石油在電子束轟擊下揮發速度快［1］。

2　密閉取心樣品毛細管壓力曲線法

2.1密閉取心樣品毛細管壓力曲線法的原理

毛細管壓力曲線是毛細管壓力與進汞飽和度的關系曲線，一定的毛細管壓力對應一定的孔喉半徑。在某一壓力下汞進入巖石的體積等于此壓力對應的喉道及所連通的孔隙的體積之和，此壓力下的進汞飽和度相當于喉道及其連通的孔隙體積占總孔隙體積的百分比［17-19］。壓汞實驗過程中，隨進汞壓力的增大，汞能夠進入的喉道半徑由大到小依次變化，此過程與油氣成藏充注過程類似，均為非潤濕相進入潤濕相孔喉，且在驅替壓力作用下優先進入大孔喉。

常規取心巖心樣品因鉆井液濾液進入巖心造成油氣藏原始含油氣飽和度數據失真。密閉取心技術在取心鉆進過程中通過密閉取心工具和密閉液在巖心柱表面形成密閉液保護膜，從而可準確獲取油氣藏的原始含油氣飽和度。

壓汞實驗中進汞過程與油氣在壓差作用下進入儲集層的充注成藏過程類似，均為在驅替壓力作用下優先進入大孔喉，再逐次進入小一級孔喉。在密閉取心毛細管壓力曲線上，與密閉取心樣品含油氣飽和度相等的進汞飽和度毛細管壓力對應的喉道半徑為油氣藏有效臨界孔喉半徑。眾多具代表性的密閉取心樣品中最小有效臨界孔喉半徑為油氣藏有效孔喉半徑下限。

2.2密閉取心樣品毛細管壓力曲線法的算法

在密閉取心樣品進汞毛細管壓力曲線橫軸上與樣品含油氣飽和度相等的進汞飽和度點SHg處，向上做過此點的垂線與毛細管壓力曲線相交于B點，過B點做縱軸的垂線，與縱軸交于點pB，pB為與進汞飽和度SHg對應的毛細管壓力（圖1）。據（4）式計算出毛細管壓力pB對應的喉道半徑ro，即為臨界有效孔喉半徑，油氣藏具代表性的眾多密閉取心樣品中最小的臨界有效孔喉半徑為此油氣藏有效孔喉半徑下限。

圖1　密閉取心樣品毛細管壓力曲線法

密閉取心樣品毛細管壓力曲線法的優勢為:①密閉取心樣品毛細管壓力曲線法與兩倍水膜厚度+油氣分子集合體粒徑法相比，前者針對含油氣孔喉，求取油氣藏現今有效孔喉下限更為直接；②與油氣充注動力學模型法相比，計算過程相對簡單，涉及模型、參數少，計算過程快捷；③與環境掃描電鏡實測臨界含油氣孔喉法相比，測試方法簡單，實驗誤差小，結論更加準確。

密閉取心樣品毛細管壓力曲線法的局限為:①此算法通過部分密閉取心樣品計算整個油氣藏有效孔喉下限，結論受樣品代表性和數量的限制；②當油氣藏儲集層自身具有生烴能力時，油氣主要存儲于親油的干酪根網絡中，油氣充注無需克服毛細管壓力，充注過程也并非優先進入大孔喉，即密閉取心樣品毛細管壓力曲線法只適用于儲集層自身不具生烴能力的油氣藏有效孔喉下限計算；③壓汞實驗進汞過程與地下真實油氣充注成藏過程稍有差異。壓汞實驗中巖石樣品被干燥并抽真空，孔喉表面無水膜水存在，真實油氣充注成藏過程中儲集層被地層水飽和，毛細管水被驅替后孔喉表面的水膜水依然存在。水膜厚度主要受油氣充注壓力大小控制，受地層溫度及地層水礦化度影響，水膜水總量為已被油氣充注的孔喉的孔隙表面積與水膜厚度的乘積。由于油氣已充注孔喉中水膜水的存在，當進汞飽和度與含油氣飽和度相等時，與水膜水體積相等體積的油氣將進入比含汞臨界孔喉稍小的孔喉，最終油氣進入的臨界孔喉稍小于壓汞實驗中汞進入的臨界孔喉，由密閉取心樣品毛細管壓力曲線法求取的含汞臨界孔喉半徑要稍大于含油氣有效臨界孔喉半徑。

3　應用實例

蘇里格氣田位于鄂爾多斯盆地西北部，是目前我國儲量最大且大規模開發的天然氣田，為典型低孔、低滲、低豐度、低產、分布面積廣的巖性氣藏［20-23］。其主力含氣層為二疊系石盒子組盒8段，儲集層為灰白色、淺灰綠色含礫粗粒砂巖及含礫中-粗粒砂巖，儲集層孔隙度4.0%～12.0%，平均為8.8%，滲透率0.01～1.60 mD，平均為0.69 mD，為典型的致密砂巖儲集層。

盒8段泥巖厚度較薄，平均13.7 m，盒8段沉積期氣候相對干旱，泥巖顏色以淺灰色為主，棕色、雜色泥巖較發育，有機質含量低，自身不具生烴能力，所儲天然氣為外來充注。盒8氣藏地層水礦化度、主要離子組成及氫、氧、鍶同位素等地球化學特征表明，盒8段地層水為封閉條件下與外界隔絕的殘余水［23］，氣藏現今含氣飽和度可代表氣藏原始含氣飽和度。

3.1樣品選取

選擇蘇里格氣田3口工業氣流密閉取心井，其巖心收獲率和泥漿含水率均達到了密閉取心要求、分析數據系統可靠。選取其中17塊不同物性的巖心樣品進行了壓汞測試分析。樣品孔隙度為4.8%～16.3%，滲透率為0.18～1.72 mD，含氣飽和度為35.82%～79.08%，覆蓋了蘇里格氣田盒8氣藏物性的主要分布區間。

3.2計算結果

依據密閉取心樣品毛細管壓力曲線法對蘇里格氣田盒8氣藏臨界有效孔喉半徑進行了計算，結果表明，盒8氣藏臨界孔喉半徑分布區間為53.3～432.4 nm，最小值為53.3 nm（表1）。

表1　蘇里格氣田盒8氣藏臨界孔喉計算數據

蘇里格氣田盒8氣藏靜水壓力為24～34 MPa，氣藏溫度90～100℃，地層水礦化度29.12～68.30 g/L，依據（2）式計算的水膜厚度上限為1.94～2.13 nm.地層條件下氣藏溫度較高導致分子熱運動加劇和地層鹽水中因電解質壓縮雙電層降低了水膜兩界面之間的排斥力等因素使水膜厚度減?。?］，盒8氣藏實際水膜厚度小于2.13 nm.以S14-0-9井3 529.69 m樣品為例，孔隙度為16.3%，孔隙體積為1.819 cm3，巖心體積為11.160 cm3，巖心密度為2.24 g/cm3，巖心質量為25 g.孔隙比表面積為3.4 m2/g，水膜厚度取2.13 nm，含氣飽和度為35.82%，則含氣孔喉中的水膜水體積為0.064 9 cm3，占總孔隙體積的3.57%，即水膜水體積相當于3.57%的進汞量。S14-0-9井3 529.69 m樣品毛細管壓力曲線上進汞飽和度39.39%對應的喉道半徑為52.5 nm，與未考慮含氣孔喉中的水膜水體積計算的臨界有效喉道半徑53.3 nm相差僅0.8 nm，可予以忽略，表明油氣在壓差作用下充注于儲集層的過程完全可近似等同于壓汞實驗汞進入干燥真空巖心的過程，即蘇里格氣田盒8氣藏最小有效臨界孔喉半徑約為53.3 nm，依據有效孔喉下限可將蘇里格氣田盒8氣藏儲集層孔隙分為有效孔隙和無效孔隙，半徑大于53.3 nm的喉道連通的孔隙才是勘探開發的有效對象。

4　結論

（1）壓汞實驗中進汞過程與油氣在壓差作用下進入儲集層的充注成藏過程類似。在密閉取心樣品毛細管壓力曲線上，與原始含油氣飽和度相等的進汞飽和度對應的喉道半徑為油氣藏有效臨界孔喉半徑，眾多能夠代表油氣藏物性的密閉取心樣品中最小的有效臨界孔喉半徑為油氣藏有效孔喉半徑下限。

（2）新建立的密閉取心樣品毛細管壓力曲線法可準確、快捷地計算致密砂巖油氣藏有效孔喉下限。蘇里格氣田盒8氣藏有效孔喉半徑下限約為53.3 nm，由半徑大于53.3 nm喉道連通的孔隙體系才是勘探開發的主要對象。

符號注釋

A——巖石的比表面積，m2/g；

dm in——孔喉直徑下限，nm；

h——水膜厚度，nm；

p——毛細管壓力，MPa；

pd——分離壓力，MPa；

pfmax——最大埋深時的地層破裂壓力，MPa；

phmax——最大埋深時的靜水壓力，MPa；

r——喉道半徑，μm；

Sw——束縛水飽和度，%；

φ——巖心孔隙度，%；

ρr——巖心密度，103kg/m3；

σ——界面張力，480mN/m；

θ——接觸角，140°.

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（編輯潘曉慧曹元婷）

A New Method to Calculate the Lower Limit of Effective Pore Throat Threshold of Tight Sandstone Reservoirs:A Case Study of He-8 Gas Reservoir in Sulige Gas Field

LIU Xiaopeng，LIU Xinshe，ZHAO Huitao，WANG Huaichang，ZHANG Hui
（PetroChina Changqing Oilfield Company，a.Research Institute of Exploration and Development，b.National Engineering Laboration for Low Permeability Petroleum Exploration and Development，Xi'an，Shaanxi 710018，China）

Because the mercury injection process is similar to that of hydrocarbon charging and accumulation，it is considered that the throat radius corresponding to the capillary pressure of mercury injection saturation which equals to hydrocarbon saturation of sealed-coring samples should be the effective pore throat radius threshold on the capillary pressure curves of sealed-coring samples，and the minimum effective pore throat diameter threshold in representative sealed-coring samples is the lower limit of effective pore throat of the reservoir.The paper proposes a new method to calculate the lower limit of the effective pore throat threhold of tight sandstone reservoirs accurately and rapidly.It also discusses and analyzes the advantages and limitations of the current methods.Taking He-8 reservoir of Sulige gas field as an example and based on the method of capillary pressure curve of sealed-coring samples，the obtained effective pore throat threhold of He-8 reservoir is 53.3 nm.Therefore，it is concluded that the pore systems connected by the pore throat with the radius more than 53.3 nm will be the main targets for exploration and development.

Sulige gas field；He-8 gas reservoir；tight sandstone reservoir；mininum pore throat radius；water film thickness；capillary pressure curve

TE112.23

A

1001-3873（2016）03-0360-05

10.7657/XJPG20160323

2015-10-19

2016-01-11

國家科技重大專項（2011ZX05044；2011ZX05007-004）

劉曉鵬（1978-），男，陜西西安人，工程師，油氣地質，（Tel）15202908168（E-mail）liuxiaop1_cq@petrochina.com.cn