致密砂巖巖心納米級孔喉結構分布特征研究

劉淑波

(吉林油田 石油勘探開發研究院,吉林 松原 138000)

1　致密巖心納米級孔喉結構測試方法

測試致密巖心納米級孔喉結構的試驗儀器為Quantachrome公司Autosorb-6B型氣體吸附儀(圖1),該儀器要求的工作環境溫度為10～38 ℃,相對濕度不超過90%,使用的測試介質為氮氣。通過靜態體積法,可測量任何大小壓力下的吸(脫)附氣體量。

圖1　Autosorb-6B型低溫吸附儀

測量的吸附量(M)與絕對溫度(T)、氣體壓力(P)和氣體間的吸附作用勢(E)滿足以下關系式:

M=f(T,P,E) .

(1)

在給定氣固體系和恒定溫度下,吸附作用勢為常數,因此,吸附量僅是氣體壓力的函數,可得到吸附等溫線。吸附等溫線是固體孔隙結構本身性質和氮氣相互作用的宏觀表現,通過氮氣在不同巖心的孔隙結構中得到的不同等溫吸附線,來反演固體孔隙結構本身性質。目前,IUPAC將氮氣吸附等溫線分為6類,試驗所測得的任何等溫線均可由這6類等溫線組合得出,這為深入研究致密巖心納米級孔隙結構提供了依據。

比表面積是表征多孔介質的一個重要特性參數,它對多孔介質的部分物理、化學性能會產生重要影響,計算時常采用BET模型。該模型認為,固體表面的高吸附位首先被氣體分子覆蓋,低能位未被吸附,接著高能位的第二層吸附和次能位的吸附,以此類推,直至各層均達到吸附平衡(圖2)。

其計算模型為:

(2)

式中,c為常數,無量綱;V為吸附量,cm3/g;Vm為單分子層飽和吸附量;cm3/g;p為吸附質蒸汽吸附平衡時的壓力,MPa;po為吸附溫度下吸附質的飽和蒸氣壓,MPa。

多孔介質的孔徑分布計算采用BJH 計算模型。該模型認為,孔隙中氣體賦存形式包括吸附部分和凝聚部分,多孔介質的孔徑大小是吸附層厚度與凝聚液體半徑之和。

圖2　多層吸附示意圖

吸附厚度的計算采用赫爾賽方程,其表達式為:

(3)

式中,0.354為多層吸附的平均厚度值;t為吸附厚度,nm。

凝聚液體的半徑的表達式為:

(4)

式中,θ為液體與毛細管壁的接觸角,(°);γ為液體的表面張力,mN/m;VL為液體的摩爾體積,cm3/mol;R為普適氣體常數,8.314N m/(mol·K);T為體系溫度,K;rk毛細管凝聚臨界半徑,nm。

則多孔介質的孔徑大小為:

r=rk+t.

(5)

2　試驗樣品的脫氣預處理

設計的樣品量為含有10～20 m2表面積的多孔介質,由于樣品中常含有部分油或水汽,試驗前,必須采用真空法對每個樣品進行脫氣處理。為避免脫氣溫度過高引起樣品結構性改變,本次樣品的預處理溫度不高于250 ℃,選擇的脫氣時間應使待測樣品中的雜質完全清除,大量的試驗結果表明,3 h的脫氣時間為合理的最小脫氣時間。

3　致密砂巖巖心納米級微觀孔隙結構特征分析

利用低溫氮氣吸附試驗技術對8塊致密砂巖儲層樣品進行納米級孔喉結構特征分析,主要包括致密巖心的納米孔隙形狀、孔徑分布和孔隙含量。

表1為8塊致密油砂巖巖心的孔滲基礎數據,測試的1號和3號巖心等溫吸附曲線結果如圖3和圖4所示。

表1　致密砂巖巖心的孔滲基礎數據

圖3　1號巖心等溫吸附曲線

圖4　3號巖心等溫吸附曲線

由圖中分析得出,所測試的致密油砂巖巖樣的等溫吸附曲線主要是IUPAC提出的吸附等溫線H1、H3兩型曲線的組合,孔隙形態以平行板狀孔和不明顯的墨水瓶形孔為主。

對8塊致密砂巖巖樣進行低溫吸附試驗,測試結果見表2,其中,1號和8號巖心的孔容頻率分布如圖5和圖6所示。試驗獲得的孔容、孔隙半徑、孔隙率、孔隙百分數的數據,所對應的孔隙為半徑小于100 nm的孔隙,而比表面積對應于所有孔隙,孔容為單位質量下的孔隙體積。研究結果表明:孔容越高、孔隙百分數越高、比表面積越大,表明微孔隙越多,降低了儲層整體滲流能力。

表2　8塊致密砂巖巖樣的低溫吸附測試結果

由表2分析得出,總體上,致密巖心滲透率越低,即巖心越致密,其比表面積越大,孔容也越大,孔隙百分數也越大;由此進一步表明,納米級孔隙所占比例越高,其滲流能力越弱。

致密砂巖孔容頻率分布圖顯示,致密砂巖巖心的微孔隙百分數分布范圍寬,呈現雙峰形式,表明其儲層微觀非均質性較強。滲透率較小的1號巖心的孔容的第一峰值在孔徑1.91～2.10 nm處,第二峰值在孔徑8.62～15.63 nm處。滲透率較大的8號巖心的孔容的第一峰值在孔徑1.86 nm處,第二峰值在15.70～40.01 nm孔徑處;且滲透率越大,前面的峰值越小,后面的峰值越高。

圖5　1號巖樣孔容頻率分布

圖6　8號樣孔容頻率分布

4　結　論

(1)致密油砂巖巖樣測試表明,其等溫吸附曲線主要是IUPAC提出的吸附等溫線H1、H3兩型曲線的組合,孔隙形態以平行板狀孔和不明顯的墨水瓶形孔為主。

(2)致密砂巖巖樣低溫吸附測試結果表明,總體上,致密巖心滲透率越低,即巖心越致密,其比表面積越大,孔容也越大,孔隙百分數也越大;進一步表明納米級孔隙所占比例越高,其滲流能力越弱。

(3)致密砂巖孔容頻率分布結果顯示,致密砂巖巖心的微孔隙百分數分布范圍寬,呈現雙峰形式,表明其儲層微觀非均質性較強;且滲透率越大,前面的峰值越小,后面的峰值越高。