致密储层岩石渗透率测试的影响因素

致密储层岩石渗透率测试的影响因素

如果水体和岩石没有发生物理和化学作用（或物理和化学作用对流动的影响完全忽视），绝对渗透率是由岩石完全饱和引起的。因测试流体包括气体(N2、CO2、空气)与液体(主要是水),岩石的渗透率就有气测渗透率与液测渗透率之分。准确测试储层岩石的绝对渗透率是认识、开发储层的前提条件之一。然而,超低渗透砂岩、泥页岩等致密储层岩石的孔喉尺度非常微小,流体与岩石所发生的物理化学作用非常明显,对渗流规律的影响不可忽略,导致目前的测试方法很难准确测试出致密岩石的绝对渗透率。本文将讨论致密岩石渗透率测试方法中所存在的一些问题,并探讨提高测试致密岩石渗透率准确性的思路。1致密岩石储层渗流规律水测渗透率方法在工程中被广泛应用,包括致密岩石物性分析。水测渗透率方法有稳态法与非稳态法之分,理论基础都为达西定律,并忽略水与岩石之间的物理化学作用。但致密岩石的喉道尺度非常小,渗流过程中水与岩石发生的物理化学作用使水测渗透率值不能再代表岩石的绝对渗透率值。这些物理化学作用主要有:(1)实验室常用的蒸馏水通常为一次蒸馏所得,若存在零点几微米的杂质,就可对致密岩石的喉道形成堵塞。(2)抽真空过程中容易残留少量空气,水渗流时会产生毛管阻力。这个问题在材料行业得到了普遍认识,在石油行业却没有引起人们的注意。(3)水分子具有极性,能在岩石壁面形成吸附水层,吸附水层厚度为水动力学条件的函数。在中、高渗透油藏,由于孔隙喉道较大,吸附水层厚度对有效渗流横截面的影响很小,渗流特征基本符合达西定律;而在致密岩石储层中,孔隙喉道半径与吸附水层厚度处于同一数量级,吸附水层厚度就使水的渗流规律偏离了达西定律。壁面吸附流体层使喉道有效尺度减小,测不到真正意义的绝对渗透率。壁面流体层分为可动层与不可动层,可动层厚度为水动力学参数的函数,视渗透率随流速变化而变化。即使达到极限渗透率所需要的流速后,也会由于不可动层的影响使极限渗透率比绝对渗透率小。(4)致密砂岩黏土含量高,水易造成膨胀性黏土膨胀。膨胀后的黏土可以对渗流产生2个方面的影响:一方面黏土膨胀使参与渗流的有效体积减小,产生尺度效应,并对一些喉道产生堵塞;另一方面具有触变性的黏土浆体在微细孔道中的渗流,可以导致致密砂岩岩心中的渗流规律发生变化。同时,水也容易造成速敏性矿物运移,堵塞孔道,使渗透率降低。(5)水测渗透率费用高、费时且污染岩心。尤其是水在致密岩心中渗流时,黏土颗粒的膨胀与运移不仅改变了岩石的微观孔隙结构,同时改变了岩心的润湿性,对岩心造成不可逆的污染。2气压失败法的问题2.1气-水-气藏分析方法低压气体低速渗流规律偏离达西定律的原因,通常认为是气体在固体壁面存在速度滑移,使所测渗透率大于绝对渗透率。1941年克林肯贝尔格依据一阶滑移边界条件,建立了气测渗透率Kg与绝对渗透率K∞的数学关系:Kg=K∞(1+bkp)(1)Κg=Κ∞(1+bkp)(1)式中:bk—滑脱因子;p—岩心进出口端的平均压力。式(1)被广泛应用于气测渗透率实验与气藏开发计算中,气体渗流的研究工作主要是确定滑脱因子与岩石物性间的关系。气体在岩石中渗流时,与岩石的吸附作用弱,且不破坏岩石的孔隙结构,岩石能重复使用。所以,用气体来测定岩石的渗透率得到了广泛应用。对于空气渗透率≥0.01×10-3μm2的胶结岩样,建立了一套气测渗透率的实验方法操作标准。2.2储层精细表征随着许多致密储层的开发,近几年气体在致密多孔介质中的渗流特性开始被研究。王斌等人从气体分子扩散运动角度来研究多孔介质中的渗流问题。陈代询等人从气体的分子运动论角度研究流动特性,认为气体的低速渗流与气体分子的自由程分布有关。有学者依据气体在微管中的流量方程,分析了滑脱作用对致密多孔介质气测渗透率的影响,认为滑脱作用在致密岩石中将增强。低速气体的渗流特性通常用克努森数描述,将气体分子的平均自由程与流场的特征尺度之比定义为克努森数,表明气体在多孔介质中流动时,Kn值随介质的平均孔喉半径减小成反比例增加。气体的流态按照Kn值的大小划分为:Kn<0.01,连续流,流动规律用达西定律描述;0.01≤Kn<0.1,滑移流,流动规律符合一阶滑移理论;0.1≤Kn<10,过渡流;Kn≥10,自由分子流。致密砂岩储层喉道微细,以苏格里气田某储层为例,孔道中值半径为0.03～0.15μm。在压力低于1MPa时,克努森数范围大多在0.1～1.0之间。而页岩的喉道尺度更小,克努森数更大。致密岩心气测渗透率过程中气体在介质中的流动行为会偏离以一阶滑移边界条件为基础的克林贝尔格公式。目前对克努森数大于0.1的气体流动在微尺度流动领域的研究较多,描述过渡流与自由分子流的气体流动有3种方法:(1)分子动力学模拟法;(2)采用蒙特卡洛直接模拟方法;(3)将高阶滑移边界条件应用于N-S方程中,通常克努森数越大,边界条件的阶数越高。实现这3种方法都需要依赖于计算机模拟,不适合于解决致密岩石气测渗透率所面临的问题。3致密岩石流态的改变基于以上分析,水测渗透率方法中所存在的很多问题是实验过程中不可避免的,并且很难用数学方法来处理。所以,提高致密岩石渗透率测试准确性的研究思路首先应立足于解决气测渗透率实验中的本质问题。气测渗透率方法中存在的问题主要是气体的克努森数大于0.1,流态发生了变化。这类问题则可以通过2种方法来解决:(1)改进实验方法。依据克努森数的定义,改变致密岩石中气体的流态为滑移流,需要降低气体分子的平均自由程。气体分子平均自由程与气体平均压力成反比,可以提高气体的平均压力来提高测试的准确性。气体压力大幅度提高后,不能再使用传统的皂泡流量计来测量气体的