一种计算致密砂岩油气藏有效孔喉下限的新方法——以苏里格气田盒8气藏为例

刘晓鹏，刘新社，赵会涛，王怀厂，张　辉（中国石油长庆油田分公司a.勘探开发研究院；b.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，西安710018）

一种计算致密砂岩油气藏有效孔喉下限的新方法
——以苏里格气田盒8气藏为例

刘晓鹏，刘新社，赵会涛，王怀厂，张辉
（中国石油长庆油田分公司a.勘探开发研究院；b.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，西安710018）

鉴于压汞实验过程与油气充注成藏过程相类似，认为在密闭取心样品毛细管压力曲线上，与密闭取心样品含油气饱和度相等的进汞饱和度毛细管压力相对应的喉道半径为油气藏有效临界孔喉半径，具有代表性的密闭取心样品中最小的有效临界孔喉直径为油气藏有效孔喉下限。提出了一种准确、快捷计算致密砂岩油气藏有效孔喉下限的新方法，分析讨论了目前求取有效孔喉下限主要方法的优势及其局限性。以苏里格气田盒8气藏为例，采用密闭取心样品毛细管压力曲线法，求取的盒8气藏有效孔喉半径下限约为53.3 nm，由大于此喉道半径连通的孔隙体系才是勘探开发的主要对象。

苏里格气田；盒8气藏；致密砂岩油气藏；最小孔喉半径；水膜厚度；毛细管压力曲线

油气藏有效孔喉下限指油气藏储集层含油气的最小孔喉半径，其主要受储集层微观孔隙结构和油气充注条件的双重控制。有效孔喉下限是油气资源潜力、产能评价的重要参数，也是影响勘探开发决策的关键参数。随着致密砂岩储集层微观孔隙结构表征技术的不断发展，纳米级孔喉对油气存储和开发产量的贡献日益受到人们的关注［1-6］。笔者提出了一种利用密闭取心样品毛细管压力曲线求取致密砂岩油气藏有效孔喉下限的新方法，以苏里格气田盒8气藏为例，计算了致密砂岩油气藏有效孔喉下限。为确定勘探开发主体目标、舍弃对油气储集和产量没有贡献的致密砂岩、节约勘探开发成本提供了依据。

1　研究现状

前人通过深入研究，归纳出3种计算油气藏有效孔喉下限的方法，分别为两倍水膜厚度+油气分子集合体粒径法、油气充注动力学模型法和环境扫描电镜实测临界含油气孔喉法。

1.1两倍水膜厚度+油气分子集合体粒径法

此方法依据两倍水膜厚度与油气运移的分子集合体粒径之和来确定油气藏有效孔喉下限［1］。由于石油天然气中甲烷、乙烷、正戊烃和沥青分子直径分别为0.38 nm，0.44 nm，0.58 nm和5.00～10.00 nm［6］，与水膜厚度相比，油气分子集合体粒径均较小，且相对固定，油气藏有效孔喉下限的求取主要聚焦于水膜厚度计算。依据对水膜认识的不同，此方法又可进一步细分为土壤学束缚水水膜厚度模型法和分离压力水膜厚度模型法，前者目前应用最为广泛。

（1）土壤学束缚水水膜厚度模型法此方法认为两倍束缚水水膜厚度是岩石有效孔喉下限，半径大于束缚水水膜厚度的孔隙才有可能是储集油气的有效空间，半径小于束缚水水膜厚度的孔隙空间将被水膜水充满，成为无用空间［1，7-10］。计算土壤颗粒表面水膜厚度的理论公式为［1，7-9］

土壤学束缚水水膜厚度模型法的原理为将束缚水体积均摊在孔隙表面上，所得厚度即为束缚水水膜厚度。此方法的局限性为:①受实验条件限制，束缚水饱和度很难准确求取；②不适用于纳米级孔喉发育的致密砂岩油气藏有效孔喉下限计算。

（2）分离压力水膜厚度模型法文献［11］和文献［12］认为，土壤学束缚水模型中的束缚水包括毛细管水和水膜水，且毛细管水量远多于水膜水量。毛细管水靠毛细管力滞留在小孔喉中，水膜水靠分子引力滞留在孔隙壁上，依靠束缚水饱和度计算的水膜厚度偏厚。

文献［13］把液膜分离压力定义为一定厚度的液膜达到平衡状态所需要施加于体积液体的机械压力。文献［14］用椭圆偏振技术测定了不同分离压力下亲水石英表面的水膜厚度，发现水膜厚度随着分离压力的逐渐增大而逐渐减小。

文献［12］提出了室温环境下气体环境中无离子水在强亲水性矿物表面形成水膜厚度上限的计算公式:

分离压力水膜厚度模型法可计算真实的水膜厚度上限，局限为仅反映理论上的油气藏有效孔喉上限，真实油气藏受充注动力限制，无法驱替掉所有孔喉中的毛细管水，此有效孔喉上限为理论上限。

1.2油气充注动力学模型法

油气充注动力学模型法认为，油气藏最大埋深时，源储界面烃源岩生烃增压后孔隙流体压力大于地层破裂压力，充注史上最大充注动力为最大埋深时地层破裂压力与静水压力之差，充注阻力为毛细管压力，油气充注孔喉直径下限动力学模型为［15］:

文献［15］应用油气充注动力学模型法对鄂尔多斯盆地延长组、四川盆地中—下侏罗统和威利斯顿盆地Bakken致密油气藏充注孔喉直径下限进行了计算。依据原油密度确定了油水界面张力，求取的鄂尔多斯盆地延长组、四川盆地中—下侏罗统、威利斯顿盆地Bakken致密油气藏储集层充注孔喉直径下限分别为39.45 nm，37.20 nm和52.32 nm.

油气充注动力学模型法可计算油气成藏充注的理论孔喉下限，但计算过程涉及过多理论模型，较多参数取值均为概念值，影响了求取的结果的精度。

1.3环境扫描电镜实测临界含油气孔喉法

环境扫描电镜实测临界含油气孔喉法通过能谱仪测定碳含量判定喉道是否含油或残留烃类，采用环境扫描电镜多次测量、逐渐逼近，确定含油气孔喉临界喉道直径。通过多条含油气孔喉临界值的交集缩小相应的取值区间［1，16］。

文献［16］采用环境扫描电镜实测临界含油气孔喉法对四川盆地公山庙油田侏罗系致密油聚集孔喉下限进行了研究。确定公22井沙溪庙组2 477 m砂岩中2条喉道直径下限值分布区间分别为43.44～75.87 nm和44.78～58.48 nm，得到喉道直径下限值分布区间43.44～58.48 nm，最终将四川盆地公山庙油田公22井侏罗系沙溪庙组致密油藏聚集孔喉直径下限定为44.00 nm.

环境扫描电镜实测临界含油气孔喉法为一种实测方法，数据可信度高，但此方法不足之处在于受样品代表性和实验技术的限制，场发射扫描电镜精准测定的半径极限值为13.7 nm［16］，能谱束直径为3 μm，穿透厚度为1 μm，检测时受孔隙附近颗粒影响大，石油在电子束轰击下挥发速度快［1］。

2　密闭取心样品毛细管压力曲线法

2.1密闭取心样品毛细管压力曲线法的原理

毛细管压力曲线是毛细管压力与进汞饱和度的关系曲线，一定的毛细管压力对应一定的孔喉半径。在某一压力下汞进入岩石的体积等于此压力对应的喉道及所连通的孔隙的体积之和，此压力下的进汞饱和度相当于喉道及其连通的孔隙体积占总孔隙体积的百分比［17-19］。压汞实验过程中，随进汞压力的增大，汞能够进入的喉道半径由大到小依次变化，此过程与油气成藏充注过程类似，均为非润湿相进入润湿相孔喉，且在驱替压力作用下优先进入大孔喉。

常规取心岩心样品因钻井液滤液进入岩心造成油气藏原始含油气饱和度数据失真。密闭取心技术在取心钻进过程中通过密闭取心工具和密闭液在岩心柱表面形成密闭液保护膜，从而可准确获取油气藏的原始含油气饱和度。

压汞实验中进汞过程与油气在压差作用下进入储集层的充注成藏过程类似，均为在驱替压力作用下优先进入大孔喉，再逐次进入小一级孔喉。在密闭取心毛细管压力曲线上，与密闭取心样品含油气饱和度相等的进汞饱和度毛细管压力对应的喉道半径为油气藏有效临界孔喉半径。众多具代表性的密闭取心样品中最小有效临界孔喉半径为油气藏有效孔喉半径下限。

2.2密闭取心样品毛细管压力曲线法的算法

在密闭取心样品进汞毛细管压力曲线横轴上与样品含油气饱和度相等的进汞饱和度点SHg处，向上做过此点的垂线与毛细管压力曲线相交于B点，过B点做纵轴的垂线，与纵轴交于点pB，pB为与进汞饱和度SHg对应的毛细管压力（图1）。据（4）式计算出毛细管压力pB对应的喉道半径ro，即为临界有效孔喉半径，油气藏具代表性的众多密闭取心样品中最小的临界有效孔喉半径为此油气藏有效孔喉半径下限。

图1　密闭取心样品毛细管压力曲线法

密闭取心样品毛细管压力曲线法的优势为:①密闭取心样品毛细管压力曲线法与两倍水膜厚度+油气分子集合体粒径法相比，前者针对含油气孔喉，求取油气藏现今有效孔喉下限更为直接；②与油气充注动力学模型法相比，计算过程相对简单，涉及模型、参数少，计算过程快捷；③与环境扫描电镜实测临界含油气孔喉法相比，测试方法简单，实验误差小，结论更加准确。

密闭取心样品毛细管压力曲线法的局限为:①此算法通过部分密闭取心样品计算整个油气藏有效孔喉下限，结论受样品代表性和数量的限制；②当油气藏储集层自身具有生烃能力时，油气主要存储于亲油的干酪根网络中，油气充注无需克服毛细管压力，充注过程也并非优先进入大孔喉，即密闭取心样品毛细管压力曲线法只适用于储集层自身不具生烃能力的油气藏有效孔喉下限计算；③压汞实验进汞过程与地下真实油气充注成藏过程稍有差异。压汞实验中岩石样品被干燥并抽真空，孔喉表面无水膜水存在，真实油气充注成藏过程中储集层被地层水饱和，毛细管水被驱替后孔喉表面的水膜水依然存在。水膜厚度主要受油气充注压力大小控制，受地层温度及地层水矿化度影响，水膜水总量为已被油气充注的孔喉的孔隙表面积与水膜厚度的乘积。由于油气已充注孔喉中水膜水的存在，当进汞饱和度与含油气饱和度相等时，与水膜水体积相等体积的油气将进入比含汞临界孔喉稍小的孔喉，最终油气进入的临界孔喉稍小于压汞实验中汞进入的临界孔喉，由密闭取心样品毛细管压力曲线法求取的含汞临界孔喉半径要稍大于含油气有效临界孔喉半径。

3　应用实例

苏里格气田位于鄂尔多斯盆地西北部，是目前我国储量最大且大规模开发的天然气田，为典型低孔、低渗、低丰度、低产、分布面积广的岩性气藏［20-23］。其主力含气层为二叠系石盒子组盒8段，储集层为灰白色、浅灰绿色含砾粗粒砂岩及含砾中-粗粒砂岩，储集层孔隙度4.0%～12.0%，平均为8.8%，渗透率0.01～1.60 mD，平均为0.69 mD，为典型的致密砂岩储集层。

盒8段泥岩厚度较薄，平均13.7 m，盒8段沉积期气候相对干旱，泥岩颜色以浅灰色为主，棕色、杂色泥岩较发育，有机质含量低，自身不具生烃能力，所储天然气为外来充注。盒8气藏地层水矿化度、主要离子组成及氢、氧、锶同位素等地球化学特征表明，盒8段地层水为封闭条件下与外界隔绝的残余水［23］，气藏现今含气饱和度可代表气藏原始含气饱和度。

3.1样品选取

选择苏里格气田3口工业气流密闭取心井，其岩心收获率和泥浆含水率均达到了密闭取心要求、分析数据系统可靠。选取其中17块不同物性的岩心样品进行了压汞测试分析。样品孔隙度为4.8%～16.3%，渗透率为0.18～1.72 mD，含气饱和度为35.82%～79.08%，覆盖了苏里格气田盒8气藏物性的主要分布区间。

3.2计算结果

依据密闭取心样品毛细管压力曲线法对苏里格气田盒8气藏临界有效孔喉半径进行了计算，结果表明，盒8气藏临界孔喉半径分布区间为53.3～432.4 nm，最小值为53.3 nm（表1）。

表1　苏里格气田盒8气藏临界孔喉计算数据

苏里格气田盒8气藏静水压力为24～34 MPa，气藏温度90～100℃，地层水矿化度29.12～68.30 g/L，依据（2）式计算的水膜厚度上限为1.94～2.13 nm.地层条件下气藏温度较高导致分子热运动加剧和地层盐水中因电解质压缩双电层降低了水膜两界面之间的排斥力等因素使水膜厚度减薄［8］，盒8气藏实际水膜厚度小于2.13 nm.以S14-0-9井3 529.69 m样品为例，孔隙度为16.3%，孔隙体积为1.819 cm3，岩心体积为11.160 cm3，岩心密度为2.24 g/cm3，岩心质量为25 g.孔隙比表面积为3.4 m2/g，水膜厚度取2.13 nm，含气饱和度为35.82%，则含气孔喉中的水膜水体积为0.064 9 cm3，占总孔隙体积的3.57%，即水膜水体积相当于3.57%的进汞量。S14-0-9井3 529.69 m样品毛细管压力曲线上进汞饱和度39.39%对应的喉道半径为52.5 nm，与未考虑含气孔喉中的水膜水体积计算的临界有效喉道半径53.3 nm相差仅0.8 nm，可予以忽略，表明油气在压差作用下充注于储集层的过程完全可近似等同于压汞实验汞进入干燥真空岩心的过程，即苏里格气田盒8气藏最小有效临界孔喉半径约为53.3 nm，依据有效孔喉下限可将苏里格气田盒8气藏储集层孔隙分为有效孔隙和无效孔隙，半径大于53.3 nm的喉道连通的孔隙才是勘探开发的有效对象。

4　结论

（1）压汞实验中进汞过程与油气在压差作用下进入储集层的充注成藏过程类似。在密闭取心样品毛细管压力曲线上，与原始含油气饱和度相等的进汞饱和度对应的喉道半径为油气藏有效临界孔喉半径，众多能够代表油气藏物性的密闭取心样品中最小的有效临界孔喉半径为油气藏有效孔喉半径下限。

（2）新建立的密闭取心样品毛细管压力曲线法可准确、快捷地计算致密砂岩油气藏有效孔喉下限。苏里格气田盒8气藏有效孔喉半径下限约为53.3 nm，由半径大于53.3 nm喉道连通的孔隙体系才是勘探开发的主要对象。

符号注释

A——岩石的比表面积，m2/g；

dm in——孔喉直径下限，nm；

h——水膜厚度，nm；

p——毛细管压力，MPa；

pd——分离压力，MPa；

pfmax——最大埋深时的地层破裂压力，MPa；

phmax——最大埋深时的静水压力，MPa；

r——喉道半径，μm；

Sw——束缚水饱和度，%；

φ——岩心孔隙度，%；

ρr——岩心密度，103kg/m3；

σ——界面张力，480mN/m；

θ——接触角，140°.

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（编辑潘晓慧曹元婷）

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

国家科技重大专项（2011ZX05044；2011ZX05007-004）

刘晓鹏（1978-），男，陕西西安人，工程师，油气地质，（Tel）15202908168（E-mail）liuxiaop1_cq@petrochina.com.cn