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研究背景:
毛管压力曲线是研究岩石孔隙结构及其分布的重要资料。
测量毛管压力曲线的常用方法有压汞法、恒速压汞法、离心法和半渗隔板法。
其中,压汞法因操作简单、测量快速、测量压力高而得到了广泛应用。
常规压汞的压汞曲线可以用来确定岩石的孔隙大小及其分布,恒速压汞法在此基础上扩展了许多新功能,
可以用来确定孔道和喉道的数量特征,给出孔道、喉道和总孔隙的毛管压力曲线,
以及孔道、喉道和孔喉比的特征参数,将岩石的孔隙结构刻画得更加详细。
但根据笔者的研究,恒速压汞法扩展的这些功能,都是对压力数据“噪音”的误读,并非反映了岩石本身的性质,误导了对毛管压力曲线的应用和对岩石孔隙结构的研究。
研究结论:
(1)压汞过程中的压汞压力与毛管压力处于平衡状态。
(2)岩石孔隙为三维空间网络,大小孔隙互连,不存在孔道与喉道的概念,压汞时汞不是经过喉道才进入孔道的,而是由先进入大孔隙,再进入小孔隙。
3)恒速压汞曲线上的锯齿状特征,不是岩石的孔喉特征,而是机械原因产生的压力数据“噪音”。
4)恒速压汞曲线解释不出岩石的孔喉比参数,过去的做法是对压力数据“噪音”的误读。
研究流程:
1、常规压汞法(图1-图5)
2、恒速压汞法(图6-图7)
3、问题分析
图文说明:
毛细管中存在两相流体时,流体的分界面不是平直的,而是弯曲的(图1)。毛管压力的理论计算公式为:
式中:
pc为毛管压力,MPa;
σ为界面张力,N/m;
θ为润湿角,(°);
r为毛细管半径,μm。
由式(1)可以看出,毛细管半径越小,毛管压力就越大。
从图2可以看出,压汞压力不随进汞量(VHg)的变化而变化。
如果测得了图2所示的压汞曲线,则可以通过式(1)计算出毛细管半径。
图3为非等径均匀毛管束模型,即每一根毛细管都是均匀的,不同毛细管的半径是不同的。
由于大孔隙的毛管压力小,汞会在较低的压力下首先进入大孔隙(毛细管1);
当提高压力后,汞会进入中等大小的孔隙(毛细管2);
最后在高压下进入最小的孔隙(毛细管3)。
图4为非等径均匀毛管束模型的压汞曲线。
图4中pc1,pc2和pc3分别为毛细管1、毛细管2和毛细管3的毛管压力;
VHg1,VHg2和VHg3分别为毛细管1、毛细管2和毛细管3的进汞量。
从图4可以看出,非等径均匀毛管束模型的压汞曲线为阶跃曲线,一个台阶对应一根毛细管,毛管压力越高,对应的毛细管就越细。
根据图4中的毛管压力曲线,可以利用式(1)计算出每一根毛细管的半径,还可以从曲线上读出每一根毛细管的进汞量。
汞开始进入岩石的阈压为最小毛管压力pc1。
当毛细管数量增多后,压汞曲线的阶跃特征就会消失,而呈现出光滑的曲线特征(图5)。
曲线上最小的压力就是阈压,阈压对应的毛细管为岩心中最大的孔隙。
进汞量除以孔隙体积就是汞饱和度,压汞压力的数值等于毛管压力,
因此,根据图5中的压汞曲线可以绘制出岩石的毛管压力曲线,然后进行各种评价和应用。
岩石孔隙都不是均匀的,而是由粗孔部分(孔腹,孔道)和细孔部分(喉道)连接而成(图6)。
孔道的半径与喉道的半径之比定义为孔喉比,即
式中:
Rpt为孔喉比,无因次;
rp为孔道半径,μm;
rt为喉道半径,μm。
与常规压汞曲线(参见图5)不同的是,恒速压汞曲线不是单调递增的,而是呈锯齿状曲折递增(图7),
即压汞压力整体是上升的,仅局部存在下降现象,而且是突降,压力涨落相间,压力上涨代表汞液前缘进入到了喉道,
压力下降代表汞液前缘进入到了孔道,孔道的毛管压力比喉道低,于是压汞压力下降而得到释放。
每一个压力涨落单元对应一个孔喉组合。
对岩心进行压汞时,汞首先通过如图6中所示的喉道①,毛管压力不断升高,压汞压力也不断升高,喉道①对应图7中压汞曲线上的峰值①。
汞在喉道①突破之后,压力突然降低,进入孔道Ⅰ,孔道Ⅰ对应压汞曲线上的谷底Ⅰ。
继续压汞,汞进入喉道②,压力再次上升,压汞曲线上出现峰值②。
然而,由于峰值②的压力数值没有超过峰值①,按照恒速压汞的解释规则,喉道②不属于喉道,仍然属于孔道,即整个孔道的体积为VⅠ+VⅡ。
当压力再次上升,超过了峰值②的数值之后,才算真正进入下一个喉道,即喉道③,喉道③对应压汞曲线上的峰值③。
喉道③的体积是从峰值②对应的压力点算起,直到峰值③结束,即Vth。
从图7的压汞曲线上确定出图6有1个孔道和2个喉道。
恒速压汞法存在如下多方面的问题:
(1)喉道:按照恒速压汞法的解释规则,图6中的喉道②不是喉道,而是孔道,这其实是没有道理的。
所谓的喉道与孔道,都是与相邻孔隙相对比而言的,不能与远处的孔隙进行对比。若在岩心表面有一个最小的喉道,岩心内部就不存在其他的喉道了?
既然图6中的喉道②不属于喉道,喉道③的体积为何又从喉道②对应的峰值压力算起呢?
应该从喉道①对应的峰值压力算起才对,这不是自相矛盾吗?
喉道与孔隙的分界线到底在哪里?
(2)波形:压汞曲线形态呈“斜V”字形(参见图7)。
这种压力变化其实并不是孔喉结构导致的,孔喉结构导致的波形应该呈“正V”字形,
而且不应该有尖顶和尖底,而是圆弧顶和圆弧底(图8),因为孔隙形态不是尖形(参见图6)。
图7中汞液前缘进入孔道后压力突降而又无进汞量,这是一个错误的曲线形态。
其实,孔道中的压汞压力应该随进汞量的增大而逐步下降,汞液前缘进到孔道中间的最粗部分,压力才会降到谷底,不可能刚进入孔道就突然降至谷底(图8)。
(3)孔隙:实际上,岩石的孔隙并不像图6所示的那样为孔喉相接的一维孔隙,也不是如图9(a)所示的二维孔隙,而是三维空间中的互连网络图9(b)。
在三维空间里,并没有孔道和喉道的概念,而是大小孔隙互连,角隅小孔隙也是粒间大孔隙的组成部分。
压汞过程中汞液不是必须经过喉道之后才能进入孔道,也不是必须经过孔道之后才能进入喉道,
而是首先进入大孔隙图10(a),把大孔隙灌满之后才在高压下向角隅小孔隙突进图10(b),在此过程中压汞压力和毛管压力都不断升高。
压汞过程是从岩心周围向岩心内部压汞,汞液会选择由大到小的顺序进入孔隙。
地层中的角隅小孔隙(喉道)被束缚水占据,油气在粒间大孔隙(孔道)中流动,没有通过喉道也流出了地层。
由此可见,喉道和孔道的划分方法并不成立。
(4)实测曲线:图11为一块砂岩岩样的实测恒速压汞曲线的局部放大图。
从图11可以看出在压力上升的过程中有一些局部出现压力突降的现象,即呈现锯齿状特征。
恒速压汞理论把这种现象解释为孔隙的孔喉特征所致。
实际上,这是由于机械压汞泵的非连续转动导致的压力波动现象。
如果压汞泵连续运动而不出现暂停,压力就会连续变化而不会出现突降。
图11中实测曲线上的喉道体积已明显大于孔道体积,这也是该测量方法极不合理的地方。
根据图11恒速压汞曲线解释的平均喉道半径为1.20μm,平均孔道半径为.90μm,平均孔喉比为,
这是一个极大的数字,远远超过了常规镜下观察二维孔隙图统计的孔喉比数据(5~30)。
该砂岩岩样的气测孔隙度为14.2%,气测渗透率为1.22mD。修正KozenyCarman方程为
式中:
k为渗透率,D;
φ为孔隙度,无因次;
τ为迂曲度,无因次。
把孔隙度(14.2%)、孔喉比()和孔道半径(.9μm)代入式(3),假设τ=1.3,得到渗透率为0.mD,与实测渗透率相差甚远。
把孔隙度(14.2%)、孔喉比(25)和孔道半径(.9μm)代入式(3),假设τ=1.3,得到渗透率为1.7mD,与实测渗透率比较接近。
由此可见,利用恒速压汞法得到的孔喉比数据明显偏高,没有任何实用价值。
实际上,图9(b)立方体排列的中心孔径与侧边孔径的理论比值为1.,即孔隙大小基本相当,但中心孔隙容易被碎屑物充填,充填后二者基本就相同了。
图11中的实测恒速压汞曲线之所以出现锯齿状特征,是因为有一定的放大效应,而没有放大的原始恒速压汞曲线则十分光滑(图12)。
很显然,图11中恒速压汞曲线的锯齿状特征属于压力数据的“噪音”,
应采取适当方法将其消除,以免影响正常的参数解释,更不应该误读“噪音”,将其解释为岩石的孔喉结构特征,这样会误导对毛管压力曲线的应用和对孔隙结构的研究。
从恒速压汞曲线还可以看出,在从岩心表面向内部压汞的过程中,孔道和喉道都是不断变小的,
即内部的孔隙比表面的小,这其实是没有道理的,岩心的孔隙分布基本上是均匀的,内外孔隙大小相当,为何内部的孔隙就一定比表面的孔隙小呢?
(5)生产曲线:图13是某油井自喷生产时的油压曲线。
油井从岩石孔隙中采油,在工作制度不变的情况下,油压一直在波动,涨落相间,压力的这种波动与岩石的孔喉特征有关系吗?
压力下降代表油井从孔道中采油吗?压力上升代表从喉道中采油吗?
当然不是。压力波动的影响因素很多,测量仪表、生产环境、管线条件及流动形态等都会产生影响,怎么可能是岩石的孔喉结构所致呢?
如果说油井的生产与岩石的孔喉结构有关,与岩石孔隙毫无关系的输油气管线的压力也产生波动,该如何解释呢?
文献来源:李传亮,朱苏阳,聂旷,邓鹏,刘东华.恒速压汞法不能确定孔喉比[J].岩性油气藏,,28(06):-.
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