自滲吸實驗是研究注水和水力壓裂過程中巖石與流體相互作用機(jī)制的基本實驗方法。礦物成分和孔隙結(jié)構(gòu)在滲吸效率中起著重要作用，但如何具體影響石油生產(chǎn)效率仍需更多深入探討。

這項研究進(jìn)行了自發(fā)滲吸實驗，結(jié)合低溫吸附和核磁共振的測試手段探究了：（1）礦物和孔隙結(jié)構(gòu)如何影響致密砂巖的流體運(yùn)動特征；（2）系統(tǒng)地研究不同孔隙類型對石油開采的貢獻(xiàn)以及孔隙連接對自滲吸的影響。

結(jié)果表明：由于潤濕性，鹽水傾向附著于親水礦物，從而增加了浸入效率，隨著微小孔隙的發(fā)展，由于強(qiáng)大的毛細(xì)管壓力作用，油更容易被鹽水取代。該研究提供了關(guān)于礦物成分和孔隙結(jié)構(gòu)如何影響自滲吸效率的見解，提高了對致密砂巖中流體和礦物之間復(fù)雜相互作用機(jī)制的理解。

礦物成分和孔隙結(jié)構(gòu)是致密砂巖評價中的兩個重要參數(shù)，礦物組成指的是不同礦物（無機(jī)和有機(jī)）的比例，而孔隙結(jié)構(gòu)指的是空間的大小、形狀和連通性。常見的水力壓裂技術(shù)，可以有效地改善儲層中的采油效率，然而，由于礦物成分和孔隙結(jié)構(gòu)相互影響導(dǎo)致許多機(jī)理相互混淆，使得對單一參數(shù)進(jìn)行定量研究具有挑戰(zhàn)性，因此，闡明礦物成分、孔隙結(jié)構(gòu)和自滲吸效率之間的關(guān)系至關(guān)重要。

目前對致密砂巖自滲吸的一般理解主要受基質(zhì)和流體特性的影響，礦物成分和孔隙結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是決定自滲吸速度和最終采油效率的重要因素。粘土礦物優(yōu)先被水潤濕并迅速膨脹，影響到滲吸效率。同時毛細(xì)管壓力會受到孔隙半徑的影響，一般具有高自發(fā)沉浸效率的樣品通常具有較低的平均孔隙半徑。盡管研究人員試圖通過許多實驗和理論研究弄清自滲吸的機(jī)制及其影響因素，但自發(fā)浸潤特征及其與基質(zhì)特性的相關(guān)性仍然存在諸多疑惑。

本文根據(jù)礦物組成和孔隙大小分布，研究了致密砂巖中自滲吸的影響因素。在不同的礦物含量和孔隙網(wǎng)絡(luò)下進(jìn)行了四組自發(fā)滲吸試驗，通過比較礦物成分和孔隙結(jié)構(gòu)，分析了滲吸效率和影響因素。

實驗樣品以及基本物性參數(shù)

從中國安徽青陽的三疊紀(jì)地層收集了四塊致密砂巖（使用TS、XRD、SEM得到定量的礦物組分、以及氣體吸附法得到樣品的孔隙大小分布）。

礦物組分：

為了研究礦物成分和孔隙結(jié)構(gòu)對巖心自滲吸的影響，需要對砂巖的基本物性參數(shù)（礦物組分）進(jìn)行測算，結(jié)果如下：

使用TS、SEM和XRD技術(shù)獲得致密砂巖樣品中的礦物組分。對于碎石礦物，會出現(xiàn)相當(dāng)數(shù)量的石英和長石；對于粘土礦物，氯土和伊利石在粘土成分中占主導(dǎo)地位。

如圖1所述，所選樣品含有各種礦物，因此在研究區(qū)域內(nèi)會出現(xiàn)不同的孔隙。碎石礦物，如長石和石英，是致密砂巖中顆粒間孔隙發(fā)育的主要貢獻(xiàn)者（圖1b和c)；長方石和巖石碎片的溶解是顯著影響溶解孔隙發(fā)展的因素（圖1e和f)；晶體間孔隙，主要來自粘土礦物，在樣本3和4中占據(jù)主要地位（圖1h、i、k、l ）。

圖1：礦物組分（第1欄：基于TS方法得到的礦物組成；第2欄：來自XRD的粘土礦物組成；第3欄：TS觀測圖；第4欄：SEM圖像。Q：石英；F：長石；R：巖石碎片；M：云母；Fe：鐵鈣石；O：其他）

孔隙大小分布：

圖2中顯示了所有樣品的氮氣吸附和解吸的等溫曲線。我們注意到，不同樣品的等溫吸附解析曲線相差較大，具有豐富的伊利石、蒙脫石I/S混合層和較小孔徑的樣品更容易約束氮。

孔隙大小分布：

圖2中顯示了所有樣品的氮氣吸附和解吸的等溫曲線。我們注意到，不同樣品的等溫吸附解析曲線相差較大，具有豐富的伊利石、蒙脫石I/S混合層和較小孔徑的樣品更容易約束氮。

根據(jù)BET和BJH模型，可以得到表面積和孔隙體積（表2），對于孔隙的特定區(qū)域，樣本1有一個明顯的左峰（圖3），而其他樣本均勻地或較為均勻地分布。對于孔隙體積分布，樣本1在0.1和0.5μm之間有一個寬的峰值，表明相對較大的孔隙對總孔隙體積的貢獻(xiàn)很大。其他樣本呈偏右分布，但振幅相對較低。這些發(fā)現(xiàn)表明，小孔決定了孔隙表面積，但大孔隙在孔隙體積中起主導(dǎo)作用。

表2：基于BET、BJH的吸附解析模型得到的平均孔隙直徑

圖3：通過氮氣吸附得到的頁巖樣品的孔隙面積和孔隙體積分布。X1：a-b，X2：c-d；X3：e-f，X4：g-h

表1：巖石樣本的基本物性

自滲吸低場核磁實驗方案

四塊樣品均在120?C的烤箱中干燥72小時，然后浸入煤油并在20兆帕的壓力下飽和12小時，取出、擦干、稱重。然后，將樣品浸泡在40%的氯化鉀溶液中消除水的信號。在一定時間內(nèi)反復(fù)取出測試T2譜，分別得到了0小時、4小時、8小時、18小時、48小時和72小時的T2曲線。低場核磁共振設(shè)備由蘇州紐邁分析儀器股份有限公司提供，測試參數(shù)：回波間隔0.2ms，等待時間6s，累加次數(shù)64。

1）結(jié)果和分析

滲吸可以分為三個部分：早期階段、中期階段和后期階段。早期階段（0-8小時）滲吸速度較快速，中期階段（8-18小時）和后期階段（18-72小時）趨于適度，自滲吸一般發(fā)生在早期階段，液態(tài)移位的油量隨時間明顯減少。

2）孔隙大小分布與自滲吸的關(guān)系

不同的樣品有不同的自滲吸結(jié)果，親水粘土礦物和微小孔隙是造成這些差異的原因。圖4說明了親水粘土礦物與不同階段的石油生產(chǎn)效率之間的關(guān)系。在早期階段，伊利石和I/S混合層對油生產(chǎn)效率做出了重大貢獻(xiàn)，孔隙相對較小的樣品（3和4）的產(chǎn)油速度比其他樣品高，對應(yīng)于較小的孔隙會產(chǎn)生強(qiáng)大的毛細(xì)管壓力，這是自滲吸的主要因素（圖4a)；在中期，伊利石和I/S混合層不斷吸水膨脹遮擋了孔隙空間，降低了生產(chǎn)效率，且這種對孔隙相對較小的樣品（3和4）的影響更為顯著（圖4b）；在后期，親水礦物仍然可以為低物性參數(shù)的樣品產(chǎn)生一些浸潤空間（圖4c）。

圖4：親水粘土礦物和石油生產(chǎn)效率的擬合(a)早期階段、(b)中期階段和(c)后期階段。k：斜率。

另一個有趣的發(fā)現(xiàn)是，具有相對高的孔隙度和滲透率的樣品卻沒有高的石油生產(chǎn)效率。例如，樣品1具有最高的孔隙率和第二高的滲透率，而這個樣品的最終自滲吸效率低于樣品4（圖5、表3）。孔隙比例高的樣品的滲吸效率卻相對較低，不同類型的孔隙也能表達(dá)相似的滲吸能力（圖5a、表3）。具有豐富溶解孔隙的樣品2由于長石溶解導(dǎo)致其表面積明顯增長從而具有最顯著的沉浸效率（圖5b、表3）。均勻孔徑分布的樣品沒有浸潤的優(yōu)勢，但具有少數(shù)微裂縫的樣品4具有相對較強(qiáng)的滲吸能力（圖5c和d、表3)。

圖5：四個樣品在不同時間的T2曲線和SEM圖像。

表3：不同樣本的自發(fā)沉浸效率

3）孔隙連通對自滲吸的影響

圖6中，左圖和右圖分別來自PCMI和NMR實驗。在初始和最終T2累積曲線的任何交叉點上，汞入侵都會發(fā)生飽和。這個交叉點與孔隙半徑有關(guān)，二者連接形成之間的區(qū)域（圖6中藍(lán)色線條區(qū)域）被稱作主流浸潤區(qū)。隨著主流浸潤面積的增加，最終的石油生產(chǎn)效率也會提高，浸潤面積可以被認(rèn)為是致密砂巖中滲吸效率的一個很好的指標(biāo)。

圖6：四個樣品的毛細(xì)管壓力與累積T2曲線

文章小結(jié)

1. 親水礦物的含量對石油開采具有積極影響。隨著大孔隙比例的增加，樣品會浸入更多的液體。

2. 隨著小孔的增加，油更容易被替換，因為微小的孔提供了強(qiáng)大的毛細(xì)管壓力從而增加了油的移動能力。

3. 浸潤面積是衡量石油生產(chǎn)效率的一個重要指標(biāo)，這個面積的增加通常對應(yīng)著高的石油生產(chǎn)效率。

參考文獻(xiàn)

[1] Liu Y Y F. Impacts of mineral composition and pore structure on spontaneous imbibition in tight sandstone[J]. Journal of Petroleum Science & Engineering, 2021, 201(1).