PORE STRUCTURE AND PERMEABILITY OF LOW PERMEABILITY RESERVOIR BASED ON CONSTANT SPEED MERCURY INJECTION TECHNOLOGY:TAKING ZHUHAI FORMATION IN WENCHANG A SAG OF ZHUJIANGKOU BASIN AS AN EXAMPLE
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摘要: 目前南海西部各典型低渗透油气藏普遍存在微观渗流规律认识不清、油气开发潜力模糊的问题，严重制约了低渗油气田的后续开发部署。通过应用恒速压汞技术对珠江口盆地文昌A凹陷珠海组低渗凝析气藏储层孔隙结构及渗流潜力进行分析，结果表明：①渗透率不同的岩心样品孔隙半径差别很小，喉道是决定研究区储层渗透率的主要因素，主流喉道半径可以作为评价低渗透储层渗流能力和开发难度的关键物性参数；②在渗透率>1×10-3 μm2的气藏范围内，文昌A凹陷珠海组开发难度较小；而渗透率在0.1×10-3 μm2附近的特低—极特低渗透油藏范围内，文昌A凹陷珠海组(文昌WC-Y1井ZH3)开发难度很大。Abstract: Characteristics of pore structures and development difficulties of the low-permeability gas reservoirs in the Zhuhai Formation in Wenchang A Sag of the Zhujiangkou Basin were studied with the method of constant speed mercury injection. Results show that: ① pore radius are similar for the cores with different permeability, throat is the main factor determining the reservoir permeability in the study area. The mainstream throat radius is the key physical parameter to be used to evaluate percolation ability and development difficulty of a low permeability reservoir; ②1×10-3μm2 is is a critical value for a low permeability gas reservoir. While the permeability of gas reservoir is higher than 1×10-3μm2, the development difficulty of Zhuhai Formation in Wenchang A Sag is getting smaller; and while the permeability of super-low permeability reservoirs near is lower than 0.1×10-3μm2, the development difficulty of Zhuhai Formation in Wenchang A Sag (ZH3 of Wenchang WC-Y1 well) is greater.
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1971年，Gaulier[1]在SPE会刊上发表了一篇关于恒速压汞技术设计思想、合理性分析及数据处理方法的研究论文，并给出了很多关键概念的初步定义；1984年，Yuan和Swanson[2]两位学者在Gaulier研究的基础上提出了更加完整的恒速压汞技术思想，将该项技术称为孔隙特征检测仪APEX(apparatus for pore examination)，并首次开展恒速压汞试验[3]。恒速压汞的实验原理为仪器以非常低的进汞速度(1×10-6 mL/s)将汞注入岩石孔隙体积内，根据进汞压力的涨落来获取孔隙结构信息[4-8]。
恒速压汞技术对比常规压汞技术的优势在于，在实验进程上实现了对喉道和孔隙分布的直接测量，最小可测试喉道半径约为0.1 μm[9]，并分别给出相应的毛细管压力曲线，区分岩样孔隙结构上的差异(图 1)，更适用于孔喉性质差别很大的低渗透、特低渗透储层[10-14]。本次研究应用恒速压汞试验技术对南海西部珠江口盆地文昌A凹陷珠海组低渗气藏的微观孔隙结构及其分布规律进行研究，在此基础上分析了该气藏气体的渗流能力及开发难度。
1. 研究区概况
文昌A凹陷是珠江口盆地西部珠三坳陷的二级构造单元，自20世纪80年代相继钻探发现了多个气田和含气构造[15](图 2)。凹陷自下而上发育前第三系基底，古近系神狐组、文昌组、恩平组和珠海组，新近系珠江组、韩江组、粤海组和万山组及上覆第四系更新统[16]。经前人多次勘探实践证明，该凹陷具备良好的天然气聚集条件，含气层主要位于珠海组[17, 18]。受储层岩性、物性及孔隙结构等各因素的制约，珠海组储层的孔隙度为6.4%~15.5%，渗透率<22.33×10-3 μm2，属于典型的低—特低渗储层[19]。
2. 实验基本情况
本次研究共取5块珠海组砂岩样品进行测试，岩心基本资料如表 1。测试单位为中国石油勘探开发研究院廊坊分院渗流流体力学研究所，实验仪器为美国岩心实验系统公司制造的ASPE-730恒速压汞仪。进汞压力为0~1 000psi(约7 MPa)。进汞速度0.000 001 mL/s。汞与岩心接触角为140°，界面张力为485 dyn/cm，样品外观体积约为1.5 cm3。具体实验步骤和方法如下[20]：
表 1 实验岩心基本资料Table 1. Basic data of cores区块 样品编号 井号 层位 深度/m 孔隙度/% 渗透率/10-3 μm2 岩性描述 X区 2 WC-X1 ZH3 4 211.71~4 211.88 7.33 0.213 中砂岩 1 WC-Y1 ZH3 3 765.65 11.07 0.124 粉砂岩 Y区 3 WC-Y1 ZH2 3 342.07 8.38 0.623 细砂岩 4 WC-Y2 ZH3 3 686.87 10.22 1.78 中砂岩 5 WC-Y1 ZH1 3 332.41 12.48 5.61 细砂岩 ① 钻取直径为2.5 cm的柱塞岩样，洗油后烘干；
② 用气测方法测量洗油烘干后的标准岩心的孔隙度和渗透率；
③ 从柱塞岩样上截取小块岩样抽真空，然后浸泡在汞液中；
④ 以恒定的速度(0.000 001 mL/s)向岩心注汞，同时通过计算机系统来进行实时监控及数据自动化的采集和输出，以备后续处理。进汞过程中压力周期性地降落—回升，当压力达到900 psi时实验结束。
3. 实验数据分析
3.1 参数计算方法
① 喉道均质系数(a)：储层中各喉道半径(ri)对最大喉道半径(rmax)的总偏离度。该系数越大，表明测试样品的的喉道半径越接近最大喉道半径，喉道分布相对越均匀。
$$ a = (\sum {r_i}{\alpha _i})/{r_{\max }} $$ ② 平均喉道半径$(\overline {{R_{\rm c}}} )$：喉道半径分布的方均根。
$$ {{\bar R}_{\rm c}} = \sqrt {(\sum\limits_{i = 1}^n {r_i^2{\alpha _i}} )} $$ ③ 主流喉道半径：渗透率累加贡献80%所对应的喉道半径。
④ 单个喉道对渗透率的贡献(ΔKi)。
$$ \Delta {K_i} = \frac{{r_i^2{\alpha _i}}}{\sum {r_i^2{\alpha _i}}} $$ ⑤ 喉道半径分选系数(CCR)：样品喉道半径方差(δ)与该样品平均半径(Rc)的比值。该系数越小，喉道大小越趋近平均值，孔隙结构越均匀。
$$ CCR = \delta /\overline {{R_{\rm{c}}}} $$ $$ \delta = \sqrt {\sum {({r_i} - \overline {{R_{\rm{c}}} })^2}{\alpha _i}} $$ 3.2 恒速压汞测试结果及分析
5块岩心的喉道半径测试结果如表 2。伴随渗透率增大，最大喉道半径、主流喉道半径、平均喉道半径均增大。当岩心渗透率＜1×10-3 μm2时，最大喉道半径为7 μm，主流喉道半径＜1.7 μm，平均喉道半径均＜1.5 μm；当岩心渗透率＞1×10-3 μm2时，最大喉道半径分布于8~10 μm之间，主流喉道半径分布于2.8~3.3 μm之间，平均喉道半径分布于2~2.5 μm之间。分选系数随渗透率升高而增大表明，研究区低渗透凝析气藏储层岩心的渗透率越大则孔隙结构非均质性越强。
表 2 恒速压汞测试结果Table 2. Test result of constant speed mercury injection样品编号 渗透率/10-3μm2 最大喉道半径/μm 平均喉道半径/μm 主流喉道半径/μm 方差 分选系数 均质系数 1 0.124 1.4 0.294 0.282 0.098 0.334 0.199 2 0.213 3.9 0.656 0.658 0.211 0.321 0.16 3 0.623 7 1.43 1.606 0.669 0.468 0.182 4 1.78 8.4 2.051 2.887 1.211 0.591 0.202 5 5.61 9.9 2.467 3.267 1.296 0.525 0.215 3.2.1 不同渗透率恒速压汞测试结果对比
测得5块样品的孔隙大小分布见图 3，喉道大小分布见图 4，喉道大小累计分布见图 5，渗透率与主流喉道半径关系见图 6。
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图 5 喉道对渗透率的累积贡献率Figure 5. The accumulative contribution rate of throat to permeability由图 3和图 4可以看出，珠江口盆地文昌A凹陷珠海组不同渗透率样品的孔隙半径大小差别很小，峰值分布大体在100~200 μm之间，而喉道半径大小差别迥异，进而表明喉道半径大小是影响储层砂体渗透率高低的主要因素。图 4中岩心分为2种类型：渗透率＜1×10-3 μm2的样品，平均喉道半径均＜1.5 μm；渗透率＞1×10-3 μm2的样品，平均喉道半径约为2~2.5 μm，喉道半径的分布相对展宽，在0~4.00 μm均有分布。
由图 5可以看出，渗透率较小的1~3号岩心，渗透率的贡献主要集中在小喉道(0.3、0.7和2 μm附近)，渗透率较大的4、5号岩心，渗透率的贡献主要集中在数量较多的大喉道(4~5 μm附近)。说明对于特低渗透来说，小喉道决定了储层的渗流能力，而对于较高渗透率的地层，数量较多的大喉道决定了储层的渗流能力。
由图 6可以看出，主流喉道半径(即对渗流起决定性作用的那部分喉道半径)与渗透率有很好的对数相关(相关指数R=0.986)。主流喉道半径随着渗透率的增大而变大，在确定主流喉道半径的情况下，由关系式y=0.838 6lnx+2.043 8(y为主流喉道半径，x为渗透率)也可以推出渗透率的大小。油层物理学认为，储层渗透率由较大的喉道所贡献，那么流体的渗流通道大，渗流阻力小，渗流能力强，储层的开发难度小；反之，储层渗透率由细小的喉道所贡献，那么流体的渗流阻力就大，渗流能力弱，储层的开发难度大[20, 21]。因此，主流喉道半径可以作为评价低渗透储层渗流能力和开发难度的关键物性参数[20, 21]。
3.2.2 不同区块恒速压汞测试结果对比
图 7和图 8分别是不同区块样品的孔道半径和喉道半径对比。由图 7和图 8可以看出，不同区块岩心渗透率存在较大差异((0.21~5.61)×10-3 μm2)，其孔道半径变化不大(主要分布在80~250 μm之间)，而喉道半径分布相差较大。Y区喉道主要分布在1 μm附近(1号样喉道主要分布在0.3 μm附近)，喉道较大，渗流能力较强，储层的开发难度相对较小；X区块喉道主要分布在0.5 μm附近，喉道较小，渗流能力较弱，储层的开发难度较大。
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图 7 不同区块储层岩心孔道半径对比Figure 7. The contrast graph of pore radius of different block reservoir cores![]()
图 8 不同区块储层岩心喉道半径对比Figure 8. The contrast graph of throat radius of different block reservoir cores3.2.3 喉道半径分类
(1) 按常规方法划分喉道
常规方法划分低渗透砂岩界限参考李道品的《低渗透油田开发》[22]一书(图 9)。
根据上述标准，对2个区块的平均喉道半径进行分类(表 3)。
表 3 不同区块喉道粗细分类Table 3. The classification results of throat thickness of different block reservoir cores区块 层位 平均渗透率/10-3μm2 平均喉道半径/μm 分级 X区 ZH3 0.213 0.656 微细 ZH1 5.61 2.467 中 Y区 ZH2 0.623 1.430 细 ZH3 0.951 1.172 细 Y区块ZH1属于中喉道，渗流能力强，开发难度相对小；Y区块ZH2、ZH3属于细喉道，渗流能力中等，开发难度中等；X区ZH3属于微细喉道，渗流阻力大，流动能力差，开发难度相对较大。
(2) 按主流喉道半径划分喉道
文昌A-B(油)气田主流喉道半径进行分类(表 4)。
Y区ZH1储层砂体的主流喉道半径为3.267 μm，Y区ZH2储层砂体的主流喉道半径为1.606 μm，Y区ZH3储层砂体的主流喉道半径为1.585 μm，X区ZH3储层砂体的主流喉道半径0.658 μm。Y区ZH1储层开发难度最小，其次是Y区ZH2和ZH3，X区ZH3储层开发难度较大。
表 4 不同区块主流喉道半径Table 4. The mainstream throat radius of different block reservoir cores区块 层位 平均孔隙度/% 平均渗透率/10-3μm2 主流喉道半径/μm X区 ZH3 7.33 0.213 0.658 ZH1 12.48 5.61 3.267 Y区 ZH2 8.38 0.623 1.606 ZH3 10.65 0.951 1.585 (3) 与国内其他低渗透气田对比
珠江口盆地文昌A凹陷珠海组、鄂尔多斯盆地苏里格上古生界、莺歌海盆地东方区黄流组3个国内典型低渗气藏的主流喉道大小与渗透率高低的关系对比如图 10。伴随渗透率的逐渐升高，主流喉道半径均逐渐增大。但不同区块相同渗透率下主流喉道半径不同。在渗透率为0.1×10-3 μm2附近时，文昌气田主流喉道半径最低；渗透率在(0.1~1)×10-3 μm2之间时，各气田主流喉道半径都＜2 μm，文昌气田主流喉道半径低于东方气田，与苏里格气田接近；渗透率在(1~10)×10-3 μm2之间时，各气田主流喉道半径差异明显，文昌气田明显高于其他两个气田。主流喉道半径对比表明，渗透率>1×10-3 μm2的气藏范围内，文昌低渗气田渗流能力强，开发难度较小；对比目前其他气田超低渗透的开发现状，在渗透率>0.1×10-3 μm2附近的特低—极特低渗透油藏范围内，文昌低渗气田(文昌WC-Y1井ZH3)渗流能力差，开发难度很大。
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4. 结论
(1) 文昌A凹陷珠海组不同渗透率样品的孔隙大小差别不大，而喉道大小差别迥异，表明喉道大小是决定研究区储层砂体渗透率高低的主要因素。对于研究区特低渗透来说，小喉道决定了储层的渗流能力，而对于较高渗透率的地层，数量较多的大喉道决定了储层的渗流能力。
(2) 主流喉道半径与渗透率有很好的对数相关，并随着渗透率的增大而变大，可以作为评价低渗透储层渗流能力和开发难度的关键物性参数。
(3) 主流喉道半径对比表明，Y区ZH1开发难度最小，其次是Y区ZH2和Y区ZH3，X区ZH3开发难度较大。与国内其他低渗透气田对比，在渗透率>1×10-3μm2的气藏范围内，珠江口盆地文昌A凹陷珠海组开发难度较小；在渗透率为0.1×10-3μm2附近的特低—极特低渗透油藏范围内，珠江口盆地文昌A凹陷珠海组(文昌WC-Y1井ZH3)开发难度很大。
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图 5 喉道对渗透率的累积贡献率
Figure 5. The accumulative contribution rate of throat to permeability
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图 7 不同区块储层岩心孔道半径对比
Figure 7. The contrast graph of pore radius of different block reservoir cores
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图 8 不同区块储层岩心喉道半径对比
Figure 8. The contrast graph of throat radius of different block reservoir cores
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表 1 实验岩心基本资料
Table 1 Basic data of cores
区块 样品编号 井号 层位 深度/m 孔隙度/% 渗透率/10-3 μm2 岩性描述 X区 2 WC-X1 ZH3 4 211.71~4 211.88 7.33 0.213 中砂岩 1 WC-Y1 ZH3 3 765.65 11.07 0.124 粉砂岩 Y区 3 WC-Y1 ZH2 3 342.07 8.38 0.623 细砂岩 4 WC-Y2 ZH3 3 686.87 10.22 1.78 中砂岩 5 WC-Y1 ZH1 3 332.41 12.48 5.61 细砂岩 
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表 2 恒速压汞测试结果
Table 2 Test result of constant speed mercury injection
样品编号 渗透率/10-3μm2 最大喉道半径/μm 平均喉道半径/μm 主流喉道半径/μm 方差 分选系数 均质系数 1 0.124 1.4 0.294 0.282 0.098 0.334 0.199 2 0.213 3.9 0.656 0.658 0.211 0.321 0.16 3 0.623 7 1.43 1.606 0.669 0.468 0.182 4 1.78 8.4 2.051 2.887 1.211 0.591 0.202 5 5.61 9.9 2.467 3.267 1.296 0.525 0.215
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表 3 不同区块喉道粗细分类
Table 3 The classification results of throat thickness of different block reservoir cores
区块 层位 平均渗透率/10-3μm2 平均喉道半径/μm 分级 X区 ZH3 0.213 0.656 微细 ZH1 5.61 2.467 中 Y区 ZH2 0.623 1.430 细 ZH3 0.951 1.172 细
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表 4 不同区块主流喉道半径
Table 4 The mainstream throat radius of different block reservoir cores
区块 层位 平均孔隙度/% 平均渗透率/10-3μm2 主流喉道半径/μm X区 ZH3 7.33 0.213 0.658 ZH1 12.48 5.61 3.267 Y区 ZH2 8.38 0.623 1.606 ZH3 10.65 0.951 1.585
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