致密基岩中基质孔隙储集天然气能力的分析方法

摘要

本发明提供了一种致密基岩中基质孔隙储集天然气能力的分析方法，该分析方法包括：利用氦气法测量待测岩样的气体孔隙度；根据待测岩样的体积及气体孔隙度计算待测岩样的总孔隙体积；向待测岩样注入非润湿相液体，并逐渐增大注入压力，直至非润湿相液体的饱和度不随压力值的增加而增大，其中，所述饱和度由所述总孔隙体积计算得到；根据压力值及其对应的非润湿相液体的饱和度进行数据投点作图，获得待测岩样的毛管压力曲线；读取毛管压力曲线上的非润湿相液体饱和度的最大值，根据所述最大值得到基质孔隙的体积占待测岩样的总孔隙体积的百分比。利用本发明可精确计算出整个块体岩样中基质孔隙所占的体积百分比，从而确定基质孔隙储集天然气的能力。

说明书

技术领域

本发明涉及天然气地质勘探技术中的储层评价领域，尤其是一种致密基岩中基质 孔隙储集天然气能力的分析方法。

背景技术

储层评价技术是石油地质勘探领域中最重要的技术之一，油气层中岩石的储集能 力直接决定了油气藏的规模和产能，其中物性评价和孔隙结构研究是油气储层评价中 的重要内容之一(国家能源局，SY/T6285-2011油气储层评价方法，p.1-15，2011； 罗蛰潭和王允诚，油气储集层的孔隙结构，北京，科学出版社，1986)。

近年来，勘探家们在柴达木盆地东坪地区致密基岩中发现了规模巨大的天然气 藏，学者们通过研究这个我国陆上最大规模的基岩气藏发现，其储层中发育大量孔径 极小的基质孔隙(马峰等，柴达木盆地东坪地区基岩气藏特征，石油勘探与开发，v42， n3，p.266-273，2015)，这些液态石油无法进入的基质孔隙是天然气的良好储集空间， 这一重要成果改变了过去人们通常认为的“基岩储层空间以断裂及其派生的裂隙为 主”的观点(YANXiang-binetal.，OrdovicianBasementHydrocarbonReservoirsinthe TarimBasin,China，ActaGeologicaSinca，v78，n3，p.676-683，2004；AnirbidSircar， Hydrocarbonproductionfromfracturedbasementformations，Currentscience，v87，n2， p.147-151，2004)，也很好的诠释了东坪气藏能持续高产、稳产的重要控制因素。

地质学家们在测定岩石的孔隙度时通常采用的方法包括：阿基米德水银浸没法、 水银驱替法，游标卡尺测量法、波义耳定律双室法、流体饱和度法等(中华人民共和 国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会，GB/T29172-2012岩心 分析方法，p.78-102，2012)，这些方法或组合或单独测量出的孔隙度数据具有总孔 隙体积的含义，但无法区分出不同孔隙类型(如基质孔隙、溶蚀孔隙、裂缝等)各自 所占的百分比，尤其是基质孔隙体积的确定尤为重要，其含量百分比直接决定了天然 气能否持续稳产或产量衰减率。针对致密基岩中基质孔隙的识别和孔径大小的测量， 地质学家们通常采用场发射扫描电镜法(国家质量技术监督局，GB/T18295-2001油 气储层砂岩样品扫描电子显微镜分析方法，p.1-8，2001)来实现，单个基质孔隙的 孔径大小被扫描电镜放大后在仪器系统标尺上一目了然，但扫描电镜法无法计算出这 些基质孔隙在整个岩样块体中所占的体积百分比，即基质孔隙的储集能力难以定量化 分析。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种致密基岩中基质孔隙储集天然气能力的 分析方法，所述分析方法包括：

利用氦气法测量待测岩样的气体孔隙度；

根据所述待测岩样的体积及所述气体孔隙度计算所述待测岩样的总孔隙体积：

向所述待测岩样注入非润湿相液体，并逐渐增大注入压力，直至非润湿相液体的 饱和度不随压力值的增加而增大，其中，所述饱和度由所述总孔隙体积计算得到；

根据所述压力值及其对应的非润湿相液体的饱和度进行数据投点作图，获得所述 待测岩样的毛管压力曲线；

读取所述毛管压力曲线上的非润湿相液体饱和度的最大值，根据所述最大值得到 基质孔隙的体积占所述待测岩样的总孔隙体积的百分比；

其中，V_p为待测岩样的总孔隙体积；V_b为待测岩样的体积；为待测岩样的气体 孔隙度。

在一实施例中，利用氦气法测量待测岩样的气体孔隙度，包括：

将所述待测岩样放入样品室，并将氦气输入参比室，使参比室内的压力达到预设 压力P₁，连通所述参比室与样品室，待参比室及样品室的压力平衡后测量参比室内 的压力P₂；

根据所述参比室的体积、样品室的体积、预设压力P₁及压力P₂计算待测岩样中 颗粒的体积；

根据所述待测岩样中颗粒的体积及待测岩样的体积计算待测岩样的气体孔隙度：

其中，为待测岩样的气体孔隙度；V_g为待测岩样中颗粒的体积。

在一实施例中，根据所述参比室的体积、样品室的体积、预设压力P₁、压力P₂计算待测岩样中颗粒的体积，包括：

将所述参比室的体积、预设压力P₁及压力P₂代入波义耳公式，计算中间体积变 量；

根据所述样品室的体积、参比室的体积及所述中间体积变量，计算得到待测岩样 中颗粒的体积。

在一实施例中，所述预定压力P₁的取值范围为[690kPa，1380kPa]。

在一实施例中，根据所述最大值得到基质孔隙的体积占所述待测岩样的总孔隙体 积的百分比，包括：用100％与所述最大值作差，得到基质孔隙的体积占所述待测岩 样的总孔隙体积的百分比。

在一实施例中，所述分析方法还包括：

获取待测岩样的几何尺寸，并根据所述几何尺寸计算所述待测岩样的体积。

在一实施例中，在获取待测岩样的几何尺寸之前，所述分析方法还包括：将待测 岩样清洗干净并烘干至恒重。

在一实施例中，所述非润湿相液体为汞。

针对扫描电镜法仅能测量基质孔隙的孔径大小而无法计算出基质孔隙的体积百 分比的难题，本发明采用氦气法和压汞法相结合可精确计算出整个块体岩样中基质孔 隙所占的体积百分比，从而确定基质孔隙储集天然气的能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅 是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提 下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例致密基岩中基质孔隙储集天然气能力的分析方法的流程示 意图；

图2为本发明实施例利用氦气法测量待测岩样的气体孔隙度的流程示意图；

图3为本发明实施例柴达木盆地东坪105井四个基岩样品的毛管压力曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。 基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的 所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例致密基岩中基质孔隙储集天然气能力的分析方法的流程示 意图。如图1所示，该分析方法主要包括以下步骤：

步骤S1、利用氦气法测量待测岩样的气体孔隙度。

待测岩样取自致密基岩，其包含孔径极小的基质孔隙及孔径较大的其它孔隙，其 中，上述孔径极小的基质孔隙主要用于储集天然气，要想获知待测岩样储集天然气的 能力，需获取基质孔隙的体积或者基质孔隙的体积占待测岩样总孔隙体积的百分比。

由于待测岩样的总孔隙体积包含基质孔隙的孔隙体积，也包含较大的其它类型孔 隙的体积，由于氦原子半径小并且化学性质稳定，可以在一定压力下进入孔径极小的 基质孔隙，因此采用氦气法测量圆柱状岩样的气体孔隙度。在测量时，为获得较高的 精确度，可基于重复测量取平均值。

步骤S2、根据待测岩样的体积及步骤S1得到的气体孔隙度计算待测岩样的总孔 隙体积：

式(1)中，V_p为待测岩样的总孔隙体积；V_b为待测岩样的体积；为待测岩样 的气体孔隙度。

步骤S3、向待测岩样注入非润湿相液体，并逐渐增大注入压力，直至非润湿相 液体的饱和度不随压力值的增加而增大，其中，上述饱和度由所述总孔隙体积计算得 到。

在本发明中，仅以非润湿相液体为汞进行说明，但并不以此为限。

向待测岩样中注入汞，并逐渐增大注入压力，记录压力由P_i升至P_i+1时的进汞 量B_i和B_i+1，并根据式(2)，结合待测岩样的总孔隙体积计算出对应的汞饱和度增量 ΔS_Hg，直至汞饱和度不随压力的增加而增大。

ΔS_Hg＝[(B_i+1-B_i)－(K_i+1-K_i)×α]/V_p×100％(2)

S_Hg＝∑ΔS_Hg(3)

其中，ΔS_Hg为汞饱和度增量；B_i和B_i+1分别为为压力由P_i升至P_i+1时的进汞量， mL；K_i和K_i+1分别是压力为P_i和P_i+1时的空白实验体积的测量值，mL；α为仪器的 体积常数，即压汞仪单位测量值所代表的体积变化；S_Hg为累计汞饱和度。

步骤S4、根据所述压力值及其对应的非润湿相液体饱和度进行数据投点作图， 获得所述待测岩样的毛管压力曲线。

具体实施时，根据上述各个压力值及该压力值对应的累计汞饱和度进行数据投点 作图，以累计汞饱和度为横坐标(从右到左为由0到100％)，以压力值的对数为纵坐 标，在半对数坐标图上绘制出毛管压力与汞饱和度的关系曲线，即毛管压力曲线。由 于步骤S3中向待测岩样中注入汞直至汞饱和度不随压力值的增加而增大，因此，步 骤S4中得到的毛管压力曲线会呈垂直上升状态。

步骤S5、读取所述毛管压力曲线上的非润湿相液体饱和度的最大值，根据所述 最大值得到基质孔隙的体积占所述待测岩样的总孔隙体积的百分比。

本发明采用氦气法和压汞法相结合可精确计算出整个块体岩样中基质孔隙所占 的体积百分比，从而确定基质孔隙储集天然气的能力。

在步骤S1中，利用氦气法测量待测岩样的气体孔隙度时，需提前获取待测岩样 的几何尺寸，并根据其几何尺寸计算待测岩样的体积。具体实施时，通常取钻取直径 为2.50cm，高度为3.00～8.00cm的圆柱状岩样，用物理天平称重获得岩样的质量W (单位：g)，用游标卡尺精确测量其几何尺寸，基于5次以上重复测量取平均值，计 算出岩样的体积V_b(单位：mL)。

一般地，在获取待测岩样的几何尺寸之前，为了得到更准确的待测岩样的尺寸， 需将待测岩样烘干至恒重后，再测量待测岩样的尺寸等物理参数。

测量得到待测岩样的尺寸等物理参数后，在利用步骤S1测量待测岩样的气体孔 隙度时，可以按照图2所示步骤进行：

S11、将待测岩样放入样品室中(此时样品室内的压力等于大气压力)，并对应设 置一个参比室，并向参比室内通入氦气，直至参比室内的压力达到预先设定的压力值 P₁。接着，连通参比室与样品室，此时参比室内的氦气膨胀进入样品室，等待一段时 间，待参比室及样品室的压力平衡后测量参比室内的压力P₂。

步骤S12、根据参比室的体积、样品室的体积、预设压力P₁及压力P₂计算待测 岩样中颗粒的体积V_g。

步骤S13、根据待测岩样中颗粒的体积V_g及待测岩样的体积V_b计算待测岩样的 气体孔隙度：

式中，为待测岩样的气体孔隙度；V_g为待测岩样中颗粒的体积。

在步骤S12中，可以先将所述参比室的体积、预设压力P₁及压力P₂代入波义耳 公式，计算出一个中间体积变量V₂：

P₁V₁＝P₂V₂(5)

式中，V₁为参比室体积；P₁为预设压力；即参比室初始压力；P₂为参比室与样 品室连通后的压力，参比室与样品室连通后，样品室、参比室以及待测岩样的基质孔 隙内的压力相等，都等于P₂；V₂为中间体积变量，V₂＝V₁+V_c－V_g，即V₂为参比室体 积加样品室体积减去待测岩样中颗粒的体积，V_c为样品室体积。

根据样品室的体积、参比室的体积及上述中间体积变量，计算得到待测岩样中颗 粒的体积V_g，即V_g＝V₁+V_c－V₂。

通常情况下，在向参比室内通入氦气时所达到的预定压力P₁一般在[690kPa， 1380kPa]内取值。

在步骤S4得到的毛细压力曲线上可以直接读出汞饱和度的最大值，用100％与 该最大值作差，即可得到基质孔隙的体积占待测岩样的总孔隙体积的百分比。

本发明采用氦气法和压汞法相结合可精确计算出整个块体岩样中基质孔隙所占 的体积百分比，从而确定基质孔隙储集天然气的能力。

为了更好地理解本发明的致密基岩中基质孔隙储集天然气能力的分析方法及其 有益效果，下面结合具体的例子进行说明。

以柴达木盆地东坪105井为例，在该井中钻取直径为2.54cm，高度为3.00～ 8.00cm的圆柱状岩样共计四个样品，将这些岩样清洗干净并烘干至横重，用游标卡 尺精确测量其几何尺寸。然后，利用氦气法精确测量1号样品、2号样品、3号样品 和4号样品的总孔隙度分别为4.3％、2％、2.7％和4.8％，再利用步骤S2～S4分别获 取各岩样的毛管压力曲线，如图3所示。从图3中可以读出各样品的最大进汞饱和度 分别为61.7％、59.3％、54.1％和50.7％，由此计算出各样品中的基质孔隙在岩样占总 孔隙体积的百分比分别为38.3％、40.7％、45.9％和49.3％。

针对扫描电镜法仅能测量基质孔隙的孔径大小而无法计算出基质孔隙的体积百 分比的难题，本发明方法采用氦气法和压汞法相结合可精确计算出整个块体岩样中基 质孔隙所占的体积百分比，从而确定基质孔隙储集天然气的能力。这一研究成果显示 了基质孔隙在东坪大气田储集空间类型中扮演着重要角色，由此预测了东坪大气田能 持续稳产，对制定开发方案起到指导作用。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例 的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术 人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述， 本说明书内容不应理解为对本发明的限制。