一种定量表征页岩储层岩石润湿性的方法和装置

摘要

本发明提供了一种定量表征页岩储层岩石润湿性的方法和装置。该方法为：获取页岩储层的页岩并制成页岩样品；对其进行自发渗吸实验获得自吸斜率；利用W

说明书

技术领域

本发明属于页岩储层勘探开发领域，涉及一种定量表征页岩储层岩石润湿性的方法和装置，具体涉及一种基于自发渗吸实验和润湿性指数定量表征页岩储层岩石润湿性的方法和装置。

背景技术

润湿性是指某一固体易于与某一流体而非其他流体接触的倾向性，它反映了表面力和界面张力之间的平衡。一滴优先润湿性流体滴到已覆盖有润湿性流体的表面上，优先润湿性流体将会驱替另一种流体铺展甚至覆盖整个表面；而一滴非润湿性流体滴到已覆盖有润湿性流体的表面上，非润湿性流体将会尽量缩小其与固体的接触面积，形成珠状。

润湿性是岩石矿物与油藏流体相互作用的结果，是储层基本物性参数之一，储集层的润湿性是影响石油开采过程的关键因素。润湿性会影响相对渗透率，毛细管压力，油气运移和最终采收率，如果储层的润湿性被错误地假设，那么开发过程中可能会对油藏产生不可逆的损害。

Amott测试(Amott，1959)和USBM测试(Donaldson et al，1969)是用于确定系统润湿性的最常用方法。然而，页岩具有渗透率低，微纳米孔隙发育且非均质性强等特点，加上这两种方法对毛管压力和微观驱替效率的依赖性，因此，对页岩储层的润湿性进行准确的表征是非常困难的。润湿性也可以通过直接测量接触角来评估，但是表面粗糙度，表面非均质性及分子水平的表面渗吸等问题使得该方法对于页岩润湿性表征具有巨大困难。

测量润湿接触角是直接测量方法中最常用的。一般而言，表面粗糙将减小储层岩石的视接触角。其次，接触角法未能考虑页岩表面的非均质性，常规油气储层矿物组成较为单一，而页岩含有许多不同的组分，特别是含有有机质，不同组分润湿性各异，从而导致不均匀的润湿性。将接触角用于页岩储层润湿性表征的第二个问题是它仅仅反映页岩局部的润湿性，不能考虑页岩表面的非均质性。

目前，适用于页岩储层润湿性的测量方法相对较少，而且每种方法均有其各自的局限性，这从一定程度上影响了页岩储层润湿性的判断，进而影响了油气藏的开发效果。

发明内容

基于现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于自发渗吸实验和润湿性指数定量表征页岩储层岩石润湿性的方法和装置。该方法通过自发渗吸实验测定待测页岩储层中水相或油相流体垂直页理方向和平行页理方向的自吸斜率，并通过创造性提出的润湿性指数可对页岩岩石的润湿性进行定量评价。

本发明的目的通过以下技术方案得以实现：

一方面，本发明提供一种定量表征页岩储层岩石润湿性的方法，其包括以下步骤：

获取页岩储层的页岩并制成页岩样品；

对页岩样品进行自发渗吸实验获得自吸斜率；

利用润湿性指数公式(1)计算润湿性指数，

W_I＝(P₁-T₁)-(P₂-T₂)(1)

其中，W_I为润湿性指数，P₁为顺层自吸水的斜率，T₁为穿层自吸水的斜率，P₂为顺层自吸油的斜率，T₂为穿层自吸油的斜率；

“顺层”是指自吸方向平行于页理；“穿层”是指自吸方向垂直于页理。

对页岩样品润湿性能进行定量表征评价：润湿性指数在-0.5～0的范围内，越接近-0.5则水湿行为表现越强烈，反之则越偏向混合偏水湿；润湿性指数为0时，页岩储层为混合型润湿；润湿性指数在0～0.5范围内，越接近0.5则油湿行为表现越强烈，反之则越偏向混合偏油湿。

自发渗吸实验Handy自吸标准模型(简化)为：

H＝at^R(a)

式中，H为吸水高度；t为时间；a为常数；R为自吸斜率，与岩心孔隙度、渗透率、毛细管力、自吸前缘后的水饱和度、水的黏度等因素有关。

公式(a)对数化后，变为

log₁₀H＝log₁₀a+R·log₁₀t(b)

由公式(b)可知，以吸水高度对数值为y轴，时间对数值为x轴作图，理论上得到的直线斜率(自吸斜率R)为0.5。孔隙连通性好的岩石中会出现0.5的自吸斜率，孔隙连通性差的岩石具有小于0.5的自吸斜率。发明人通过创造性的劳动发现，理论上：由于自发渗吸具有明显的方向依赖性，对于自吸方向平行于页理(顺层)与垂直于页理(穿层)的样品，亲水性样品的吸水斜率几近相等(即边界条件下P1＝T1＝0.5)；亲水性样品的吸油斜率有明显差异(即边界条件下P2＝0.5>>T2＝0)；亲油性样品的吸水斜率有明显差异(即边界条件下P1＝0.5>>T1＝0)；亲油性样品的吸油斜率几近相等(即边界条件下P2＝T2＝0.5)。在强润湿条件下，润湿性对吸水量有明显的控制作用。

因此，发明人创造性的提出了润湿性指数W_I＝(P1-T1)-(P2-T2)。式中，P1为顺层自吸水的斜率，T1为穿层自吸水的斜率，P2为顺层自吸油的斜率。T2为穿层自吸油的斜率。根据自发渗吸具有方向依赖性的行为，定义边界值，亲水性样品P1＝T1＝0.5，P2＝0.5>>T2＝0，润湿性指数W_I＝(P1-T1)-(P2-T2)＝-0.5；亲油性样品P1＝0.5>>T1＝0，P2＝T2＝0.5，润湿性指数W_I＝(P1-T1)-(P2-T2)＝0.5。在-0.5～0范围内润湿性指数越接近-0.5水湿行为则表现越强烈，反之则越偏向混合偏水湿；润湿性指数为0时，页岩储层为混合型润湿；在0～0.5范围内润湿性指数越接近0.5油湿行为则表现越强烈，反之则越偏向混合偏油湿。

本发明基于自发渗吸实验，提出了润湿性指数公式，通过界定页岩储层中水相(或油相)流体垂直页理方向和平行页理方向自吸行为相近的混合润湿型的样品，计算润湿性指数和设定边界值，对页岩岩石的润湿性进行定量评价。

上述的方法中，优选地，页岩样品的制样方法为：

将页岩储层的页岩制成两块立方体样品，分为页理方向平行于顶底面和页理方向垂直与顶底面的两块页岩样品；对两块页岩样品的顶面和底面均不作处理，对两块页岩样品的其余四面用环氧树脂进行涂盖密封。

上述的方法中，优选地，所述页岩样品在进行自发渗吸实验前需于60±2℃烤箱中干燥至少48h，并称重。

上述的方法中，优选地，对页岩样品进行自发渗吸实验的方法为：

利用自发渗吸实验测试装置，将自发渗吸实验测试装置置于恒温箱中，保证其温度条件恒定，该装置采用挂钩式称重电子天平，所述电子天平底部挂钩连接一用于夹持页岩样品的样品夹；所述样品夹下端设置有一用于盛放渗吸液的玻璃盘，所述渗吸液为水或油；所述玻璃盘置于一能够调整上下高度的支架上；进行自发渗吸实验时，通过所述样品夹夹住待测页岩样品，页岩样品的顶底面位于垂直方向上，通过调整支架高度使页岩样品浸入渗吸液中1mm处，通过电子天平记录页岩样品吸收液体质量ΔW、实验时间t，并计算自吸液体的高度H，进而计算出自吸斜率。

上述的自发渗吸实验测试装置可以采用CN105241778A公开的自发渗吸测量装置，将其全文引入作为参考。

上述的方法中，优选地，所述自吸斜率计算方法如公式(2)所示：

log₁₀H＝log₁₀a+R·log₁₀t(2)

其中，H为自吸液体的高度，t为时间，a为常数，R为自吸斜率；

自吸液体的高度H采用公式(3)计算：

其中，ΔW为页岩样品吸收液体质量，W₀为页岩样品的初始质量，ρ为自吸液体的密度，S为页岩样品的底面积；

利用公式(2)对高度H的对数值和时间t的对数值作图获得自吸斜率R。

上述的方法中，优选地，所述水可以为去离子水，所述油可以为正癸烷。

上述的方法中，优选地，自发渗吸实验测试装置还包括用于与所述电子天平相电连接的计算机。通过计算机能够自动记录电子天平的读数。

另一方面，本发明还提供一种定量表征页岩储层岩石润湿性的装置，包括：

页岩样品制备模块，用于获取页岩储层的页岩并制成页岩样品；

自发渗吸实验模块，用于对页岩样品进行自发渗吸实验获得自吸斜率；

润湿性指数计算模块，用于利用润湿性指数公式(4)计算润湿性指数，

W_I＝(P₁-T₁)-(P₂-T₂)(4)

其中，W_I为润湿性指数，P₁为顺层自吸水的斜率，T₁为穿层自吸水的斜率，P₂为顺层自吸油的斜率，T₂为穿层自吸油的斜率；

页岩样品润湿性能表征评价模块，用于对页岩样品润湿性能进行定量表征评价：润湿性指数在-0.5～0的范围内，越接近-0.5则水湿行为表现越强烈，反之则越偏向混合偏水湿；润湿性指数为0时，页岩储层为混合型润湿；润湿性指数在0～0.5范围内，越接近0.5则油湿行为表现越强烈，反之则越偏向混合偏油湿。

再一方面，本发明还提供一种定量表征页岩储层岩石润湿性的装置，包括处理器以及用于存储处理器可执行指令的存储器，所述处理器执行所述指令时实现：

获取页岩储层的页岩并制成页岩样品；

对页岩样品进行自发渗吸实验获得自吸斜率；

利用润湿性指数公式(5)计算润湿性指数，

W_I＝(P₁-T₁)-(P₂-T₂)(5)

其中，W_I为润湿性指数，P₁为顺层自吸水的斜率，T₁为穿层自吸水的斜率，P₂为顺层自吸油的斜率，T₂为穿层自吸油的斜率；

对页岩样品润湿性能进行定量表征评价：润湿性指数在-0.5～0的范围内，越接近-0.5则水湿行为表现越强烈，反之则越偏向混合偏水湿；润湿性指数为0时，页岩储层为混合型润湿；润湿性指数在0～0.5范围内，越接近0.5则油湿行为表现越强烈，反之则越偏向混合偏油湿。

润湿性反映的是储层孔隙界面与不同流体的亲和力，根据亲和程度可将页岩的润湿性分为亲水型、亲油型和混合性型。在该范围内的更接近边界值的样品则具有更强的亲水(油)性，反之则具有混合型润湿性。

本发明的方法简单易操作，为自发渗析行为分析页岩储层润湿性提供了一个具体的标准，较之Amott测试和USBM测试，不受页岩储层页岩率和高毛细管力条件的制约，且更简单易行。该方法对测试设备要求简单，测试原理清晰，且受页岩渗透率低，微纳米孔隙发育和非均质性强等因素的影响较少。通过引入润湿性指数准确定量表征页岩储层的润湿性，对于设计有效的增产技术和估算最终采收率具有重要意义。

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中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中定量表征页岩储层岩石润湿性的方法的流程图；

图2为本发明实施例中自发渗吸实验测试装置的结构示意图；

图3为本发明实施例中验证实验接触角实验图；

图4为本发明实施例中定量表征页岩储层岩石润湿性的装置的结构框架图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。

本实施例提供一种定量表征页岩储层岩石润湿性的方法，如图1所示，其包括以下步骤：

S101：获取页岩储层的页岩并制成页岩样品。

选取两块页岩样品X1和X2，将样品X1和X2制成四块边长为1cm的立方体样品，分别为页理方向平行于顶底面和页理方向垂直于顶底面的页岩样品各两块(X1各两块、X2各两块)；对四块页岩样品的顶面和底面均不作处理，对四块页岩样品的其余四面用环氧树脂进行涂改密封。页岩样品在进行自发渗吸实验前需于60℃烤箱中干燥至少48h，以达到一个恒定的初始含水饱和状态，消除其含水饱和度对自发渗吸行为的影响。

S102：对页岩样品进行自发渗吸实验获得自吸斜率。

样品预处理完成后，对四块样品分别进行页理方向平行于顶底面的自吸水实验，页理方向垂直于顶底面的自吸水实验，页理方向平行于顶底面的自吸油实验和页理方向垂直于顶底面的自吸油实验。该实验采用自发渗吸实验测试装置(如图2所示)，将自发渗吸实验测试装置置于恒温箱中，保证其温度条件恒定，该装置采用挂钩式称重电子天平，电子天平与计算机通过数据线电连接，计算机能够自动记录电子天平的度数。电子天平下端设置有一渗吸箱，渗吸箱中包括样品夹、玻璃盘、支架等。电子天平底部挂钩连接一用于夹持页岩样品的样品夹；样品夹下端设置有一用于盛放渗吸液的玻璃盘，所述渗吸液为水或油；所述玻璃盘置于一能够调整上下高度的支架上；当进行水渗吸时，玻璃盘中盛放的自吸液体为密度为1g/cm³的去离子水；当进行油渗吸时，玻璃盘中盛放的自吸液体为密度为0.73g/cm³的正癸烷。

进行自发渗吸实验时，通过样品夹夹住待测页岩样品，页岩样品的顶底面位于垂直方向上，通过调整支架高度使页岩样品浸入渗吸液中1mm处，通过电子天平记录页岩样品吸收液体质量ΔW、实验时间t和自吸液体的高度H，进而计算出自吸斜率。

所述自吸斜率计算方法如公式(I)所示：

log₁₀H＝log₁₀a+R·log₁₀t(I)

其中，H为自吸液体的高度，t为时间，a为常数，R为自吸斜率；

自吸液体的高度H采用公式(II)计算：

其中，ΔW为页岩样品吸收液体质量，W₀为页岩样品的初始质量，ρ为自吸液体的密度，S为页岩样品的底面积；

利用公式(I)对高度H的对数值和时间t的对数值作图获得自吸斜率R。

S103：利用润湿性指数公式(III)计算润湿性指数，

W_I＝(P₁-T₁)-(P₂-T₂)(III)

其中，W_I为润湿性指数，P₁为顺层自吸水的斜率，T₁为穿层自吸水的斜率，P₂为顺层自吸油的斜率，T₂为穿层自吸油的斜率。实验结果如表1所述。

表1：

S104：对页岩样品润湿性能进行定量表征评价：润湿性指数在-0.5～0的范围内，越接近-0.5则水湿行为表现越强烈，反之则越偏向混合偏水湿；润湿性指数为0时，页岩储层为混合型润湿；润湿性指数在0～0.5范围内，越接近0.5则油湿行为表现越强烈，反之则越偏向混合偏油湿。

结合表1实验数据可知：样品X1的润湿性指数为0.14，因此表现为混合偏油湿；样品X2的润湿性指数为-0.16，因此表现为混合偏水湿。

为了对本发明表征页岩储层岩石润湿性的方法进行验证。本发明提供了接触角实验作为验证实验，结果如图3所示。

由图3实验结果可以看出：X1样品测量的接触角为68.4°，X2样品测量的接触角为39.1°，X2样品明显更偏水湿。采用此算法得到的润湿性与接触角实验结果相一致。因此，本发明的方法能够对页岩岩石的润湿性进行准确的定量评价，且该方法对储层中流体在穿层和顺层方向中具有相近自吸行为的样品的润湿性具有更加明确的划分。

基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种定量表征页岩储层岩石润湿性的装置，如下面的实施例所述。由于表征页岩储层岩石润湿性的装置解决问题的原理与表征页岩储层岩石润湿性的方法相似，因此表征页岩储层岩石润湿性的装置的实施可以参见表征页岩储层岩石润湿性的方法实施，重复之处不再赘述。以下所使用的，术语“单元”或者“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。现尽管以下实施例所描述的装置较佳地以软件来实，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。图4是本发明实施例的定量表征页岩储层岩石润湿性的装置的一种结构框图，如图4所示，可以包括：页岩样品制备模块401、自发渗吸实验模块402、润湿性指数计算模块403和页岩样品润湿性能表征评价模块404，下面对该结构进行说明。

页岩样品制备模块401，可以用于获取页岩储层的页岩并制成页岩样品；

自发渗吸实验模块402，可以用于对页岩样品进行自发渗吸实验获得自吸斜率；

润湿性指数计算模块403，可以用于利用润湿性指数公式(IV)计算润湿性指数，

W_I＝(P₁-T₁)-(P₂-T₂)(IV)

其中，W_I为润湿性指数，P₁为顺层自吸水的斜率，T₁为穿层自吸水的斜率，P₂为顺层自吸油的斜率，T₂为穿层自吸油的斜率；

页岩样品润湿性能表征评价模块404，可以用于对页岩样品润湿性能进行定量表征评价：润湿性指数在-0.5～0的范围内，越接近-0.5则水湿行为表现越强烈，反之则越偏向混合偏水湿；润湿性指数为0时，页岩储层为混合型润湿；润湿性指数在0～0.5范围内，越接近0.5则油湿行为表现越强烈，反之则越偏向混合偏油湿。

在一个优选的实施方式中，页岩样品制备模块401具体用于：将页岩储层的页岩制成两块立方体样品，分为页理方向平行于顶底面和页理方向垂直与顶底面的两块页岩样品；对两块页岩样品的顶面和底面均不作处理，对两块页岩样品的其余四面用环氧树脂进行涂改密封。

在一个优选的实施方式中，自发渗吸实验模块402具体用于：利用自发渗吸实验测试装置，将自发渗吸实验测试装置置于恒温箱中，保证其温度条件恒定，该装置采用挂钩式称重电子天平，所述电子天平底部挂钩连接一用于夹持页岩样品的样品夹；所述样品夹下端设置有一用于盛放渗吸液的玻璃盘，所述渗吸液为水或油；所述玻璃盘置于一能够调整上下高度的支架上；进行自发渗吸实验时，通过所述样品夹夹住待测页岩样品，页岩样品的顶底面位于垂直方向上，通过调整支架高度使页岩样品浸入渗吸液中1mm处，通过电子天平记录页岩样品的重量W、实验时间t和自吸液体的高度H，进而计算出自吸斜率。所述水为去离子水，所述油为正癸烷。

所述自吸斜率计算方法如公式(V)所示：

log₁₀H＝log₁₀a+R·log₁₀t(V)

其中，H为自吸液体的高度，t为时间，a为常数，R为自吸斜率；

利用公式(IV)对高度H的对数值和时间t的对数值作图获得自吸斜率R。

从以上的描述中，可以看出，本发明实施例实现了如下技术效果：本发明的方法简单易操作，为自发渗析行为分析页岩储层润湿性提供了一个具体的标准，较之Amott测试和USBM测试，不受页岩储层页岩率和高毛细管力条件的制约，且更简单易行。该方法对测试设备要求简单，测试原理清晰，且受页岩渗透率低，微纳米孔隙发育和非均质性强等因素的影响较少。通过引入润湿性指数准确定量表征页岩储层的润湿性，对于设计有效的增产技术和估算最终采收率具有重要意义。

虽然本发明提供了如实施例或流程图所述的方法操作步骤，但基于常规或者无创造性的手段可以包括更多或者更少的操作步骤。实施例中列举的步骤顺序仅仅为众多步骤执行顺序中的一种方式，不代表唯一的执行顺序。在实际中的装置或终端产品执行时，可以按照实施例或者附图所示的方法顺序执行或者并行执行(例如并行处理器或者多线程处理的环境，甚至为分布式数据处理环境)。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、产品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、产品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，并不排除在包括所述要素的过程、方法、产品或者设备中还存在另外的相同或等同要素。

上述实施例阐明的单元、装置或模块等，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种模块分别描述。当然，在实施本发明时可以把各模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现，也可以将实现同一功能的模块由多个子模块或子单元的组合实现等。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

本领域技术人员也知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现控制器以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得控制器以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器和嵌入微控制器等的形式来实现相同功能。因此这种控制器可以被认为是一种硬件部件，而对其内部包括的用于实现各种功能的装置也可以视为硬件部件内的结构。或者甚至，可以将用于实现各种功能的装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

本发明可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构、类等等。也可以在分布式计算环境中实践本发明，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，移动终端，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本发明可用于众多通用或专用的计算机系统环境或配置中。例如：个人计算机、服务器计算机、手持设备或便携式设备、平板型设备、多处理器系统、基于微处理器的系统、置顶盒、可编程的电子设备、网络PC、小型计算机、大型计算机、包括以上任何系统或设备的分布式计算环境等等。

虽然通过实施例描绘了本发明，本领域普通技术人员知道，本发明有许多变形和变化而不脱离本发明的精神，希望所附的权利要求包括这些变形和变化而不脱离本发明的精神。