【文献解读】西安石油大学任大忠团队《Journal of Petroleum Science and Engineering》:矿物成分和孔隙结构对致密砂岩自渗吸的影响

自渗吸实验是研究注水和水力压裂过程中岩石与流体相互作用机制的基本实验方法。矿物成分和孔隙结构在渗吸效率中起着重要作用，但如何具体影响石油生产效率仍需更多深入探讨。

这项研究进行了自发渗吸实验，结合低温吸附和核磁共振的测试手段探究了：（1）矿物和孔隙结构如何影响致密砂岩的流体运动特征；（2）系统地研究不同孔隙类型对石油开采的贡献以及孔隙连接对自渗吸的影响。

结果表明：由于润湿性，盐水倾向附着于亲水矿物，从而增加了浸入效率，随着微小孔隙的发展，由于强大的毛细管压力作用，油更容易被盐水取代。该研究提供了关于矿物成分和孔隙结构如何影响自渗吸效率的见解，提高了对致密砂岩中流体和矿物之间复杂相互作用机制的理解。

矿物成分和孔隙结构是致密砂岩评价中的两个重要参数，矿物组成指的是不同矿物（无机和有机）的比例，而孔隙结构指的是空间的大小、形状和连通性。常见的水力压裂技术，可以有效地改善储层中的采油效率，然而，由于矿物成分和孔隙结构相互影响导致许多机理相互混淆，使得对单一参数进行定量研究具有挑战性，因此，阐明矿物成分、孔隙结构和自渗吸效率之间的关系至关重要。

目前对致密砂岩自渗吸的一般理解主要受基质和流体特性的影响，矿物成分和孔隙结构被认为是决定自渗吸速度和最终采油效率的重要因素。粘土矿物优先被水润湿并迅速膨胀，影响到渗吸效率。同时毛细管压力会受到孔隙半径的影响，一般具有高自发沉浸效率的样品通常具有较低的平均孔隙半径。尽管研究人员试图通过许多实验和理论研究弄清自渗吸的机制及其影响因素，但自发浸润特征及其与基质特性的相关性仍然存在诸多疑惑。

本文根据矿物组成和孔隙大小分布，研究了致密砂岩中自渗吸的影响因素。在不同的矿物含量和孔隙网络下进行了四组自发渗吸试验，通过比较矿物成分和孔隙结构，分析了渗吸效率和影响因素。

实验样品以及基本物性参数

从中国安徽青阳的三叠纪地层收集了四块致密砂岩（使用TS、XRD、SEM得到定量的矿物组分、以及气体吸附法得到样品的孔隙大小分布）。

矿物组分：

为了研究矿物成分和孔隙结构对岩心自渗吸的影响，需要对砂岩的基本物性参数（矿物组分）进行测算，结果如下：

使用TS、SEM和XRD技术获得致密砂岩样品中的矿物组分。对于碎石矿物，会出现相当数量的石英和长石；对于粘土矿物，氯土和伊利石在粘土成分中占主导地位。

如图1所述，所选样品含有各种矿物，因此在研究区域内会出现不同的孔隙。碎石矿物，如长石和石英，是致密砂岩中颗粒间孔隙发育的主要贡献者（图1b和c)；长方石和岩石碎片的溶解是显著影响溶解孔隙发展的因素（图1e和f)；晶体间孔隙，主要来自粘土矿物，在样本3和4中占据主要地位（图1h、i、k、l ）。

图1：矿物组分（第1栏：基于TS方法得到的矿物组成；第2栏：来自XRD的粘土矿物组成；第3栏：TS观测图；第4栏：SEM图像。Q：石英；F：长石；R：岩石碎片；M：云母；Fe：铁钙石；O：其他）

孔隙大小分布：

图2中显示了所有样品的氮气吸附和解吸的等温曲线。我们注意到，不同样品的等温吸附解析曲线相差较大，具有丰富的伊利石、蒙脱石I/S混合层和较小孔径的样品更容易约束氮。

孔隙大小分布：

图2中显示了所有样品的氮气吸附和解吸的等温曲线。我们注意到，不同样品的等温吸附解析曲线相差较大，具有丰富的伊利石、蒙脱石I/S混合层和较小孔径的样品更容易约束氮。

根据BET和BJH模型，可以得到表面积和孔隙体积（表2），对于孔隙的特定区域，样本1有一个明显的左峰（图3），而其他样本均匀地或较为均匀地分布。对于孔隙体积分布，样本1在0.1和0.5μm之间有一个宽的峰值，表明相对较大的孔隙对总孔隙体积的贡献很大。其他样本呈偏右分布，但振幅相对较低。这些发现表明，小孔决定了孔隙表面积，但大孔隙在孔隙体积中起主导作用。

表2：基于BET、BJH的吸附解析模型得到的平均孔隙直径

图3：通过氮气吸附得到的页岩样品的孔隙面积和孔隙体积分布。X1：a-b，X2：c-d；X3：e-f，X4：g-h

表1：岩石样本的基本物性

自渗吸低场核磁实验方案

四块样品均在120◦C的烤箱中干燥72小时，然后浸入煤油并在20兆帕的压力下饱和12小时，取出、擦干、称重。然后，将样品浸泡在40%的氯化钾溶液中消除水的信号。在一定时间内反复取出测试T2谱，分别得到了0小时、4小时、8小时、18小时、48小时和72小时的T2曲线。低场核磁共振设备由苏州纽迈分析仪器股份有限公司提供，测试参数：回波间隔0.2ms，等待时间6s，累加次数64。

1）结果和分析

渗吸可以分为三个部分：早期阶段、中期阶段和后期阶段。早期阶段（0-8小时）渗吸速度较快速，中期阶段（8-18小时）和后期阶段（18-72小时）趋于适度，自渗吸一般发生在早期阶段，液态移位的油量随时间明显减少。

2）孔隙大小分布与自渗吸的关系

不同的样品有不同的自渗吸结果，亲水粘土矿物和微小孔隙是造成这些差异的原因。图4说明了亲水粘土矿物与不同阶段的石油生产效率之间的关系。在早期阶段，伊利石和I/S混合层对油生产效率做出了重大贡献，孔隙相对较小的样品（3和4）的产油速度比其他样品高，对应于较小的孔隙会产生强大的毛细管压力，这是自渗吸的主要因素（图4a)；在中期，伊利石和I/S混合层不断吸水膨胀遮挡了孔隙空间，降低了生产效率，且这种对孔隙相对较小的样品（3和4）的影响更为显著（图4b）；在后期，亲水矿物仍然可以为低物性参数的样品产生一些浸润空间（图4c）。

图4：亲水粘土矿物和石油生产效率的拟合(a)早期阶段、(b)中期阶段和(c)后期阶段。k：斜率。

另一个有趣的发现是，具有相对高的孔隙度和渗透率的样品却没有高的石油生产效率。例如，样品1具有最高的孔隙率和第二高的渗透率，而这个样品的最终自渗吸效率低于样品4（图5、表3）。孔隙比例高的样品的渗吸效率却相对较低，不同类型的孔隙也能表达相似的渗吸能力（图5a、表3）。具有丰富溶解孔隙的样品2由于长石溶解导致其表面积明显增长从而具有最显著的沉浸效率（图5b、表3）。均匀孔径分布的样品没有浸润的优势，但具有少数微裂缝的样品4具有相对较强的渗吸能力（图5c和d、表3)。

图5：四个样品在不同时间的T2曲线和SEM图像。

表3：不同样本的自发沉浸效率

3）孔隙连通对自渗吸的影响

图6中，左图和右图分别来自PCMI和NMR实验。在初始和最终T2累积曲线的任何交叉点上，汞入侵都会发生饱和。这个交叉点与孔隙半径有关，二者连接形成之间的区域（图6中蓝色线条区域）被称作主流浸润区。随着主流浸润面积的增加，最终的石油生产效率也会提高，浸润面积可以被认为是致密砂岩中渗吸效率的一个很好的指标。

图6：四个样品的毛细管压力与累积T2曲线

文章小结

1. 亲水矿物的含量对石油开采具有积极影响。随着大孔隙比例的增加，样品会浸入更多的液体。

2. 随着小孔的增加，油更容易被替换，因为微小的孔提供了强大的毛细管压力从而增加了油的移动能力。

3. 浸润面积是衡量石油生产效率的一个重要指标，这个面积的增加通常对应着高的石油生产效率。

参考文献

[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).