CN106855566A - 一种针对高温、超压型储层演化模拟的实验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种针对高温、超压型储层演化模拟的实验方法，属于高温、超压型储层技术领域；人造岩心是机械压实实验和水‑岩模拟实验的基础，其配比方案是否合理对后续研究意义重大，依据高温、超压型储层的实际岩石类型和砂岩粒径人工配比碎屑岩样，具体的配比方案为：据研究区碎屑组分的含量，统计不同层位、不同构造分区的骨架碎屑颗粒及碎屑粘土的相对百分含量；配比过程中不考虑自生矿物的含量，以恢复碎屑颗粒沉积时的面貌；配比过程的难点在于碎屑粘土矿物和自生粘土矿物含量的区分。在人工配比岩样的基础上，利用机械压实实验和水岩模拟实验，探讨高温和超压对储层演化的影响，探讨优质储层的主控因素，以期指导有利岩性圈闭评价与后期的油气勘探开发，降低成本。

Description

一种针对高温、超压型储层演化模拟的实验方法
技术领域
本发明涉及高温、超压型储层技术领域，具体涉及一种针对高温、超压型储层演化模拟的实验方法。
背景技术：
现有技术中针对高温、超压型储层演化模拟的实验方法比较单一，试验的结果存在很多不稳定性，数据不够精确。
发明内容
针对上述问题，本发明要解决的技术问题是提供一种设计合理、操作方便的针对高温、超压型储层演化模拟的实验方法。
本发明的一种针对高温、超压型储层演化模拟的实验方法，它包含以下步骤：
1、“人造岩心”的配比及设计方案
人造岩心是机械压实实验和水-岩模拟实验的基础，其配比方案是否合理对后续研究意义重大，依据高温、超压型储层的实际岩石类型和砂岩粒径人工配比碎屑岩样，具体的配比方案为：
(1)、据研究区碎屑组分的含量，统计不同层位、不同构造分区的骨架碎屑颗粒及碎屑粘土的相对百分含量(质量百分含量)，即将石英、钾长石、斜长石、碎屑粘土和不同类型的岩屑进行归一化，统计其相对含量；
(2)、配比过程中不考虑自生矿物的含量，以恢复碎屑颗粒沉积时的面貌；
(3)、配比过程的难点在于碎屑粘土矿物和自生粘土矿物含量的区分，初步根据镜下观察的统计结果，给出不同层位、不同工区碎屑粘土矿物的大致含量，之后根据粘土矿物的X-衍射测试含量，给出碎屑粘土的含量及不同类型粘土矿物所占比例；
(4)、购买配制岩心所需的石英、钾长石、斜长石及粘土矿物单矿物，购买或采集典型的花岗岩、变质岩和沉积岩样品，配制过程中用石英代替单晶及多晶石英，用典型的花岗岩、变质岩和沉积岩样品代替不同类型的岩屑，用不同类型的粘土单矿物代替碎屑粘土；
(5)、将石英、钾长石、斜长石及花岗岩、变质岩和沉积岩样品按照中砂岩、细砂岩和粉砂岩粉碎成不同粒径的颗粒，将粘土矿物粉碎成粘土粒级的颗粒；
(6)、按照不同岩石类型中骨架颗粒和碎屑粘土的类型及质量百分含量，配制实验样品。
2、“储层孔隙演化模拟研究”的研究方案
用配制好的人造岩心样品进行机械压实实验，测试压实过程中的孔隙度和渗透率，获得机械压实曲线，建立不同岩石类型的孔隙演化模式，并与工区实际的孔隙演化特征进行对比，探讨高温或超压对储层孔隙演化的影响。
实验流程及需要的参数为：
A、实验流程
第一步，按目的层系储集砂岩的碎屑组成配制砂样，每组样品烘干后分成两份待用；
第二步，用事先设计好的长为14cm、内径为2.57cm的铜套进行无破坏整体套取式取样，保持沉积物的原始堆积状态基本不变，样品取回后，两端进行整平处理，处理后铜套内实验用样品长9cm左右，然后装入岩心夹持器，并在岩心夹持器两端加金属滤网、垫片和活塞，防止砂体松散和滑动。
第三步，装样完成后在计算机控制系统中输入研究区实际地层参数(地温梯度、砂岩密度、地层水密度、压力系数等)。
第四步，实验系统启动后，通过恒流恒压泵向砂样和岩心夹持器之间的空隙中充注水，模拟流体压力；利用轴压控制泵不断向岩心夹持器增压，以模拟上覆地层随深度变化产生的压力；通过岩心夹持器自带的温度加热装置将实验温度设定为地层的实际温度；由岩心夹持器两端精度为0.001mm的精密位移传感器3记录压实位移，留作计算压实减小的孔隙度；中间容器组用来装储实验中需用的流体介质，由恒流恒压泵提供驱替压力，将流体介质及孔隙水排向接液天平。
在实验过程中，实时监测并记录试验温度、驱替压差和压实位移等参数，试验结束后依据驱替压差和压实位移量来计算实验过程中的渗透率和孔隙度变化。
B、参数选取
设定与每增加200m埋深相匹配的轴向应力(MPa)、骨架压强(MPa)、流体压强(MPa)和温度(℃)等数据。轴向应力(MPa)与埋深的关系将根据Gluyas(1998)的公式求取：1m＝0.02262MPa。其余参数将根据研究层位的实际参数计算，这些参数包括地温梯度(℃/100m)、砂岩密度(g/cm3)、水的密度(g/cm3)和压力系数等。
C、孔隙度、渗透率的计算
孔隙度采用公式：φX＝(V-V0+Vφ)/V×100％进行计算，式中参数如下：
φX：试样在压实过程中每一埋藏深度(以200m为增量)的孔隙度(％)；
V：每一埋藏深度的试样体积(cm3)；
V0：试样的初始体积(cm3)；
Vφ：试样的初始孔隙体积(cm3)。
其中，V＝S0×(L0-LX)
S0：试样的横截面积(cm2)，S0＝π·r2(r为试样的截面半径，cm)；
L0：试样的初始长度(cm)；
LX：压实位移量(cm)，来自自动记录。
V0＝L0×S0
Vφ＝V0－Vg
Vg：试样的骨架体积(cm3)，利用备用试件，在求取其原始体积后，将样品烘干，再用排水法计算骨架体积(Vg)，进而求取试样的初始孔隙体积(Vφ)和初始孔隙度:φ0＝V/V0×100％
渗透率依据达西定律K＝Q×μ(L0-LX)/(ΔP×S0)进行计算，参数如下：
K：试样的渗透率(mD)；
Q：单位时间内液体通过试样的流量(cm3/s)；
S0：液体通过岩石的横截面积(cm2)；
μ：液体的粘度(10-3Pa·s)；
L0：岩样原始长度(cm)；
LX：压实位移量(cm)；
ΔP：试样的驱替压差(MPa)。
3、“水-岩模拟实验”的研究思路和手段
该研究是利用经过压实模拟实验之后的人造岩芯，开展不同流体、不同温压场条件下的水-岩模拟实验研究，模拟不同流体对砂岩储层的改造作用，探讨不同温压场背景下(高温常压、高温超压和中温超压条件)的优质储层主控因素。
实验条件及大致流程为：
a实验温压条件的选取
该水-岩实验使用的样品为人造岩芯，由于人造岩芯是人造岩样经过机械压实实验之后获得的，而人造岩样是根据不同构造分区的成分特征和粒度特征配制的，因此，实验的温压条件可以根据不同构造分区实际地层的温度和压力进行设定。
b实验介质的选取
水-岩实验使用的流体介质为有机酸、二氧化碳和大气水。是考虑到有机质热演化过程中的排酸作用，幔源CO2的侵入和不整合面附近的大气水的淋滤作用而选定的。其中，有机酸根据含油气盆地中有机酸的组成，用市场上购买的甲酸、乙酸、草酸等配制；二氧化碳用干冰和蒸馏水代替，干冰的用量保证在实验温压条件下蒸馏水中过饱和即可；大气水根据现今弱酸性大气水的离子成分，购买化学试剂进行配制。
c实验流程
实验开始前，将人造岩芯放入釜内吊篮内，将500ml有机酸、蒸馏水(干冰的用量大致为80g左右)和大气水溶液放入反应釜中，并迅速密封；然后，按照岩芯所处的地层温压条件设定实验的温度和压力，并按照0.5℃/min的升温速率进行加热到目标温度，在达到目标温度之前，间断性增压以使压力控制在小于目标压力5-8MPa之间，待达到目标温度之后持续增压至目标压力；之后，使反应釜恒温、恒压反应48小时；反应结束后，断电自然冷却，待釜内温度降至室温后，取出岩芯样品用蒸馏水反复冲洗，并烘干称重，进行扫描电镜观察和X-衍射分析，反应溶液用一次性针管取出，装入无污染的样品瓶中，送检进行离子浓度分析，检测项目包括pH值、总矿化度、K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Si4+、CO3 2-、HCO3 -等。最后，借助数值模拟软件，半定量的模拟不同流体对砂岩储层的改造作用，探讨温压条件对储层改造作用的影响。
本发明以高温、超压型储层为研究对象，依据储层岩石类型配制人造岩芯，利用机械压实实验和水岩模拟实验，探讨高温和超压对储层演化的影响，探讨优质储层的主控因素，以期指导有利岩性圈闭评价与后期的油气勘探开发，降低成本。
附图说明
为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。
图1是本发明步骤2中试验装置的结构示意图；
图中：
1、中间容器组；2、岩心夹持器；3、位移传感器；4、恒流恒压计量泵；5、轴压控制泵；6、接液天平。
具体实施方式
如图1所示，本具体实施方式采用以下技术方案：包含以下步骤：
1、“人造岩心”的配比及设计方案
人造岩心是机械压实实验和水-岩模拟实验的基础，其配比方案是否合理对后续研究意义重大，依据高温、超压型储层的实际岩石类型和砂岩粒径人工配比碎屑岩样，具体的配比方案为：
(1)、据研究区碎屑组分的含量，统计不同层位、不同构造分区的骨架碎屑颗粒及碎屑粘土的相对百分含量(质量百分含量)，即将石英、钾长石、斜长石、碎屑粘土和不同类型的岩屑进行归一化，统计其相对含量；
(2)、配比过程中不考虑自生矿物的含量，以恢复碎屑颗粒沉积时的面貌；
(3)、配比过程的难点在于碎屑粘土矿物和自生粘土矿物含量的区分，初步根据镜下观察的统计结果，给出不同层位、不同工区碎屑粘土矿物的大致含量，之后根据粘土矿物的X-衍射测试含量，给出碎屑粘土的含量及不同类型粘土矿物所占比例；
(4)、购买配制岩心所需的石英、钾长石、斜长石及粘土矿物单矿物，购买或采集典型的花岗岩、变质岩和沉积岩样品，配制过程中用石英代替单晶及多晶石英，用典型的花岗岩、变质岩和沉积岩样品代替不同类型的岩屑，用不同类型的粘土单矿物代替碎屑粘土；
(5)、将石英、钾长石、斜长石及花岗岩、变质岩和沉积岩样品按照中砂岩、细砂岩和粉砂岩粉碎成不同粒径的颗粒，将粘土矿物粉碎成粘土粒级的颗粒；
(6)、按照不同岩石类型中骨架颗粒和碎屑粘土的类型及质量百分含量，配制实验样品。
2、“储层孔隙演化模拟研究”的研究方案
用配制好的人造岩心样品进行机械压实实验，测试压实过程中的孔隙度和渗透率，获得机械压实曲线，建立不同岩石类型的孔隙演化模式，并与工区实际的孔隙演化特征进行对比，探讨高温或超压对储层孔隙演化的影响。
实验流程及需要的参数为：
A、实验流程
第一步，按目的层系储集砂岩的碎屑组成配制砂样，每组样品烘干后分成两份待用；
第二步，用事先设计好的长为14cm、内径为2.57cm的铜套进行无破坏整体套取式取样，保持沉积物的原始堆积状态基本不变，样品取回后，两端进行整平处理，处理后铜套内实验用样品长9cm左右，然后装入岩心夹持器，并在岩心夹持器2两端加金属滤网、垫片和活塞，防止砂体松散和滑动。
第三步，装样完成后在计算机控制系统中输入研究区实际地层参数(地温梯度、砂岩密度、地层水密度、压力系数等)。
第四步，实验系统启动后，通过恒流恒压泵4向砂样和岩心夹持器之间的空隙中充注水，模拟流体压力；利用轴压控制泵5不断向岩心夹持器增压，以模拟上覆地层随深度变化产生的压力；通过岩心夹持器2自带的温度加热装置将实验温度设定为地层的实际温度；由岩心夹持器2两端精度为0.001mm的精密位移传感器3记录压实位移，留作计算压实减小的孔隙度；中间容器组1用来装储实验中需用的流体介质，由恒流恒压泵4提供驱替压力，将流体介质及孔隙水排向接液天平6。
在实验过程中，实时监测并记录试验温度、驱替压差和压实位移等参数，试验结束后依据驱替压差和压实位移量来计算实验过程中的渗透率和孔隙度变化。
B、参数选取
设定与每增加200m埋深相匹配的轴向应力(MPa)、骨架压强(MPa)、流体压强(MPa)和温度(℃)等数据。轴向应力(MPa)与埋深的关系将根据Gluyas(1998)的公式求取：1m＝0.02262MPa。其余参数将根据研究层位的实际参数计算，这些参数包括地温梯度(℃/100m)、砂岩密度(g/cm3)、水的密度(g/cm3)和压力系数等。
C、孔隙度、渗透率的计算
孔隙度采用公式：φX＝(V-V0+Vφ)/V×100％进行计算，式中参数如下：
φX：试样在压实过程中每一埋藏深度(以200m为增量)的孔隙度(％)；
V：每一埋藏深度的试样体积(cm3)；
V0：试样的初始体积(cm3)；
Vφ：试样的初始孔隙体积(cm3)。
其中，V＝S0×(L0-LX)
S0：试样的横截面积(cm2)，S0＝π·r2(r为试样的截面半径，cm)；
L0：试样的初始长度(cm)；
LX：压实位移量(cm)，来自自动记录。
V0＝L0×S0
Vφ＝V0－Vg
Vg：试样的骨架体积(cm3)，利用备用试件，在求取其原始体积后，将样品烘干，再用排水法计算骨架体积(Vg)，进而求取试样的初始孔隙体积(Vφ)和初始孔隙度:φ0＝V/V0×100％
渗透率依据达西定律K＝Q×μ(L0-LX)/(ΔP×S0)进行计算，参数如下：
K：试样的渗透率(mD)；
Q：单位时间内液体通过试样的流量(cm3/s)；
S0：液体通过岩石的横截面积(cm2)；
μ：液体的粘度(10-3Pa·s)；
L0：岩样原始长度(cm)；
LX：压实位移量(cm)；
ΔP：试样的驱替压差(MPa)。
3、“水-岩模拟实验”的研究思路和手段
该研究是利用经过压实模拟实验之后的人造岩芯，开展不同流体、不同温压场条件下的水-岩模拟实验研究，模拟不同流体对砂岩储层的改造作用，探讨不同温压场背景下(高温常压、高温超压和中温超压条件)的优质储层主控因素。
实验条件及大致流程为：
a实验温压条件的选取
该水-岩实验使用的样品为人造岩芯，由于人造岩芯是人造岩样经过机械压实实验之后获得的，而人造岩样是根据不同构造分区的成分特征和粒度特征配制的，因此，实验的温压条件可以根据不同构造分区实际地层的温度和压力进行设定。
b实验介质的选取
水-岩实验使用的流体介质为有机酸、二氧化碳和大气水。是考虑到有机质热演化过程中的排酸作用，幔源CO2的侵入和不整合面附近的大气水的淋滤作用而选定的。其中，有机酸根据含油气盆地中有机酸的组成，用市场上购买的甲酸、乙酸、草酸等配制；二氧化碳用干冰和蒸馏水代替，干冰的用量保证在实验温压条件下蒸馏水中过饱和即可；大气水根据现今弱酸性大气水的离子成分，购买化学试剂进行配制。
c实验流程
实验开始前，将人造岩芯放入釜内吊篮内，将500ml有机酸、蒸馏水(干冰的用量大致为80g左右)和大气水溶液放入反应釜中，并迅速密封；然后，按照岩芯所处的地层温压条件设定实验的温度和压力，并按照0.5℃/min的升温速率进行加热到目标温度，在达到目标温度之前，间断性增压以使压力控制在小于目标压力5-8MPa之间，待达到目标温度之后持续增压至目标压力；之后，使反应釜恒温、恒压反应48小时；反应结束后，断电自然冷却，待釜内温度降至室温后，取出岩芯样品用蒸馏水反复冲洗，并烘干称重，进行扫描电镜观察和X-衍射分析，反应溶液用一次性针管取出，装入无污染的样品瓶中，送检进行离子浓度分析，检测项目包括pH值、总矿化度、K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Si4+、CO3 2-、HCO3 -等。最后，借助数值模拟软件，半定量的模拟不同流体对砂岩储层的改造作用，探讨温压条件对储层改造作用的影响。
本发明以高温、超压型储层为研究对象，依据储层岩石类型配制人造岩芯，利用机械压实实验和水岩模拟实验，探讨高温和超压对储层演化的影响，探讨优质储层的主控因素，以期指导有利岩性圈闭评价与后期的油气勘探开发，降低成本。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.一种针对高温、超压型储层演化模拟的实验方法，其特征在于它包含以下步骤：
(1)、“人造岩心”的配比及设计方案
人造岩心是机械压实实验和水-岩模拟实验的基础，其配比方案是否合理对后续研究意义重大，依据高温、超压型储层的实际岩石类型和砂岩粒径人工配比碎屑岩样，具体的配比方案为：
一、据研究区碎屑组分的含量，统计不同层位、不同构造分区的骨架碎屑颗粒及碎屑粘土的相对百分含量(质量百分含量)，即将石英、钾长石、斜长石、碎屑粘土和不同类型的岩屑进行归一化，统计其相对含量；
二、配比过程中不考虑自生矿物的含量，以恢复碎屑颗粒沉积时的面貌；
三、配比过程的难点在于碎屑粘土矿物和自生粘土矿物含量的区分，初步根据镜下观察的统计结果，给出不同层位、不同工区碎屑粘土矿物的大致含量，之后根据粘土矿物的X-衍射测试含量，给出碎屑粘土的含量及不同类型粘土矿物所占比例；
四、购买配制岩心所需的石英、钾长石、斜长石及粘土矿物单矿物，购买或采集典型的花岗岩、变质岩和沉积岩样品，配制过程中用石英代替单晶及多晶石英，用典型的花岗岩、变质岩和沉积岩样品代替不同类型的岩屑，用不同类型的粘土单矿物代替碎屑粘土；
五、将石英、钾长石、斜长石及花岗岩、变质岩和沉积岩样品按照中砂岩、细砂岩和粉砂岩粉碎成不同粒径的颗粒，将粘土矿物粉碎成粘土粒级的颗粒；
六、按照不同岩石类型中骨架颗粒和碎屑粘土的类型及质量百分含量，配制实验样品；
(2)、“储层孔隙演化模拟研究”的研究方案
用配制好的人造岩心样品进行机械压实实验，测试压实过程中的孔隙度和渗透率，获得机械压实曲线，建立不同岩石类型的孔隙演化模式，并与工区实际的孔隙演化特征进行对比，探讨高温或超压对储层孔隙演化的影响；
实验流程及需要的参数为：
(A)、实验流程
第一步，按目的层系储集砂岩的碎屑组成配制砂样，每组样品烘干后分成两份待用；
第二步，用事先设计好的长为14cm、内径为2.57cm的铜套进行无破坏整体套取式取样，保持沉积物的原始堆积状态基本不变，样品取回后，两端进行整平处理，处理后铜套内实验用样品长9cm左右，然后装入岩心夹持器，并在岩心夹持器(2)两端加金属滤网、垫片和活塞，防止砂体松散和滑动。
第三步，装样完成后在计算机控制系统中输入研究区实际地层参数。
第四步，实验系统启动后，通过恒流恒压泵(4)向砂样和岩心夹持器之间的空隙中充注水，模拟流体压力；利用轴压控制泵(5)不断向岩心夹持器增压，以模拟上覆地层随深度变化产生的压力；通过岩心夹持器(2)自带的温度加热装置将实验温度设定为地层的实际温度；由岩心夹持器(2)两端精度为0.001mm的精密位移传感器(3)记录压实位移，留作计算压实减小的孔隙度；中间容器组(1)用来装储实验中需用的流体介质，由恒流恒压泵(4)提供驱替压力，将流体介质及孔隙水排向接液天平(6)；
(B)、参数选取
(C)、孔隙度、渗透率的计算
(3)、“水-岩模拟实验”的研究思路和手段
该研究是利用经过压实模拟实验之后的人造岩芯，开展不同流体、不同温压场条件下的水-岩模拟实验研究，模拟不同流体对砂岩储层的改造作用，探讨不同温压场背景下的优质储层主控因素。
2.根据权利要求1所述的一种针对高温、超压型储层演化模拟的实验方法，其特征在于步骤(3)中实验条件及大致流程为：
(a)、实验温压条件的选取
该水-岩实验使用的样品为人造岩芯，由于人造岩芯是人造岩样经过机械压实实验之后获得的，而人造岩样是根据不同构造分区的成分特征和粒度特征配制的，因此，实验的温压条件可以根据不同构造分区实际地层的温度和压力进行设定；
(b)、实验介质的选取
水-岩实验使用的流体介质为有机酸、二氧化碳和大气水。是考虑到有机质热演化过程中的排酸作用，幔源CO2的侵入和不整合面附近的大气水的淋滤作用而选定的。其中，有机酸根据含油气盆地中有机酸的组成，用市场上购买的甲酸、乙酸、草酸等配制；二氧化碳用干冰和蒸馏水代替，干冰的用量保证在实验温压条件下蒸馏水中过饱和即可；大气水根据现今弱酸性大气水的离子成分，购买化学试剂进行配制；
(c)、实验流程
实验开始前，将人造岩芯放入釜内吊篮内，将500ml有机酸、蒸馏水和大气水溶液放入反应釜中，并迅速密封；然后，按照岩芯所处的地层温压条件设定实验的温度和压力，并按照0.5℃/min的升温速率进行加热到目标温度，在达到目标温度之前，间断性增压以使压力控制在小于目标压力5-8MPa之间，待达到目标温度之后持续增压至目标压力；之后，使反应釜恒温、恒压反应48小时；反应结束后，断电自然冷却，待釜内温度降至室温后，取出岩芯样品用蒸馏水反复冲洗，并烘干称重，进行扫描电镜观察和X-衍射分析，反应溶液用一次性针管取出，装入无污染的样品瓶中，送检进行离子浓度分析，检测项目包括pH值、总矿化度、K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Si4+、CO3 2-、HCO3 -等。最后，借助数值模拟软件，半定量的模拟不同流体对砂岩储层的改造作用，探讨温压条件对储层改造作用的影响。
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