CN107831101B - 描述油藏岩石孔隙中水膜存在形态的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种描述油藏岩石孔隙中水膜存在形态的方法，该描述油藏岩石孔隙中水膜存在形态的方法包括:步骤1，通过扫描电镜照片揭示岩石在组成上的分形特征；步骤2，按照岩石的分形特征建立岩石组成和孔隙结构的抽象化分形模型；步骤3，根据扩散双电层理论，阐明水膜的逐级增厚原理，定义三类水膜；步骤4，在抽象化模型上建立水膜的分形结构；步骤5，分析特定油藏中水膜存在形态，确定水膜在油藏中的具体应用。该描述油藏岩石孔隙中水膜存在形态的方法为充分认识岩石中水膜的形态、性质和作用，提供系统的方法，并用分形几何的方法对岩石孔隙结构进行分形描述，对认识孔隙结构具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及油田勘探与开发技术领域，特别是涉及到一种描述油藏岩石孔隙中水膜存在形态的方法。
背景技术
以往文献表明，油藏岩石的亲水颗粒表面会形成一层水膜，它是水相在孔隙中分布的基础，对润湿性、岩石电阻率、储层敏感性、剩余油分布和油水渗流等都有重要影响。
水膜是岩石、油、水相互作用的一种物理化学现象。双电层结构的Stern模型认为胶粒表面分紧密层和扩散层，在扩散层中有滑动面和ζ电势，在胶粒表面可形成一定厚度的水膜。DLVO理论指出两个胶粒之间存在吸引力和排斥力，当这两个力能够平衡时胶体溶液就处于稳定状态。Hirasaki指出DLVO理论也可以用来描述润湿水膜的稳定性原理。Hall、Collins和Melrose等对Athabasca油砂表面的水膜进行了系统的研究，阐明了在岩石－水－油系统中的双电层理论。在岩石-油-水系统中，亲水岩石表面存在着一层具有一定厚度的水膜，这层水膜的一侧是水与岩石表面接触形成的岩石－水界面，另一侧是水与油相接触形成的油-水界面。这两个界面之间的相互作用与胶体粒子之间的相互作用相似，界面之间存在相互吸引力和排斥力，当这两种力达到平衡时，这层水膜就能够保持稳定，并具有一定的厚度。岩石－水界面和油－水界面之间的这种排斥力就是分离压力，它是水膜厚度的函数，是系统能量状态的一种表现。水膜厚度越小分离压力越大，随着水膜厚度的增大，分离压力快速减小到0。分离压力是结构力、静电力和范德华力的合力，其中静电力表现为斥力，范德华力表现为引力，而结构力是短程力，只在水膜厚度极小时才表现为斥力。
有关润湿性方面的文献指出，颗粒表面的水膜在混合润湿的形成过程中起着重要作用；在加拿大阿萨巴斯卡油田，油砂表面水膜的稳定性直接影响原油从砂粒表面的剥离；在低渗透储层和储层敏感性研究中，水膜也经常被用来解释各种渗流和粘土膨胀等现象；此外，也有文献进行了不同条件下水膜厚度的计算和测量研究，并利用水膜来评估油藏的储量。可见水膜在油藏勘探和开发中都具有重要的意义和作用。
油藏岩石孔隙中，水膜的分布与厚度受孔隙结构的影响。目前已有大量文献研究岩石孔隙结构的分形特征，但都是采用测量统计或公式推导的方法，来建立各种参数与分形维数之间的关系，都没有用最直接的分形几何手段来描述孔隙结构的分形特征，这些对孔隙结构的分形维数研究自然不会涉及到水膜问题。
目前，国内外学者在描述水膜时主要存在两个问题：一是将矿物晶体表面的水膜与颗粒表面的水膜当作同一种现象对待，没有注意前者只有几个水分子厚，而后者几乎用肉眼就可以观察到，不注意它们之间的差异就会造成概念上的错误；二是只对水膜存在的机理和作用进行研究，还没有人研究岩石-水-油系统中水膜的几何结构特征，也没有人用分形几何的方法描述油藏岩石中水膜的存在形态。为此我们发明了一种新的描述油藏岩石孔隙中水膜存在形态的方法，解决了以上技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够科学、形象地描述油藏岩石孔隙中水膜存在形态的方法，为充分认识岩石中水膜的形态、性质和作用，提供系统的方法，并用分形几何的方法对岩石孔隙结构进行分形描述，对认识孔隙结构具有重要意义。
本发明的目的可通过如下技术措施来实现：描述油藏岩石孔隙中水膜存在形态的方法，该描述油藏岩石孔隙中水膜存在形态的方法包括:步骤1，通过扫描电镜照片揭示岩石在组成上的分形特征；步骤2，按照岩石的分形特征建立岩石组成和孔隙结构的抽象化分形模型；步骤3，根据扩散双电层理论，阐明水膜的逐级增厚原理，定义三类水膜；步骤4，在抽象化模型上建立水膜的分形结构；步骤5，分析特定油藏中水膜存在形态，确定水膜在油藏中的具体应用。
本发明的目的还可通过如下技术措施来实现：
在步骤1中，选择砂岩作为主要观察对象，先在放大倍数为几十的数量级下观察岩石的全貌，再缩小视野放大观察倍数，选择若干个颗粒进行观察，最后再放大观察倍数，观察某一个颗粒的表面矿物。
在步骤1中，通过扫描电镜照片分析油藏岩石的孔隙结构，阐明组成岩石的各种微粒的层次关系，揭示岩石在组成上的分形特征；利用扫描电镜观察砂岩的孔隙结构，观察到岩石由一个个颗粒组成；颗粒分为致密颗粒和多孔颗粒，其中多孔颗粒又由更细小的颗粒组成，最终多孔颗粒也是由致密颗粒组成，而致密颗粒由矿物晶体组成，因此，在矿物形成岩石的过程中，颗粒组成岩石的方式和形态、矿物组成颗粒的方式和形态两者之间存在相似性，即部分与整体之间存在相似性，这种自相似性是分形的基本特征。
在步骤2中，按照岩石的分形特征，建立岩石组成和孔隙结构的抽象化分形模型；在岩石的孔隙结构具有上述分形几何特征的前提下，根据孔隙和颗粒粗糙面的二维剖面所具有的折线特征，用分形几何的方法对其进行抽象表征。
在步骤2中，采用Koch曲线或其它与岩石孔隙形状相似的分形曲线建立抽象化分形模型。
在步骤3中，完全在光滑晶体平面上形成的水膜定义为第一类水膜；在矿物晶体堆积形成颗粒时，由于晶体表面之间会形成夹角，在夹角处的水膜会变厚，这种晶体夹角处形成的水膜定义为第二类水膜，在致密颗粒的表面形成的水膜属于第二类水膜；在颗粒堆积形成岩石时，在颗粒之间相互交叉接触也会形成夹角，同样会形成更厚的水膜，这种在颗粒夹角处亦叫颗粒接触点处的形成水膜定义为第三类水膜。
在步骤4中，根据三类水膜的扩散双电层特征，在用Koch曲线描述的孔隙表面上加一层水膜，这层水膜也具有分形特征，并且第二类水膜与第三类水膜只是尺度上不同，结构上是相似的。
在步骤4中，具体的某一个岩石孔隙中，第一类水膜和第三类水膜是一定存在的，但第二类水膜可能会因为颗粒表面比较光滑，此时第二类水膜就不存在，即在颗粒表面发生了水膜的崩溃。
在步骤5中，对特定的油藏进行扫描电镜观察，确定其孔隙结构特征、矿物物理化学性质，再通过油、水性质的分析化验，确定孔隙中的三类水膜的比例及对油水渗流、岩石电阻率、储层敏感性、剩余油分布的影响。
在步骤5中，根据不同油藏的润湿性、矿物类型、孔隙结构、油水物理化学性质差异程度，对水膜的作用情况进行修正。
本发明中的描述油藏岩石孔隙中水膜存在形态的方法，从矿物晶体组成岩石的方式及其物理化学性质出发，先从几何角度阐明岩石孔隙结构的分形特征(以往文献是从分形维数角度表征孔隙结构的分形特征)，再建立一种描述水膜分形特征的方法，据此对具体油藏中的水膜系统进行分析，确定水膜在具体油藏中的实际应用。本发明通过揭示岩石组成的分形特征，使看似杂乱无序的岩石组成和结构变得有序可循，而建立在孔隙结构分形模式上的三类水膜，构成了注入水在孔隙中的流动网络系统，对研究油水渗流具有重要意义。此外，水膜对表面润湿性、岩石电阻率、储层敏感性、剩余油分布、油气成藏机理以及储量评价等方面的研究也有重要意义。本发明所涉及的基础知识包括油层物理、胶体与表面化学和分形几何学等方面，属于物理、化学、数学知识的综合应用范畴。在石油勘探与开发中，凡与此范畴相关的领域均可应用本发明的知识，如润湿性、毛管压力曲线、相对渗透率曲线、岩石电阻率、储层敏感性、驱油效率、剩余油微观分布、微观油水渗流机理、油气成藏机理，以及通过束缚水饱和度评价油藏的储量等，因此在油藏勘探和开发中都具有重要的意义和作用。
附图说明
图1为本发明的描述油藏岩石孔隙中水膜存在形态的方法的一具体实施例的流程图；
图2为本发明的一具体实施例中岩石分解成矿物晶体的过程示意图；
图3为本发明的一具体实施例中Koch曲线与孔隙形状的对照关系的示意图；
图4为本发明的一具体实施例中Koch曲线的规则分形的示意图；
图5为本发明的一具体实施例中Koch曲线的随机分形的示意图；
图6为本发明的一具体实施例中按Koch曲线构建矿物形成岩石的过程的示意图；
图7为本发明的一具体实施例中亲水砂粒表面的水膜的示意图；
图8为本发明的一具体实施例中粘土矿物/水界面的扩散双电层的示意图；
图9为本发明的一具体实施例中矿物表面的水膜的示意图；
图10为本发明的一具体实施例中颗粒表面的水膜的示意图；
图11为本发明的一具体实施例中颗粒接触点处的水膜的示意图；
图12为本发明的一具体实施例中水膜的分形特征和三类水膜的关系的示意图；
图13为本发明的一具体实施例中抽象化岩石模型中的水膜系统的示意图；
图14为本发明的一具体实施例中实际岩石中的水膜系统的示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合附图所示，作详细说明如下。
如图1所示，图1为本发明的描述油藏岩石孔隙中水膜存在形态的方法的流程图。
步骤101，通过扫描电镜照片分析油藏岩石的孔隙结构，阐明组成岩石的各种微粒的层次关系，揭示岩石在组成上的分形特征；利用扫描电镜观察砂岩的孔隙结构，可观察到岩石由一个个颗粒组成；颗粒分为致密颗粒和多孔颗粒，其中多孔颗粒又由更细小的颗粒组成，最终多孔颗粒也是由致密颗粒组成，而致密颗粒由矿物晶体组成，如图2所示。由此可见，在矿物形成岩石的过程中，颗粒组成岩石的方式和形态、矿物组成颗粒的方式和形态两者之间存在相似性，即部分与整体之间存在相似性，这种自相似性是分形的基本特征。在一实施例中，选择砂岩作为主要观察对象，先在放大倍数为几十的数量级下观察岩石的全貌，再缩小视野放大观察倍数(放大几百倍)，选择若干个颗粒进行观察，最后再放大观察倍数(放大几千倍)，观察某一个颗粒的表面矿物。
步骤102，按照岩石的分形特征，建立岩石组成和孔隙结构的抽象化分形模型；在岩石的孔隙结构具有上述分形几何特征的前提下，可根据孔隙和颗粒粗糙面的二维剖面所具有的折线特征，用分形几何的方法对其进行抽象表征。在常见的分形曲线中，Koch曲线具有与孔隙形状类似的结构特征，如图3所示，其中线段a表示晶体上的一段光滑表面，折线b表示晶体堆积形成的颗粒表面(粗糙表面)，折线c表示颗粒堆积形成的孔隙表面，由此将杂乱的孔隙结构用规则的分形几何方式进行抽象化表征。还可以用折线c继续构造高一级的分形，如图4所示，还可以按随机分形的方式来构造分形，如图5所示，其与真实孔隙形状更为接近。按照以上Koch曲线的分形方式来构建矿物晶体形成岩石的过程，如图6所示。除了采用的Koch曲线来建立抽象化分形模型外，还可采用其它与岩石孔隙形状相似的分形曲线。
步骤103，根据扩散双电层理论，提出水膜的逐级增厚原理，分别定义第一类水膜、第二类水膜和第三类水膜；国外文献(A.C.Hall等、J.C.Melrose)指出，在岩石-油-水系统中，亲水矿物表面会形成一层水膜(图7)，其理论基础是扩散双电层理论(图8)。
根据扩散双电层理论，可以画出矿物晶体表面水膜的扩散双电层结构，如图9所示，这种完全在光滑晶体平面上形成的水膜定义为第一类水膜；在矿物晶体堆积形成颗粒时，由于晶体表面之间会形成夹角，在夹角处的水膜会变厚(如图10)，这种晶体夹角处形成的水膜定义为第二类水膜，在致密颗粒的表面形成的水膜属于第二类水膜；在颗粒堆积形成岩石时，在颗粒之间相互交叉接触也会形成夹角，同样会形成更厚的水膜，如图11所示，这种在颗粒夹角处(亦叫颗粒接触点处)的形成水膜定义为第三类水膜。图示的晶体相交形成颗粒、颗粒相交形成岩石的过程中，可以是任意角度和接触方式的相交，只要两个晶体或颗粒之间不是平行关系。
步骤104，在岩石孔隙结构的抽象化模型上建立水膜的分形结构；根据三类水膜的扩散双电层特征，在用Koch曲线描述的孔隙表面上加一层水膜(图12)，显然这层水膜也具有分形特征，并且第二类水膜与第三类水膜只是尺度上不同，结构上是相似的。
以上关于水膜的分析，虽然是建立在抽象化的岩石孔隙结构模型之上(图13)，但与实际岩石中的水膜是完全一致的(图14)，图13-14中抽象化模型与实际岩石中的各组分存在一一对应的关系。
具体的某一个岩石孔隙中，第一类水膜和第三类水膜是一定存在的，但第二类水膜可以会因为颗粒表面比较光滑，比如孔隙由几个较大的光滑晶体围成，此时第二类水膜就不存在，即在颗粒表面发生了水膜的崩溃。
步骤105，根据以上方法和步骤，分析所研究油藏的水膜特征，确定水膜在所研究问题中的影响和作用。按照步骤1－4所建立的方法，对特定的油藏进行扫描电镜观察，确定其孔隙结构特征、矿物物理化学性质等，再通过油、水性质的分析化验，确定孔隙中的三类水膜的比例及对油水渗流、岩石电阻率、储层敏感性、剩余油分布等的影响。根据不同油藏的润湿性、矿物类型、孔隙结构、油水物理化学性质差异程度，对水膜的作用情况进行修正，甚至当油藏润湿性为亲油不使用本专利的方法。
通过本发明，建立了对岩石孔隙结构的分形几何描述方法，使得研究人员又多了一种认识和表征岩石孔隙结构的数学方法，为通过几何图形的形式来模拟孔隙结构提供了一个新的思路和方法。在建立孔隙结构进行分形几何描述的基础上，通过扩散双电层理论，定义了光滑晶体表面、颗粒粗糙表面和颗粒接触点上的三类水膜，揭示了它们之间的分形关系。通过分形的方法，使看似杂乱无序的岩石组成和结构变得有序可循，为水膜的形态描述创造了清晰的思路，也为认识和利用水膜进行润湿转换、油水渗流、岩石电阻率、储层敏感性、剩余油分布等方面的研究提供了思路和方法。此外，对孔隙结构和水膜的分形几何描述，将微观与宏观真正地统一起来，提出了一种通过微观分析预测宏观结果的方法。
Claims (4)
1.描述油藏岩石孔隙中水膜存在形态的方法，其特征在于，该描述油藏岩石孔隙中水膜存在形态的方法包括:
步骤1，通过扫描电镜照片揭示岩石在组成上的分形特征；
步骤2，按照岩石的分形特征建立岩石组成和孔隙结构的抽象化分形模型；
步骤3，根据扩散双电层理论，阐明水膜的逐级增厚原理，定义三类水膜；
步骤4，在抽象化模型上建立水膜的分形结构；
步骤5，分析特定油藏中水膜存在形态，确定水膜在油藏中的具体应用；
在步骤1中，选择砂岩作为主要观察对象，先在放大倍数为几十的数量级下观察岩石的全貌，再缩小视野，放大观察倍数，选择若干个颗粒进行观察，最后再放大观察倍数，观察某一个颗粒的表面矿物；通过扫描电镜照片分析油藏岩石的孔隙结构，阐明组成岩石的各种微粒的层次关系，揭示岩石在组成上的分形特征；利用扫描电镜观察砂岩的孔隙结构，观察到岩石由一个个颗粒组成；颗粒分为致密颗粒和多孔颗粒，其中多孔颗粒又由更细小的颗粒组成，最终多孔颗粒也是由致密颗粒组成，而致密颗粒由矿物晶体组成，因此，在矿物形成岩石的过程中，颗粒组成岩石的方式和形态、矿物组成颗粒的方式和形态两者之间存在相似性，即部分与整体之间存在相似性，这种自相似性是分形的基本特征；
在步骤2中，按照岩石的分形特征，建立岩石组成和孔隙结构的抽象化分形模型；在岩石的孔隙结构具有上述分形几何特征的前提下，根据孔隙和颗粒粗糙面的二维剖面所具有的折线特征，用分形几何的方法对其进行抽象表征；采用Koch曲线或其它与岩石孔隙形状相似的分形曲线建立抽象化分形模型；
在步骤3中，完全在光滑晶体平面上形成的水膜定义为第一类水膜；在矿物晶体堆积形成颗粒时，由于晶体表面之间会形成夹角，在夹角处的水膜会变厚，这种晶体夹角处形成的水膜定义为第二类水膜，在致密颗粒的表面形成的水膜属于第二类水膜；在颗粒堆积形成岩石时，在颗粒之间相互交叉接触也会形成夹角，同样会形成更厚的水膜，这种在颗粒夹角处亦叫颗粒接触点处的形成水膜定义为第三类水膜；
在步骤4中，根据三类水膜的扩散双电层特征，在用Koch曲线描述的孔隙表面上加一层水膜，这层水膜也具有分形特征，并且第二类水膜与第三类水膜只是尺度上不同，结构上是相似的。
2.根据权利要求1所述的描述油藏岩石孔隙中水膜存在形态的方法，其特征在于，在步骤4中，具体的某一个岩石孔隙中，第一类水膜和第三类水膜是一定存在的，但第二类水膜可能会因为颗粒表面比较光滑，此时第二类水膜就不存在，即在颗粒表面发生了水膜的崩溃。
3.根据权利要求1所述的描述油藏岩石孔隙中水膜存在形态的方法，其特征在于，在步骤5中，对特定的油藏进行扫描电镜观察，确定其孔隙结构特征、矿物物理化学性质，再通过油、水性质的分析化验，确定孔隙中的三类水膜的比例及对油水渗流、岩石电阻率、储层敏感性、剩余油分布的影响。
4.根据权利要求1所述的描述油藏岩石孔隙中水膜存在形态的方法，其特征在于，在步骤5中，根据不同油藏的润湿性、矿物类型、孔隙结构、油水物理化学性质差异程度，对水膜的作用情况进行修正。
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| CN107831101A (zh) | 2018-03-23 |
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