CN110412204A - 一种模拟多期石油充注对碳酸盐胶结作用影响的可视化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多期石油充注对碳酸盐胶结作用影响的可视化物理模拟实验方法，使用了一种高度可视化的微观渗流玻璃板刻蚀装置，使用浓度为1mol/L的氯化钙溶液及浓度为0.5mol/L的碳酸钠溶液进行方解石胶结实验，以不同颜色的染色油进行不同期的石油充注试验。与现有技术相比，本发明利用微观玻璃板刻蚀模型开展多期石油充注对碳酸盐胶结作用影响的物理模拟实验并利用显微镜及录像系统对实验现象进行记录，实验过程的可视性强；本发明合成的方解石胶结物具有强附着性；本发明的多期石油充注与多期碳酸盐胶结作用交替进行的实验方法与深层碎屑岩储层中石油充注及碳酸盐胶结作用的多期次性及交替进行的特征相符。
Description
技术领域
本发明属于石油天然气勘探与开发技术，尤其涉及一种模拟多期石油充注对碳酸盐胶结作用影响的可视化方法。
背景技术
随着石油与天然气勘探程度的不断提高以及对油气资源需求的不断增长，深层油气藏逐渐成为油气勘探的重要接替领域。石油充注对胶结作用的影响是控制深层碎屑岩优质储层形成的主要因素之一。因此，石油充注对胶结作用的影响机理已成为油气勘探领域的研究热点并受到众多学者的普遍关注。
在胶结作用发生于石油充注之后的条件下，对于石油充注对胶结作用的影响主要存在以下2种观点：(1)石油的充注将有效抑制胶结作用的进行。部分学者认为，油层中的物性较水层中优越、油层中的胶结物含量较水层中少、油层中胶结物的形成温度较水层中低、油层中胶结速率较水层中慢且持续时间较短、油层中胶结物形成于成岩早期的地层流体中而水层中胶结物形成于成岩晚期的地层流体中等现象指示了石油的充注将抑制胶结作用的继续进行；(2)石油的充注对胶结作用影响较弱或无影响。部分学者认为，油层与水层中物性及胶结物含量无明显差异、油水层中胶结物形成温度相似、胶结物中可见大量的石油包裹体等现象指示了石油的充注对胶结作用影响较小或无影响。然而，对于石油充注对胶结作用影响的探讨多集中于理论分析及间接证据的证明，缺乏直观且有力的微观物理模拟实验来论证。
前人对石油充注后胶结作用是否继续发生进行了物理模拟实验探索。利用冰洲石及石英晶体作为基质矿物，利用碳酸钙粉末及硅胶作为方解石胶结物及石英胶结物的供源物质。将基质矿物及供源物质放入密闭的反应釜内，采用不同油水比进行方解石及石英的胶结实验。实验结果表明，在不同油水比条件下均可以生成石油包裹体，指示方解石及石英的胶结作用均可以继续进行。但由于整个实验过程无法可视化，因此无法证明胶结作用发生的位置，即无法通过可视化实验明确胶结作用是在充油的位置还是在充水的位置进行，或是在充油及充水的位置均进行。实验结果仍无法对石油充注对胶结作用的影响机理提供有力证据。
碳酸盐胶结物作为典型的油润湿矿物在深层油气储层中普遍发育，且在深层碎屑岩储层中往往具有多期石油充注与多期碳酸盐胶结作用交替进行的特征。油气储层中孔喉结构非均质性及润湿非均质性将导致油水分布出现非均质的特征。在油水分布非均质性存在的条件下，早期石油充注是否会对早期石油充注后的早期碳酸盐胶结作用产生影响？另外，早期充注的石油及早期油润湿碳酸盐胶结物将影响储层的润湿性特征，这种润湿性特征的改变能否进一步控制晚期石油的运聚过程，使晚期石油充注过程结束后油与水的分布特征发生改变，最终对晚期碳酸盐胶结作用产生影响？这些也是对于多期石油充注对碳酸盐胶结作用影响机理研究中需要解决的关键科学问题。
因此，有必要建立一种多期石油充注对碳酸盐胶结作用影响的可视化物理模拟实验方法，通过可视化的微观物理模拟实验明确孔喉空间中多期石油充注对碳酸盐胶结作用的影响，为多期石油充注对碳酸盐胶结作用影响机理的研究奠定基础，对完善石油充注对胶结作用影响的基础理论及明确深层优质储层成因机制的研究具有促进意义。
发明内容
本发明针对上述的技术问题，本发明的目的是建立一种模拟多期石油充注对碳酸盐胶结作用影响的可视化方法。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
第一步：微观玻璃板刻蚀模型的设计与制作
作为一种高度可视化的微观渗流实验装置，2-D微观玻璃板刻蚀模型被认为是观察记录石油运聚过程及碳酸盐胶结过程的有效实验装置。本实验设计并制作可在显微镜下观察的具备流体出入口的微观玻璃板刻蚀模型，结构如图1所示，装置内白色部分显示该处为刻蚀通道，可以发生流体的运移；黑色部分显示该处被玻璃填充，不可发生流体的运移，孔喉空间的尺寸具有差异性；D-刻蚀颗粒的直径；d1，d2，d3，d4-刻蚀喉道的不同宽度。
该模型应严格保持水润湿特征。微观玻璃板刻蚀模型的孔喉空间以所研究储层的孔喉尺寸特征为标准进行设计，且孔喉空间的尺寸应具有一定差异。在石油充注的过程中，尺寸具有差异的孔喉空间将有利于出现油水非均质分布的现象，即部分孔隙被石油充注，而部分孔隙中仍然充有大量的水溶液。
如图1所示，所述高度可视化的微观渗流玻璃板刻蚀装置设置有流体注入口、喉道通道和流体流出口；
所述流体注入口和喉道通道之间设置有缓冲聚油槽，所述流体注入口通过管道与所述缓冲聚油槽联通；
所述喉道通道的尺寸以所研究储层的孔喉尺寸特征为标准进行设计且尺寸具有大小差异。
第二步：实验溶液的配置及实验用油的染色
(1)利用“分析纯”氯化钙粉末及碳酸钠粉末作为溶质，以去离子水作为溶剂。利用天平及量筒测定溶质与溶剂的质量与体积，在室温下分别配置浓度为1mol/L的氯化钙溶液及浓度为0.5mol/L的碳酸钠溶液，准备实验。
(2)实验用油选择研究区研究层位实际储层中的原油。利用油红及油蓝染色剂对实验用油进行染色。将染色的实验用油滴在载玻片上，利用显微镜对染色程度进行观察，染色程度以在显微镜下染色的实验用油可清晰观察为原则。由油红染色的原油下称“红油”，由油蓝染色的原油下称“蓝油”。
第三步：开展第一期石油充注实验
首先，利用Longer-LEAD-2型多通道流量型蠕动泵以20-50mL/min的恒定流量将玻璃板刻蚀模型中充满浓度为1mol/L的氯化钙溶液。再利用Longer-LSP01-2A型实验室精密注射泵以0.5μL/min的恒定流量向玻璃模型中充注油红染色的实验用油，待油红染色的实验用油从玻璃板刻蚀模型的流体出口处流出且运移路径稳定后停止充注。
第四步：开展第一期方解石胶结实验
通过微观玻璃板刻蚀模型的流体注入口，利用Longer-LSP01-2A型实验室精密注射泵以0.2μL/min的恒定流量向微观玻璃板刻蚀模型中充注浓度为0.5mol/L的碳酸钠溶液，逐渐沉淀方解石胶结物。利用蔡司Axioscope A1 APOL.数字透反偏光显微镜及录像装置对方解石胶结物的沉淀过程进行录像，明确早期方解石胶结物的生长位置，即明确碳酸盐胶结作用是在充油的孔隙中还是在充水的孔隙中进行，或是在充油及充水的孔隙中均进行。
第五步：开展第二期石油充注实验
方解石胶结作用的现象记录完毕后，利用Longer-LSP01-2A型实验室精密注射泵以0.3μL/min的恒定流量向微观玻璃板刻蚀模型中充注油蓝染色的实验用油，利用蔡司Axioscope A1 APOL.数字透反偏光显微镜及录像装置对油蓝染色的实验用油的充注过程进行录像。观察并记录油红染色的实验用油充注的孔隙、存在第一期方解石胶结物的孔隙以及仅充注水溶液的孔隙中油蓝染色的实验用油的运聚过程，待油蓝染色的实验用油从玻璃板刻蚀模型的流体出口处流出且运移路径稳定后停止充注。
第六步：开展第二期方解石胶结实验
通过微观玻璃板刻蚀模型的流体注入口，利用Longer-LSP01-2A型实验室精密注射泵以0.2μL/min的恒定流量向微观玻璃板刻蚀模型中充注浓度为0.5mol/L碳酸钠溶液，逐渐沉淀方解石胶结物。利用蔡司Axioscope A1 APOL.数字透反偏光显微镜及录像装置对方解石胶结物的沉淀过程进行录像，明确晚期方解石胶结物的生长位置。
与现有技术相比，本发明的优点和有益效果在于：
(1)本发明利用微观玻璃板刻蚀模型开展多期石油充注对碳酸盐胶结作用影响的物理模拟实验并利用显微镜及录像系统对实验现象进行记录，实验过程的可视性强。实验过程中，可以清晰观察并记录到在微观玻璃板刻蚀模型内孔喉空间中，石油充注过程结束后方解石胶结作用发生的位置、方解石胶结物生长的全过程及第一期石油充注和第一期方解石胶结作用过程结束后第二期石油的运聚过程。实验结果直观地反映了微观孔隙空间中多期石油充注对碳酸盐胶结作用的影响，可用于分析并探讨多期石油充注对碳酸盐胶结作用的影响机理。
(2)本发明合成的方解石胶结物具有强附着性，即生成的方解石胶结物不会随着实验装置内流体的流动而产生位移，这使得在微观玻璃板刻蚀模型中多期石油充注对胶结作用影响的物理模拟实验得以顺利开展。
(3)多期石油充注与多期碳酸盐胶结作用交替进行的实验方法与深层碎屑岩储层中石油充注及碳酸盐胶结作用的多期次性及交替进行的特征相符，实验结果可对深层碎屑岩储层中石油充注对碳酸盐胶结作用的影响进行解释。
附图说明
图1为本发明所使用的微观玻璃板刻蚀模型；
图2为本发明实施例1所使用的微观玻璃板刻蚀模型；
图3为本发明实施例1选定视域内第一期方解石胶结过程录像开始(0秒)及录像结束后(204分28秒)孔隙空间中油水及第一期方解石胶结物的分布特征；
图4为图3中视域1位置不同录像时间点的放大图像；
图5为图3视域2位置不同录像时间点的放大图像；
图6为图3中视域3位置不同录像时间点的放大图像；
图7为红油充注过程结束后装置中红油的宏观分布特征；
图8为第一期方解石胶结作用结束后微观玻璃板刻蚀模型不同孔隙空间中红油与方解石胶结物分布特征；
1-6对应图8中的1-6视域，每个视域中前一张照片为单偏光特征，后一张照片为正交光特征；1.宏观油水界面处方解石在刻蚀颗粒表面水膜及残余孔隙水中发育；2.宏观油水界面两侧含水部分大量方解石胶结，含油部分未见明显的方解石胶结，分界明显；3.宏观油水界面两侧含水部分大量方解石胶结，含油部分未见明显的方解石胶结，分界明显，黄色虚线为宏观油水分界线；4.含油部分刻蚀颗粒表面水膜中发育少量方解石胶结物；5.含水部分大量方解石胶结物；6.50μm含水孔隙中大量方解石胶结物；图片右上角黄色粗箭头指示装置的出口方向；
图9为第一期方解石胶结过程及蓝油充注过程结束后装置中红油及蓝油的宏观分布特征；
图10为蓝油充注过程结束后微观玻璃板刻蚀模型不同孔隙空间中蓝油与方解石胶结物分布特征；
1-6对应图10中的1-6视域，每个视域中前一张照片为单偏光特征，后一张照片为正交光特征；1.第一期方解石胶结作用结束后，大量方解石胶结物发育的含水孔隙在蓝油充注过程中发生蓝油的突破并在该孔隙内发生蓝油的进一步运移；2.第一期方解石胶结作用结束后，大量方解石胶结物发育的含水孔隙在蓝油充注过程中发生蓝油的突破并在该孔隙内发生蓝油的进一步运移；3-4.蓝油越过第一期红油的宏观油水界面向具有方解石胶结物的孔隙中突破并发生进一步运移；5-6.当紧邻第一期红油的宏观油水界面的含水孔隙中无方解石胶结时，蓝油无法突破该孔隙并只能沿着红油的运移路径发生进一步运移。黄色虚线为第一期红油的宏观油水界面；图片右上角黄色粗箭头指示装置的出口方向；
图11为实施例中选定视域内第二期方解石胶结过程录像开始(0秒)及录像结束后(144分06秒)孔隙空间中油水及晚期方解石胶结物的分布特征；
图12为图11中视域1位置不同录像时间点的放大图像(-)。
具体实施方式
下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。
实施例1
以“第一期石油充注-第一期碳酸盐胶结作用-第二期石油充注-第二期碳酸盐胶结作用”的物理模拟实验来说明本发明的技术方案。
第一步：微观玻璃板刻蚀模型的设计与制作
本实施例所使用的高度可视化的微观渗流玻璃板刻蚀装置的尺寸为6.3cm×5cm，其他尺寸如图2中所示，该模型自流体注入口1至流体流出口2依次设置有缓冲聚油槽4、200μm喉道通道区7及50μm喉道通道区6、差异性孔喉对接处5、多尺寸喉道通道区；
所述多尺寸喉道通道区自左至右依次为50μm喉道通道区6、200μm喉道通道区7、50μm喉道通道区6、100μm喉道通道区8、50μm喉道通道区6、150μm喉道通道区9和50μm喉道通道区6。此处所指的左、右等位置关系是指图2的左、右。刻蚀颗粒的尺寸D为500μm，孔喉刻蚀深度为30μm，流体注入口及流体流出口的刻蚀宽度均为200μm。
本实验中的微观玻璃板刻蚀模型严格水润湿。
第二步：实验溶液的配置及实验用油的染色
(1)利用“分析纯”氯化钙粉末及碳酸钠粉末作为溶质，以去离子水作为溶剂。利用电子天平称取氯化钙粉末11.1g，碳酸钠粉末5.6g。利用量筒分别盛取100mL去离子水。在室温下分别配置浓度为1mol/L的氯化钙溶液及浓度为0.5mol/L的碳酸钠溶液，准备实验。
(2)本实验利用东营凹陷某地区沙四上亚段的原油作为实验用油，利用油红及油蓝染色剂对原油进行染色。将染色的原油滴在载玻片上，显微镜下可见原油被明显染成红色及蓝色。
第三步：开展第一期石油充注实验
实验均在室温下进行。首先，利用Longer-LEAD-2型多通道流量型蠕动泵以20mL/min的恒定流量将微观玻璃板刻蚀模型中均充满浓度为1mol/L的氯化钙溶液。再利用Longer-LSP01-2A型实验室精密注射泵以0.5μL/min的恒定流量向微观玻璃板刻蚀模型中充注红油，待红油从微观玻璃板刻蚀模型的流体出口处流出且运移路径稳定后停止充注。
第四步：开展第一期方解石胶结实验
通过微观玻璃板刻蚀模型的流体注入口，利用Longer-LSP01-2A型实验室精密注射泵以0.2μL/min的恒定流量向微观玻璃板刻蚀模型中充注0.5mol/L碳酸钠溶液，逐渐沉淀方解石胶结物。利用蔡司Axioscope A1 APOL.数字透反偏光显微镜及录像装置对方解石胶结物的沉淀过程进行录像。红油充注后第一期方解石胶结的微观现象显示，早期方解石胶结物主要发育在残余孔隙水及刻蚀颗粒表面的水膜中(图3-6)。同时油水接触界面处可见方解石晶体且该方解石晶体逐渐向残余孔隙水中生长。在充油的孔隙中，未明显可见方解石胶结物生长的特征(图3-6)。从图4中可以看出：方解石胶结物在残余孔隙水及水膜中不断生长；在充油的孔隙中未见明显生长的现象；从图5中可以看出：方解石胶结物在残余孔隙水及水膜中不断生长；在充油的孔隙中未见明显生长的现象；从图6中可以看出：方解石胶结物在残余孔隙水中不断生长；越过宏观的油水分界线进入大量含油的孔隙中，方解石胶结物发育量较少，在刻蚀颗粒表面的水膜中可见少量的方解石胶结物发育(图7、8)。而在大量含水的孔隙内可见方解石胶结物大量发育的现象(图7、8)。在油水过渡处的水膜及残余孔隙水中可见一定量的方解石胶结物发育。宏观含油部分与含水部分的方解石胶结物含量具有明显的差异(图7、8)。在50μm喉道通道内具有大量孔隙水分布，可见方解石大量胶结的现象(图7、8)。
第五步：开展第二期石油充注实验
通过微观玻璃板刻蚀模型的流体注入口，利用Longer-LSP01-2A型实验室精密注射泵以0.3μL/min的恒定流量向微观玻璃板刻蚀模型中充注蓝油，利用蔡司Axioscope A1APOL.数字透反偏光显微镜及录像装置对蓝油的充注过程进行录像。蓝油充注的微观现象显示，若具有红油充注的孔隙前方紧邻的孔隙内发育一定量的方解石胶结物(100μm及200μm喉道通道)，则蓝油也会向具有方解石胶结物的孔隙中发生突破并发生进一步运移(图9、10)。若具有红油充注的孔隙前方紧邻的孔隙内未发育方解石胶结物(150μm喉道通道)，则蓝油将仅沿着红油的运移路径发生进一步运移，而无法突破含水的孔隙(图9、10)。
第六步：开展第二期方解石胶结实验
通过微观玻璃板刻蚀模型的流体注入口，利用Longer-LSP01-2A型实验室精密注射泵以0.2μL/min的恒定流量向微观玻璃板刻蚀模型中充注0.5mol/L碳酸钠溶液，逐渐沉淀方解石胶结物。利用蔡司Axioscope A1 APOL.数字透反偏光显微镜及录像装置对方解石胶结物的沉淀过程进行录像。蓝油充注后第二期方解石胶结的微观现象显示，在两期石油充注后的残余孔隙水中，方解石胶结物可以继续生长，而在充油的孔隙中未见明显的方解石胶结物生长的现象(图11、12)，从图12中可以看出方解石胶结物在残余孔隙水中不断生长。
微观物理模拟实验结果表明，第一期石油充注后油水非均质分布的特征将导致第一期石油充注后发生的第一期碳酸盐胶结作用在充满油的孔隙中被抑制，但在充水的孔隙中可以继续进行；第一期碳酸盐胶结物及第一期充注的石油将有效降低第二期石油充注的突破压力，进而使第二期充注的石油更易突破充满第一期石油的孔隙及具有早期碳酸盐胶结物的孔隙，最终导致第二期石油充注后的油水非均质分布特征发生变化。孔隙中充注的第一期或第二期原油将继续抑制晚期碳酸盐胶结作用。而在充水的孔隙中，第二期的碳酸盐胶结作用可以继续进行。
Claims (5)
1.一种模拟多期石油充注对碳酸盐胶结作用影响的可视化方法，其特征在于：使用高度可视化的微观渗流玻璃板刻蚀装置，进行多期石油充注对碳酸盐胶结作用影响的物理模拟实验并利用显微镜及录像系统对实验现象进行记录。
2.根据权利要求1所述的模拟多期石油充注对碳酸盐胶结作用影响的可视化方法，其特征在于：所述高度可视化的微观渗流玻璃板刻蚀装置设置有流体注入口(1)、喉道通道(3)和流体流出口(2)；
所述流体注入口(1)和喉道通道(3)之间设置有缓冲聚油槽(4)，所述流体注入口(1)通过管道与所述缓冲聚油槽(4)联通。
3.根据权利要求2所述的模拟多期石油充注对碳酸盐胶结作用影响的可视化方法，其特征在于方解石胶结使用浓度为1mol/L的氯化钙溶液及浓度为0.5mol/L的碳酸钠溶液进行，以不同颜色的染色油进行不同期的石油充注试验。
4.一种利用权利要求1-3任一方法进行模拟第一期石油充注-第一期碳酸盐胶结作用-第二期石油充注-第二期碳酸盐胶结作用的可视化方法，其特征在于：所使用的高度可视化的微观渗流玻璃板刻蚀装置的尺寸为6.3cm×5cm，该装置自流体注入口(1)至流体流出口(2)依次设置有缓冲聚油槽(4)、200μm喉道通道区(7)及50μm喉道通道区(6)、差异性孔喉对接处5、多尺寸喉道通道区；
所述多尺寸喉道通道区自左至右依次为50μm喉道通道区(6)、200μm喉道通道区(7)、50μm喉道通道区(6)、100μm喉道通道区(8)、50μm喉道通道区(6)、150μm喉道通道区(9)和50μm喉道通道区(6)；
刻蚀颗粒的尺寸D为500μm，孔喉刻蚀深度为30μm，流体注入口及流体流出口的刻蚀宽度均为200μm。
5.根据权利要求4所述的模拟第一期石油充注-第一期碳酸盐胶结作用-第二期石油充注-第二期碳酸盐胶结作用的可视化方法，其特征在于：具体步骤如下：
第一步：实验溶液的配置及实验用油的染色
(1)在室温下分别配置浓度为1mol/L的氯化钙溶液及浓度为0.5mol/L的碳酸钠溶液；
(2)实验用油选择研究区研究层位实际储层中的原油，利用油红及油蓝染色剂对实验用油进行染色。将染色的实验用油滴在载玻片上，利用显微镜对染色程度进行观察，染色程度以在显微镜下染色的实验用油可清晰观察为原则；
第二步：开展第一期石油充注实验
首先，利用蠕动泵以20-50mL/min的恒定流量将玻璃板刻蚀模型中充满浓度为1mol/L的氯化钙溶液；再利用注射泵以0.5μL/min的恒定流量向玻璃模型中充注油红染色的实验用油，待油红染色的实验用油从玻璃板刻蚀模型的流体出口处流出且运移路径稳定后停止充注；
第三步：开展第一期方解石胶结实验
通过微观玻璃板刻蚀模型的流体注入口，利用注射泵以0.2μL/min的恒定流量向微观玻璃板刻蚀模型中充注浓度为0.5mol/L的碳酸钠溶液，逐渐沉淀方解石胶结物；并对沉淀过程进行录像，明确早期方解石胶结物的生长位置，即明确碳酸盐胶结作用是在充油的孔隙中还是在充水的孔隙中进行，或是在充油及充水的孔隙中均进行；
第四步：开展第二期石油充注实验
方解石胶结作用的现象记录完毕后，利用注射泵以0.3μL/min的恒定流量向微观玻璃板刻蚀模型中充注油蓝染色的实验用油，并对油蓝染色的实验用油的充注过程进行录像，观察并记录油红染色的实验用油充注的孔隙、存在第一期方解石胶结物的孔隙以及仅充注水溶液的孔隙中油蓝染色的实验用油的运聚过程，待油蓝染色的实验用油从玻璃板刻蚀模型的流体出口处流出且运移路径稳定后停止充注；
第五步：开展第二期方解石胶结实验
通过微观玻璃板刻蚀模型的流体注入口，利用注射泵以0.2μL/min的恒定流量向微观玻璃板刻蚀模型中充注浓度为0.5mol/L碳酸钠溶液，逐渐沉淀方解石胶结物，并对方解石胶结物的沉淀过程进行录像，明确晚期方解石胶结物的生长位置。
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