CN114235879A - 应力加载条件下测试盖层润湿性与毛细管压力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应力加载条件下测试盖层润湿性与毛细管压力的方法，其包括步骤：1)将装有原始岩石样品的岩心夹持器放在核磁共振检测台上；2)对原始岩石样品加围压及温度至设定值；3)核磁共振测量原始岩石样品的弛豫时间T₂；4)测量干燥岩石样品的不连通孔隙体积V₁和弛豫时间T₂；5)测量常压饱和吸水岩石样品的孔隙体积V₂和T₂；6)测量高压饱和吸水岩石样品的孔隙体积V₃和T₂；7)计算盖层的水润湿表面分数S_w；8)计算盖层的毛细管压力P_c。本发明能在不同应力及温度条件下测试盖层岩石的润湿特性及毛细管力，测试耗时短，测量结果准确性高，可以为气藏型储气库盖层密闭性的评价以及工程设计参数的优化提供指导。

Description

应力加载条件下测试盖层润湿性与毛细管压力的方法

技术领域

本发明涉及气藏型储气库储气技术领域，具体涉及一种测试盖层岩石润湿特性及毛细管力的方法。

背景技术

天然气作为一种清洁低碳的能源，在世界低碳能源转型中发挥着重要作用。许多国家将其视为首选燃料，并计划逐步增加其能源供应份额。据预测，至2030年，全球天然气年需求量将由2010年的3.1万亿方增长到5万亿方，跨区域贸易量将增长到约1.3万亿方，且天然气需求增长最快的地区是亚洲。随着世界对天然气需求的增长，用管道输送天然气不能解决天然气需求存在的矛盾，比如需求存在季节性矛盾，造成用气与输气的不均衡，这种情况下就有必要建立地下储气库，这也是世界天然气利用发达国家为解决这一问题的普遍选择。地下储气库具有解决调峰问题、解决应急安全供气问题、优化管道运行、用于战略储备和提高经济效益的作用和功能。地下储气库作为天然气安全保供的主要设施，也是国家能源安全保障的重要组成部分，加快其建设是确保天然气安全保供的重大战略措施。

已衰竭或半衰竭油气藏用来改建储气库具有投资少、见效快、回收期短等优点，因此衰竭油气藏型地下储气库已成为世界范围内应用最广、运行最久的一种大型地下储气库。在衰竭油气藏中，泥页岩是一种致密的盖层封闭物，其孔隙度、渗透率低，是油气封闭盖层最理想的物质之一，对油气的聚集保存具有非常重要的作用，长久以来都是石油地质学研究的一个热点。与气藏一般单向采气不同，储气库运行具有气体交替强注强采工况剧烈、单井大流量吞吐流体高速渗流、地应力场周期扰动等特点。高速的注采速度会影响地质条件并产生地下储气地质体，即因地下储气注采过程而导致的地应力改变、岩石形变位移、流体流动扩散、压力(水动力)变化所波及的全部物质与空间的集合体。地下储气地质体在注采过程中，高低压频繁快速变化可能会导致密封性破坏，并且会产生盖层“动态突破、交变疲劳”的现象。储气库周期注采引起的地应力场扰动将导致盖层微观孔隙结构发生不同程度的弹塑性变形，改变其原始毛细管密封性，将直接影响储气圈密封性，目前对于盖层的毛细管密封性主要采用突破压力定量评价，它是盖层毛细管密封能力最根本、最直接的评价参数，而研究发现在突破压力数值上与盖层岩石孔隙中水与气体之间的毛管压力接近，因此测试应力状态下盖层岩石毛管压力对于评价盖层密封性具有重要意义。

盖层岩石润湿性是影响盖层密封性的重要参数。盖层对水的润湿性直接影响天然气在岩石中的吸附、扩散和渗流行为。粘土矿物含量较高的盖层岩石通常更具亲水性，更容易产生水锁效应，气体在岩石孔隙中的扩散能力降低，不利于气体流动。而疏水性岩石孔隙主要被气体占据，气体在岩石基质中的扩散能力增强。目前评价界面润湿性的方法主要有接触角法、USBM润湿指数法、Amott法、核磁共振(NMR)法等。然而目前对于润湿性的测试大多不能实现在原位应力条件下的测试，且测试时间较长。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种应力加载条件下测试盖层润湿性与毛细管压力的方法，以解决在应力加载条件下快速测试盖层岩石润湿性与毛管压力的技术问题。

本发明应力加载条件下测试盖层润湿性与毛细管压力的方法，其包括以下步骤：

1)将从盖层取得的原始岩石样品装入岩心夹持器，将岩心夹持器放在核磁共振检测台上；

2)将围压加载系统与岩心夹持器的围压接口连接，通过围压加载系统对岩心夹持器内的原始岩石样品加压及加热，使原始岩石样品的围压及温度达到设定值；

3)待围压及温度稳定后，通过核磁共振测量原始岩石样品，得到原始岩石样品毛细管中流体的弛豫时间T₂；

4)将原始岩石样品从岩心夹持器中取出烘干，然后将干燥岩石样品重新装入岩心夹持器，对干燥岩石样品加围压及加热至设定值，待围压及温度稳定后通过核磁共振测量干燥岩石样品中不连通孔隙体积V₁和毛细管中流体的弛豫时间T₂；

5)通过液体注入系统向岩心夹持器内的干燥岩石样品常压注水，待干燥岩石样品饱和吸水后进行核磁共振检测，得到常压饱和吸水岩石样品的孔隙体积V₂和毛细管中流体的弛豫时间T₂；

6)通过液体注入系统向岩心夹持器内的岩石样品高压注水，待岩石样品吸水饱和后进行核磁共振检测，得到高压饱和吸水岩石样品的孔隙体积V₃和毛细管中流体的弛豫时间T₂；

7)通过如下公式计算得到表征盖层润湿特性的水润湿表面分数S_w：

式中ΔV_w为核磁共振孔隙流体体积，ΔV_w＝V₂-V₁；V为有效孔隙体积，V＝V₃-V₁；

8)计算盖层的毛细管压力P_c：

式中参数m和n根据T₂曲线的几何平均值T_2g与岩石样品的平均毛细管半径r的相关性来确定；

T₂表示为：

式中：ρ₂为毛细管半径的表面弛缓速率，r为毛细管半径，F_s为毛细管半径几何因子，对于球形孔隙F_s＝3，对于柱状喉道F_s＝2；

通过T₂计算得到T_2g，T_2g表示如下；

式中：N为测量点的总数，i为测量点的顺序号，测试得到的每一条T₂曲线含有N个与测量点对应的T₂值和累积孔隙度，T_2i为第i个测量点对应的T₂值，φ_i为T_2i对应的累积孔隙度，φ_NMR为总的累积孔隙度。

本发明的有益效果：

本发明应力加载条件下测试盖层润湿性与毛细管压力的方法，其在不同应力及温度条件下，如在原位应力及温度条件下，测试盖层岩石的润湿特性及毛细管力，测试耗时短，测量结果准确性高，可以为气藏型储气库盖层密闭性的评价以及工程设计参数的优化提供指导。

附图说明

图1为测试系统的结构示意图。

图2为核磁共振测岩石润湿性的流程图；

图3为核磁共振测岩石毛管压力的流程。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

本实施例应力加载条件下测试盖层润湿性与毛细管压力的方法包括以下步骤：

1)将从盖层取得的原始岩石样品装入岩心夹持器1，将岩心夹持器放在核磁共振仪2的检测台上。本实施例中试件尺寸选取25*50mm，当然试件的尺寸还可根据需要调整。

2)将围压加载系统3与岩心夹持器的围压接口连接，通过围压加载系统对岩心夹持器内的原始岩石样品加压及加热，使原始岩石样品的围压及温度达到设定值。本实施例中采用采用氟油对岩石样品施加围压，消除信号干扰。

3)待围压及温度稳定后，通过核磁共振测量原始岩石样品，得到原始岩石样品毛细管中流体的弛豫时间T₂。

4)将原始岩石样品从岩心夹持器中取出烘干，然后将干燥岩石样品重新装入岩心夹持器，对干燥岩石样品加围压及加热至设定值，待围压及温度稳定后通过核磁共振测量干燥岩石样品中不连通孔隙体积V₁和毛细管中流体的弛豫时间T₂。

5)通过液体注入系统4向岩心夹持器内的干燥岩石样品常压注水，本实施例中常压注水压力为0.1MPa，待干燥岩石样品饱和吸水后进行核磁共振检测，得到常压饱和吸水岩石样品的孔隙体积V₂和毛细管中流体的弛豫时间T₂。

6)通过液体注入系统向岩心夹持器内的岩石样品高压注水，本实施例中高压注水压力为8MPa，当然在不同实施例中注水压力可根据需要调整，待岩石样品吸水饱和后进行核磁共振检测，得到高压饱和吸水岩石样品的孔隙体积V₃和毛细管中流体的弛豫时间T₂。

7)通过如下公式计算得到表征盖层润湿特性的水润湿表面分数S_w：

式中ΔV_w为核磁共振孔隙流体体积，ΔV_w＝V₂-V₁；V为有效孔隙体积，V＝V₃-V₁。通过S_w评价盖层的水润湿特性，S_w值越高，盖层岩石的水润湿性越强。

8)计算盖层的毛细管压力P_c：

式中参数m和n根据T₂曲线的几何平均值T_2g与岩石样品的平均毛细管半径r的相关性来确定。具体的，T_2g通过T2曲线计算得出，其计算方式如公式(4)所示，毛细管半径r可通过压汞实验测得，通过将对应样品的T_2g与r值代入公式T_2g＝mrⁿ并进行拟合，即可得到拟合参数m，n。

T₂表示为：

式中：ρ₂为毛细管半径的表面弛缓速率，r为毛细管半径，F_s为毛细管半径几何因子，对于球形孔隙F_s＝3，对于柱状喉道F_s＝2；

通过T₂计算得到T_2g，T_2g表示如下；

式中：N为测量点的总数，i为测量点的顺序号，测试得到的每一条T₂曲线含有N个与测量点对应的T₂值和累积孔隙度，T_2i为第i个测量点对应的T₂值，φ_i为T_2i对应的累积孔隙度，φ_NMR为总的累积孔隙度。

在此基础上，分别用相同的方法对样品开展围压例如为10、12MPa下的核磁测试，得到不同围压条件下盖层润湿特性与毛管压力值。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.应力加载条件下测试盖层润湿性与毛细管压力的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)将从盖层取得的原始岩石样品装入岩心夹持器，将岩心夹持器放在核磁共振检测台上；

2)将围压加载系统与岩心夹持器的围压接口连接，通过围压加载系统对岩心夹持器内的原始岩石样品加压及加热，使原始岩石样品的围压及温度达到设定值；

3)待围压及温度稳定后，通过核磁共振测量原始岩石样品，得到原始岩石样品毛细管中流体的弛豫时间T₂；

4)将原始岩石样品从岩心夹持器中取出烘干，然后将干燥岩石样品重新装入岩心夹持器，对干燥岩石样品加围压及加热至设定值，待围压及温度稳定后通过核磁共振测量干燥岩石样品中不连通孔隙体积V₁和毛细管中流体的弛豫时间T₂；

5)通过液体注入系统向岩心夹持器内的干燥岩石样品常压注水，待干燥岩石样品饱和吸水后进行核磁共振检测，得到常压饱和吸水岩石样品的孔隙体积V₂和毛细管中流体的弛豫时间T₂；

6)通过液体注入系统向岩心夹持器内的岩石样品高压注水，待岩石样品吸水饱和后进行核磁共振检测，得到高压饱和吸水岩石样品的孔隙体积V₃和毛细管中流体的弛豫时间T₂；

7)通过如下公式计算得到表征盖层润湿特性的水润湿表面分数S_w：

式中ΔV_w为核磁共振孔隙流体体积，ΔV_w＝V₂-V₁；V为有效孔隙体积，V＝V₃-V₁；

8)计算盖层的毛细管压力P_c：

式中参数m和n根据T₂曲线的几何平均值T_2g与岩石样品的平均毛细管半径r的相关性来确定；

T₂表示为：

式中：ρ₂为毛细管半径的表面弛缓速率，r为毛细管半径，F_s为毛细管半径几何因子，对于球形孔隙F_s＝3，对于柱状喉道F_s＝2；

通过T₂计算得到T_2g，T_2g表示如下；

式中：N为测量点的总数，i为测量点的顺序号，测试得到的每一条T₂曲线含有N个与测量点对应的T₂值和累积孔隙度，T_2i为第i个测量点对应的T₂值，φ_i为T_2i对应的累积孔隙度，φ_NMR为总的累积孔隙度。

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