基于原子力显微镜表征的含油储层微观孔隙结构分析及应用.pdf

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东北石油大学学报第37卷第1期2013年2月JOuRNALOFNORTHEASTPETROLEUMUNIVERSITYVol_37No．1Feb．2O13基于原子力显微镜表征的含油储层微观孔隙结构分析及应用白永强，李娜。，杨旭，张雁。，张雨(1．东北石油大学电子科学学院，黑龙江大庆163318；2．黑龙江省高校校企共建测试计量技术及仪器仪表工程研发中心，黑龙江大庆163318；3．东北石油大学地球科学学院，黑龙江大庆163318)摘要：为研究岩心微观孔隙结构在强碱三元复合驱替过程中的变化特征，以大庆油田南5—4一检725井855．0m处岩心为对象，通过原子力显微镜观察岩心形貌特征，定量分析孔喉宽度和深度；分析驱替过程中岩心样品的面孔率、孔喉宽度和深度、分形维数等参数变化反映的微观孔隙结构变化规律．结果表明：原子力显微镜获得的图像可以真实反映储层岩石微观形貌特征，储层微观孔隙结构具有二段式分形特点．微观孔隙结构变化特征在驱替初期，主要表现为岩石粒间颗粒运移；在驱替中后期，主要表现为强碱三元驱替剂与岩石相互作用，生成驱替剂残留或其他产物．该研究结果对分析强碱三元复合驱替后剩余油分布规律、制定后续开发方案具有指导意义．关键词：微观孔隙结构；储层；特征；原子力显微镜；分形中圈分类号：TE319文献标识码：A文章编号：2095—4107(2013)O1—0045—060引言储层岩石微观孔隙结构决定储层中流体的储集和渗流能力l】]．储集能力由孔隙数量表征，渗流能力由喉道形状、尺寸和孔喉比表征．微观孔隙结构特征影响含油储层的孑L隙度、渗透率等宏观性质_2]．低渗储层研究结果表明，某些含油储层宏观性质相近，但微观孔隙结构差别较大，影响流体在储层内部分布L3]．研究含油储层微观孔隙结构特征，对精细描述含油储层、分析高含水时期油田剩余油分布规律]、制定针对性开发方案，以及开发利用低渗透油气田、提高油气采收率具有重要意义．研究储层岩石微观孔隙结构方法包括测井资料现场评价方法、毛管压力曲线法(MercuryCapillaryPressureCurve)Es]、铸体薄片法(CastingThinSections)l_g]、扫描电镜法(ScanningElectronMicroscope，SEM)Do]、X—CT(X—RayComputedTomography，X—CT)扫描法”]及核磁共振法(NuclearMag—neticResonance，NMR)_1。等，这些方法在表征储层岩石微观孔隙结构上具有不同特点．测井资料现场评价方法具有纵向上的连续性，但受到仪器、环境、流体及人为等因素影响，难以保证微观孑L隙结构数据的解释精度．毛管压力曲线法基于平行毛管束理论，直观性差，不适于分析裂缝和孔洞型储层岩心．铸体薄片法在制样时易损害岩心组织结构，通过对二维图像的分析计算获得储层微观孔隙结构参数，难以认识岩心内部空间分布规律．扫描电镜法放大倍率高、景深大，可获得高分辨率三维图像c1H]，但二次电子、背散射电子、透射电子等与不同物质结构相互作用的差异，使图像中有很多赝象，难以量化空间尺度并带来较多误差．x—CT扫描法和NMR法分辨率较低[1引，难以表征储层岩石微米级以下微观孔隙结构．目前，无损伤并可直接准确定量的储层岩石微观孔隙结构表征手段包括亚微米级分辨率的激光扫描共聚焦显微镜(La—serScanningConfocalMicroscope，LSCM)l】、聚焦离子束和扫描电镜(FocusedIonBeam—ScanningElectronMicroscope，FIB—SEM)联合应用_】，以及纳米级分辨率的原子力显微镜(AtomForceMi—croscope，AFM)．原子力显微镜利用原子之间的范德瓦尔斯力探测并获取样品表面结构形貌特征，无需对材料进行预处理，适用于不同材质，是重要的扫描探针显微技术之一．利用原子力显微镜研究储层岩收稿日期：2O13—01—08；编辑：张兆虹基金项目：国家自然科学基金项目(51274068)；黑龙江省教育厅科学技术研究项目(11551024)作者简介：白永强(1974一)，男，博士，教授，主要从事介观表征方面的研究． 东北石油大学学报第37卷2013年石微观孑L隙结构的文献较少E，将该技术进行工程应用有待深入展开．笔者采用原子力显微镜研究大庆油田南5—4一检725井855．0m处岩心在强碱三元复合驱替过程中储层岩石微观孔隙结构，通过表征结果分析强碱三元驱替前后储层岩心微观孔隙结构变化规律，为完备储层岩心微观孑L隙结构表征体系提供技术支持，为强碱三元驱替和后续挖潜方案设计提供实验依据．1实验1．1仪器AJ一Ⅲ型原子力显微镜：上海爱建纳米仪器有限公司生产，横向最优分辨率为0．2nm、纵向最优分辨率为0．1nm，为适应储层岩石微观孔隙结构表征，对其进行改造，扩大样品放置空间并更换扫描头．为减少针尖对样品的损害，使用显微镜轻敲模式对岩石样品进行扫描．为减少卷积效应引起的图像失真，选用俄罗斯NT—MDT公司生产的NSG03型原子力显微镜单臂针尖，悬臂长为125～145m，臂宽为25～35m，臂厚为1～2m，弹性系数为0．35～6．06N／m，共振频率为47～150kHz，针尖长为14～16肛m，尖端最小直径为10nm．该针尖弹性、粗细适中，可较好地跟踪粗糙度较高的岩石样品、降低卷积效应影响，是表征岩石微观表面三维形貌分辨最适合针尖之一．Model260DSyringePump驱油高压恒速恒压注入泵：美国TeledyneIsco公司生产，容积为266mL，最大压力为50MPa，单泵流速为0．001～107．000mL／min．1．2样品南5—4一检725井855．0m处岩心：取自大庆油田有限责任公司勘探开发研究院岩心库，为强碱三元复合试验区驱替前样品，通过压汞方法获得其孑L隙度峰值为28．4，渗透率为959．9×10“m。．驱替剂配方：聚合物溶液质量浓度为1650mg／I，表面活性剂质量分数为0．3，碱质量分数为1．2％．1．3实验步骤样品加工为直径为25．4mm，厚度小于5．0mm的薄片，并用毛刷清洁由加工产生的附着灰尘．将加工好的岩心样品薄片按先后顺序对接放人岩心夹持器中驱油，驱替岩心孔隙体积倍数分别为10，50，100和500倍后取出，放人原子力显微镜下表征和分析．2结果与分析2．1微观孔隙结构特征2．1．1形貌特征原子力显微镜获得的储层岩心样品形貌见图1，其中扫描范围为10him×10m．由图1可见，观察岩心样品微观孑L隙结构，原子力显微镜具有特点：观察尺度大，较小和较大孔喉均能被观测到；空间分辨高(纳米级)，能客观描述岩bTL喉边界细节；获得的图像反映样品真实空间，将图像绘制成三维立体图像，即平面扫描空间和高度，可更好地反映岩心微观孔喉特征；通过伪彩色图(见图1(b))和立体图(见图1(c))可以清晰观察岩心微观孔隙结构空间分布特征．2．1．2孔喉宽度通过原子力显微镜获得的图像定量分析岩心样品数据，研究储层岩石微观孔隙结构的孔喉宽度分布规律(见图2)．以0．5m为计量单位统计不小于0．5m的岩石微观孔喉宽度分布特征(见图2(a))．由图2(a)可见，孔喉宽度分布呈C,O型分布，不同岩心样品的分布特征不同，将其定义为岩心的类指纹分布特征]，即每类岩心有其特有的微观孔隙结构分布特点．以0．02m为计量单位统计小于0．5p．m的岩石微观孑L喉宽度分布特征(见图2(b))．由图2(b)可见，孔喉宽度分布在120nm处出现峰值，该峰值对储层岩石孔隙中流体流动有较大影响口． 第1期白永强等：基于原子力显微镜表征的含油储层微观孔隙结构分析及应用留为主．分形维数变化符合非线性规律．驱替过程中第一段分形维数(代表小孔喉)为1．7～2．1，随着驱替剂量的增加而减小，反映小孔喉表面复杂程度减小；第二段分形维数(代表较大孔喉)为o．8～1．o，随着驱替剂量的增加先变小后变大，反映大孔喉表面有变粗糙趋势．总体上，两段分形维数差值随驱替剂量的增加有减小趋势，说明随着驱替剂量的增加岩石的微观孔隙结构复杂程度降低．表1驱油过程中储层岩石样品微观孑L隙结构特征参数Table1ChangeoffractaldimensionofmicroporeafterASPflooding3结束语利用原子力显微镜研究储层微观孔隙结构，能够反映岩石三维真实形貌特征，综合定量分析图像的孑L喉宽度、孑L喉深度、面孑L率和分形维数等参数，研究强碱三元驱替作用下储层岩石样品微观孑L隙结构变化规律，驱替初期孔喉变化主要以颗粒运移为主，驱替中后期以生成其他产物或驱替剂残留为主．参考文献[1]陈杰，周改英，赵喜亮，等．储层岩石孔隙结构特征研究方法综述[J]．特种油气藏，2005，12(4)：11—14．ChenJie，ZhouGaiying，ZhaoXiliang，eta1．Overviewofstudymethodsofreservoirrockporestructure[J]．SpecialOilandGasRes—ervoirs，2005，12(4)：11—14．[2]CerepiA，Durandc，BrosseE．Poremicrogeometryanalysisinlow—resistivitysandstonereservoirs[J]．JournalofPetroleumScienceandEngineering，2002，35：205—232．I-3]何文祥，许雅．港东开发区水淹前后储层参数变化规律及机理研究[J]．断块油气田，2O10，I7(2)：191—193．HeWenxiang，XuYa．LawandmechanismofreservoirparameterschangebothbeforeandafterwaterfloodinginGangdongdevelop—mentareaEJ]．Fault—BlockOil&GasField，2010，17(2)：191—193．[4]綦惠丽，李玉春，张雁．低渗透储层的微观特征对其宏观性质的影响规律——以榆树林油田扶杨油层为例[J]．东北石油大学学报，20i2，36(4)：30—36．QiHuili，LiYuchun，ZhangYan．Influenceofmicro—characteronmacroscopicpropertiesinlowpermeabilityreservoir-TakeFuyangreservoirofYushulinoilfieldasexample[J]．JournalofNortheastPetroleumUniversity，2012，36(4)：30—36．[5]宋考平，杨钊，舒志华，等．聚合物驱剩余油微观分布的影响因素LJ]．大庆石油学院学报，2004，28(2)：25—27．SongKaoping，YangZhao，ShuZhihua，eta1．Effectivefactorsofmicroscopicdistributionofremainingoilofpolymerflooding[J]．JournalofDaqingPetroleumInstitute，2004，28(2)：25—27．[63赵佳楠，姜文斌．鄂尔多斯盆地延长气田山西组致密砂岩储层特征[J]．东北石油大学学报，2012，36(5)：22—28．ZhaoJianan，JiangWenbin．CharacteristicsoftightsandstoneofShanxiformationreservoirintheYanchanggasfield，Ordosbasin[J]．JournalofNortheastPetroleumUniversity，2012，36(5)：22—28．[7]李海燕，徐樟有．新立油田低渗透储层微观孔隙结构特征及分类评价[J]．油气地质与采收率，2009，16(1)：17—21．LiHaiyan，XuZhangyou．MicroscopiccharacteristicsofporestructureandclassificationevaluationoflowpermeabilityreservoirinXinlioilfield[J]．PetroleumGeologyandRecoveryEfficiency，2009，16(1)：17—21．[8]NabawyBS，G6raudY，RochetteP，eta1．Pore—throatcharacterizationinhighlyporousandpermeablesandstones[J]．AAPGBulle—tin，2009，93(6)：719—739．[9]LoucksRG．RevisitingtheimportanceofsecondarydissolutionporesintertiarysandstonesalongtheTexasgulfcoast[J]．GulfCoastAssociationofGeologicalSocietiesTransactions，2005，55：447—455．[10]RadlinskiAP，IoannidisMA，HindeAL，eta1．Angstrom—to—millimetercharacterizationofsedimentaryrockmicrostructure[J]．JournalofColloidandInterfaceScience，2004，274：607—612．[11]孙卫，史成恩，赵惊蛰，等．x—CT扫描成像技术在特低渗透储层微观孔隙结构及渗流机理研究中的应用以西峰油田庄19井区长·49· 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