自滲吸實驗是研究注水和水力壓裂過程中巖石與流體相互作用機制的基本實驗方法。礦物成分和孔隙結構在滲吸效率中起著重要作用，但如何具體影響石油生產效率仍需更多深入探討。

這項研究進行了自發滲吸實驗，結合低溫吸附和核磁共振的測試手段探究了：（1）礦物和孔隙結構如何影響致密砂巖的流體運動特征；（2）系統地研究不同孔隙類型對石油開采的貢獻以及孔隙連接對自滲吸的影響。

結果表明：由于潤濕性，鹽水傾向附著于親水礦物，從而增加了浸入效率，隨著微小孔隙的發展，由于強大的毛細管壓力作用，油更容易被鹽水取代。該研究提供了關于礦物成分和孔隙結構如何影響自滲吸效率的見解，提高了對致密砂巖中流體和礦物之間復雜相互作用機制的理解。

礦物成分和孔隙結構是致密砂巖評價中的兩個重要參數，礦物組成指的是不同礦物（無機和有機）的比例，而孔隙結構指的是空間的大小、形狀和連通性。常見的水力壓裂技術，可以有效地改善儲層中的采油效率，然而，由于礦物成分和孔隙結構相互影響導致許多機理相互混淆，使得對單一參數進行定量研究具有挑戰性，因此，闡明礦物成分、孔隙結構和自滲吸效率之間的關系至關重要。

目前對致密砂巖自滲吸的一般理解主要受基質和流體特性的影響，礦物成分和孔隙結構被認為是決定自滲吸速度和最終采油效率的重要因素。粘土礦物優先被水潤濕并迅速膨脹，影響到滲吸效率。同時毛細管壓力會受到孔隙半徑的影響，一般具有高自發沉浸效率的樣品通常具有較低的平均孔隙半徑。盡管研究人員試圖通過許多實驗和理論研究弄清自滲吸的機制及其影響因素，但自發浸潤特征及其與基質特性的相關性仍然存在諸多疑惑。

本文根據礦物組成和孔隙大小分布，研究了致密砂巖中自滲吸的影響因素。在不同的礦物含量和孔隙網絡下進行了四組自發滲吸試驗，通過比較礦物成分和孔隙結構，分析了滲吸效率和影響因素。

實驗樣品以及基本物性參數

從中國安徽青陽的三疊紀地層收集了四塊致密砂巖（使用TS、XRD、SEM得到定量的礦物組分、以及氣體吸附法得到樣品的孔隙大小分布）。

礦物組分：

為了研究礦物成分和孔隙結構對巖心自滲吸的影響，需要對砂巖的基本物性參數（礦物組分）進行測算，結果如下：

使用TS、SEM和XRD技術獲得致密砂巖樣品中的礦物組分。對于碎石礦物，會出現相當數量的石英和長石；對于粘土礦物，氯土和伊利石在粘土成分中占主導地位。

如圖1所述，所選樣品含有各種礦物，因此在研究區域內會出現不同的孔隙。碎石礦物，如長石和石英，是致密砂巖中顆粒間孔隙發育的主要貢獻者（圖1b和c)；長方石和巖石碎片的溶解是顯著影響溶解孔隙發展的因素（圖1e和f)；晶體間孔隙，主要來自粘土礦物，在樣本3和4中占據主要地位（圖1h、i、k、l ）。

圖1：礦物組分（第1欄：基于TS方法得到的礦物組成；第2欄：來自XRD的粘土礦物組成；第3欄：TS觀測圖；第4欄：SEM圖像。Q：石英；F：長石；R：巖石碎片；M：云母；Fe：鐵鈣石；O：其他）

孔隙大小分布：

圖2中顯示了所有樣品的氮氣吸附和解吸的等溫曲線。我們注意到，不同樣品的等溫吸附解析曲線相差較大，具有豐富的伊利石、蒙脫石I/S混合層和較小孔徑的樣品更容易約束氮。

孔隙大小分布：

圖2中顯示了所有樣品的氮氣吸附和解吸的等溫曲線。我們注意到，不同樣品的等溫吸附解析曲線相差較大，具有豐富的伊利石、蒙脫石I/S混合層和較小孔徑的樣品更容易約束氮。

根據BET和BJH模型，可以得到表面積和孔隙體積（表2），對于孔隙的特定區域，樣本1有一個明顯的左峰（圖3），而其他樣本均勻地或較為均勻地分布。對于孔隙體積分布，樣本1在0.1和0.5μm之間有一個寬的峰值，表明相對較大的孔隙對總孔隙體積的貢獻很大。其他樣本呈偏右分布，但振幅相對較低。這些發現表明，小孔決定了孔隙表面積，但大孔隙在孔隙體積中起主導作用。

表2：基于BET、BJH的吸附解析模型得到的平均孔隙直徑

圖3：通過氮氣吸附得到的頁巖樣品的孔隙面積和孔隙體積分布。X1：a-b，X2：c-d；X3：e-f，X4：g-h

表1：巖石樣本的基本物性

自滲吸低場核磁實驗方案

四塊樣品均在120?C的烤箱中干燥72小時，然后浸入煤油并在20兆帕的壓力下飽和12小時，取出、擦干、稱重。然后，將樣品浸泡在40%的氯化鉀溶液中消除水的信號。在一定時間內反復取出測試T2譜，分別得到了0小時、4小時、8小時、18小時、48小時和72小時的T2曲線。低場核磁共振設備由蘇州紐邁分析儀器股份有限公司提供，測試參數：回波間隔0.2ms，等待時間6s，累加次數64。

1）結果和分析

滲吸可以分為三個部分：早期階段、中期階段和后期階段。早期階段（0-8小時）滲吸速度較快速，中期階段（8-18小時）和后期階段（18-72小時）趨于適度，自滲吸一般發生在早期階段，液態移位的油量隨時間明顯減少。

2）孔隙大小分布與自滲吸的關系

不同的樣品有不同的自滲吸結果，親水粘土礦物和微小孔隙是造成這些差異的原因。圖4說明了親水粘土礦物與不同階段的石油生產效率之間的關系。在早期階段，伊利石和I/S混合層對油生產效率做出了重大貢獻，孔隙相對較小的樣品（3和4）的產油速度比其他樣品高，對應于較小的孔隙會產生強大的毛細管壓力，這是自滲吸的主要因素（圖4a)；在中期，伊利石和I/S混合層不斷吸水膨脹遮擋了孔隙空間，降低了生產效率，且這種對孔隙相對較小的樣品（3和4）的影響更為顯著（圖4b）；在后期，親水礦物仍然可以為低物性參數的樣品產生一些浸潤空間（圖4c）。

圖4：親水粘土礦物和石油生產效率的擬合(a)早期階段、(b)中期階段和(c)后期階段。k：斜率。

另一個有趣的發現是，具有相對高的孔隙度和滲透率的樣品卻沒有高的石油生產效率。例如，樣品1具有最高的孔隙率和第二高的滲透率，而這個樣品的最終自滲吸效率低于樣品4（圖5、表3）。孔隙比例高的樣品的滲吸效率卻相對較低，不同類型的孔隙也能表達相似的滲吸能力（圖5a、表3）。具有豐富溶解孔隙的樣品2由于長石溶解導致其表面積明顯增長從而具有最顯著的沉浸效率（圖5b、表3）。均勻孔徑分布的樣品沒有浸潤的優勢，但具有少數微裂縫的樣品4具有相對較強的滲吸能力（圖5c和d、表3)。

圖5：四個樣品在不同時間的T2曲線和SEM圖像。

表3：不同樣本的自發沉浸效率

3）孔隙連通對自滲吸的影響

圖6中，左圖和右圖分別來自PCMI和NMR實驗。在初始和最終T2累積曲線的任何交叉點上，汞入侵都會發生飽和。這個交叉點與孔隙半徑有關，二者連接形成之間的區域（圖6中藍色線條區域）被稱作主流浸潤區。隨著主流浸潤面積的增加，最終的石油生產效率也會提高，浸潤面積可以被認為是致密砂巖中滲吸效率的一個很好的指標。

圖6：四個樣品的毛細管壓力與累積T2曲線

文章小結

1. 親水礦物的含量對石油開采具有積極影響。隨著大孔隙比例的增加，樣品會浸入更多的液體。

2. 隨著小孔的增加，油更容易被替換，因為微小的孔提供了強大的毛細管壓力從而增加了油的移動能力。

3. 浸潤面積是衡量石油生產效率的一個重要指標，這個面積的增加通常對應著高的石油生產效率。

參考文獻

[1] Liu Y Y F. Impacts of mineral composition and pore structure on spontaneous imbibition in tight sandstone[J]. Journal of Petroleum Science & Engineering, 2021, 201(1).