储层含油饱和度对油田储量评估具有重要作用，利用测井资料可间接测量含油饱和度且成本较低，但无法获得储层真实的含油饱和度，且地层参数及其他因素也会影响含油饱和度测量结果的准确性^[1]，导致利用测井资料计算油水饱和度比较困难。钻井取心技术是一种直接测量储层岩石性质、获取岩心流体数据的方法^[2-6]。然而，采用常规取心工具从井底将岩心起出到地面的过程中，由于环空压力衰减和气体膨胀等原因，岩心中的部分储层流体会被驱替出来，导致含油饱和度测试结果不准确。

为了提高含油饱和度测量结果的准确性，研究人员对取心技术不断改进，发展了保压取心、海绵取心等技术，并对含油饱和度计算方法提出了多种修正模型^[7-8]。近年来，我国发展了适用于不同地层的取心工具及技术，并在应用中进行了优化^[9-12]。20世纪90年代末，我国引进了国外海绵取心技术并进行了现场取心作业，但鉴于当时海绵取心工具及技术不成熟，取心收获率较低，导致该技术未能在国内推广。海绵取心工具主要由海绵衬筒、钻头和其他连接件等组成^[3]，所用海绵是一种超亲油、疏水材料，如改性的聚氨酯、密胺海绵、聚酰亚胺气凝胶及石墨烯气凝胶或海绵材料等^[13-15]。石墨烯海绵具有巨大的比表面积和吸附性能，但制备与衬筒契合的大尺寸石墨烯海绵材料难度极大；此外，还需要考虑海绵与衬筒的匹配、取心过程中的防护等因素。

为此，笔者研制了一种高强度、强亲油的石墨烯改性海绵材料，研究了海绵衬筒制备关键技术，设计开发了石墨烯改性海绵取心工具，并提出了海绵取心含油饱和度计算方法，提高了岩心含油饱和度测量结果的准确性。

1.   海绵取心工具设计

1.1   工具结构

海绵取心工具主要由外筒串、内筒串、海绵衬筒及密封机构组成（见图1）。其中，外筒串由上接头、取心外筒和取心钻头组成，传递上部钻具施加的钻压、扭矩，进行破岩取心；内筒串由悬挂分水总成、注液排气总成、取心内筒和岩心爪总成组成，内、外筒串连接部分设有轴承，在取心作业时外筒旋转，内筒相对岩心处于静止。与常规取心工具的不同之处在于，内筒串内壁增加了一层海绵衬筒，并在内筒上下两端增加了浮动活塞和单流阀活塞，防止钻井液污染海绵衬筒。

图  1  海绵取心工具结构示意

1.上接头；2.悬挂分水总成；3.取心外筒；4.浮动活塞；5.注液排气总成；6.取心内筒；7.海绵衬筒；8.岩心爪总成；9.单流阀活塞；10.取心钻头

Figure  1.  Schematic diagram of a sponge coring tool

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1.2   结构特点

1）岩心筒内预充海绵保护液。若海绵衬筒处于干燥状态，在取心时海绵材料会吸收少量钻井液，在海绵表面形成一层滤饼薄膜，堵塞海绵吸附孔道，从而阻碍海绵吸附岩心逸出油。为此，在岩心筒内预充海绵保护液，可以阻止海绵吸收钻井液，防止岩心和海绵交界面形成滤饼。

2）下端密封活塞采用单流阀式活塞设计。岩心上顶过程中，可打开活塞与海绵衬筒中间的密封孔道，使预充保护液从活塞排泄通道流出，降低岩心的进筒阻力，确保岩心顺利推动活塞进入到内筒中。

3）上端密封活塞采用浮动活塞设计。内筒中预充盐水的体积会随着下钻过程中温度、压力的变化而变化，易导致下端活塞销钉提前剪断，污染海绵。浮动活塞可上下移动一定距离，产生压力补偿作用，实现取心工具内、外压力再平衡。

2.   海绵衬筒研制

2.1   亲油疏水海绵材料研制

采用石墨烯溶胶浸渍常规海绵，经过老化、超临界干燥等工艺处理，制备了一种高强度的亲油、疏水石墨烯改性海绵材料。扫描电镜结果表明，海绵材料内部具有丰富的多孔结构，能够快速吸附原油（见图2）。

图  2  不同孔径的石墨烯改性海绵材料扫描电镜照片

Figure  2.  SEM images of a graphene modified sponge materialwith different pore sizes

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部分海绵样品的性能参数见表1。从表1可以看出，海绵吸油倍率与其表面疏水性和孔径有关，海绵表面的静态水接触角一般大于130°，孔径过小，不利于提高吸油倍率；而孔径过大，吸收的原油在微小压力作用下容易被挤出海绵。

表  1  部分石墨烯改性海绵样品的基本性能参数

Table  1.  Basic performance parameters of partial graphene modified sponge samples

样品 编号	密度/ （mg·cm−3）	热导率/ （W·m−1·K−1）	水接触角/ （°）	孔径/ μm	吸油倍率/（g·g−1）
					正己烷	原油
S0	9.0	0.025	137	67	14.7	21.5
S1	9.0	0.024	139	125	69.0	80.5
S2	9.0	0.027	140	172	62.0	71.6
S3	12.5	0.021	146	153	65.0	75.8
S4	98.0	0.057	144	91	4.8	9.5
S5	152.0	0.058	141	45	3.6	5.4
S6	217.0	0.068	145	16	1.5	2.9

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使用海绵取心工具时，下钻前需要在海绵衬筒中预充盐水保护液，使海绵孔隙中充满保护液；岩心进筒后，岩心表面逸出的原油在毛细管力作用下进入海绵材料，同时将海绵孔隙中的水排出，如图3所示。

图  3  海绵孔隙油驱水示意

Figure  3.  Schematic diagram of oil flooding water in sponge pores

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为实现吸油驱水，孔隙中的油相压力需大于水相压力与孔隙内阻力之和，即：

式中：${p_{\rm{o}}}$为油相压力，Pa；${p_{\rm{w}}}$为水相在孔隙中运动时临界点的压力，Pa；${p_{\rm{m}}}$为孔隙阻力，Pa；${\sigma _{\rm{o}}}$为油相界面张力，mN/m；${\theta _{\rm{o}}}$为油相接触角，rad；${\sigma _{\rm{w}}}$为水相界面张力，mN/m；${\theta _{\rm{wA}}}$为水相前进角，rad；${\theta _{{\rm{wr}}}}$为水相后退角，rad；r为孔隙半径，mm。

由于孔隙半径大于0，根据式（4）可得，${\sigma _{\rm{o}}}\cos {\theta _{\rm{o}}} >$${\sigma _{\rm{w}}}(\left| {\cos {\theta _{{\rm{wA}}}} - \cos {\theta _{{\rm{wr}}}}} \right|)$，油相曲线需要高于水相曲线（见图4（a））。同时，要满足${\theta _{\rm{o}}} < 0.25$ rad和$\left| {\cos {\theta _{{\rm{wA}}}}}\right. - \left. \cos {\theta _{{\rm{wr}}}} \right| < 0.25$，即油的接触角小于0.25 rad(14°)、水的前进角和后退角都大于2.67 rad（130°）时，才能实现油驱水（见图4（b）红圈部分）。

图  4  石墨烯海绵的油、水接触角性能调控结果

Figure  4.  Oil and water contact angle adjustment by graphene modified sponge

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2.2   海绵衬筒制备关键技术

将海绵材料放置到铝合金筒中，上下两端用压盖压实，制备成海绵衬筒短接。海绵衬筒制备工艺有2个关键点：1）要确保海绵衬筒与岩心间的间隙合适，以保证岩心逸出的原油能够与海绵接触，并吸收到海绵中，这就需要确定合理的海绵内衬尺寸；2）要对海绵材料增加防撕裂保护装置，确保取心钻进时岩心进筒过程中不会损伤海绵内衬。

2.2.1   海绵衬筒与岩心间隙配合

原油从岩心到海绵的流动受到毛细管力、重力和黏性力的作用，其流动过程主要有^[7]：1）毛细管力驱动的岩心与海绵之间的液体流动；2）岩心与海绵中的液体重力再分布引起的流动；3）岩心到达地面后，岩心膨胀和气体释放所引起的液体流动。

海绵衬筒与岩心之间的间隙合适时，海绵与岩心能够形成理想的毛细管接触，全力驱动原油从岩心流向海绵。如果海绵衬筒与岩心之间的间隙过小，配合过紧，二者之间的摩擦力就会过大，导致海绵衬筒和岩心损坏，也易引发堵心，使取心钻进中止；如果二者之间的间隙过大，则岩心中逸出的原油不易与海绵直接接触，导致海绵无法吸收逸出的全部原油。为此，进行了不同尺寸的水泥柱模拟岩心进筒试验，经测试确定海绵衬筒内径比岩心直径小0.6～1.0 mm时，原油易被海绵吸收。

2.2.2   海绵衬筒防撕裂设计

海绵衬筒与岩心接触紧密，增加了海绵衬筒内壁遭受破坏的风险，在锯齿状裂缝地层或碎石地层进行取心作业时，海绵衬筒内壁破损问题更加突出^[16]。因此，除了提高海绵材料自身的抗撕裂强度外，还在整个海绵衬筒内壁上增设了一层保护装置，用长条薄片压紧海绵内衬，确保海绵衬筒的完整性。相比尼龙网内衬，带压条的海绵衬筒不影响岩心进筒时海绵向外扩张，海绵衬筒具有更大的弹性。

选择进不同类型碎石和填充料，模拟不同的取心条件，进行了海绵衬筒的防撕裂试验。结果表明，岩心在驱动力的作用下向上运移，进入带有海绵衬筒的取心筒，由于增设了保护装置，海绵衬筒基本没有损伤，不会影响取心收获率。

3.   海绵取心含油饱和度测量方法

海绵吸油后，用溶剂溶解海绵内的原油，采用分光光度计分析原油组分，并根据标准曲线确定溶液中的油量。原油溶解过程中，不合适的溶剂会破坏海绵，因此需要选择不会破坏海绵结构的溶剂。选取标定的海绵材料应与现场使用的材料相同，不同批次的海绵材料要重新绘制标准曲线。实际取样时需要注意：岩心从衬管取出过程中，应在衬管和岩心上做好对应的标签，使岩心取样点和海绵取样点位置相同。

校准的岩心含油饱和度计算公式为：

式中：${S_{\rm{o}}}$为以孔隙体积百分率表示的含油饱和度；${V_{{\rm{s}}}}$为岩样中的原油体积，cm³；${V_{{\rm{tc}}}}$为海绵样品中的原油体积，cm³；${V_\phi }$为岩样孔隙体积，cm³。

实际应用过程中，岩心含油饱和度计算较为复杂^[17]，需要测定岩心含油量、海绵含油量、总含油量，并通过计算得到总的含油饱和度。储层条件下的含油饱和度S_or的计算公式为：

式中：$\phi$为测量得到的岩心孔隙度；${S_{\rm{wi}}}$为初始含水饱和度；${F_{\rm{o}}}$为实验室测量的原油体积比例因子；${F_1}$为实验室测量的排油因子；${I_\rho }$为岩样密度指数；$\,{\rho _{\rm{b}}}$为岩石密度，kg/m³；K为岩心渗透率，mD。

4.   现场试验

为了验证海绵取心工具取心效果和计算海绵取心含油饱和度，在胜利油田辛50-斜检X井进行了现场试验。该井取心层位在东营组和沙四段，取心井段2039.10～2363.21 m，共计取心22筒次，取心总进尺140.22 m，岩心长127.07 m，平均取心收获率90.6%。其中，前9筒为常规取心，海绵取心1筒次，其余12筒次为密闭取心。海绵取心井段2342.00～2351.00 m，单筒进尺9.00 m，岩心直径88.9 mm，岩心长8.32 m，取心收获率92.4%。

对比该井不同取心方式下的取心收获率发现，海绵取心工具与其他取心工具相比，取心收获率无明显差别，海绵衬筒内径略小于岩心直径不影响取心收获率。

海绵取心岩样上选取不同深度的15个取样点（见图5），分别进行岩样含油饱和度测量和海绵取心总含油饱和度校准。该筒次海绵取心岩样单独测量的平均含油饱和度为47.2%，海绵取心含油饱和度校准后的平均值为54.5%，岩心的总含油饱和度提高了7.3百分点。

图  5  海绵取心含油饱和度分析

Figure  5.  Oil saturation analysis of core sampled by sponge coring tool

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5.   结　论

1）针对取心起钻过程中无法收集岩心逸出原油从而导致岩心含油饱和度测量值偏低的问题，研制了一种海绵取心工具，并给出了储层条件下海绵取心含油饱和度的测量和计算方法。

2）海绵衬筒采用研制的亲油、疏水石墨烯改性海绵，海绵衬筒内径比岩心直径小0.6～1.0 mm，可以吸附岩心逸出的原油，同时不影响岩心收获率。海绵内衬采用长条薄片压紧方式进行保护，确保了海绵衬筒的完整性。

3）海绵取心工具现场试验结果表明，海绵取心工具的取心收获率和常规取心工具无明显差异，利用海绵取心工具可提高岩心含油饱和度的测量值。