盛英帥 胡清雄 高輝 師永民,? 黨永潮 邵飛 杜書恒 方媛媛

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低滲透儲(chǔ)層原位條件下應(yīng)力敏感性評(píng)價(jià)

盛英帥1胡清雄2高輝2師永民1,?黨永潮3邵飛3杜書恒1方媛媛1

1. 北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院, 北京 100871; 2. 中國(guó)石油天然氣股份有限公司新疆油田分公司采氣一廠, 克拉瑪依 834000; 3. 中國(guó)石油天然氣股份有限公司長(zhǎng)慶油田分公司第一采油廠, 延安 727501; ? 通信作者, E-mail: sym@vip.163.com

為探討圍壓和孔隙壓力對(duì)巖石滲透率的影響及巖石滲透率敏感性評(píng)價(jià)的新方法, 選取松遼盆地3塊低滲透儲(chǔ)層巖樣, 采用巖石伺服三軸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng), 分別做常規(guī)條件和原位條件下的應(yīng)力敏感性評(píng)價(jià), 得到三方面結(jié)果。1) 3 塊樣品的滲透率隨圍壓增大而降低, 隨著孔隙壓力的增大而增大。2) 原位條件下, 物性越差的樣品儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性越強(qiáng)。借助掃描電子顯微鏡和恒速壓汞實(shí)驗(yàn), 解釋了低滲透儲(chǔ)層敏感性差異存在的機(jī)理。儲(chǔ)層巖石喉道的大小和形態(tài)、黏土含量和類型、礦物膠結(jié)程度是決定滲透率敏感性差異的原因。3) 塑性礦物含量和類型是決定滲透率敏感性差異的主要因素, 即云母、黏土等塑性礦物含量越高, 致密巖石儲(chǔ)層滲透率應(yīng)力敏感性越強(qiáng)。在實(shí)際工作中, 評(píng)價(jià)巖石滲透率敏感性時(shí)一般只考慮圍壓?jiǎn)我蛩氐挠绊? 會(huì)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果帶來(lái)較大的人為誤差, 而巖樣地層所處的孔隙壓力等條件對(duì)滲透率影響不容忽視。為準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)低滲透儲(chǔ)層的應(yīng)力敏感特征, 制定更合理的生產(chǎn)壓差, 建議進(jìn)行巖樣滲透率敏感性評(píng)價(jià)時(shí), 恢復(fù)地下原位條件。

原位條件; 滲透率; 應(yīng)力敏感; 微觀結(jié)構(gòu)

石油天然氣開發(fā)過(guò)程中, 滲透率和孔隙度是評(píng)價(jià)儲(chǔ)層的兩個(gè)重要參數(shù)。儲(chǔ)層在地下受到上覆地層壓力、構(gòu)造應(yīng)力、孔隙流體壓力的作用, 并處于一個(gè)相對(duì)平衡的系統(tǒng)中。隨著油氣開發(fā)的進(jìn)行, 巖石骨架承受凈上覆應(yīng)力增大, 平衡會(huì)被打破, 表征巖石滲流能力的滲透率也將改變, 這就是儲(chǔ)層巖石滲透率應(yīng)力敏感性[1]。

有關(guān)圍壓、孔隙壓力、溫度等條件對(duì)不同巖石滲透率的影響, 已有大量研究。Ghabezloo 等[2]研究了灰?guī)r在有效應(yīng)力作用下對(duì)滲透率的影響, 并指出孔隙壓力對(duì)滲透率的影響大于圍壓。Morrow 等[3]總結(jié)出花崗巖的滲透率隨著圍壓、有效應(yīng)力的增大而滲透率降低的規(guī)律, 指出裂縫的存在對(duì)巖樣滲透率有較大的影響。Li等[4]提出E-bei的砂巖具有較強(qiáng)的應(yīng)力敏感性和應(yīng)力敏感滯后, 認(rèn)為原因是砂巖為非彈性材料, 卸載后不能較好地恢復(fù)原狀。Al-Wardy[5]依據(jù)富含黏土礦物的砂巖滲透率對(duì)孔隙壓力的敏感性強(qiáng)于對(duì)圍壓的敏感性, 定性地解釋了黏土含量和應(yīng)力對(duì)巖石滲透率的影響。賀玉龍等[6]初步提出溫度和有效應(yīng)力對(duì)砂巖滲透率的影響機(jī)制, 認(rèn)為有效應(yīng)力對(duì)砂巖滲透率的影響主要在于有效應(yīng)力對(duì)孔隙和喉道的壓縮作用, 而溫度的影響主要是加劇黏土礦物的分散作用以及砂巖骨架的熱膨脹對(duì)喉道的壓縮作用。張海勇等[7]從裂縫介質(zhì)變形的機(jī)制方面定量地分析了裂縫性低滲透儲(chǔ)層的應(yīng)力敏感特征。Dong 等[8]針對(duì)頁(yè)巖和砂巖, 分析應(yīng)力對(duì)孔隙度和滲透率的影響, 結(jié)果顯示, 頁(yè)巖和砂巖的孔隙度敏感性基本上相同, 頁(yè)巖的滲透率則比砂巖敏感。肖文聯(lián)等[9]對(duì)低滲透致密砂巖做應(yīng)力敏感性評(píng)價(jià), 研究了不同圍壓下滲透率隨孔隙流體壓力的變化規(guī)律, 結(jié)果顯示, 滲透率隨著孔隙流體壓力的降低而減小, 隨著孔隙壓力的增加而增加; 低圍壓下滲透率的變化幅度較大, 高圍壓下變化幅度較小。胡大偉等[10]對(duì)多孔紅砂巖進(jìn)行了三軸壓縮實(shí)驗(yàn), 結(jié)果顯示, 初始?jí)簩?shí)階段和彈性變形階段試樣滲透率均勻減小, 塑性變形階段滲透率與軸向變形曲線逐漸趨于水平。劉曉旭等[11]闡述了低滲透儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性產(chǎn)生的機(jī)理, 分析了內(nèi)部因素和外部因素的影響。

綜上所述, 前人的研究主要集中在有效應(yīng)力對(duì)儲(chǔ)層滲透率的影響(有效應(yīng)力增大, 滲透率減小, 有效應(yīng)力的改變主要通過(guò)圍壓變化來(lái)實(shí)現(xiàn))方面, 較少注重孔隙壓力變化對(duì)儲(chǔ)層巖石滲透率的作用, 儲(chǔ)層敏感性機(jī)理方面的研究較為欠缺, 沒(méi)有形成一致的認(rèn)識(shí)。

本研究針對(duì)以上問(wèn)題, 利用三軸孔隙壓力伺服實(shí)驗(yàn), 分別變化圍壓和孔隙壓力, 測(cè)定儲(chǔ)層的滲透率, 并借助掃描電子顯微鏡、X 射線衍射全巖分析、恒速壓汞實(shí)驗(yàn)等手段, 解釋儲(chǔ)層滲透率應(yīng)力敏感性的機(jī)理。本文研究結(jié)果可以為油氣不同開發(fā)階段應(yīng)力變化對(duì)滲透率的改變提供新認(rèn)識(shí), 為低滲透油田開發(fā)方案的制定提供理論與實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)特征和實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方法原理

儲(chǔ)層巖石的應(yīng)力敏感性指油氣藏巖石的滲透率等物性參數(shù)隨應(yīng)力條件變化而變化的性質(zhì)。儲(chǔ)層巖石同時(shí)受到上覆壓力和孔隙壓力的共同作用[12], 有效應(yīng)力指圍壓和孔隙壓力的差值。探討滲透率的應(yīng)力敏感性, 可以通過(guò)改變圍壓或孔壓兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)有效應(yīng)力的變化。變圍壓應(yīng)力敏感性的實(shí)驗(yàn)研究的理論基礎(chǔ)是建立在 Terzaghi 有效應(yīng)力[13]基礎(chǔ)之上的:

eff=c?p, (1)

其中,eff為有效應(yīng)力(MPa),c為圍壓(MPa),p為孔隙壓力(MPa)。

采用穩(wěn)態(tài)法測(cè)定巖芯氣體滲透率, 實(shí)驗(yàn)樣品的滲透率用達(dá)西定律(Darcy’s Law)[14]計(jì)算:

其中,a為氣體滲透率(10?3μm2),o為出口氣體流量(mL/s),a為大氣壓力(MPa),為氣體的黏度(MPa·s),為樣品長(zhǎng)度(cm),1為入口壓力(MPa),2為出口壓力(MPa),為樣品橫截面積(cm2)。

有效應(yīng)力改變會(huì)影響儲(chǔ)層巖石的滲透率, 因此滲透率可以表示成有效應(yīng)力的函數(shù)[15]:

=(eff), (3)

其中,為滲透率(μm2),(eff)為有效應(yīng)力與滲透率之間的函數(shù)。

為使巖樣所受應(yīng)力恢復(fù)至地層原位條件, 采用Taw 巖石三軸孔隙壓力伺服實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(圖 1)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。該系統(tǒng)由圍壓、孔隙壓力和軸向壓力3套獨(dú)立的加載部分組成, 可以進(jìn)行應(yīng)力?滲流耦合等巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中, 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制下, 按照0.02 mm/min的應(yīng)變速率, 對(duì)樣品進(jìn)行應(yīng)力加載。巖石在不同圍壓和孔隙壓力下的孔隙滲透實(shí)驗(yàn), 測(cè)量分辨率高達(dá) 1/200000。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的具體參數(shù)見(jiàn)表1, 實(shí)驗(yàn)流程見(jiàn)圖2。

儲(chǔ)層的上覆地層壓力是由該深度巖石的骨架和孔隙流體的總質(zhì)量產(chǎn)生的壓力, 計(jì)算公式[16]為

ob= [w+ ( 1 ?)s], (4)

其中,ob為上覆地層壓力(MPa),為孔隙度(%),w為地層水密度(g/cm3),s為巖石骨架密度(g/cm3),為重力常數(shù)(N/kg),為潛水面至油層的深度(km)。

表1 實(shí)驗(yàn)儀器參數(shù)

說(shuō)明: FS表示滿量程(full scale)。

儲(chǔ)層巖石的孔隙壓力w(MPa)是由巖石孔隙流體質(zhì)量所產(chǎn)生的壓力, 計(jì)算公式[16]為

w=w。 (5)

1.2 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)樣品選自松遼盆地南部扶余油層的3類不同儲(chǔ)層。實(shí)驗(yàn)前對(duì)巖樣進(jìn)行預(yù)處理, 主要包括巖樣的洗油和烘干。洗油用酒精和苯的混合物, 烘干溫度控制在 45oC, 連續(xù)烘干 36 小時(shí)。巖樣具體的信息如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)樣品信息

說(shuō)明: 密度是巖樣洗油烘干后測(cè)算。

根據(jù)式(3)和(4), 儲(chǔ)層上覆地層壓力主要根據(jù)埋藏深度、孔隙度、巖石骨架密度以及地層水密度來(lái)確定。采樣區(qū)的巖石骨架密度平均為2.65 g/cm3, 設(shè)計(jì)編號(hào)為1, 2和3的實(shí)驗(yàn)樣品所處的圍壓分別為28, 30 和 30 MPa, 孔隙壓力分別為 18, 20 和 20 MPa。

2 原位條件下敏感性評(píng)價(jià)

利用三軸巖石力學(xué)系統(tǒng), 分別在常規(guī)條件下(不施加孔隙壓力, 只逐步施加和卸載圍壓)和地層原位條件下對(duì)樣品進(jìn)行應(yīng)力敏感性評(píng)價(jià)。

常規(guī)條件下, 保持巖樣所受的孔隙壓力為 0 MPa不變, 圍壓從 2 MPa 持續(xù)加載到 40 MPa (步長(zhǎng) 2 MPa), 隨后卸載圍壓(步長(zhǎng) 2 MPa)。在每種狀態(tài)下測(cè)量滲透率(圖3), 可以看出, 不同圍壓下 3 塊樣品的滲透率變化較大, 具有較強(qiáng)的壓敏性。樣品 2 的壓力敏感性強(qiáng)于其他兩塊樣品。圍壓卸載后, 樣品1的滲透率損失小于其他兩塊樣品。

常規(guī)條件下, 保持巖樣所受的圍壓為 0 MPa不變, 孔隙壓力從8 MPa持續(xù)加載到26 MPa (步長(zhǎng) 2 MPa), 在每種狀態(tài)下測(cè)量滲透率(圖 4)?？梢钥闯? 不同孔壓下 3 塊樣品滲透率變化較大, 具有較強(qiáng)的壓敏性。樣品3滲透率對(duì)孔隙壓力的敏感性強(qiáng)于其他兩塊樣品。

原位條件下, 3塊樣品的圍壓分別為28, 30和30 MPa, 孔隙壓力分別為18, 20和20 MPa, 分別變化圍壓和孔隙壓力條件: 1) 圍壓保持原位條件, 孔隙壓力從10 MPa增加到26 MPa (步長(zhǎng)2 MP); 2) 孔隙壓力保持原位條件, 圍壓從22 MPa增加到40 MPa (步長(zhǎng)2 MPa)。

原位條件下, 通過(guò)改變圍壓和孔隙壓力, 儲(chǔ)層樣品滲透率的變化不一致。如圖 5 所示, 隨著圍壓增大, 滲透率減小, 減小幅度比常規(guī)條件下大大降低; 但是隨著物性變差, 從樣品 1 至樣品 3 滲透率壓敏性增強(qiáng)。如圖 6 所示, 滲透率隨孔隙壓力增大而增大, 隨著物性變差, 滲透率敏感性增強(qiáng)。

常規(guī)條件下滲透率表現(xiàn)出較強(qiáng)的敏感性。有效應(yīng)力從2 MPa變化到20 MPa時(shí), 樣品2的滲透率變化率約為82.87%。在有效應(yīng)力從4 MPa變到20 MPa的條件下, 對(duì)3塊樣品測(cè)算滲透率的敏感性。從表 3 看出: 不施加孔隙壓力, 只改變圍壓, 滲透率應(yīng)力敏感性最強(qiáng), 樣品1, 2和3的滲透率變化率分別為40.95%, 66.42%和62.63%; 不施加圍壓, 只改變孔隙壓力, 滲透率也表現(xiàn)出較強(qiáng)的敏感性, 有效應(yīng)力從8 MPa變到26 MPa時(shí), 樣品1, 2和3的滲透率的變化率分別為42.15%, 45.81%和52.62%。

如表3所示, 原位條件下, 對(duì)3塊巖樣分別通過(guò)改變圍壓和孔隙壓力的方式, 將有效應(yīng)力從 4 MPa變化到20 MPa。結(jié)果顯示: 物性最差的樣品3滲透率變化最大, 兩種情況下分別為 57.28%和41.67%; 物性最好的樣品 1 滲透率變化最小, 兩種情況下分別為 10.84%和 11.26%; 樣品 2 滲透率變化居中, 兩種情況下分別為 45.04%和 30.71%。從數(shù)據(jù)分析看, 隨著物性變差, 滲透率變化率增大, 即滲透率隨應(yīng)力增大敏感性增強(qiáng)。

表3 不同條件下滲透率的變化率

3 敏感性變化機(jī)制研究

低滲透致密儲(chǔ)層巖石發(fā)生滲透率應(yīng)力敏感, 主要是由于應(yīng)力狀態(tài)的改變導(dǎo)致承載骨架顆粒與孔喉結(jié)構(gòu)間的原始狀態(tài)發(fā)生變化, 使得滲流通道發(fā)生變化[17]。低滲透致密儲(chǔ)層巖石滲透率應(yīng)力敏感在常規(guī)條件和原位條件表現(xiàn)異同, 物性變化引起應(yīng)力敏感的差異。因此, 下面主要從巖石學(xué)特征以及孔喉結(jié)構(gòu)和分布特征進(jìn)行分析。

3.1 巖石學(xué)特征

儲(chǔ)層巖石骨架礦物和填隙物具有不同的硬度和力學(xué)性質(zhì)。石英、長(zhǎng)石等硬度和脆性強(qiáng)的骨架顆粒在應(yīng)力改變時(shí)可壓縮性小; 云母、黏土等塑性礦物在外力作用下易變形破碎, 細(xì)小的顆粒之間發(fā)生位移、流動(dòng), 進(jìn)入巖石的孔隙或是堵塞孔隙和喉道, 直接導(dǎo)致樣品的滲透率和孔隙度降低。在只施加圍壓情況下, 剛性礦物和黏土礦物受到壓力時(shí), 礦物之間的孔隙減小, 使得滲透性降低(圖 7(a))。在同時(shí)施加圍壓和孔隙壓力情況下, 礦物不僅受到圍壓的作用, 降低滲透性, 也受到孔隙壓力的支撐, 增大滲透率(圖 7(b))。云母、黏土等塑性礦物易在外力的作用下壓縮, 因此塑性礦物含量越高, 滲透率應(yīng)力敏感性越強(qiáng)。

何江等[18]研究了低滲儲(chǔ)層巖石學(xué)特征與應(yīng)力敏感性的關(guān)系, 認(rèn)為巖石樣品骨架顆粒中柔性巖屑以及填隙物中基質(zhì)等含量與應(yīng)力敏感性正相關(guān)。因此, 不同的礦物類型和含量對(duì)于巖樣滲透率壓敏性有較大影響。利用X射線衍射技術(shù), 對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品礦物類型和含量進(jìn)行分析, 結(jié)果如表 4 所示。樣品 3的塑性礦物含量達(dá)到 28.53%, 樣品 1 的塑性礦物含量約為 14.50%, 樣品 2 的塑性礦物含量居中。孔隙壓力恢復(fù)至原位條件下時(shí), 隨著圍壓的增大, 巖樣的滲透率大幅度減小。這主要是因?yàn)殡S著圍壓的增大, 塑性礦物變形和破碎, 堵塞了大量孔隙和喉道。

表4 樣品礦物含量

3.2 孔喉結(jié)構(gòu)和分布特征

致密巖石的孔隙受壓敏性的影響較小, 喉道大小和形狀是決定巖石應(yīng)力敏感程度的主要因素。為了直觀地解釋孔喉結(jié)構(gòu)與壓敏性的關(guān)系, 借助掃描電子顯微鏡分析樣品的孔喉結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明: 儲(chǔ)層孔隙以粒間孔為主, 微裂縫主要以粒間縫、粒緣縫和穿粒縫的形式存在, 是孔隙之間的連通通道; 孔隙與微裂縫內(nèi)部充填巖屑、黏土礦物和有機(jī)質(zhì)等填隙物, 充填于喉道中的黏土礦物是導(dǎo)致滲透性降低的重要因素, 滲透性越好的樣品黏土礦物含量越少(圖8)。

采用恒速壓汞的實(shí)驗(yàn)手段, 分析孔喉大小的分布。如 圖 9 所示, 3 塊樣品的喉道分布有較大差異。物性較好的儲(chǔ)層(樣品 1 和樣品 2)對(duì)滲透率有貢獻(xiàn)的喉道半徑為 1~8 μm, 而物性差的樣品 3 巖性致密, 孔喉數(shù)量少, 喉道半徑主要分布在 1~3 μm范圍。在原位條件下, 物性差的樣品 3 滲透率的壓敏性最強(qiáng)。實(shí)際上, 低滲透巖石受到應(yīng)力影響后, 巖石滲流孔道變小, 由于壓力梯度等因素的影響, 最小的滲流孔道最先喪失滲流能力, 且隨著有效應(yīng)力不斷增大, 越來(lái)越多的小孔道喪失滲流功能[19]。物性差的儲(chǔ)層樣品主要分布小半徑喉道, 且數(shù)量少, 隨著有效應(yīng)力增大, 小孔隙和喉道逐漸失去滲流能力, 滲透率減小。喉道分布不均一、孔喉半徑較大的樣品, 孔隙和喉道逐漸被壓縮, 滲透率降低。當(dāng)有效應(yīng)力繼續(xù)增大時(shí), 發(fā)生礦物位移和壓縮, 巖石總體壓縮性降低, 滲透率降低的幅度大大減小。因此, 在原位條件下改變有效應(yīng)力, 巖性越致密的儲(chǔ)層滲透率敏感性越強(qiáng)。

4 結(jié)論

1) 本研究對(duì)致密儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)定, 常規(guī)條件和原位條件下的結(jié)果相差較大大。常規(guī)條件下, 致密儲(chǔ)層表現(xiàn)出中強(qiáng)應(yīng)力敏感性; 恢復(fù)至原位條件下, 即使隨著圍壓的增大, 由于孔隙壓力支撐孔隙和喉道不閉合, 致密儲(chǔ)層表現(xiàn)出中弱應(yīng)力敏感性。

2) 云母、黏土等塑性礦物含量越高, 致密巖石儲(chǔ)層滲透率應(yīng)力敏感性越強(qiáng)。

3) 致密儲(chǔ)層喉道半徑的大小和數(shù)量是決定巖石應(yīng)力敏感性的重要因素。

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Evaluation on Stress Sensibility of Low ReservoirConditions

SHENG Yingshuai1, HU Qingxiong2, GAO Hui2, SHI Yongmin1,?, DANG Yongchao3, SHAO Fei3, DU Shuheng1, FANG Yuanyuan1

1. School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871; 2. The First Gas Production Plant, Xinjiang Oilfield Company, PetroChina, Kelamayi 834000; 3. The First Oil Production Plant, Changqing Oilfield Company, PetroChina, Yan’an 727501; ? Corresponding author, E-mail: sym@vip.163.com

In order to study the effect of confining press and pore press on permeability, the new method of evaluation on stress sensibility is proposed. Three pieces of low permeable reservoir rock samples in Songliao Basin are selected. A servo-controlled triaxial rock mechanics test system is employed to investigate the permeability of sandstone samples under conventional conditions andconditions. The results show that: 1) The permeability of three pieces of samples reduce with confining press increasing and pore press reducing. 2) The denser the rock is, the stronger stress sensitivity is,conditions, which explains the mechanism of low permeability reservoir sensitivity differences by means of X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), constant speed mercury injection experiment. What’s more, throat size and shape, plastic mineral content and type contribute to the differences of permeability sensitivity. 3) Mineral content and type of plastic are the major factor of the sensitivity of permeability differences. The stress sensitivity of tight reservoir permeability rock becomes strong with the increasement of mica, clay and other plastic mineral content. In the practical work, evaluation on stress sensitivity of permeability, the effect of confining pressure single factor is mostly considered, butthe effect pore presss would be ignored, which is bound to bring larger human error. So evaluation on stress sensibilityconditions is essential, which is significant for further understanding of stress sensitivity of low permeability reservoir characteristics and development.

conditions; permeability; stress sensitivity; microscopic structure

10.13209/j.0479-8023.2016.050

TE348

國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2016zx05013-005)資助

2015-06-09;

2015-09-21;

網(wǎng)絡(luò)出版日期: 2016-09-29