致密砂巖裂縫型油氣藏巖心人工裂縫制備方法

戰(zhàn)永平， 付春麗， 李松巖

(1.中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東 青島 266555；2. 中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司，山東 青島 266555)

致密砂巖裂縫型油氣藏巖心人工裂縫制備方法

戰(zhàn)永平1， 付春麗2， 李松巖1

(1.中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東 青島 266555；2. 中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司，山東 青島 266555)

巖心的人工造縫技術(shù)是模擬致密砂巖裂縫型油氣藏儲層特征有效方法。依據(jù)巖石裂縫形成發(fā)展趨勢與巖石破壞機理相似特性，對巖心進(jìn)行不同方式的破壞產(chǎn)生不同形式的裂縫，運用刀刃徑向拉伸和徑向共軛剪切破壞可制備出具有一條貫穿裂縫的巖心。運用軸向集中應(yīng)力徑向拉伸破壞，通過監(jiān)測差應(yīng)力的大小和方位，控制裂縫的擴展和裂縫網(wǎng)絡(luò)的形態(tài)，達(dá)到制備出具有多條非貫通裂縫的巖心。人工裂縫制備方法，對于推動致密砂巖裂縫型油氣藏巖心室內(nèi)分析技術(shù)的發(fā)展具有重要的意義。

致密砂巖裂縫型油氣藏； 巖石破壞形式； 貫穿縫； 非貫穿縫

0 引 言

致密砂巖裂縫型油氣藏是指致密砂巖中含有油氣運移的發(fā)育裂縫的一類低滲透砂巖油氣藏。據(jù)統(tǒng)計，目前裂縫型低滲儲集層油氣產(chǎn)量占整個油氣產(chǎn)量的一半以上，占準(zhǔn)備投產(chǎn)的油氣儲量的2/3以上[1-2]。因此，對致密砂巖裂縫型油氣藏巖心進(jìn)行油氣儲層室內(nèi)評價及傷害實驗具有重要的現(xiàn)實意義。

致密砂巖裂縫型油藏的巖石一般硬度較大，質(zhì)地脆弱，天然裂縫巖心的獲得十分有限。目前，一般利用造縫工具對基質(zhì)巖心進(jìn)行人工造縫的方法模擬致密砂巖裂縫型油氣藏[3-6]，其方法主要有壓縫法、劈縫法[7-9]以及切割法[10]。利用造縫工具只能形成一條沿巖心軸向貫穿的裂縫，雖然也可以模擬致密砂巖裂縫性油氣藏，但存在著巖心易破碎，成功率低，重現(xiàn)驅(qū)替時易斷裂的問題。

本文利用人工非貫穿裂縫巖心對貫穿縫的造縫方法進(jìn)行了改進(jìn)，根據(jù)巖石的破壞形式，利用軸向集中力對巖心進(jìn)行劈裂造縫。此方法不僅操作簡單，破損小，成功率高，并且可造出具有裂縫網(wǎng)絡(luò)的巖心[11]，可更加準(zhǔn)確模擬裂縫性油藏。

1 研究原理

裂縫性致密砂巖油藏最主要的特點為裂縫發(fā)育，儲層裂隙，滲透率高，是其重要的滲流或儲集空間[12]，主要起導(dǎo)油作用，儲層基質(zhì)孔隙度較大，主要起儲油作用[13]。儲層發(fā)育裂縫的形成是由于巖石受力產(chǎn)生的一種脆性破裂的結(jié)構(gòu)，根據(jù)裂縫形成時所受力的性質(zhì)，可將裂縫分為張拉裂縫、剪切裂縫。張拉裂縫是由張應(yīng)力作用而產(chǎn)生的裂縫，剪切裂縫是由于剪應(yīng)力作用而形成的裂縫[14-15]。裂縫的形成與巖石的破壞具有相似性。因此，可運用巖石破壞機理進(jìn)行人工造縫模擬天然裂縫。

巖石在低溫、低圍壓及高應(yīng)變率條件下一般發(fā)生脆性破壞；相反，則表現(xiàn)為延性破壞或延性流動。室內(nèi)巖心一般表現(xiàn)為脆性狀態(tài)，一般發(fā)生張性破裂或剪切破裂，張性破裂的破裂方向平行于最大應(yīng)力方向或垂直于最大拉應(yīng)力方向；剪切破裂，其破裂面最初方向與最大應(yīng)力之間夾角小于45°。圖1是幾種典型的巖石破壞形式。

(a)單軸壓力張性破裂(b)三軸應(yīng)力 剪切破裂(c)集中應(yīng)力 張性破裂

圖1 幾種典型的巖石破壞形式

2 貫穿縫制備

根據(jù)巖石的破壞形式，利用造縫設(shè)備使巖石發(fā)生徑向拉伸或者剪切破壞形成裂縫。

(1) 刀刃徑向拉伸。如圖2所示，在圓柱狀巖心周向上用一對對齊的刀刃施加壓力p，刀刃沿加載直徑切入巖心，產(chǎn)生垂直于加載直徑的拉伸應(yīng)力，在拉伸應(yīng)力作用下，沿壓力p的方向形成裂縫。此造縫方式，裂縫壁面不會產(chǎn)生摩擦滑動，裂縫面粗糙，但只能形成一條裂縫，無法造出多條裂縫。

(2) 徑向共軛剪切。如圖3所示，將圓柱狀巖心放入由兩個金屬半圓柱面組成的圓柱孔內(nèi)，使巖心徑向受到一對共軛壓力，巖心在相對壓應(yīng)力的作用下，沿徑向裂開，生成剪切裂縫。此造縫方式，裂縫壁面會產(chǎn)生摩擦滑動，裂縫面較光滑，但只能形成一條裂縫，無法造出多條裂縫。

圖2 刀刃徑向拉伸造縫

圖3 徑向剪切造縫

3 非貫穿縫制備

根據(jù)巖石集中應(yīng)力的張性破裂形式，若讓其破壞產(chǎn)生非貫穿的張拉裂縫，只是簡單從巖心兩側(cè)施加壓力是難以實現(xiàn)的。因此，設(shè)計了直徑為1 mm的40Cr結(jié)構(gòu)合金鋼鋼絲若干，借助此鋼絲使巖心發(fā)生軸向集中應(yīng)力徑向拉伸破壞(見圖4)。

圖4 軸向集中應(yīng)力徑向拉伸

施加壓力p作用于鋼絲，巖心在鋼絲軸向集中應(yīng)力的作用下，沿壓力p方向形成一條非貫通裂縫。取下鋼絲，調(diào)整鋼絲的方位，繼續(xù)造縫。此造縫方式，不僅保持了巖心的完整性，并且可造出多條壁面粗糙的非貫穿的交叉裂縫，可以更好模擬致密砂巖裂縫型油氣藏。

4 非貫穿縫的控制

刀刃徑向拉伸與徑共軛剪切造縫，裂縫的產(chǎn)生從承載壓力不再上升開始，直至巖心伴隨“砰”的一聲脆響為止，產(chǎn)生一條貫穿的宏觀裂縫。軸向集中應(yīng)力徑向拉伸造縫成縫過程與貫穿縫基本一致，但其裂縫的擴展以及裂縫網(wǎng)絡(luò)形態(tài)可以較好地進(jìn)行控制。

(1) 裂縫擴展控制。在差應(yīng)力的作用下，巖石會發(fā)生變形，會發(fā)生體積的非彈性膨脹，隨著差應(yīng)力的增大，巖石表現(xiàn)出膨脹局部化時，會產(chǎn)生脆性破壞，隨即產(chǎn)生一條宏觀非貫穿裂縫。因此，通過監(jiān)測差應(yīng)力的大小，控制裂縫的擴展是可行的。

(2) 裂縫網(wǎng)絡(luò)形態(tài)控制。致密砂巖在軸向集中應(yīng)力作用下發(fā)生脆性破壞時，幾乎總是形成一條平行于加載方向的裂縫。據(jù)此，改變集中應(yīng)力的加載位置，可在不同方向上多次造縫，一般可以獲得1～4條壁面粗糙的交叉裂縫，可以為正交裂縫、斜交裂縫、放射狀裂縫，其形態(tài)如圖5所示。

(a) 正交

(b) 斜交

(c) 放射狀

5 結(jié) 語

本文主要分析了人工貫穿裂縫與非貫穿裂縫的造縫方式，非貫穿裂縫的軸向集中應(yīng)力造縫方式具有操作簡單，裂縫形態(tài)多樣，巖心狀態(tài)完整的優(yōu)點，解決了人工貫穿裂縫巖心流動實驗過程中，沿貫穿裂縫面出現(xiàn)的刺漏與斷裂的問題，可更好地模擬致密砂巖裂縫性油藏。

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The Artificial Cracks Preparation Method for the Tight Sandstone Facture Reservoir

ZHANYong-ping1,FUChun-li2，LISong-yan1

(1. Petroleum Engineering, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266555, Shandong, China； 2. CNPC Offshore Engineering Company Limited, Qingdao 266555, Shandong, China)

Artificial fracture is a good way to simulate the tight sandstone fracture reservoirs. Different artificial fractures were made by using the different breaks, the core with a through crack was made with the blade radial stretch and radial conjugate shear break. The core with multiple non-penetrating crack was made with the axial radial stress, and fracture expansion and network form were controlled by monitoring the size and orientation of stress. Artificial fracture has the vital significance to develop the core laboratory analysis technology of the tight sandstone fracture reservoirs.

tight sandstone facture reservoir； core breaking form; through crack； non-interpenetrated crack

2016-03-25

國家自然科學(xué)基金資助項目(51304229)；中國石油大學(xué)(華東)精品實驗建設(shè)項目(JS201402)

戰(zhàn)永平(1982-)，男，山東招遠(yuǎn)人，實驗師，現(xiàn)從事壓裂實驗、壓裂實驗方案優(yōu)化等方面的教學(xué)與研究。

Tel.：15275290018；E-mail：zhanyongping@upc.edu.cn

TE 321

A

1006-7167(2017)01-0010-03