溫度和有效應(yīng)力對(duì)低滲儲(chǔ)層孔滲性質(zhì)的影響

姚同玉，李繼山，黃延章

1)中國(guó)石油大學(xué)石油工程學(xué)院，山東東營(yíng)257061;2)勝利油田有限責(zé)任公司地質(zhì)科學(xué)研究院，山東東營(yíng)257015;3)中科院滲流流體力學(xué)研究所，河北廊坊065007

目前，低滲透儲(chǔ)層滲透率應(yīng)力敏感性的研究很多［1-7］，但都是在溫度不變的情況下，采用單向加壓實(shí)驗(yàn)和加壓－松弛循環(huán)實(shí)驗(yàn)，主要研究巖石圍壓變化對(duì)滲透率的影響.由于低滲儲(chǔ)層儲(chǔ)滲空間非常復(fù)雜［8］，油藏條件下多孔介質(zhì)變形與孔隙流體和孔隙充填物間有著較強(qiáng)的相互作用［9］，因此，低滲透儲(chǔ)層的敏感性研究不應(yīng)僅局限于應(yīng)力變形，必須包含溫度變化的影響.另外，這些研究沒有揭示溫度和有效應(yīng)力對(duì)油藏油水滲流過程的影響，而這恰恰是建立油藏耦合滲流模型的基礎(chǔ).本研究采用地層條件下巖石滲透性和孔隙性測(cè)試系統(tǒng)，著重研究了油藏溫度和油藏壓力條件下，低滲介質(zhì)滲透率和孔隙性變化規(guī)律，結(jié)合低場(chǎng)核磁共振測(cè)試和恒速壓汞測(cè)試實(shí)驗(yàn)，研究低滲巖心滲透率響應(yīng)，并根據(jù)兩相流滲流實(shí)驗(yàn)，分析油水兩相流對(duì)低滲介質(zhì)溫度和應(yīng)力的敏感性響應(yīng).

1 溫度和有效應(yīng)力對(duì)低滲巖心滲透率的影響

大型巖石高溫高壓滲透實(shí)驗(yàn)儀可在模擬油藏溫度和應(yīng)力條件下，測(cè)試巖心的滲透率，從而得到溫度和有效應(yīng)力對(duì)巖心滲透率的影響.實(shí)驗(yàn)流程如圖1.測(cè)試中，將低滲巖心放入巖心室后，加圍壓至5 MPa，然后將巖心抽真空，注水使巖心充分飽和，再按穩(wěn)壓法，在一定滲透壓p1、軸壓σ1和圍壓σ2下，通過測(cè)試流量，分析巖心滲透率變化.滲透率測(cè)試實(shí)驗(yàn)是在穩(wěn)態(tài)條件下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)條件分2種，一種為靜水壓力條件σ1=σ2;另一種為軸壓與圍壓不等，σ1－ σ2=5 MPa.

圖1 高溫高壓滲透率實(shí)驗(yàn)儀Fig.1 Experimental setup for permeability measurement at high temperature and high pressure

1.1 靜水壓力下巖心滲透率

實(shí)驗(yàn)中，巖心的初始圍壓為5 MPa，逐漸加壓到20 MPa.再緩慢降壓，逐漸降至10 MPa，測(cè)試整個(gè)過程中滲透率的變化規(guī)律，并分析巖石變形系數(shù)［1］，評(píng)價(jià)巖心應(yīng)力敏感程度，

其中，p0和p分別為初始?jí)毫湍硞€(gè)測(cè)試壓力;k0和k分別為初始條件和壓力為p條件下的滲透率;b為巖石變形系數(shù).靜水壓力條件下，滲透率測(cè)試結(jié)果如表1.其中，Φ為巖石孔隙度，Sk為束縛水飽和度.

表1 靜水壓力條件下滲透率測(cè)試結(jié)果Table 1 Result of permeability testing under hydrostatic pressure

圖2是1#巖心靜水壓力下的測(cè)試結(jié)果，可以看出，靜水壓力條件下，隨著圍壓增加，巖心滲透率降低，軸向位移減小，巖石呈拉伸狀態(tài);圍壓回降時(shí)，滲透率和巖心軸向拉伸應(yīng)變并沒有完全恢復(fù)，巖心發(fā)生塑性應(yīng)變.巖心滲透率越低，巖石變形系數(shù)則越高，巖心塑性應(yīng)變?cè)斤@著，應(yīng)力敏感性越強(qiáng).

圖2 靜水壓力條件下1#巖心滲透率Fig.2 Permeability of core 1#under hydrostatic pressure

1.2 非靜水壓力條件下巖心滲透率

實(shí)驗(yàn)采用3種加載方式，即 σ1－σ2= －5 MPa、σ1= σ2和σ1－σ2=5 MPa，測(cè)試結(jié)果如圖3.圖3表明，巖心滲透率與應(yīng)變特點(diǎn)與靜水壓力條件下相似，σ1與σ2相差5 MPa，對(duì)巖心滲透率影響并不大.壓力回降過程中，滲透率和應(yīng)變均不能恢復(fù)到初始狀態(tài)，這是由于巖石應(yīng)力受壓時(shí)，孔隙喉道閉合，應(yīng)力消失后，受壓微孔不能重新張開，只是大孔隙變形得以恢復(fù)［1］.

圖3 非靜水壓力條件下巖心滲透率測(cè)試Fig.3 Core permeability under non-hydrostatic pressure

1.3 溫度和有效應(yīng)力對(duì)低滲巖心滲透率影響

實(shí)驗(yàn)溫度范圍為0～60℃，圍壓范圍為5～25 MPa，采用靜水壓力實(shí)驗(yàn)條件，結(jié)果如圖4.圖4表明，一定應(yīng)力水平下，溫度越高，巖心滲透率降低幅度越大.溫度對(duì)滲透率的影響機(jī)制為:溫度升高，巖石骨架顆粒熱膨脹，使孔隙喉道進(jìn)一步縮小;另一方面，溫度升高加劇了砂巖巖樣中的黏土分散和膨脹［10-11］，分散后的黏土微粒堵塞了孔隙和喉道，導(dǎo)致滲透率降低.

圖4 不同溫度和應(yīng)力水平下巖心滲透率Fig.4 Core permeability under different ttemperature and stress

2 有效應(yīng)力對(duì)低滲巖心孔隙分布的影響

核磁共振技術(shù)是通過測(cè)量地層巖石孔隙流體中氫核的核磁共振弛豫信號(hào)的幅度和弛豫速率，來探測(cè)地層巖石孔隙結(jié)構(gòu)的一種技術(shù).弛豫信號(hào)的幅度A與地層孔隙度呈正比，弛豫速率t與孔隙大小和流體性質(zhì)有關(guān)［12］.本研究用低場(chǎng)核磁共振測(cè)試不同應(yīng)力條件下孔隙弛豫特點(diǎn)，結(jié)果如圖5.圖5表明，不同應(yīng)力狀態(tài)下，束縛水飽和度不同，有效應(yīng)力越高，束縛水飽和度越大.這說明有效應(yīng)力不僅顯著影響滲透率，同時(shí)制約孔隙體積變化.隨著有效應(yīng)力增加，孔隙和喉道被壓縮，喉道直徑變小，從而引起孔隙連通性變差，有些連通孔隙被分隔、孤立，成為不可滲入孔隙，致使巖心束縛水飽和度增加.

圖5 巖心在不同應(yīng)力狀態(tài)下核磁共振結(jié)果Fig.5 Result of Nuclear Magnetic Resonance testing of cores under different stress

3 有效應(yīng)力對(duì)低滲巖心微觀孔隙結(jié)構(gòu)的影響

恒速壓汞技術(shù)可以直接測(cè)量多孔介質(zhì)中孔隙和喉道大小、數(shù)量，給出孔隙中孔道和喉道的信息［13］，利用恒速壓汞技術(shù)研究了勝利油區(qū)低滲透油藏巖心在不同應(yīng)力狀態(tài)下的孔隙結(jié)構(gòu)，測(cè)試結(jié)果如圖6.由圖6可見，不同應(yīng)力狀態(tài)下，巖心孔隙大小及分布性質(zhì)差別并不大，應(yīng)力對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)影響主要體現(xiàn)在喉道大小和分布上，與初始狀態(tài)相比，應(yīng)力增加，小喉道測(cè)試頻率減小，而大喉道的測(cè)試頻率增加，說明應(yīng)力對(duì)小喉道的影響更大，使小喉道變形更嚴(yán)重.根據(jù)Poiseuille方程，得到喉道半徑對(duì)滲透率的貢獻(xiàn)方程為

其中，Δη為喉道半徑對(duì)滲透率的貢獻(xiàn);ri為喉道i的半徑;ai為喉道i的半徑分布頻率.

根據(jù)式 (2)分析不同應(yīng)力條件下喉道半徑對(duì)巖心滲透率的貢獻(xiàn)，如圖7.由圖7可見，有效應(yīng)力較低時(shí)，峰值喉道半徑對(duì)滲透率貢獻(xiàn)小;稍大的喉道對(duì)滲透率貢獻(xiàn)顯著;應(yīng)力增加，小喉道對(duì)滲透率貢獻(xiàn)減小，大喉道對(duì)滲透率的貢獻(xiàn)增大.這說明，有效應(yīng)力改變了低滲透油藏微觀孔隙結(jié)構(gòu)，不僅改變喉道半徑大小和分布，還改變了喉道半徑對(duì)滲透率的貢獻(xiàn).

圖6 不同應(yīng)力狀態(tài)下巖心恒速壓汞測(cè)試結(jié)果Fig.6 Result of rate-controlled mercury penetration testing of cores under different stress

圖7 巖心孔隙喉道對(duì)滲透率貢獻(xiàn)對(duì)比圖Fig.7 Contribution of pore throat to the rock permeability

4 溫度和有效應(yīng)力對(duì)低滲巖心中油水兩相流的影響

在油藏開采過程中，油藏流體滲流與巖石應(yīng)變相互影響制約，因此，研究了溫度和有效應(yīng)力對(duì)低滲巖心中油水兩相流的影響.本實(shí)驗(yàn)按照石油工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SYT5435-1999進(jìn)行.原油為渤南油田低滲油層原油模擬油(50℃下黏度0.865 mPa·s)，注入水為模擬地層水.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8.圖8表明，油相相對(duì)滲透率隨有效應(yīng)力增加而降低，而水相滲流過程基本不受應(yīng)力條件影響，但束縛水飽和度增加，這與核磁共振和恒速壓汞測(cè)試結(jié)果一致.這是因?yàn)?，巖石有效應(yīng)力增加，骨架顆粒受壓縮，緊密排列，巖心孔隙平均喉道、主流喉道半徑降低，水相在孔隙中重新分布，占據(jù)更多的孔喉空間，堵塞油相在孔隙中滲流，因而，油相相對(duì)滲透率降低.溫度升高時(shí)，低滲巖心滲透率減小幅度很大，但對(duì)于油水兩相流滲流過程，油相相對(duì)滲透率增大，水相相對(duì)滲透率降低，主要原因是，溫度升高，加劇了砂巖巖樣中的黏土分散、膨脹［10-11］，增加水相滲流阻力，使水相相對(duì)滲透率減小;同時(shí)溫度升高會(huì)使孔隙表面吸附的膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等大分子脫附下來，潤(rùn)濕性向親水方向轉(zhuǎn)變［14］，從而使油相相對(duì)滲透率增大.

圖8 溫度和應(yīng)力對(duì)油水相對(duì)滲透率曲線的影響Fig.8 Effect of temperature and stress on oil/water relative permeability

結(jié) 語

綜上研究可知:① 有效應(yīng)力對(duì)滲透率的影響主要在于有效應(yīng)力對(duì)喉道的壓縮作用，喉道直徑變小，孔隙連通性變差，有些連通孔隙被分隔、孤立，成為不可入孔隙，束縛水飽和度增加;② 一定應(yīng)力水平下，溫度越高，巖心滲透率降低幅度越大，溫度對(duì)滲透率的影響主要在于溫度升高加劇黏土礦物分散，以及骨架顆粒熱膨脹對(duì)喉道壓縮作用;③溫度和有效應(yīng)力也會(huì)影響低滲巖心中油水兩相滲流.

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