氣體鉆井中致密砂巖流固耦合實(shí)驗(yàn)研究

辜思曼，孟英峰，李皋，羅成波，李盼

（西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610500）

0 引言

通常流固耦合的表現(xiàn)形式可歸結(jié)為2 類： 一類是當(dāng)巖石受較大應(yīng)力作用發(fā)生變形破壞時，其滲透率大幅變化； 另一類是當(dāng)巖石僅受較小應(yīng)力作用孔隙微弱變形時，其滲透率變化緩慢［1-4］。筆者在對眾多氣體鉆井的錄井曲線和隨鉆監(jiān)測曲線研究后發(fā)現(xiàn)，在采用氣體鉆井打開致密砂巖地層的時候，極易出現(xiàn)產(chǎn)量峰值，幾分鐘到幾十分鐘后卻迅速下降接近0 值，也就是出現(xiàn)所謂的“一股氣”現(xiàn)象。這種現(xiàn)象存在明顯的流固耦合效應(yīng)，滲透率、孔隙度等物性參數(shù)均隨有效應(yīng)力變化而發(fā)生明顯改變［5-6］。針對氣體鉆井的瞬間產(chǎn)出特征，本文以川西地區(qū)須家河組致密砂巖為研究對象，對儲層滲透率及波速與圍壓的關(guān)系展開室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究［7-10］，利用壓實(shí)規(guī)律論證滲透率變化。

1 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究

1.1 壓敏實(shí)驗(yàn)

1.1.1 原理

變形介質(zhì)氣藏的滲流是一個動態(tài)流固耦合的過程：由于流體產(chǎn)出，引起了巖石孔隙壓力的降低，從而導(dǎo)致了骨架變形； 巖石骨架變形導(dǎo)致儲層孔隙體積的變化，引起物性參數(shù)特別是滲透率的改變，這些參數(shù)的變化又反作用于氣藏的滲流。在氣體鉆井打開儲層瞬間，由于極端壓差的存在，孔隙瞬時大量產(chǎn)氣，近井地帶孔隙壓力短時間內(nèi)接近井筒壓力值［11］，有效應(yīng)力迅速增大，作用于基塊并將其壓縮；該狀態(tài)下巖塊受到的二次應(yīng)力分布引起的滲透率改變，可以通過在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)快速增加圍壓（至1 個極值），來等效模擬圍壓對滲透率的影響。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)方法與流程

實(shí)驗(yàn)儀器采用HKGP-3 型致密巖心氣體高壓孔滲儀（見圖1）。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意

為了對比不同級別致密砂巖滲透率的應(yīng)力敏感程度，從川西須家河組地層數(shù)個巖塊中隨機(jī)鉆取60 塊巖心進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，巖心的氣測滲透率分布在（0.006～0.058）×10-3μm2，均在致密砂巖定義的滲透率區(qū)間里，本實(shí)驗(yàn)選取了10 塊典型巖心，基本參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)巖心基本參數(shù)

常規(guī)實(shí)驗(yàn)以低圍壓作為測試的初始值，但實(shí)際上，低圍壓的加壓過程是對原始地層滲透率的恢復(fù)，而不是應(yīng)力敏感對儲層造成傷害：因此，用低凈壓力不能準(zhǔn)確評價應(yīng)力敏感對地層的影響。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，初始測點(diǎn)（2.5～3.0 MPa）的滲透率為評價應(yīng)力敏感的基準(zhǔn)點(diǎn)，這夸大了有效應(yīng)力對滲透率的損害； 故應(yīng)使用原地應(yīng)力下的滲透率作為參考點(diǎn)來計算其損害程度。為了滿足礦場要求，需根據(jù)具體油氣藏和實(shí)驗(yàn)設(shè)備能力適當(dāng)擴(kuò)大最大有效應(yīng)力測點(diǎn)［12-14］。為了模擬氣體鉆井的真實(shí)過程，需要瞬間增加圍壓。本文以該區(qū)塊地層實(shí)際情況設(shè)計實(shí)驗(yàn)條件，由地層壓力梯度1.35 MPa/100 m、儲層深度2 500 m 和平均上覆巖層密度2.50 g/cm3，可以算出原始地層有效應(yīng)力約16 MPa。當(dāng)氣體鉆井打開儲層時，短時間內(nèi)孔隙壓力降至與井筒壓力接近，取值2 MPa，則最大有效應(yīng)力測試點(diǎn)約為60 MPa。保持進(jìn)口壓力值不變，緩慢增加圍壓，使有效應(yīng)力依次為15，25，35，45，55 MPa，待每一測試點(diǎn)流量穩(wěn)定后，測樣品氣體滲透率。

1.1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2，由表2可以看出，5 塊致密砂巖巖樣滲透率值均隨有效圍壓增大而下降，由于巖樣皆為致密砂巖，滲透率沒有數(shù)量級的差別，所以其應(yīng)力敏感程度差別不大。有效圍壓從3 MPa 增加到15 MPa時，滲透率下降很快，滲透率損害率很大。例如3#巖心，損害率達(dá)到了83%，傷害程度很深。但是研究真實(shí)的氣體鉆井鉆開致密砂巖儲層造成的壓敏效應(yīng)，需以原始儲層有效應(yīng)力作為有效圍壓的起點(diǎn)，本文選取有效圍壓以15 MPa 為基準(zhǔn)。

表2 不同有效圍壓下的滲透率 10-3 μm2

不同圍壓條件下，5 塊巖心K/K15與有效圍壓（pe）關(guān)系如圖2所示。由圖可以看出：初期隨著有效圍壓的增加，滲透率下降較快；當(dāng)有效圍壓達(dá)到35 MPa 左右時，滲透率的下降速度相對變緩。

氣體鉆井過程中，由于特殊的極端壓差作用，壓敏效應(yīng)較強(qiáng)，最大的滲透率損害率可以達(dá)到87%，最低也有68%；而在氣藏衰減開采過程中，儲層滲透率隨地層壓力下降導(dǎo)致的滲透率損害相對較低，一般不超過50%［15］。

致密砂巖孔隙結(jié)構(gòu)包括喉道體和孔隙體。前者為片狀、反拱形薄層結(jié)構(gòu)，并有綠泥石等黏土礦物橋連，承壓能力特別弱，在有效應(yīng)力下其極易變形，導(dǎo)致喉道半徑急劇減小，甚至閉合；而后者為拱形結(jié)構(gòu)，抗擠能力較強(qiáng)，變形不大［16］。影響滲流的主要是小喉道和微喉道，由于平均喉道半徑非常小，有效應(yīng)力的大幅增加易導(dǎo)致這些滲流通道閉合，從而使得儲層滲透率下降較大，所以氣體鉆井對致密層滲透率的影響很明顯。

對于孔隙度相近的巖心，滲透率與滲透率損害率呈負(fù)相關(guān)，例如2#和3#巖心孔隙度很接近，但滲透率更小的3#隨有效應(yīng)力的增加，滲透率傷害程度更大。這是由于當(dāng)致密砂巖被壓縮時，首先被壓縮的是喉道，對于相同孔隙度的巖心，滲透率越小則平均喉道半徑越小，相應(yīng)的壓敏效應(yīng)越強(qiáng)，滲透率傷害越嚴(yán)重［17-19］。

圖2 （K/K15）-pe 關(guān)系

1.2 聲波時差實(shí)驗(yàn)

1.2.1 設(shè)備及流程

實(shí)驗(yàn)采用GCTSRTR-1000 三軸巖石力學(xué)測試儀，實(shí)驗(yàn)過程中，系統(tǒng)可同步采集縱、橫波時差及波形。

從60 塊巖心中，選取5 塊和壓敏實(shí)驗(yàn)巖心物性參數(shù)基本一致的6，7，8，9，10#巖心做聲波時差實(shí)驗(yàn)，以保證兩者結(jié)果的一致性，多方面論證氣體鉆井時產(chǎn)生的流固耦合特性。保持5 MPa 軸壓，增加圍壓，使有效應(yīng)力依次為15，25，35，45，55，65 MPa，待示波器上的波形圖穩(wěn)定后，讀取縱、橫波波速時差值。

1.2.2 結(jié)果與分析

巖石的縱波速度和橫波速度都隨著圍壓的增大而增大（見圖3），在低于35 MPa 圍壓范圍更敏感，即有效應(yīng)力增加的初始階段，巖石的縱波速度和橫波速度隨圍壓變化大，這反映了致密砂巖巖心微喉道逐漸閉合的過程；在圍壓高于35 MPa 以后，巖石的縱波時差和橫波時差隨圍壓變化不明顯，這反映了微喉道幾乎全部閉合后巖心本身的彈性性質(zhì)：因此，聲波速度（v）與圍壓的關(guān)系同孔喉結(jié)構(gòu)、壓實(shí)程度及巖石顆粒的膠結(jié)程度等成巖作用結(jié)果有關(guān)。

軸壓5 MPa 條件下，對5 組巖心聲波速度隨圍壓變化的數(shù)據(jù)采用多項(xiàng)式回歸建立回歸方程，其對應(yīng)的擬合方程式見表3。由表3可知，致密砂巖巖心的聲波速度和圍壓之間呈多項(xiàng)式的函數(shù)關(guān)系為

式中：v0為圍壓15 MPa 時的原始聲波速度，m/s；a，b，c為實(shí)驗(yàn)擬合出的多項(xiàng)式系數(shù)。

圖3 波速與有效圍壓的關(guān)系

表3 不同滲透率砂巖聲波速度隨圍壓變化的擬合

通過對5 組數(shù)據(jù)的回歸分析，相關(guān)系數(shù)最大為0.999 2，最小為0.978 5，平均為0.991 3，相關(guān)性良好，同一巖性規(guī)律一致。

壓實(shí)效應(yīng)越顯著，巖層越致密，聲波速度越大［20］。由圖3可知，隨圍壓的增加，巖心壓實(shí)程度不斷增大，波速增長速率逐漸變小至趨于0，隨著巖石內(nèi)部孔喉結(jié)構(gòu)的壓合，滲透率也相應(yīng)降低。結(jié)合圖2可知，滲透率及聲波速度和圍壓都呈負(fù)相關(guān)。

2 流固耦合對儲層評價的影響

氣體鉆井鉆開地層時，由于壓差極大，導(dǎo)致氣體滲流速度極快，近井壁附近的大量氣體很快進(jìn)入井筒內(nèi)，在錄井和隨鉆監(jiān)測曲線上形成峰值。由于致密砂巖有較強(qiáng)的壓敏效應(yīng)，近井地帶基塊的主要滲流通道——喉道被壓合，距井筒較遠(yuǎn)處的流體還來不及進(jìn)入補(bǔ)充，出氣量在短時間內(nèi)陡降至0； 因此，對于致密砂巖氣藏，不能僅由曲線上出氣量變化來判斷儲層具體情況，還要考慮氣體鉆井引起的壓敏效應(yīng)造成的滲透率損害，從而對儲層進(jìn)行綜合評價。

3 結(jié)論

1）提出了模擬氣體鉆井打開致密砂巖儲層的流固耦合實(shí)驗(yàn)論證方法。以原始儲層有效應(yīng)力作為有效圍壓基準(zhǔn)點(diǎn)與實(shí)際儲層的應(yīng)力狀態(tài)較接近，能準(zhǔn)確反映氣體鉆井時儲層孔隙壓力降低而產(chǎn)生的應(yīng)力敏感。

2）由于極端壓差的因素，氣體鉆井造成的壓敏效應(yīng)比開發(fā)過程中更為明顯，在隨鉆儲層評價時必須考慮對儲層產(chǎn)能的影響。

3）聲波速度與圍壓的關(guān)系和孔喉結(jié)構(gòu)、壓實(shí)程度及巖石顆粒的膠結(jié)程度等成巖作用結(jié)果有關(guān)。巖石的縱、橫波速度隨著圍壓的增大而增大，其變化在相對低的圍壓范圍內(nèi)比高圍壓范圍內(nèi)更敏感。

4）在氣體鉆井過程中，聲波速度和有效圍壓的關(guān)系服從多項(xiàng)式函數(shù)變化規(guī)律，進(jìn)一步論證了應(yīng)力的改變與巖石的各種物性參數(shù)及變形破壞密切相關(guān)。

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