含微裂縫低滲儲層應(yīng)力敏感性及其對產(chǎn)能影響

徐新麗

(中石化勝利油田分公司，山東 東營 257001)

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含微裂縫低滲儲層應(yīng)力敏感性及其對產(chǎn)能影響

徐新麗

(中石化勝利油田分公司，山東 東營 257001)

為研究裂縫巖心應(yīng)力敏感性，通過改變圍壓的大小來實現(xiàn)巖石受到的有效應(yīng)力變化，并分別計算不同有效應(yīng)力下滲透率的變化來評價儲層應(yīng)力敏感性，同時分析了其對產(chǎn)能的影響。研究表明：含微裂縫巖心的應(yīng)力敏感程度很弱，滲透率變化率低于30%，敏感曲線分為2個階段：第Ⅰ階段滲透率下降幅度超過20%，主要是以發(fā)生微裂縫受壓閉合的擬塑性變形為主；第Ⅱ階段滲透率下降幅度低于10%，該階段主要以巖石骨架顆粒本體被壓縮的彈性形變?yōu)橹?，實際儲層的凈應(yīng)力多處于該階段。因此，應(yīng)用第Ⅱ階段來評價含裂縫儲層的應(yīng)力敏感性更符合實際，含微裂縫巖心的應(yīng)力敏感性均高于基質(zhì)巖心。經(jīng)計算可知含微裂縫巖心應(yīng)力敏感對產(chǎn)能影響較小，由提高生產(chǎn)壓差造成的應(yīng)力敏感不會導(dǎo)致產(chǎn)能的大幅變化。

微裂縫；應(yīng)力敏感；有效應(yīng)力；閉合；產(chǎn)能

引 言

近年來低滲透儲層應(yīng)力敏感性一直是個熱點問題[1-13]，也一直存在爭議[5]。目前對于低滲透裂縫性儲層的研究逐步展開，一般認(rèn)為裂縫的存在使儲層連通性變好，油井投產(chǎn)后，孔隙壓力的降低使多孔介質(zhì)顆粒原有的受力平衡狀態(tài)被打破，新建立的壓力平衡狀態(tài)使孔隙空間被壓縮變形，裂縫發(fā)生閉合，儲層的滲透率大幅降低，滲流效果發(fā)生改變，而這種改變是巖石變形和流體滲流相互作用和影響的結(jié)果。筆者以實驗為基本手段研究了含裂縫巖心的應(yīng)力敏感性，并結(jié)合文獻(xiàn)[6-8]詳細(xì)分析了這種敏感性對產(chǎn)能的影響。

1 實驗部分

1.1 造縫與選樣

選取吐哈油田某儲層的砂巖巖心開展實驗，巖心直徑為3.80 cm，長度約為6.00 cm，造縫前基質(zhì)滲透率約為1×10-3μm2。應(yīng)用三軸應(yīng)力壓裂設(shè)備對巖心進(jìn)行施壓造縫，從巖心應(yīng)力—應(yīng)變曲線判斷巖心被破壞程度，應(yīng)用BIR ACTIS250工業(yè)CT掃描系統(tǒng)對壓裂后的巖心進(jìn)行CT掃描，選取壓裂后存在明顯微裂縫的2塊巖心，同時選取1塊不含微裂縫的巖心，對比巖心壓裂前后的CT值。CT值越大代表巖石的密度越大，壓裂后巖心由于存在裂縫，密度變小，巖心壓裂前CT值高于壓裂后的CT值。

1.2 實驗原理

裂縫巖心的應(yīng)力敏感是由于儲層受的應(yīng)力發(fā)生變化，導(dǎo)致裂縫閉合或張開，進(jìn)而導(dǎo)致滲透率發(fā)生變化所致。因此，研究儲層應(yīng)力敏感性主要是研究巖心滲透率與有效應(yīng)力的關(guān)系。在油氣藏開采過程中，地層壓力降低導(dǎo)致有效應(yīng)力變化，通過改變圍壓的大小來實現(xiàn)巖石受到的這種變化，通過分別計算不同有效應(yīng)力下滲透率的變化來評價儲層應(yīng)力敏感性。

1.3 實驗流程與步驟

滲流實驗裝置選用美國巖心公司生產(chǎn)的Auto-floodTM(AFS300TM)驅(qū)替評價系統(tǒng)，數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)在對系統(tǒng)各部分壓力自動采集的同時能自動實現(xiàn)恒流速和恒壓驅(qū)替模式，并完成相應(yīng)數(shù)據(jù)分析。泵流量為0.01～50.00 mL/min(壓力不大于70 MPa)，流速精度為±0.3%(最大密封泄漏為0.25 μL/min)。流速顯示最小值為0.01 μL/min，恒壓模式下能達(dá)到1.00 μL/min。圍壓系統(tǒng)使用高精度多級柱塞驅(qū)替泵(Teledyne isco100-DX)。回壓控制系統(tǒng)采用美國巖心公司生產(chǎn)的BP-100空氣彈簧回壓閥，并采用高精度多級柱塞驅(qū)替泵控制。實驗采用DXD高精度數(shù)字壓力傳感器，在30～100℃條件下，測試精度為±0.02%；在0～50℃條件下，測試精度為±0.04%。

實驗設(shè)計步驟：①將巖心造縫處理后，在60℃下恒溫烘干48 h，測定長度、直徑、孔隙度以及滲透率等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；②將巖心抽真空12 h，充分飽和標(biāo)準(zhǔn)鹽水，而后稱重計算其有效孔隙度；③將巖心裝填入巖心夾持器，接通流程， 對儀器初始值調(diào)零，加圍壓6 MPa，并加回壓至3 MPa恒定；④打開驅(qū)替泵，排出管線內(nèi)的空氣，實驗過程中，注入壓力為4 MPa，進(jìn)行水單相滲流實驗；⑤按照設(shè)計的凈應(yīng)力值調(diào)整圍壓值，分別記錄滲流穩(wěn)定時不同圍壓下的壓差和流量，直至測定所有設(shè)定凈應(yīng)力值，結(jié)束實驗。

2 實驗結(jié)果與討論

實驗注入流體選用標(biāo)準(zhǔn)鹽水，礦化度為80 000 mg/L，采用常規(guī)的“壓差—流量法”，實驗分別選定凈應(yīng)力為2、4、7、10、12、15、20、25、30、35、40 MPa，實驗設(shè)定注入壓力和回壓分別為4、3 MPa，并保持不變。

實驗采用回壓閥控制巖心出口端壓力，通過改變圍壓來實現(xiàn)巖石有效應(yīng)力[14]的變化，并進(jìn)行巖石應(yīng)力敏感性[15-16]分析。圖1為3塊巖心的應(yīng)力敏感曲線。由圖1可知，滲透率比值隨著有效應(yīng)力的增加先急劇降低，而后降低的速度放緩，并逐漸趨于穩(wěn)定，滲透率比值的變化反映了不同應(yīng)力下滲透率的變化趨勢。以15 MPa為拐點將曲線分為2個階段，第Ⅰ階段滲透率比值下降較快，近乎線性急速降低，滲透率的降幅均超過了20%，原始滲透率為1.18×10-3、1.27×10-3μm2的2塊含微裂縫巖心YM-2、YM-3的滲透率降幅分別為22.28%和20.47%，而不含微裂縫的巖心YM-1在第Ⅰ階段的滲透率變化率僅為12.98%，含微裂縫的巖心在第Ⅰ階段滲透率變化率較大，當(dāng)凈應(yīng)力達(dá)到并超過15 MPa后，進(jìn)入應(yīng)力敏感曲線第Ⅱ階段，該階段滲透率變化幅度較小，含微裂縫的2塊巖心滲透率降幅均低于8%(表1)。

圖1 應(yīng)力敏感性曲線

巖心編號滲透率/10-3μm2全階段滲透率變化率/%Ⅰ階段變化率/%Ⅱ階段變化率/%備注YM-113116411298345無裂縫YM-211829662288678含微裂縫YM-312728352047787含微裂縫

由上述分析可知，滲透率損害主要發(fā)生在較低應(yīng)力范圍內(nèi)，在較高應(yīng)力條件下，滲透率變化率不大。應(yīng)力敏感曲線第Ⅰ階段為擬塑性變形階段，巖石的受力變形以微裂縫的閉合和大孔隙的壓縮為主，滲透率下降的幅度較大，滲透率損害主要發(fā)生在該階段；敏感曲線第Ⅱ階段為彈性形變階段，容易閉合的裂縫在第Ⅰ階段已經(jīng)閉合，剩余裂縫閉合的難度較大，隨著凈應(yīng)力的增加，仍會發(fā)生巖石骨架顆粒向孔隙中心移動的壓縮變形和巖石本體向巖石中心軸的壓縮移動，但由于儲層較致密，形變量較小，滲透率下降幅度很平緩。

對于實際儲層，有效應(yīng)力是儲層上覆壓力與流體孔隙壓力之差，由于埋深較深，上覆壓力一般較大，有效應(yīng)力也較大，即室內(nèi)測試所得的應(yīng)力敏感曲線第Ⅰ階段在實際儲層是不存在的，按照整個巖心的敏感曲線數(shù)據(jù)來評價儲層的應(yīng)力敏感性將會導(dǎo)致偏差較大，實際儲層凈應(yīng)力的起點是上覆壓力和原始孔隙壓力的差值。因此，評價儲層敏感性要以原始凈應(yīng)力為起點，逐漸增加凈應(yīng)力，根據(jù)不同凈應(yīng)力下滲透率變化率來評價。巖石中即使含有微裂縫，在沒有任何支撐條件下其在實際地層中也基本處于閉合狀態(tài)，第Ⅱ階段的初始值反映了巖心在地層原始條件下的實際狀態(tài)，應(yīng)用該階段應(yīng)力敏感實驗結(jié)果對儲層進(jìn)行評價，可真實地反映油藏條件下巖石的應(yīng)力敏感性。因此，采用室內(nèi)測定應(yīng)力敏感曲線的階段來評價儲層更為合理。

將不含微裂縫巖心與含微裂縫巖心應(yīng)力敏感性對比可知，2種巖心應(yīng)力敏感性均屬于弱應(yīng)力敏感，且應(yīng)力敏感指數(shù)都在同一數(shù)量級上，微裂縫巖心的應(yīng)力敏感指數(shù)均大于不含微裂縫巖心；2種應(yīng)力敏感在第Ⅰ階段的變形機(jī)制是不同的，不含微裂縫巖心屬于大孔隙的壓縮，是近似彈性形變的過程，而含微裂縫巖心是裂縫閉合的過程，屬于擬塑性變形，滲透率變化幅度較大。在第Ⅱ階段，不含微裂縫巖心處于彈性形變階段，而含微裂縫巖心從微弱的擬塑性變形過渡到彈性形變階段，該階段開始時，裂縫對滲透率的變化仍有貢獻(xiàn)，因此，微裂縫巖心2個階段應(yīng)力敏感指數(shù)均大于無裂縫巖心。

3 應(yīng)力敏感對產(chǎn)能的影響

根據(jù)文獻(xiàn)[6]的方法，將實驗點有效滲透率和凈應(yīng)力進(jìn)行回歸擬合得到兩者的指數(shù)函數(shù)關(guān)系式，式中對應(yīng)指數(shù)項的系數(shù)即為應(yīng)力敏感常數(shù)值b，擬合結(jié)果見表2。由表2可知，含微裂縫巖心全部實驗點擬合求得敏感常數(shù)為0.009 MPa-1，Ⅰ階段敏感常數(shù)為0.018～0.020 MPa-1，Ⅱ階段敏感常數(shù)為0.004 MPa-1，含微裂縫巖心的敏感常數(shù)稍大。

表2 有效滲透率與凈應(yīng)力的擬合關(guān)系

裂縫性低滲透儲層，孔隙中流體流動的過程屬于基質(zhì)—裂縫耦合滲流的過程，若不考慮微裂縫竄流對產(chǎn)量的影響，可將微裂縫等效成孔隙進(jìn)行計算。根據(jù)平面徑向流公式，結(jié)合文獻(xiàn)[8]對儲層應(yīng)力敏感性評價方法，推導(dǎo)出考慮應(yīng)力敏感性的產(chǎn)能計算公式[7-8]：

(1)

實驗選取吐哈油田某低滲儲層的具體數(shù)據(jù)為例分析應(yīng)力敏感性對產(chǎn)能的影響。該儲層原始地層壓力為26 MPa，滲透率為1.2×10-3μm2，油層的有效厚度為10 m，孔隙度約為9%，在地層溫度60℃下的黏度為1.5 mPa·s，體積系數(shù)為1.2 ，注采井距為130 m，井筒直徑為0.12 m，井底壓力為16～26 MPa，分別計算無敏感性(b0=0MPa-1)、第Ⅰ階段敏感常數(shù)(bⅠ=0.020 MPa-1)、第Ⅱ階段敏感常數(shù)(bⅡ=0.004 MPa-1)、全階段敏感常數(shù)(b=0.009 MPa-1)下的產(chǎn)能，計算結(jié)果見表3。

表3 取不同階段敏感常數(shù)下的產(chǎn)能變化

表3可知，應(yīng)力敏感常數(shù)變大，產(chǎn)量降低幅度并不明顯。用第Ⅰ階段的應(yīng)力敏感指數(shù)來評價儲層會夸大儲層的應(yīng)力敏感性，實際計算的產(chǎn)量最大降幅為0.90%，應(yīng)用第Ⅱ階段敏感指數(shù)計算的產(chǎn)能降幅為0.18%，對產(chǎn)量的影響很小，相比于第Ⅰ階段其影響可以忽略，按照整個曲線計算的產(chǎn)能下降幅度為0.40%?？梢?，加大壓差造成的壓敏效應(yīng)不會導(dǎo)致產(chǎn)量大幅度變化，應(yīng)用第Ⅱ階段計算的產(chǎn)能變化和實際相符，實際儲層應(yīng)力敏感性對產(chǎn)量造成的影響并不明顯。

4 結(jié) 論

(1) 含微裂縫巖心應(yīng)力敏感程度很弱，且應(yīng)力敏感指數(shù)高于無裂縫巖心，敏感曲線分為2個階段：第Ⅰ階段以裂縫受壓閉合為主，滲透率下降幅度較大；第Ⅱ階段以巖石本體壓縮為主，滲透率下降幅度較小。無裂縫巖心在2個階段均以彈性形變?yōu)橹鳌?/p>

(2) 通過分析實際儲層應(yīng)力條件可知敏感曲線第Ⅱ階段和實際儲層相符，可以應(yīng)用該階段應(yīng)力敏感性來評價含裂縫儲層敏感性。

(3) 在不考慮微裂縫串流情況下，含微裂縫巖心應(yīng)力敏感對產(chǎn)能影響較小，提高生產(chǎn)壓差導(dǎo)致的應(yīng)力敏感不會造成產(chǎn)能的大幅變化。

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編輯 王 昱

20140828；改回日期：20141130

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(“973”計劃)“頁巖氣多場耦合非線性滲流理論研究”(2013CB228002)

徐新麗(1971-)，女，高級工程師，1992年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)石油地質(zhì)勘察專業(yè)，現(xiàn)主要從事油氣田開發(fā)研究工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2015.01.030

TE37

A

1006-6535(2015)01-0127-04