基于CT掃描的巖心壓敏效應實驗研究

李榮強， 高 瑩， 楊永飛， 李 陽， 姚 軍

(1.中國石油大學(華東)石油工程學院，山東青島 266580；2.中國石化勝利油田分公司采油工程處，山東東營 257001；3.中國石油化工股份有限公司，北京 100029)

基于CT掃描的巖心壓敏效應實驗研究

李榮強1,2， 高 瑩1， 楊永飛1， 李 陽3， 姚 軍1

(1.中國石油大學(華東)石油工程學院，山東青島 266580；2.中國石化勝利油田分公司采油工程處，山東東營 257001；3.中國石油化工股份有限公司，北京 100029)

為揭示巖石應力敏感的微觀力學機理，加深對應力敏感性的理解，基于可以真實描述巖石內(nèi)部結構特征的CT掃描技術，結合數(shù)字巖心和孔隙網(wǎng)絡模型理論進行了幾何拓撲結構分析，獲得了有效應力與孔隙結構的關系及有效應力與滲透率的關系，對比了有效應力升高、降低2個過程中的孔隙結構參數(shù)和滲流能力。結果表明：隨著有效應力升高，孔隙半徑分布曲線向左偏移，形狀因子概率曲線向右偏移，孔喉連通性變差，滲透率降低；隨著有效應力降低，孔隙半徑分布曲線、形狀因子概率曲線、孔喉連通性和滲透率的變化規(guī)律均與有效應力升高時相反?？紫督Y構變形存在應力敏感滯后性，且有效應力降低后滲透率不能恢復。這說明應力敏感對于巖石孔隙的變形以及流體在其中流動的影響不能忽略。

CT掃描 壓敏效應 數(shù)字巖心 孔隙網(wǎng)絡模型 孔隙度 滲透率

應力敏感現(xiàn)象存在于油氣田開發(fā)過程中，地下流體被采出后，地下巖石所受應力發(fā)生改變，造成巖石骨架和孔喉產(chǎn)生變形，滲透率和孔隙度隨之發(fā)生變化。儲層巖石微觀孔隙結構隨地層孔隙壓力和上覆巖層壓力變化而變化的性質(zhì)就是應力敏感性[1-2]。目前巖心應力敏感的研究方向主要有2個：一個是常規(guī)實驗，通過實驗模擬可以得到有效壓力變化對高滲砂巖儲層、碳酸鹽巖儲層、低滲透砂巖儲層等的不同種類儲層孔隙度和滲透率的影響，可根據(jù)實驗結果總結得出壓敏效應的評價方法，并進行相關解釋[3-7]；另一個是理論建模和數(shù)值模擬，通過建立多種油氣儲層，如中高滲油氣藏、低滲透油氣藏、碳酸鹽巖油藏等的巖石骨架變形與孔隙內(nèi)流體滲流的耦合模型。微觀滲流模擬技術的主要原理是基于真實的巖心資料，通過一定的物理實驗重構數(shù)字巖心，然后進行相應的結構和滲流研究，這是一種全新的研究方法[8]。目前在微觀層面上基于三維數(shù)字巖心進行應力敏感性實驗，還處于起步階段，壓敏效應大多都是宏觀層面的研究，較少涉及到微觀機理層面[9]。由于儲層孔隙結構的改變是導致壓敏效應的一個很重要的原因，因此需從孔隙尺度對微觀結構隨應力的變化進行研究，以揭示其微觀力學機理，加深對應力敏感性的理解，指導油氣田的高效開發(fā)。CT掃描法是完全真實反映巖心孔喉結構的方法，而且具有高精度的優(yōu)勢[10],因此，筆者采用CT掃描法構建數(shù)字巖心，進行應力敏感性分析。

1 CT掃描實驗

CT掃描的原理為：X射線與物質(zhì)的原子相互作用會引起能量衰減，且X射線穿過不同物質(zhì)時其衰減系數(shù)不同，也就是說，通過測量X射線穿過某物質(zhì)的衰減系數(shù)可以判斷該物質(zhì)的組成成分。因而，當X射線穿過巖心時，經(jīng)過路徑上所有物質(zhì)對X射線的吸收可以反映在X射線的強度上。

結合中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標準《儲層敏感性流動實驗評價方法》(SY/T 5358—2010)，設計基于CT掃描的壓敏效應實驗步驟為：

1) 制備一塊均質(zhì)的人造巖心，然后鉆取切割成直徑10.0 mm長15.0～30.0 mm的巖心，將巖心放入巖心夾持器中，在不加圍壓條件下進行CT掃描，調(diào)整CT機中X射線源和探測器與樣品的相對位置，得到無圍壓時的三維巖心圖像；

2) 按照圖1所示流程組裝儀器，將手搖泵、六通閥、巖心夾持器連在一起，圍壓依次設定為2，4，6，8，10，12和14 MPa；

3) 每一壓力點持續(xù)30 min后，放入CT機進行掃描；

4) 緩慢減小圍壓，圍壓依次降為12，10，8，6，4，2和0 MPa，每一壓力點持續(xù)1 h后，放入CT機進行CT掃描。

2 數(shù)字巖心的建立

基于上述實驗，獲得圍壓從0 MPa升至14 MPa和圍壓從14 MPa降至0 MPa的三維巖心真實圖像，通過用非局部均值法進行濾波處理，采用分水嶺分割法進行二值分割，得到一系列不同壓力下的數(shù)字巖心，詳細構建數(shù)字巖心的過程可參考文獻[11]。圍壓上升過程中的數(shù)字巖心如圖2所示(紅色代表巖石骨架，紫色代表巖石孔隙)。

從圖2可以看出，隨著圍壓增大，數(shù)字巖心中紫色所占體積越來越小，即孔隙體積越來越小，同時可以明顯看到孔隙顆粒之間的相對位置發(fā)生變化，表明存在壓敏效應。

圖3為圍壓下降過程中的數(shù)字巖心(紅色代表巖石骨架，紫色代表巖石孔隙)。

從圖3可以看出，隨著圍壓減小，數(shù)字巖心中紫色所占的體積越來越大，即孔隙體積增大。三維圖像只能給出巖心的直觀表象，圍壓上升和下降過程中孔隙體積的變化需要基于孔隙網(wǎng)絡模型計算得到。

3 孔隙網(wǎng)絡模型的提取

孔隙網(wǎng)絡模型由孔隙及與之相連的喉道組成?？紫杜c喉道的截面形狀為規(guī)則的簡單幾何形狀，如圓形、三角形和矩形等。由數(shù)字巖心提取相應孔隙網(wǎng)絡模型的主要步驟為：優(yōu)化數(shù)字巖心孔隙空間，即剔除孤立孔隙、巖石骨架；提取數(shù)字巖心孔隙空間的“中軸線”；搜索孔隙和喉道，計算其相關參數(shù)；利用形狀因子判斷孔隙、喉道的空間形狀[12-13]?；诰又休S線提取方法，提取圍壓從0 MPa依次增大至14 MPa和圍壓從14 MPa依次降至0 MPa的孔隙網(wǎng)絡模型，結果如圖4、圖5所示(紅色代表喉道，綠色代表孔隙)。

從圖4和圖5可以看出:隨著圍壓增大，孔喉數(shù)量越來越少，孔喉體積越來越??；隨著圍壓降低，孔喉數(shù)量越來越多，孔喉體積越來越大。

4 有效應力與孔隙結構的關系

有效應力表示巖石顆粒之間的接觸應力(或支撐應力)，地層的有效應力等于上層總壓力減去孔隙中流體的壓力。CT掃描實驗巖心孔隙中沒有流體，所以對巖心所施加的圍壓即可視為有效應力。由之前提取的孔隙網(wǎng)絡模型，可以簡單地計算出模型的孔隙度[14]?？紫抖扰c圍壓之間的變化關系如圖6所示。從圖6可以看出：隨著圍壓增大，孔隙度逐漸減小，孔隙度最初階段降低速度較快，降低幅度較大，而后隨著圍壓增大，孔隙度的變化幅度越來越小，通過孔隙度的降低可以得出巖石骨架發(fā)生位移和變形的結論；隨著圍壓降低，孔隙度逐漸恢復，但存在應力敏感滯后性。

通過實驗研究，赫萬斯基和尼科拉耶夫斯基[15]發(fā)現(xiàn)孔隙度與凈覆壓力之間存在如下關系：

φ=φ0e-αφσeff

(1)

式中：φ為巖石孔隙度；αφ為孔隙度應力敏感系數(shù)，反映的是孔隙度對有效應力的敏感程度，其值越大表示孔隙度對有效應力的變化越敏感；φ0為有效應力為0時的孔隙度；σeff為有效應力，MPa。

以指數(shù)形式擬合圖6中圍壓上升過程中孔隙度與圍壓的關系，得：

φ=34.144e-0.035σeff(R=0.987 4)

(2)

以指數(shù)形式擬合圖6中圍壓下降過程中孔隙度與圍壓的關系，得：

φ=29.969e-0.028σeff(R=0.998 1)

(3)

可見采用指數(shù)形式可以較好地擬合孔隙度與圍壓的關系。實驗所用巖心的孔隙度隨有效應力升高的最大降幅為14.02%，隨有效應力降低的孔隙度最大升幅為9.74%，存在應力敏感滯后性。

對孔隙網(wǎng)絡模型的幾何結構特征進行分析，可得到有效應力變化下的幾何結構特征變化規(guī)律[16]。圍壓上升過程中不同應力下幾何結構特征的變化規(guī)律如圖7—圖9所示。

從圖7可以看出，孔隙半徑主要分布范圍為10～25μm，隨著圍壓增大，孔隙半徑的分布曲線向左偏移，孔隙半徑主要分布范圍為5～15μm，表明小孔隙所占比例不斷增大，大孔隙所占比例不斷減少，原因在于隨著圍壓增大，孔隙空間受外力作用后不斷壓縮，原本體積較大的孔隙擠壓后體積變小，原本體積較小的孔隙擠壓后體積更小甚至不連通，因此孔隙半徑分布曲線右側較左側偏移程度較大。

從圖9可以看出，隨著圍壓增大，喉道長度的分布范圍向左偏移，圍壓為0MPa時分布在15～100μm，圍壓增大后分布在5～50μm，即因為喉道尺寸隨圍壓增大變小，長喉道被變形移動的顆粒擠壓縮短，短喉道擠壓后長度縮短甚至可能封閉以至不連通，與圖7中表現(xiàn)出的規(guī)律吻合。

圍壓降低過程中不同應力下幾何結構特征的變化規(guī)律如圖10—圖12所示。

對比圖7—圖9和圖10—圖12可以發(fā)現(xiàn)，圍壓降低過程中的孔隙喉道、形狀因子的變化規(guī)律與圍壓上升過程中相反，但即便圍壓降至0MPa，孔隙形狀因子和喉道也無法恢復到原來的狀態(tài)。

5 有效應力與滲透率的關系

分析滲流特征時，主要通過絕對滲透率表征，根據(jù)侵入-逾滲理論模擬孔隙網(wǎng)絡模型的流體流動，可準確表述孔隙、喉道的流動能力[17]。圖13為圍壓上升和降低過程中不同圍壓對應孔隙網(wǎng)絡模型的絕對滲透率。

采用指數(shù)形式擬合圖13中圍壓上升和降低過程中滲透率與圍壓的關系，得：

K=5 716.3e-0.138σeff(R2=0.994 7)

(4)

圍壓降低過程中滲透率與圍壓的關系為：

K=3 432.6e-0.11σeff(R2=0.974 2)

(5)

式(4)和式(5)的相關系數(shù)均大于0.95,表明采用指數(shù)形擬合滲透率與圍壓的關系可行。從圖13可以看出，圍壓由0MPa升至14MPa后滲透率降低4 652.4mD，圍壓由14MPa降至0MPa后滲透率恢復2 969.0mD，滲透率損失約30%，所以應力敏感對于孔隙變形以及流體在其中的流動有著不可忽略的影響，研究孔隙尺度上的壓敏效應是必要的。

6 結 論

1) 對巖心進行不同圍壓下的CT掃描可得到圍壓上升和降低過程中不同有效應力下的三維巖心真實圖像，構建不同有效應力下的數(shù)字巖心，對相應的孔隙網(wǎng)絡模型進行提取，可為直觀分析地下巖石形變提供條件。

2) 隨著圍壓增大，孔隙半徑的分布曲線向左偏移，表明小孔隙所占比例不斷增大，大孔隙所占比例不斷減小；隨著圍壓增大，形狀因子概率分布曲線向右偏移，表明形狀因子的主要分布范圍在減?。浑S著圍壓減小，孔喉連通性變好。

3) 應力敏感對于孔隙的變形及流體在其中流動的影響不可忽略，在孔隙尺度上研究壓敏效應是必要的。

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[編輯 劉文臣]

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Experimental Study on the Pressure Sensitive Effects of Cores Based on CT Scanning

Li Rongqiang1,2，Gao Ying1，Yang Yongfei1，Li Yang3，Yao Jun1

(1.SchoolofPetroleumEngineering,ChinaUniversityofPetroleum(Huadong),Qingdao,Shandong, 266580,China; 2.OilProductionEngineeringDepartment,SinopecShengliOilfieldCompany,Dongying,Shandong, 257001,China; 3.ChinaPetroleum&ChemicalCorporation,Beijing, 100029,China)

In order to reveal the microscopic mechanical mechanisms of rock stress sensitivity and to further understand stress sensitivity, a geometry and topology structure analysis was carried out using CT scanning technology which could show the actual internal structure characteristics of rocks, and can be combined with digital cores and a pore network model. Following this procedure, the relationships between effective stress,pore structure and permeability were obtained, and pore structure parameters and percolation capacities were compared during the increase and decrease of effective stress. It is shown that with the increasing of effective stress, the pore radius distribution curve shifted to the left, the shape factor probability curve shifted to the right, the pore throat connectivity became worse resulting in a decrease in permeability, and vice versa. The pore structure deformation was characterized by stress sensitivity hysteresis. After the effective stress dropped, permeability could not fully recover. In summary, it is necessary to pay attention to the effect of stress sensitivity and fluid flow on the deformation of rock pores.

CT scanning; pressure sensitive effect; digital core; pore network model; porosity; permeability

2015-07-15；改回日期：2015-08-27。

李榮強(1973—)，男，山東沾化人，1997年畢業(yè)于石油大學(華東)采油工程專業(yè)，工程師，主要從事油田注水方面的技術與管理工作。

姚軍，rcogfr_upc@126.com。

國家自然科學基金重大項目“頁巖油氣多尺度滲流特征與開采理論”(編號：51490654)、國家自然科學基金項目“壓敏效應對致密多孔介質(zhì)微觀孔隙結構及流體流動的影響機制”(編號：51304232)和中央高校基本科研業(yè)務費專項基金資助項目“基于數(shù)字巖心的致密油儲層定量評價技術研究”(編號：14CX05026A)部分研究內(nèi)容。

?頁巖油氣高效開發(fā)專題?

10.11911/syztjs.201505007

TE311+.2

A

1001-0890(2015)05-0037-07

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