基于應(yīng)力敏感常數(shù)的致密砂巖儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性評價(jià)研究

竇晶晶 修乃嶺 嚴(yán)玉忠 李聚恒 駱 禹

(1.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北 廊坊 065007;2.中國石油天然氣集團(tuán)公司油氣藏改造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 廊坊 065007)

儲(chǔ)層巖石應(yīng)力敏感性是致密氣藏的重要特征之一，隨著低滲致密儲(chǔ)層的深入開發(fā)，儲(chǔ)層巖石的應(yīng)力敏感性逐漸成為近年來的研究熱點(diǎn)之一［1-4］。儲(chǔ)層巖石應(yīng)力敏感性，指的是在鉆井、完井及開采過程中，儲(chǔ)層受到地層壓力變化導(dǎo)致巖石顆粒上的有效應(yīng)力發(fā)生變化，從而引起滲透率等物性參數(shù)發(fā)生變化的性質(zhì)。

對于低滲致密儲(chǔ)層是否具有較強(qiáng)的應(yīng)力敏感性這一問題，目前仍存在不同意見。大多數(shù)研究者認(rèn)為低滲致密儲(chǔ)層存在強(qiáng)應(yīng)力敏感性［5-9］，不宜采用衰竭方式進(jìn)行開發(fā)，但也有研究者認(rèn)為低滲致密儲(chǔ)層不存在強(qiáng)應(yīng)力敏感性［10-12］。為了對比分析不同滲透率砂巖的應(yīng)力敏感性，我們在盡可能降低系統(tǒng)誤差的情況下，通過實(shí)驗(yàn)手段對華北、青海等區(qū)塊取得的34塊天然砂巖巖心進(jìn)行了應(yīng)力敏感性測試。本次研究運(yùn)用李傳亮教授提出的滲透率應(yīng)力敏感評價(jià)方法［13］，對巖石應(yīng)力敏感常數(shù)和相同圍壓下的滲透率進(jìn)行回歸處理，旨在揭示巖石應(yīng)力敏感常數(shù)與滲透率之間的變化關(guān)系。

1 砂巖應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與樣品制備

采用Terra Tek公司生產(chǎn)的滲流應(yīng)力耦合擬三軸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對巖心在加載不同圍壓(有效應(yīng)力)下的滲透率變化情況進(jìn)行測試。實(shí)驗(yàn)用導(dǎo)流氣體為高純N2，采用高精度皂泡流量計(jì)測量出口端氣體流量。圖1所示為Terra Tek滲流應(yīng)力耦合擬三軸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工作示意圖。

圖1 Terra Tek滲流應(yīng)力耦合擬三軸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工作示意圖

從華北、青海區(qū)塊取得34塊天然砂巖巖心，取心深度為1 900—4 600 m，通過鉆、切、磨等工序制成高5 cm、直徑2.5 cm的標(biāo)準(zhǔn)巖樣。為了盡可能保證封套的密封性，防止巖心與封套之間孔隙對實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成較大系統(tǒng)誤差［10］，研究中采用生膠帶均勻包裹巖心外圍置于兩端帽之間，在生膠帶外圍再均勻涂抹玻璃膠，待玻璃膠微干后用聚四氟乙烯熱收縮管使巖心與端帽進(jìn)一步靠緊。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

在室溫條件下，將裝載好的巖樣置于擬三軸實(shí)驗(yàn)機(jī)內(nèi)，連接好入口和出口導(dǎo)流管線，依次在圍壓保持 2，5，8，12，15，20，25，30，35，40，50 MPa 的條件下采用高純N2對巖樣進(jìn)行穩(wěn)態(tài)滲透率測試，在每個(gè)測試點(diǎn)持續(xù)30 min左右以保證進(jìn)出口壓力不變。在每個(gè)圍壓測試點(diǎn)下，利用皂沫流量計(jì)記錄氣體測試所用的時(shí)間，重復(fù)測定2至3次，取平均值并計(jì)算得到出口氣體流量;同時(shí)記錄入口壓力p，按照公式(1)求得對應(yīng)點(diǎn)的滲透率:

式中:K— 滲透率，10-3μm2;

Q0— 出口氣體流量，cm3/s;

p—入口壓力，MPa;

p0— 大氣壓力，MPa;

μ — 氣體黏度，mPa·s;

L— 巖心長度，cm;

A— 巖心橫截面積，cm2。

典型砂巖巖心滲透率隨圍壓變化的曲線如圖2所示。

圖2 典型砂巖巖心滲透率K隨圍壓σ變化曲線

2 砂巖滲透率應(yīng)力敏感性結(jié)果評價(jià)

2.1 砂巖應(yīng)力敏感性評價(jià)方法

目前，關(guān)于巖石應(yīng)力敏感性的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)仍存在較大爭議。我國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“儲(chǔ)層敏感性流動(dòng)實(shí)驗(yàn)評價(jià)方法”(SY/T5358—2010)將滲透率的損害率作為應(yīng)力敏感性的評價(jià)指標(biāo)［13-14］，大多研究者遵循此標(biāo)準(zhǔn)。一般選用初始測點(diǎn)，即2.5～3.0 MPa下的滲透率作為計(jì)算滲透率損害率的基準(zhǔn)點(diǎn)，實(shí)際上夸大了有效應(yīng)力對滲透率的損害而忽略了應(yīng)力敏感的特殊性。

李傳亮教授分析了油氣藏巖石對外應(yīng)力與對內(nèi)應(yīng)力敏感程度的區(qū)別，指出應(yīng)力敏感常數(shù)b是決定應(yīng)力敏感指數(shù)的關(guān)鍵參數(shù)［10，13］。圖2所示典型砂巖巖心滲透率隨圍壓變化曲線顯示，隨著圍壓的增大，巖石滲透率基本呈指數(shù)趨勢降低，可用式(2)描述滲透率隨有效應(yīng)力變化的情況［10］:

式中:σ — 圍壓，MPa;

K— 外應(yīng)力為σ時(shí)的滲透率，10-3μm2;

K0— 初始外應(yīng)力對應(yīng)的滲透率，10-3μm2;

b—巖石應(yīng)力敏感常數(shù)，MPa-1。

巖石的應(yīng)力敏感常數(shù)b反映了其滲透率隨有效應(yīng)力的變化程度，b值越大則巖石的滲透率隨有效應(yīng)力的變化速率越高。在此可以將巖石的應(yīng)力敏感常數(shù)b作為其滲透率應(yīng)力敏感性的評價(jià)參數(shù)，b值越大則表示巖石應(yīng)力敏感性越強(qiáng)。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

對34塊天然砂巖巖心的應(yīng)力敏感性測試結(jié)果進(jìn)行擬合統(tǒng)計(jì)，得到應(yīng)力敏感常數(shù)b。為了便于對比不同滲透率砂巖巖心的應(yīng)力敏感常數(shù)b，在此統(tǒng)一取各巖心圍壓為15 MPa時(shí)的滲透率。各巖心圍壓為15 MPa時(shí)的滲透率K15、回歸擬合b值及相關(guān)系數(shù)如表1所示。

b值越大則表示巖石的滲透率應(yīng)力敏感性越強(qiáng)。通過數(shù)據(jù)擬合可獲得砂巖應(yīng)力敏感常數(shù)b值與巖心滲透率的關(guān)系，如圖3所示。巖石滲透率越小，其應(yīng)力敏感常數(shù)b值越大;巖石滲透率越大，其相應(yīng)的應(yīng)力敏感常數(shù)b值越小。由此可知，滲透率應(yīng)力敏感性隨滲透率的增加而減小。

圖3 砂巖應(yīng)力敏感常數(shù)b與滲透率K15關(guān)系曲線

表1 砂巖巖心b值及相關(guān)系數(shù)

3 結(jié)語

砂巖儲(chǔ)層巖心滲透率存在應(yīng)力敏感性，滲透率的應(yīng)力敏感特性可以用其應(yīng)力敏感常數(shù)b進(jìn)行表征，b值越大，反映出巖心滲透率應(yīng)力敏感性越強(qiáng)。

砂巖應(yīng)力敏感常數(shù)b隨巖心滲透率的增加而減小:即巖心滲透率越大，其應(yīng)力敏感性越弱;反之，砂巖巖心滲透率越小，其應(yīng)力敏感性越強(qiáng)。

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