致密油儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性評(píng)價(jià)研究

陳 璨　楊勝來(lái)　馬銓?shí)槨》?勇　王敉邦

(中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 102249)

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致密油儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性評(píng)價(jià)研究

陳 璨楊勝來(lái)馬銓?shí)樂(lè)?勇王敉邦

(中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 102249)

摘要：針對(duì)致密油藏應(yīng)力敏感性問(wèn)題，采用非穩(wěn)態(tài)和穩(wěn)態(tài)滲透率測(cè)試方法，研究在圍壓一定，流壓逐漸降低的過(guò)程中致密巖石氣測(cè)滲透率的變化情況。研究結(jié)果表明：在流壓降低的過(guò)程中，致密巖石滲透率損失率達(dá)到90%，存在強(qiáng)應(yīng)力敏感性；對(duì)于同一巖樣，不同流壓下的非穩(wěn)態(tài)滲透率比穩(wěn)態(tài)滲透率小；有效圍壓小于20 MPa時(shí)，滲透率快速下降，當(dāng)有效圍壓大于20 MPa時(shí)，滲透率下降速度逐漸減緩。

關(guān)鍵詞：致密油儲(chǔ)層； 非穩(wěn)態(tài)滲透率； 脈沖衰減法； 滲透率損失率； 應(yīng)力敏感

致密儲(chǔ)層地下滲透率一般小于0.1×10-3μm2，孔隙度一般小于10%。在實(shí)際生產(chǎn)中，隨著油氣不斷被開(kāi)采，儲(chǔ)層孔隙壓力逐漸降低，巖石骨架的有效應(yīng)力增大，導(dǎo)致儲(chǔ)層發(fā)生彈塑性壓實(shí)變形。當(dāng)油層產(chǎn)生彈塑性變形或壓實(shí)時(shí)，油藏的滲透率降低，影響油井產(chǎn)能。

對(duì)于低滲透致密儲(chǔ)層，學(xué)者通過(guò)大量試驗(yàn)，研究?jī)?chǔ)層滲透率隨應(yīng)力的變化關(guān)系，建立了相關(guān)模型，發(fā)現(xiàn)致密低滲透儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性普遍較強(qiáng)。由于試驗(yàn)中所用巖心物性的差異及所采用研究手段的不同，導(dǎo)致研究結(jié)果存在較大差異[1]，并且研究過(guò)程中大都采用穩(wěn)態(tài)法研究應(yīng)力敏感效應(yīng)。對(duì)于致密儲(chǔ)層，傳統(tǒng)穩(wěn)態(tài)法測(cè)試效率低、測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)、實(shí)驗(yàn)過(guò)程易受環(huán)境溫度影響、流速計(jì)量誤差偏大[2-3]。此外，由于流體在致密儲(chǔ)層中很難達(dá)到穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)，為模擬油層真實(shí)條件下的應(yīng)力敏感效應(yīng)，應(yīng)同時(shí)采用非穩(wěn)態(tài)法和穩(wěn)態(tài)法測(cè)研究致密儲(chǔ)層的應(yīng)力敏感性。Brace等人于1968年提出了基于非穩(wěn)態(tài)滲流理論的脈沖衰減法滲透率測(cè)試技術(shù)[4]，后經(jīng)Jones加以改進(jìn)，這種非穩(wěn)態(tài)快速測(cè)量滲透率的方法可以大大縮短測(cè)量時(shí)間[5]。測(cè)量過(guò)程中只需要監(jiān)測(cè)壓力而無(wú)需流量，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)精度能得到很好的保證。鑒于此，本次研究采用脈沖衰減法對(duì)致密巖石的應(yīng)力敏感進(jìn)行研究，并與常規(guī)穩(wěn)態(tài)法測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

1脈沖衰減法測(cè)定原理

與常規(guī)穩(wěn)態(tài)法測(cè)滲透率原理不同，脈沖衰減法是基于一維非穩(wěn)態(tài)滲流理論，通過(guò)測(cè)試巖樣一維非穩(wěn)態(tài)滲流過(guò)程中孔隙壓力隨時(shí)間的衰減數(shù)據(jù)，并結(jié)合相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)對(duì)滲流方程的精確解答和合適的誤差控制、簡(jiǎn)化，從而獲得測(cè)試巖樣滲透率的一種方法。

脈沖衰減法滲透率測(cè)量系統(tǒng)主要由上游大腔室和小腔室、下游小腔室和大腔室及固定巖樣的巖心夾持器組成，如圖1所示。2個(gè)小腔室的容積相等(均為5 cm3)，2個(gè)大腔室內(nèi)部容積均為100 cm3，開(kāi)關(guān)閥門時(shí)，閥門內(nèi)均無(wú)體積變化。將致密巖樣放入巖心夾持器中并在樣品周圍施加一定圍壓，兩端連接容器，使得實(shí)驗(yàn)裝置中的上游腔室、下游腔室和巖樣孔隙壓力相等且達(dá)到平衡狀態(tài)。在整體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)部達(dá)到壓力平衡時(shí)，一個(gè)小的壓力脈沖作用于巖心夾持器上游腔內(nèi)，此時(shí)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)形成一維滲流，隨后，壓力脈沖穿過(guò)巖樣并進(jìn)入下游腔內(nèi)。然后，上游腔內(nèi)的壓力逐漸降低，下游腔內(nèi)的壓力逐漸升高，直到達(dá)到新的壓力平衡。

根據(jù)質(zhì)量守恒原理及達(dá)西定律，不考慮重力作用時(shí)氣體在巖樣一維非穩(wěn)態(tài)滲流的數(shù)學(xué)模型[6-7]為：

(1)

圖1　實(shí)驗(yàn)原理圖

脈沖衰減法測(cè)試前，首先使儀器腔室和巖樣孔隙壓力均等于0。脈沖衰減開(kāi)始后，連接巖樣入口和出口的上游和下游腔室壓力將隨脈沖衰減而發(fā)生變化。對(duì)應(yīng)式(1)的初始條件和邊界條件分別為：

p(x,0)=0，0

(2)

p(0,t)=p1(t)，t≥0

(3)

p(L,t)=p2(t)，t≥0

(4)

(5)

p1(0)=p0

(6)

(7)

p2(0)=0

(8)

式中：p(x,t) — 巖樣孔隙壓力，MPa；

cg— 巖樣孔隙流體壓縮系數(shù)，MPa-1；

μg— 氣體黏度，mPa·s；

φ— 致密巖樣孔隙度，%；

K— 致密巖樣滲透率，10-3μm2；

L — 巖樣長(zhǎng)度，cm；

t — 脈沖衰減時(shí)間，s；

V1 — 儀器上游腔室容積，cm3；

V2 — 下游腔室容積，cm3；

p1 — 上游腔室壓力，MPa；

p2 — 下游腔室壓力，MPa；

p0 — 施加壓力脈沖后的壓力，MPa。

由式(1)并結(jié)合初始條件和邊界條件式(2) — (8)進(jìn)行理論解析，在誤差可控范圍內(nèi)進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，即可獲得計(jì)算巖樣脈沖滲透率的數(shù)學(xué)模型[5]：

(9)

式中：Kg— 巖樣脈沖滲透率，10-3μm2；

m1— 無(wú)量綱壓力的對(duì)數(shù)值與時(shí)間關(guān)系曲線的斜率；

fz— 氣體壓宿性矯正系數(shù)；

f1— 質(zhì)量流矯正系數(shù)；

A— 巖樣橫截面積，cm2。

2致密巖心應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)

儲(chǔ)層巖石所受到的壓力主要包括上覆地層壓力(外壓)和孔隙流體壓力(內(nèi)壓)。有效壓力即為上覆地層壓力與孔隙流體壓力之差。當(dāng)儲(chǔ)層巖石所受的有效壓力發(fā)生變化時(shí)，巖石就會(huì)發(fā)生變形，滲透率和孔隙度會(huì)隨之變化，產(chǎn)生應(yīng)力敏感[8]。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)都是通過(guò)模擬有效應(yīng)力的變化來(lái)評(píng)價(jià)儲(chǔ)層巖石的敏感性。在油氣藏實(shí)際開(kāi)發(fā)過(guò)程中，隨著生產(chǎn)的進(jìn)行，巖石的上覆壓力不變，孔隙流體壓力不斷降低。因此，為反映儲(chǔ)層開(kāi)采過(guò)程的真實(shí)情況，本次實(shí)驗(yàn)采取定外壓，變內(nèi)壓的方法進(jìn)行應(yīng)力敏感性研究。

2.1實(shí)驗(yàn)材料

選擇新疆油田某致密油藏真實(shí)巖心(如圖2)，具體物性參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　實(shí)驗(yàn)巖樣基本參數(shù)

圖2　實(shí)驗(yàn)用致密巖樣

2.2實(shí)驗(yàn)條件

(1)實(shí)驗(yàn)溫度為室溫。

(2)采用定圍壓，變流壓的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，圍壓設(shè)定為上覆地層壓力30 MPa，流壓分別為25，20，15，10，8，6，4，2 MPa。

(3)實(shí)驗(yàn)用氣體為高純氮(純度大于99.999%)。

2.3實(shí)驗(yàn)方法和步驟

非穩(wěn)態(tài)脈沖衰減滲透率測(cè)試在美國(guó)Core Lab公司研制的高壓氣測(cè)孔隙度滲透率儀的PDP-200脈沖衰減模塊上進(jìn)行。該系統(tǒng)包括壓力自動(dòng)控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)。該儀器對(duì)傳統(tǒng)脈沖滲透率儀器進(jìn)行了適當(dāng)改進(jìn)，使得脈沖衰減前系統(tǒng)壓力平衡所需的等待時(shí)間明顯減小，提高了試驗(yàn)測(cè)試效率，適用于滲透率分布在(0.01~0.10)×10-3μm2的致密巖石。運(yùn)行該儀器需要高壓氣源和穩(wěn)定的圍壓施加裝置，氣源提供壓力不小于7 MPa。本次試驗(yàn)中使用氮?dú)馄刻峁└邏簹庠础?/p>

(1)非穩(wěn)態(tài)測(cè)試。試驗(yàn)前 30 min預(yù)熱脈沖滲透率儀，檢查密封性后將巖樣放入夾持器，施加30 MPa 圍壓，然后打開(kāi)脈沖滲透率儀器相關(guān)閥門，施加一定的孔隙壓力。按照儀器提示等待儀器上游腔室、巖樣孔隙及下游腔室壓力達(dá)到熱平衡后，手動(dòng)降低下游腔室壓力約0.1 MPa 形成初始衰減壓力脈沖，與儀器相連的計(jì)算機(jī)會(huì)自動(dòng)測(cè)試壓力衰減數(shù)據(jù)并計(jì)算出脈沖衰減滲透率數(shù)值。在圍壓、外界環(huán)境條件不變的情況下，不斷地降低流壓，測(cè)試相應(yīng)的滲透率值。

(2)穩(wěn)態(tài)法測(cè)試。常規(guī)穩(wěn)態(tài)法氣測(cè)滲透率首先準(zhǔn)確測(cè)定巖心孔隙體積。圍壓和流壓由氮?dú)馄刻峁?，圍壓模擬地層巖樣所承受的上覆巖石所產(chǎn)生的覆蓋壓力，流壓則模擬油藏流體的壓力，大小由回壓閥控制。在測(cè)定時(shí)，通過(guò)改變流壓來(lái)改變凈有效圍壓，待流動(dòng)穩(wěn)定后測(cè)定某壓力點(diǎn)下的滲透率。測(cè)定完后再降低流壓改變凈有效圍壓進(jìn)行下一壓力點(diǎn)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)參照標(biāo)準(zhǔn)《SYT6385 — 1999覆壓下巖石孔隙度和滲透率測(cè)定方法》。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

本次研究采用非穩(wěn)態(tài)法和穩(wěn)態(tài)法在不同流壓下(由大到小)測(cè)定6塊致密巖樣的氣測(cè)滲透率(見(jiàn)表2)?？梢钥闯霾捎梅欠€(wěn)態(tài)法測(cè)試時(shí)，6塊巖樣的氣測(cè)滲透率損失率最大可達(dá)96.50%，最低可達(dá)88.17%；而采用穩(wěn)態(tài)法測(cè)試時(shí)，氣測(cè)滲透率損失率最大可達(dá)93.28%，最低可達(dá)78.71%。不同測(cè)試方法結(jié)果顯示，致密巖樣均具有極強(qiáng)的應(yīng)力敏感性，且非穩(wěn)態(tài)法測(cè)得的滲透率損失率大于穩(wěn)態(tài)法測(cè)得的滲透率損失率。

表2　壓力敏感性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果繪制滲透率應(yīng)力敏感曲線(見(jiàn)圖3)?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著有效圍壓的增大，即流壓的降低，非穩(wěn)態(tài)滲透率和穩(wěn)態(tài)滲透率均呈明顯降低的趨勢(shì)，但下降速度逐漸減緩。在生產(chǎn)初期，即在有效圍壓小于20 MPa時(shí)，滲透率隨流壓的降低快速下降，壓力敏感性較強(qiáng)；當(dāng)有效圍壓增加到20 MPa以后，滲透率下降幅度明顯減小，壓力敏感性明顯減弱。因此，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)該合理控制生產(chǎn)壓差，盡量減小壓敏效應(yīng)對(duì)開(kāi)發(fā)過(guò)程帶來(lái)的影響。

此外，同一塊巖心非穩(wěn)態(tài)滲透率變化曲線與穩(wěn)態(tài)滲透率變化曲線相差較大。在同一有效圍壓下，非穩(wěn)態(tài)滲透率比穩(wěn)態(tài)滲透率大。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)：有效圍壓較低，即流壓較高時(shí)，穩(wěn)態(tài)滲透率比非穩(wěn)態(tài)滲透率大得多；隨著有效圍壓的增加，非穩(wěn)態(tài)滲透率與穩(wěn)態(tài)滲透率差距逐漸減小。這是由于在常規(guī)穩(wěn)態(tài)法滲透率測(cè)試過(guò)程中，首先給巖樣施加一個(gè)較小的圍壓，施加入口壓力后同步緩慢增加圍壓和入口壓力以達(dá)到有效圍壓設(shè)定值。而非穩(wěn)態(tài)脈沖衰減滲透率實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，直接對(duì)巖樣增至設(shè)定的圍壓，之后施加孔隙壓力，即脈沖衰減過(guò)程中巖樣在實(shí)驗(yàn)初期短時(shí)間內(nèi)承受了較高的圍壓作用，其對(duì)致密巖石微觀孔隙結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生較為明顯的壓縮變形，包括部分不可恢復(fù)的塑性變形。即使后期施加了較高的孔隙壓力，巖樣孔隙結(jié)構(gòu)的塑性變形也無(wú)法恢復(fù)。由此使得巖樣非穩(wěn)態(tài)脈沖滲透率小于常規(guī)穩(wěn)態(tài)法滲透率。

圖3　不同巖心非穩(wěn)態(tài)法和穩(wěn)態(tài)法壓力敏感實(shí)驗(yàn)曲線

將滲透率損失率[9-10]用k′表示：

(9)

式中：k′ — 滲透率傷害程度，%；

kmax— 最大流壓時(shí)的氣測(cè)滲透率，10-3μm2；

kmin— 最小流壓下的氣測(cè)滲透率，10-3μm2。

6塊巖心的滲透率損失率計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3　不同巖心的滲透率損失率結(jié)果　%

從表3中可以看出，利用非穩(wěn)態(tài)方法測(cè)得的滲透率損失率大于用穩(wěn)態(tài)法測(cè)得的滲透率損失率，且非穩(wěn)態(tài)法測(cè)得的滲透率損失率平均在90%以上，說(shuō)明致密巖心存在強(qiáng)壓敏效應(yīng)。造成該現(xiàn)象的原因可能與致密巖石的孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)[11-12]。致密儲(chǔ)層中存在許多扁平或板狀喉道、微細(xì)毛管和成巖微裂縫發(fā)育，流壓降低時(shí)，可導(dǎo)致微小喉道關(guān)閉，滲透率大為降低。鑒于此致密油儲(chǔ)層不宜采用衰竭方式開(kāi)采，應(yīng)及時(shí)給地層補(bǔ)充能量。

4結(jié)語(yǔ)

(1)非穩(wěn)態(tài)脈沖衰減法實(shí)驗(yàn)表明，隨著孔隙壓力的降低，致密油儲(chǔ)層的滲透率損失率達(dá)到90%以上，遠(yuǎn)高于常規(guī)低滲油藏。強(qiáng)應(yīng)力敏感性是致密油儲(chǔ)層的一個(gè)重要特征。

(2)對(duì)于致密儲(chǔ)層，非穩(wěn)態(tài)脈沖衰減滲透率損失率大于相同有效圍壓條件下的常規(guī)的穩(wěn)態(tài)法測(cè)試結(jié)果。

(3)在開(kāi)采致密油藏時(shí)應(yīng)盡量使油藏壓力保持相對(duì)穩(wěn)定或控制好生產(chǎn)壓差，以最大限度地減輕應(yīng)力敏感對(duì)開(kāi)發(fā)的不利影響。

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Study on the Stress Sensitivity of Tight Oil Reservoir

CHENCanYANGShenglaiMAQuanzhengFANGYongWANGMibang

(Key Laboratory of Petroleum Engineering of Ministry of Education, China University

of Petroleum (Beijing), Beijing 102249,China)

Abstract:As for the stress sensitivity of tight oil reservoir, the unsteady method to measure permeability change is adopted under the condition of constant confining pressure and decreasing flow pressure. The result indicates that as the flowing pressure decreases, the permeability damage can achieve as high as 90%, showing that tight rock exists tense stress sensitivity. For the same sample, the unsteady permeability is smaller than steady permeability. When the effective confining pressure is less than 20 MPa, the permeability decreases sharply, while the decreasing rate slows down as the effective pressure exceeds 20 MPa.

Key words:tight reservoir; unsteady permeability; pulse decay method; permeability damage; stress sensitivity

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-1980(2015)03-0047-05

中圖分類號(hào)：P618

作者簡(jiǎn)介：陳璨(1991 — )，女，山東人，中國(guó)石油大學(xué)(北京)在讀碩士研究生，研究方向?yàn)橛筒貪B流機(jī)理。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“超深層油氣藏巖石物性垂向分布規(guī)律及滲流特征研究”(50874114)

收稿日期：2014-12-10