長(zhǎng)嶺斷陷火山巖覆壓孔隙度和滲透率實(shí)驗(yàn)及校正方法

張麗華, 王敏,單剛義，潘保芝

1.吉林大學(xué) 地球探測(cè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,長(zhǎng)春 130026 2.中國(guó)石化 東北油氣分公司, 長(zhǎng)春 130026

0 引言

火山巖作為特殊的油氣儲(chǔ)層，越來(lái)越引起人們的重視，油氣藏已成為中國(guó)天然氣勘探和開(kāi)發(fā)的主要領(lǐng)域之一，目前在松遼、準(zhǔn)噶爾、渤海灣等地均發(fā)現(xiàn)有火山巖氣藏[1-2]。在油氣藏的開(kāi)采過(guò)程中，隨著儲(chǔ)層內(nèi)部流體的產(chǎn)出，儲(chǔ)層孔隙壓力降低，儲(chǔ)層巖石原有的受力平衡狀態(tài)發(fā)生改變。根據(jù)巖石力學(xué)理論[3]，從一個(gè)應(yīng)力狀態(tài)變到另一個(gè)應(yīng)力狀態(tài)必然要引起巖石的壓縮或拉伸，即巖石發(fā)生彈性或塑性變形。巖石的變形必然引起巖石孔隙結(jié)構(gòu)和孔隙體積的變化，如孔隙體積的縮小、孔隙喉道和裂縫的閉合等，最終表現(xiàn)為孔隙度、滲透率隨有效應(yīng)力的增加而降低。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)孔隙度滲透率的壓力敏感性進(jìn)行了研究。楊正明等[4]對(duì)火山巖塞樣和全直徑樣品進(jìn)行了滲透率隨壓力的變化研究，發(fā)現(xiàn)全直徑巖芯滲透率隨有效壓力的升高而下降的幅度比塞樣大。 楊滿平等[5]對(duì)大慶油田升平地區(qū)營(yíng)城組升深2-1井10塊流紋巖樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，流紋巖孔隙度的下降幅度在5%～22%之間，流紋巖的應(yīng)力敏感性是不明顯的。朱華銀等[6]對(duì)大慶油田火山巖的主要儲(chǔ)集巖類(流紋巖、角礫巖、凝灰?guī)r、集塊巖)進(jìn)行了應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)和巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)果表明：大慶油田火山巖硬度大、抗壓強(qiáng)度高、應(yīng)力敏感性不強(qiáng)，當(dāng)有效壓力從5 MPa增大到60 MPa時(shí)，孔隙度下降率<5%(相對(duì)值)。 白遠(yuǎn)等[7]通過(guò)建立覆壓物性與常壓物性關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)常壓物性計(jì)算覆壓物性。從查閱的文獻(xiàn)來(lái)看[4-10]，對(duì)火山巖油氣藏的孔隙度和滲透率隨壓力的變化情況研究較多，但是對(duì)其校正方法的研究較少。通過(guò)鉆井取芯將巖芯重新提升到地面, 由于壓力釋放和彈性膨脹, 孔隙度有所恢復(fù), 因此常壓下測(cè)量的巖芯孔隙度大于地層條件下的孔隙度。目前, 測(cè)井計(jì)算孔隙度都是基于巖芯分析的地面孔隙度建立的計(jì)算關(guān)系式, 由此得到的測(cè)井孔隙度實(shí)為地面孔隙度，并未考慮孔隙度與滲透率參數(shù)受覆壓影響較大這一問(wèn)題，因而不能準(zhǔn)確地表征火山巖儲(chǔ)層。而儲(chǔ)量計(jì)算是要求計(jì)算油氣藏孔隙中的含油氣量, 應(yīng)該使用地層條件下的孔隙度。因此,必須將地面孔隙度校正為地層條件下的孔隙度。此外，巖石覆壓孔隙度和滲透率是在巖樣軸向和徑向施加相同壓力下測(cè)定的，是三軸孔隙度[11]。必須將三軸孔隙度轉(zhuǎn)換為單軸孔隙度，才能用于儲(chǔ)量計(jì)算。由于火山巖儲(chǔ)層巖芯覆壓孔隙度滲透率實(shí)驗(yàn)成本高、時(shí)間長(zhǎng)，不可能對(duì)所有巖樣進(jìn)行覆壓孔隙度滲透率實(shí)驗(yàn)。筆者選取長(zhǎng)嶺斷陷龍鳳山地區(qū)有代表性的火山巖樣品進(jìn)行孔隙度和滲透率隨壓力變化的實(shí)驗(yàn)，然后根據(jù)這些樣品的測(cè)量數(shù)據(jù)，找到覆壓孔隙度和滲透率的校正方法。

1 儀器設(shè)備和實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和樣品

實(shí)驗(yàn)儀器是美國(guó)CORETEST公司的覆壓條件下孔隙度和滲透率自動(dòng)測(cè)量?jī)x[12](AP608)。測(cè)試過(guò)程和結(jié)果輸出完全自動(dòng)化，從而實(shí)現(xiàn)精確和可重復(fù)的測(cè)量。Hassler型巖芯夾持器具有快速釋放功能。靜水應(yīng)力條件范圍為3.5～65.5 MPa。試驗(yàn)中使用的孔隙壓力由設(shè)備程序自動(dòng)控制。設(shè)備的可測(cè)量滲透率范圍為(0.001～5 000)×10-3μm2，可測(cè)量的有效孔隙度范圍為0.1%～40%。

實(shí)驗(yàn)樣品采自長(zhǎng)嶺斷陷。松遼盆地南部斷陷型盆地群是由16個(gè)分割獨(dú)立的斷陷盆地組成，盆地總面積約5.36×104km2，平面上可劃分為西、中、東3個(gè)斷陷帶，長(zhǎng)嶺斷陷位于中部斷陷帶，發(fā)育斷、坳兩套地層層系，自下而上發(fā)育下白堊統(tǒng)火石嶺組、沙河子組、營(yíng)城組、登婁庫(kù)組和泉頭組，上白堊統(tǒng)青山口組、姚家組和嫩江組[13-14]?；鹗瘞X組沉積時(shí)期處于盆地的初始裂陷階段，巖性為灰色粉砂巖，泥巖與粗砂巖，砂礫巖不等厚互層，局部發(fā)育火山巖，巖性為灰、深灰色安山巖、玄武安山巖及凝灰?guī)r[15-16]。營(yíng)城組沉積時(shí)期處于盆地的斷陷期，早期火山活動(dòng)發(fā)育大套火山巖，巖性主要為安山巖、玄武巖和凝灰?guī)r[17]。

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果

打開(kāi)儀器電源，按照儀器要求設(shè)定氮?dú)獬隹趬毫蜌獗脡毫?。將加工好的樣品洗油、洗鹽和烘干后，測(cè)量巖樣的長(zhǎng)度和直徑等，把巖樣裝入巖芯夾持器，孔隙壓力設(shè)為1.4 MPa，施加的圍壓分別為3.5、8.3、13.1、17.9、22.8、27.6、32.4、37.2 MPa。然后開(kāi)始測(cè)量不同壓力條件下巖樣的孔隙度?？紫抖鹊膽?yīng)力敏感性可以定義為改變圍壓。采用石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6385—2016覆壓下巖石孔隙度和滲透率測(cè)定方法[18]，φ0是壓力3.5 MPa下的孔隙度值。φi是壓力在3.5、8.3、13.1、17.9、22.8、27.6、32.4、37.2 MPa下的孔隙度值。巖樣的基本信息如表1所示。

表1 巖樣的基本信息

由于巖樣在測(cè)量過(guò)程中壞掉或由于巖樣的滲透率太低，導(dǎo)致最終只有一個(gè)巖樣X(jué)13-1_1測(cè)到了多個(gè)壓力點(diǎn)的滲透率值。安山巖、角礫凝灰?guī)r和凝灰?guī)r的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1和圖2所示。從圖1和圖2中可以看出，3種巖性的孔隙度都是隨著壓力的增大而減小，但是減小的幅度和趨勢(shì)是不同的。在壓力<13.8 MPa時(shí)，安山巖和角礫凝灰?guī)r的孔隙度隨著壓力的增大而急劇減小，在壓力>13.8 MPa時(shí)，安山巖和角礫凝灰?guī)r孔隙度隨著壓力的增大而減小的趨勢(shì)變緩，而凝灰?guī)r的變化趨勢(shì)幾乎差不多，一直在減小。在37.2 MPa壓力下，安山巖的平均孔隙度變化為0.62，角礫凝灰?guī)r的平均孔隙度變化為0.43，而凝灰?guī)r的平均孔隙度變化為0.1。

圖1 孔隙度比隨壓力變化關(guān)系圖Fig.1 Relationship between porosity ratio and pressure

圖2 滲透率比隨壓力變化關(guān)系圖Fig.2 Relationship between permeability ratio and pressure

2 孔隙度和滲透率校正方法

巖石孔隙度和滲透率是在巖樣軸向和徑向施加相同壓力下測(cè)定的，即為靜水壓力加壓條件下的測(cè)定值。但是，埋藏在地下的巖石單元，由于地層延伸長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其厚度，可以認(rèn)為巖石只在垂向或單軸方向上發(fā)生形變，橫向變化等于零[19]。 在靜水壓力作用下,巖芯各方向受到相等的壓力作用, 各個(gè)方向都會(huì)產(chǎn)生變形, 所測(cè)得的孔隙度為三軸孔隙度, 必須經(jīng)過(guò)校正才能將其轉(zhuǎn)化為單向地層壓力條件下的孔隙度。儲(chǔ)層條件下單軸應(yīng)力與實(shí)驗(yàn)室三軸應(yīng)力示意圖如圖3所示。

圖3 儲(chǔ)層條件下單軸應(yīng)力與實(shí)驗(yàn)室三軸應(yīng)力示意圖[19]Fig.3 Schematic diagram of uniaxial stress and laboratory triaxial stress under reservoir conditions

2.1 校正方法

(1)繪制有效上覆壓力與孔隙度和滲透率的變化系數(shù)曲線

用巖樣在不同壓力下測(cè)得的孔隙度值和滲透率值除以巖樣在常壓下測(cè)定的孔隙度值和滲透率值，分別得到孔隙度變化系數(shù)(φi/φ0)和滲透率變化系數(shù)(ki/k0)，再以有效上覆壓力為橫坐標(biāo)，孔隙度變化系數(shù)和滲透率變化系數(shù)為縱坐標(biāo)，在同一坐標(biāo)下繪制出相應(yīng)的變化曲線(圖4)。

1.孔隙度變化系數(shù)曲線；2.滲透率變化系數(shù)曲線。圖4 壓力與孔隙度和滲透率變化系數(shù)曲線關(guān)系圖Fig.4 Relationship between pressure and variation coefficient of porosity and permeability

(2)計(jì)算單軸向壓力下的孔隙度

在圖4橫坐標(biāo)上找到所需要的有效上覆壓力值A(chǔ)點(diǎn)，由A點(diǎn)垂直向上交曲線1于B點(diǎn)，B點(diǎn)縱坐標(biāo)即為靜水壓力下的孔隙度變化系數(shù)φzr，用φzr乘以地面孔隙度φ0得出靜水壓力下的孔隙度φz

利用下式計(jì)算出單軸向壓力下的孔隙度φf(shuō)

φf(shuō)=φ0-(φ0-φz)*α

(1)

(3)計(jì)算單軸向壓力下的滲透率

以單軸向壓力下的孔隙度值φf(shuō)除以地面孔隙度φ0值得出單軸向孔隙度變化系數(shù)φf(shuō)r，在縱坐標(biāo)中找到該點(diǎn)并做平行于橫坐標(biāo)的線交曲線1于C點(diǎn)，由C點(diǎn)垂直向下交曲線2于D點(diǎn)，交點(diǎn)即為單軸向滲透率變化系數(shù)kfr，用kfr乘以常壓滲透率值k0即為單軸向壓力下的滲透率值。

重復(fù)以上步驟可以計(jì)算出任意單軸向壓力下的孔隙度和滲透率值。

2.2 校正結(jié)果

對(duì)長(zhǎng)嶺斷陷的68塊火山巖巖樣進(jìn)行常壓和覆壓條件下孔隙度和滲透率測(cè)量， 按照上面的方法對(duì)這些測(cè)量值進(jìn)行了校正，得到單軸向壓力下的孔隙度和滲透率，校正效果見(jiàn)圖5和圖6。

圖5 未校正與校正的覆壓孔隙度與常壓孔隙度關(guān)系圖Fig.5 Relationship between uncorrected and corrected overburden porosity and atmospheric porosity

圖6 未校正與校正的覆壓滲透率與常壓滲透率關(guān)系圖Fig.6 Relationship between uncorrected and corrected overburden permeability and atmospheric permeability

3 結(jié)論

(1)火山巖的孔隙度隨著壓力的增大而減小，但不同巖性的樣品，孔隙度隨著壓力的增大而減小的幅度不同。安山巖的減小幅度最小，凝灰?guī)r的減小幅度最大。凝灰?guī)r的孔隙度受壓力的影響最明顯。

(2)地下巖芯取到地面, 由于彈性膨脹和壓力釋放, 巖芯的孔隙度會(huì)有所恢復(fù), 地面條件測(cè)量得到的孔隙度或是覆壓條件下的三軸孔隙度，用于儲(chǔ)量計(jì)算時(shí), 必須進(jìn)行覆壓校正。