風(fēng)城陸相超稠油油砂微壓裂擴(kuò)容機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究

林伯韜陳森潘竟軍金衍張磊龐惠文

1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院；2.新疆油田工程設(shè)計(jì)研究院

風(fēng)城陸相超稠油油砂微壓裂擴(kuò)容機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究

林伯韜1陳森2潘竟軍2金衍1張磊2龐惠文1

1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院；2.新疆油田工程設(shè)計(jì)研究院

風(fēng)城陸相超稠油油藏非均質(zhì)性強(qiáng)且原油黏度高，SAGD開發(fā)普遍存在循環(huán)預(yù)熱周期長(zhǎng)的問(wèn)題。采用微壓裂技術(shù)可縮短預(yù)熱周期，由此需要掌握儲(chǔ)層在其實(shí)施過(guò)程中的擴(kuò)容機(jī)理及規(guī)律。通過(guò)選取風(fēng)城代表性油砂巖心，進(jìn)行了巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究，分析了巖心的關(guān)鍵力學(xué)參數(shù)、剪脹和張性擴(kuò)容機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)城陸相油砂質(zhì)地疏松，剪脹角遠(yuǎn)小于加拿大阿爾伯塔海相油砂，其力學(xué)參數(shù)和擴(kuò)容程度受泥質(zhì)和油質(zhì)含量的影響；在近井壁地帶，圍壓越小，孔壓越大，剪脹擴(kuò)容量越大；而遠(yuǎn)井壁地帶的剪脹擴(kuò)容量非常小。張性擴(kuò)容可通過(guò)減小圍壓和增大孔壓2種方式產(chǎn)生，且塑性強(qiáng)的油砂在張性擴(kuò)容時(shí)產(chǎn)生明顯的塑性體應(yīng)變。綜合分析可知，現(xiàn)場(chǎng)微壓裂成功的關(guān)鍵在于均勻提壓注水并擴(kuò)大其波及范圍。

風(fēng)城油田；陸相；油砂；微壓裂；剪脹擴(kuò)容；張性擴(kuò)容

蒸汽輔助重力泄油技術(shù)（Steam Assisted Gravity Drainage，簡(jiǎn)稱SAGD）已成為國(guó)內(nèi)外開采非固結(jié)砂巖儲(chǔ)層中的超稠油/瀝青（原位狀態(tài)下黏度高達(dá)5×106mPa·s）的關(guān)鍵技術(shù)［1-4］，并被認(rèn)為是超稠油開采領(lǐng)域最有效的方式［5］，在加拿大已經(jīng)商業(yè)化應(yīng)用10多年。SAGD井開采過(guò)程分為預(yù)熱及生產(chǎn)兩大階段，預(yù)熱階段主要目的為建立上下水平井有效熱力、水力連通，為生產(chǎn)階段提供泄油通道。

新疆風(fēng)城油田的超稠油油藏具有夾層發(fā)育、滲透率低、非均質(zhì)性強(qiáng)的特征，帶來(lái)階段能耗大、油汽比低、循環(huán)預(yù)熱產(chǎn)出液處理壓力大、見產(chǎn)周期長(zhǎng)等一系列問(wèn)題，很大程度制約著SAGD預(yù)熱及開發(fā)效果。為了解決預(yù)熱周期長(zhǎng)這一問(wèn)題，采用SAGD注采水平井微壓裂儲(chǔ)層改造技術(shù)［6-9］，通過(guò)對(duì)SAGD井?dāng)D注20～70 ℃液體介質(zhì)（前期工程產(chǎn)出液）進(jìn)行微壓裂，提高井筒周圍油藏孔隙度、滲透率，并建立一定程度的注采井連通性，從而縮短預(yù)熱周期；同時(shí)改變傳熱方式，從以蒸汽潛熱導(dǎo)熱為主轉(zhuǎn)換為以凝析液對(duì)流為主，借此大幅度提高傳熱效率，改善后續(xù)蒸汽循環(huán)生產(chǎn)效果［7-8］。為了評(píng)價(jià)風(fēng)城油砂微壓裂過(guò)程的擴(kuò)容機(jī)理及規(guī)律，錄取風(fēng)城油田具有代表性的油砂巖心，開展了相關(guān)室內(nèi)力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究。

1　地質(zhì)背景及巖石物性

Geological setting and petrophysical characteristics

風(fēng)城油田位于準(zhǔn)噶爾盆地西北緣北端，烏夏斷褶帶的夏紅北斷裂上盤中生界超覆尖滅帶上。烏夏斷褶帶為滑脫型褶皺-前緣斷層相關(guān)背斜帶構(gòu)造模式，受前緣二疊系2條隱伏斷層的影響，基底內(nèi)凹凸相間排列，埋深向南東方向增大。烏夏斷裂帶自石炭紀(jì)末期以來(lái)經(jīng)歷了晚海西運(yùn)動(dòng)、印支運(yùn)動(dòng)、燕山運(yùn)動(dòng)的繼承發(fā)育，燕山末期最終覆蓋定型。準(zhǔn)噶爾盆地西北緣構(gòu)造模式如圖1所示。

圖1　準(zhǔn)噶爾盆地西北緣構(gòu)造模式Fig. 1 Structural pattern at the northwestern margin of Junggar Basin

風(fēng)城油田以陸相稠油、超稠油油藏為主。其中西北緣稠油油藏是在長(zhǎng)期的地史演化過(guò)程中形成的，早期油藏遭到破壞，油氣沿著克-烏斷裂發(fā)生多次運(yùn)移，向上至推覆體上盤超覆尖滅帶形成次生油藏，再經(jīng)輕質(zhì)組分散失、水洗氧化以及劇烈的生物降解作用，最終生成稠油油藏。其中超稠油油藏主要分布于齊古組和八道灣組，齊古組在全區(qū)廣泛分布，沉積厚度47.5～125.9 m，巖性主要為油砂、泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖、中細(xì)砂巖、含礫砂巖及砂礫巖。實(shí)驗(yàn)用油砂巖心取自風(fēng)城重1井區(qū)齊古組。該油藏平均中部埋深320～400 m，油層孔隙度20.9%～41.8%，平均為30.3%；油層絕對(duì)滲透率為38.2～5403.4 mD，平均為1 400 mD；含油飽和度為49%～72%，平均為68%。目前開發(fā)區(qū)50℃地面脫氣油黏度7 400 ～42 200 mPa·s。根據(jù)泥質(zhì)和油質(zhì)成分的相對(duì)含量，把油砂巖心分為（1）普通油砂；（2）泥質(zhì)油砂；（3）油質(zhì)油砂3類。它們的細(xì)粒含量（粒徑＜0.075 mm）比例分別為8.2%、21.5%和6.7%；含油量為8.5%，9.1%，13.7%；含油飽和度為48%，51%和66%。

2　風(fēng)城油砂巖石力學(xué)參數(shù)分析

Analysis on rock mechanics parameters of oil sand in Fengcheng Oilfield

風(fēng)城油砂巖石力學(xué)參數(shù)綜合分析如表1所示。表中的巖石力學(xué)參數(shù)取自三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析基于Drucker-Prager彈塑性力學(xué)本構(gòu)模型［10］。由于微壓裂過(guò)程為注入液往井筒四周水滲的過(guò)程，油砂由井筒向外滲水的飽和度逐漸降低［11］，因此有必要研究近井壁呈飽和狀態(tài)的油砂和遠(yuǎn)井壁不飽和狀態(tài)油砂的力學(xué)參數(shù)。其中有效圍壓σ3'的表達(dá)式為

式中，σ3為圍壓，MPa；pw為孔壓，MPa。

由于油砂屬于疏松型地質(zhì)體（類似于壓實(shí)土），比奧系數(shù)α取值為1［12-13］。油砂質(zhì)地疏松，無(wú)法用單軸壓縮實(shí)驗(yàn)獲取其彈性模量，需要施加一定的有效圍壓。因此，表1中的各模量對(duì)應(yīng)于0.5 MPa有效圍壓。

剪脹角是衡量油砂剪切擴(kuò)容（簡(jiǎn)稱剪脹）能力的主要指標(biāo)［7］。剪脹指相互接觸的油砂顆粒受剪力作用發(fā)生顆粒相對(duì)翻滾和翻轉(zhuǎn)而導(dǎo)致的基質(zhì)孔隙體積增大現(xiàn)象。由表1可知，風(fēng)城油砂的剪脹角隨泥質(zhì)、油質(zhì)成分的增加或飽和度的降低而減小，且遠(yuǎn)小于阿爾伯塔油砂高達(dá)48o的剪脹角［7］。

表1　風(fēng)城齊古組油砂巖石力學(xué)參數(shù)分析Table 1 Rock mechanics parameters of Qigu Formation oil sand in Fengcheng Oilfield

3　巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

Process and results of rock mechanics tests

3.1巖石力學(xué)三軸實(shí)驗(yàn)

Triaxial rock mechanics test

風(fēng)城油砂質(zhì)地異常疏松，在常溫下可用手工刀具切削修整，且隨著溫度的升高，稠油黏度大幅降低，油砂塑性進(jìn)一步增強(qiáng)。為保持油砂的原狀結(jié)構(gòu)，必須在運(yùn)輸、儲(chǔ)存和處理的過(guò)程中盡可能地保持其堅(jiān)硬冷凍狀態(tài)。研究采用干冰包裹的方式運(yùn)輸現(xiàn)場(chǎng)巖心，并用保持溫度在-20 ℃的冰柜儲(chǔ)存現(xiàn)場(chǎng)巖心和試驗(yàn)巖心。由于在取心過(guò)程中，取心機(jī)鉆進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生大量的熱量，給試件制取帶來(lái)了難度。為獲取實(shí)驗(yàn)用巖心，實(shí)驗(yàn)采用了液氮取心的方式［11］，過(guò)程如圖2所示。三軸實(shí)驗(yàn)所用的儀器為GCTS公司的RTR-1500高溫高壓巖石三軸儀，如圖2（c）所示。

3.2剪切擴(kuò)容機(jī)理研究

Shear dilation mechanism analysis

在現(xiàn)場(chǎng)微壓裂過(guò)程中，隨著注入壓力的不斷加大，注入液從井周逐步滲入地層。由此，近井壁地帶和遠(yuǎn)井壁地帶的油砂儲(chǔ)層的含水飽和度發(fā)生改變，勢(shì)必對(duì)相應(yīng)的剪脹擴(kuò)容程度造成深刻影響。這里的近井壁和遠(yuǎn)井壁是相對(duì)的概念；近井壁指水完全滲入儲(chǔ)層的區(qū)域，遠(yuǎn)井壁是指水尚未滲入或部分滲入儲(chǔ)層的區(qū)域。針對(duì)近井壁地帶條件的油砂，選取有效圍壓σ3'為0.5 MPa、1.0 MPa、2.0 MPa和5.0 MPa的樣品，孔壓pw固定為5 MPa，獲取B值為0.86～0.92，測(cè)試環(huán)境溫度為20 ℃。應(yīng)力應(yīng)變和體積應(yīng)變結(jié)果如圖3所示。其中體積應(yīng)變正值代表壓縮，負(fù)值代表膨脹。

圖2　液氮取心過(guò)程示意圖Fig. 2 Process of liquid nitrogen coring

圖3　飽和普通油砂在不同有效圍壓下的應(yīng)力應(yīng)變曲線和體積應(yīng)變曲線Fig. 3 Stress-strain and volumetric strain curves of saturated regular oil sand under various effective confining pressures

針對(duì)遠(yuǎn)井壁區(qū)域的油砂，同樣選取有效圍壓σ3' 為0.5 MPa、1.0 MPa、2.0 MPa和5.0 MPa。這里的孔壓pw為0，即不施加任何孔壓、不飽和樣品，壓力室圍壓等效于有效圍壓，測(cè)試環(huán)境溫度為20 ℃。獲得的應(yīng)力應(yīng)變曲線和體積應(yīng)變曲線如圖4所示。

圖4　不飽和普通油砂在不同有效圍壓下的應(yīng)力應(yīng)變曲線和體積應(yīng)變曲線Fig. 4 Stress-strain and volumetric strain curves of unsaturated regular oil sand under various effective confining pressures

為了評(píng)價(jià)油藏非均質(zhì)性特別是泥質(zhì)和油質(zhì)含量對(duì)儲(chǔ)層巖石力學(xué)行為的影響，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比了飽和的普通油砂、泥質(zhì)油砂和油質(zhì)油砂在0.5 MPa和5 MPa有效圍壓下的應(yīng)力應(yīng)變和體積應(yīng)變曲線，如圖5所示。

圖5　飽和普通油砂、泥質(zhì)油砂和油質(zhì)油砂的應(yīng)力應(yīng)變曲線和體積應(yīng)變曲線Fig. 5 （a） Stress-strain and （b） volumetric strain curves of saturated regular oil sand， mud-rich sand and bitumen-rich sand

3.3張性擴(kuò)容機(jī)理

The tensile parting mechanism

為研究張性擴(kuò)容的影響，完成了多組三軸等向靜水壓擴(kuò)容力學(xué)實(shí)驗(yàn)；與之前的剪切實(shí)驗(yàn)不同，這幾組實(shí)驗(yàn)通過(guò)改變有效平均應(yīng)力p'，固定偏應(yīng)力q 為0（即不施加任何偏應(yīng)力，無(wú)剪切作用）的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)。有效平均應(yīng)力p'的計(jì)算公式為

式中，σ1'為軸向有效應(yīng)力。

獲取的普通油砂、泥質(zhì)油砂和油質(zhì)油砂的張性擴(kuò)容曲線如圖6所示。

圖6　飽和普通油砂、泥質(zhì)油砂和油質(zhì)油砂的張性擴(kuò)容體積應(yīng)變、曲線Fig. 6 Volumetric strain curves of saturated regular sand， mudrich sand and bitumen-rich sand by tensile dilation

4　擴(kuò)容機(jī)理探討和現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)意義

Discussion on dilation mechanisms and its significance for field application

飽和油砂試樣在不同圍壓條件下的三軸實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖3）顯示，油砂在低圍壓條件下具有較強(qiáng)的剪脹效應(yīng)，在0.5 MPa有效圍壓下呈現(xiàn)高達(dá)7.1%的體積擴(kuò)容量（圖 3b）。同時(shí)，在該圍壓下的剪脹擴(kuò)容量（剪切導(dǎo)致的體積增量）隨單向（軸向）形變的增加而增大。由上可知，現(xiàn)場(chǎng)可通過(guò)（1）不間斷注水使井壁周圍區(qū)域有效圍壓降低；（2）根據(jù)地層埋深逐級(jí)提高相應(yīng)的注入壓，從而使儲(chǔ)層產(chǎn)生較大單向形變來(lái)增強(qiáng)擴(kuò)容效果。

不飽和油砂試樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖4）表明，遠(yuǎn)井壁注水未波及地帶剪脹程度很低，即使在0.5 MPa有效圍壓下也無(wú)明顯剪脹（圖 4b）。這是由于在剪切過(guò)程中砂粒間的瀝青-黏土混合膠結(jié)物運(yùn)移充填未被水侵入的孔隙空間，抵消了砂粒翻轉(zhuǎn)致使的體積增量。由此說(shuō)明，油砂的體積擴(kuò)容和水的注入這兩種機(jī)制是相互耦合的：擴(kuò)容有利于水的注入，而注水波及區(qū)域的油砂才能實(shí)現(xiàn)較高程度的擴(kuò)容。因此，微壓裂施工的成功關(guān)鍵在于均勻注入足夠多的能達(dá)到提壓效果的水（非漏失于天然裂縫的水）。由于現(xiàn)場(chǎng)工況操作能控制的僅有壓力和排量2個(gè)參數(shù)；因此，必須了解如何控制這些參數(shù)隨時(shí)間變化，借此獲取最優(yōu)的擴(kuò)容效果。實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)必須借助下一階段的數(shù)值模擬工作。

從圖5可知，隨泥質(zhì)和原油成分的增多，砂粒接觸點(diǎn)變少，油砂強(qiáng)度降低。飽和普通油砂在0.5 MPa 和5 MPa有效圍壓下的峰值偏應(yīng)力分別為3.8 MPa 和10.7 MPa，而飽和泥質(zhì)油砂對(duì)應(yīng)的數(shù)值為1.6 MPa 和3.9 MPa，飽和油質(zhì)油砂對(duì)應(yīng)的數(shù)值為6.7 MPa和6.8 MPa。泥質(zhì)成分對(duì)油砂強(qiáng)度的影響較之原油更為強(qiáng)烈，這是因?yàn)橐撩苫鞂拥瑞ね脸煞炙蛎浶纬扇趺?，有利于剪切時(shí)基質(zhì)塊體之間的錯(cuò)動(dòng)。另一方面，隨著原油成分增加，砂粒膠結(jié)程度增大，油質(zhì)油砂的強(qiáng)度對(duì)圍壓的敏感性較低。同時(shí)，在較低圍壓下（0.5 MPa）由于泥質(zhì)和油質(zhì)成分減弱了砂粒間的接觸，減小了砂粒間翻轉(zhuǎn)的幾率，從而導(dǎo)致泥質(zhì)油砂和油質(zhì)油砂的剪脹程度低于普通油砂。有趣的是，油質(zhì)油砂在較高有效圍壓（5 MPa）下呈現(xiàn)顯著剪脹（圖5b）。這是由于其瀝青介質(zhì)塑性極強(qiáng)，受高圍壓作用變形顯著，原本不接觸或接觸點(diǎn)少的砂粒在高圍壓作用下被壓實(shí)至明顯接觸甚至嵌合，從而造成強(qiáng)烈的剪脹效應(yīng)。普通油砂、泥質(zhì)油砂和油質(zhì)油砂的最大剪切擴(kuò)容量綜合如表2所示。表2中負(fù)值表示剪縮。

表2　風(fēng)城齊古組油砂在不同有效圍壓下的剪切擴(kuò)容量Table 2 Shear dilation of Qigu Formation oil sand in Fengcheng Oilfield under various effective confining pressures

風(fēng)城油砂擴(kuò)容的第2種方式是張性擴(kuò)容，即通過(guò)注液加大孔壓（靜水壓）后等向撐開油砂骨架。為了研究張性擴(kuò)容的作用，采用通過(guò)改變有效圍壓σ3'、監(jiān)測(cè)樣品體積形變的方法來(lái)研究該項(xiàng)機(jī)制。由式（1）可知，改變?chǔ)?'存在2種不同的方式：（1）固定圍壓而增大孔壓（對(duì)于地層某一深度的點(diǎn)）和（2）固定孔壓而減小圍壓（對(duì)應(yīng)不同的深度）均能達(dá)到張性擴(kuò)容的效果。這2種效果隨儲(chǔ)層油砂物性的不同（普通油砂、泥質(zhì)油砂、油質(zhì)油砂）而不同，相對(duì)大小也隨之變化（圖6）。該擴(kuò)容效果雖然比不上剪脹，但要求的單向形變程度小且對(duì)注入壓反應(yīng)敏感。普通油砂、泥質(zhì)油砂和油質(zhì)油砂最大張性擴(kuò)容量（σ3'從5 MPa減小至0）可歸納為表3的形式。

表3　風(fēng)城齊古組油砂的剪切擴(kuò)容量Table 3 Tensile dilation of Qigu Formation oil sand in Fengcheng Oilfield

從圖6和表3可得，對(duì)于普通油砂和油質(zhì)油砂采用方式（1）比方式（2）擴(kuò)容效果好，而對(duì)于泥質(zhì)油砂正好趨勢(shì)相反。這是因?yàn)槟噘|(zhì)油砂相對(duì)普通油砂和油質(zhì)油砂來(lái)說(shuō)具有較高的泥質(zhì)含量，這些泥質(zhì)成分阻礙了孔隙壓力在樣品中的擴(kuò)散。因此，孔隙壓力不能在樣品中均勻傳遞，造成局部的高孔壓和低孔壓區(qū)，達(dá)不到預(yù)期擴(kuò)容效果。相反，減小圍壓激發(fā)了樣品的回彈，該作用在泥質(zhì)油砂中尤為明顯，促進(jìn)了其體積擴(kuò)容。然而在現(xiàn)場(chǎng)微壓裂施工中，對(duì)于特定圍壓的儲(chǔ)層而言，方式（1）是唯一能夠采用的張性擴(kuò)容方式。同時(shí)，利用方式（2）對(duì)不同深度、不同地應(yīng)力條件、不同物性成分的儲(chǔ)層進(jìn)行張性擴(kuò)容潛力的評(píng)估和預(yù)測(cè)。通過(guò)對(duì)各物性成分的剪脹和張性擴(kuò)容程度的橫向?qū)Ρ确治隹芍?，剪脹擴(kuò)容和張性擴(kuò)容造成的最大體積擴(kuò)容量并無(wú)太大區(qū)別。這說(shuō)明現(xiàn)場(chǎng)微壓裂操作必須綜合考慮2種擴(kuò)容機(jī)理的共同作用。因此，基于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)值模擬工作需要耦合這2種機(jī)理的作用。

此外，圖6顯示普通油砂和油質(zhì)油砂的體應(yīng)變?chǔ)舦相對(duì)平均有效應(yīng)力p'的斜率（?εv/?p'）的絕對(duì)值隨p'的減小逐漸增大，而對(duì)于泥質(zhì)油砂而言該值為常數(shù)。由此可見，普通油砂和油質(zhì)油砂在張性擴(kuò)容過(guò)程中產(chǎn)生了塑性體應(yīng)變，而泥質(zhì)油砂的體應(yīng)變保持為線彈性狀態(tài)。為了正確描述油砂儲(chǔ)層的張性擴(kuò)容性狀，必須采用帶蓋帽的Ducker-Prager模型［10］。該模型考慮了靜水壓（或p'）導(dǎo)致的塑性體應(yīng)變，能更真實(shí)地反映實(shí)際儲(chǔ)層的變形情況。

擴(kuò)容導(dǎo)致的滲透率增量是評(píng)價(jià)儲(chǔ)層改造效果的重要指標(biāo)。然而，由于巖心受剪切導(dǎo)致的端面效應(yīng)的影響［15-16］，三軸儀器所測(cè)試的剪切后的滲透率并不能真實(shí)反映樣品實(shí)際的滲透率。端面效應(yīng)指剛性壓頭在剪切過(guò)程中對(duì)塑性樣品接近壓頭的區(qū)域造成壓實(shí)性破壞，使得樣品即便在體積增大的情況下仍發(fā)生滲透率顯著降低的現(xiàn)象［14-15］。換而言之，塑性樣品受剪切后的中部部位才能真實(shí)反映剪切后的微結(jié)構(gòu)，而上下兩端受到機(jī)械作用明顯。端面效應(yīng)在測(cè)試油砂這種塑性高的樣品時(shí)尤為顯著；如測(cè)試頁(yè)巖等剛度高的樣品，則該效應(yīng)可忽略不計(jì)。同時(shí)，張性擴(kuò)容過(guò)程由于無(wú)剪切作用，端面效應(yīng)不存在；然而，滲透率測(cè)試過(guò)程要求對(duì)樣品兩端施加一定壓差，該壓差會(huì)破壞樣品在張性擴(kuò)容過(guò)程中只受靜水壓加載的情況。針對(duì)油砂受剪脹和張性擴(kuò)容作用下的滲透率演變的測(cè)試方法需做進(jìn)一步的研究。目前，預(yù)測(cè)油砂由于擴(kuò)容導(dǎo)致的滲透率演變規(guī)律可采用Kozeny-Poiseuille方程［16］

式中，k0和k分別為擴(kuò)容前后的滲透率，φ0為擴(kuò)容前的孔隙度，εv為擴(kuò)容導(dǎo)致的體應(yīng)變（膨脹為負(fù)）。

如圖3～圖6所示。由于固態(tài)油砂的熱膨脹系數(shù)較低（10-4/℃），在微壓裂施工溫度范圍內(nèi)（注入液溫度為20～70 ℃）對(duì)油砂巖石力學(xué)參數(shù)影響很?。?8］，對(duì)孔隙體積的影響也很小，因此，研究油砂儲(chǔ)層在微壓裂中的孔滲變化可忽略溫度的影響。

5　結(jié)論

Conclusions

（1）相對(duì)于歷史上受過(guò)冰川壓實(shí)作用、質(zhì)地密實(shí)、砂粒內(nèi)嵌咬合的加拿大阿爾伯塔油砂，新疆風(fēng)城油砂歷史上未經(jīng)歷冰川作用、質(zhì)地疏松、砂粒松散分布于瀝青-黏土混合膠結(jié)基質(zhì)中，剪脹角僅為前者的一半甚至更小，且物性非均質(zhì)性強(qiáng)，儲(chǔ)層微壓裂改造難度大。

（2）油砂在飽和狀態(tài)和低有效圍壓下剪脹程度最高，且剪脹擴(kuò)容量隨著單向形變的增加而增大。這說(shuō)明微壓裂成功的關(guān)鍵在于均勻提壓注水并擴(kuò)大其波及范圍。一方面，注水飽和了波及區(qū)域油砂的粒間未充填孔隙；另一方面，注水提高波及范圍內(nèi)的孔壓，降低了有效圍壓。因此，在地層應(yīng)力和注水工況綜合導(dǎo)致的偏應(yīng)力作用下，波及范圍內(nèi)的油砂能產(chǎn)生較大幅度的剪脹。同時(shí)，孔壓的增大也促進(jìn)了張性擴(kuò)容的作用。

（3）油藏的物性非均質(zhì)性對(duì)儲(chǔ)層的擴(kuò)容有顯著影響。隨著泥質(zhì)或油質(zhì)成分增加，油砂砂粒間接觸點(diǎn)減少，受剪時(shí)翻轉(zhuǎn)幾率降低，剪脹程度減小。相反，由于瀝青質(zhì)較強(qiáng)的塑性，油質(zhì)油砂張性擴(kuò)容效果顯著。因此，評(píng)價(jià)油砂儲(chǔ)層的微壓裂擴(kuò)容情況必須綜合考慮剪脹擴(kuò)容和張性擴(kuò)容2種機(jī)制的作用。

（4）下一步的工作將基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用考慮塑性體應(yīng)變的帶蓋帽的Drucker-Prager彈塑性力學(xué)本構(gòu)模型對(duì)儲(chǔ)層微壓裂過(guò)程進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，綜合考慮2種擴(kuò)容機(jī)制的作用并實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。此外，還需開發(fā)能避免剪切端面效應(yīng)和評(píng)價(jià)張性擴(kuò)容作用的三軸滲透率測(cè)試儀器，從實(shí)驗(yàn)層面上直接研究油砂隨擴(kuò)容過(guò)程的滲透率演變規(guī)律。

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（修改稿收到日期 2016-03-30）

〔編輯 薛改珍〕

Experimental study on dilation mechanism of micro-fracturing in continental ultra-heavy oil
sand reservoir， Fengcheng Oilfield

LIN Botao1， CHEN Sen2， PAN Jingjun2， JIN Yan1， ZHANG Lei2， PANG Huiwen11. College of Petroleum Engineering， China Uniνersity of Petroleum， Beijing 102249， China；2. Oil Production Technology Research Institute， PetroChina Xinjiang Oilfield Company， Karamay， Xinjiang 834000， China

The ultra-heavy oil reservoir in the Fengcheng Oilfield is characterized by high viscosity and strong heterogeneity， which lead to the long circulating preheating cycle in SAGD （steam assisted gravity drainage） development. The micro-fracturing technology can shorten the preheating cycle. Accordingly， it is necessary to understand the dilation mechanism and rules of reservoirs in the process of micro-fracturing. The representative oil sand core samples were taken from the Fengcheng Oilfield for rock mechanics tests， so as to analyze key mechanical parameters and shear and tensile dilation mechanisms. It is shown that the continental oil sand in the Fengcheng Oilfield is unconsolidated and its dilation angles are much smaller than those of the Alberta marine oil sand in Canada. Furthermore， its mechanical parameters and dilation degree are dependent on mud or bitumen content. The shear dilation near the wellbore increases with the decreasing of confining pressure and the increasing of pore pressure， but that far from the wellbore is tiny. The tensile dilation can be realized by either decreasing confining pressure or increasing pore pressure. The oil sand with strong plasticity can develop apparent

Fengcheng Oilfield； continental； oil sand； micro-fracturing； shear dilation； tensile dilation

金衍（1972-），中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院教授、博導(dǎo)，主要從事石油工程巖石力學(xué)的研究工作。通訊地址：（102249）北京市昌平區(qū)府學(xué)路18號(hào)。電話：010-89733799。E-mail： 13701222683@vip.163.complasticity strain during the tensile dilation. It is concluded that the key to the successful in-situ micro-fracturing is to increase the pressure uniformly for water injection and to enlarge its sweep areas.

TE357

A

1000 - 7393（ 2016 ） 03 - 0359- 06

10.13639/j.odpt.2016.03.016

LIN Botao， CHEN Sen， PAN Jingjun， JIN Yan， ZHANG Lei， PANG Huiwen. Experimental study on dilation mechanism of micro-fracturing in continental ultra-heavy oil sand reservoir， Fengcheng Oilfield ［J］. Oil Drilling & Production Technology， 2016，38（3）: 359-364， 408.

國(guó)家杰出青年基金“石油工程巖石力學(xué)”（編號(hào)：51325402）和國(guó)家青年科學(xué)基金“超稠油SAGD開采陸相含泥巖夾層油砂擴(kuò)容機(jī)理及滲流評(píng)價(jià)研究”（編號(hào)：51404281）。

林伯韜（1983-），中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院副教授、碩導(dǎo)，主要從事稠油油砂地質(zhì)力學(xué)和頁(yè)巖巖石力學(xué)的研究工作。通訊地址：（102249）北京市昌平區(qū)府學(xué)路18號(hào)。電話：010-89732165。E-mail： linbotao@vip.163.com

引用格式：林伯韜，陳森，潘竟軍，金衍，張磊，龐惠文.風(fēng)城陸相超稠油油砂微壓裂擴(kuò)容機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究［J］.石油鉆采工藝，2016，38（3）：359-364，408.