高溫高壓下地應(yīng)力對(duì)電阻率影響實(shí)驗(yàn)研究

王偉, 夏宏泉, 王謙

(1.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 成都 610500;2.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司, 陜西 西安 710077)

0 引 言

塔里木盆地克深地區(qū)白堊系巴什基奇克組致密砂巖儲(chǔ)層埋藏深,異常高壓,處于強(qiáng)地應(yīng)力狀態(tài),地應(yīng)力對(duì)地層電阻率有較大的影響作用,導(dǎo)致利用電阻率測(cè)井資料準(zhǔn)確識(shí)別儲(chǔ)層流體的性質(zhì)存在多解性。因此,有必要分析地應(yīng)力對(duì)電阻率的影響機(jī)理與校正方法。

為搞清電阻率隨地應(yīng)力的變化特征,國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開(kāi)了很多巖石電阻率實(shí)驗(yàn)研究工作。Brace等[1]認(rèn)為巖石在加載至破裂的過(guò)程中,孔隙狀態(tài)及體積膨脹是巖石電阻率發(fā)生變化的主要原因。陳大元等[2]通過(guò)應(yīng)力反復(fù)加載研究了花崗巖樣品電阻率的變化情況。陳峰等[3]利用2維彈性約束應(yīng)力模擬地層巖石的應(yīng)力環(huán)境,并采用四極法測(cè)量巖石電阻率的變化,認(rèn)為隨著加載應(yīng)力的增加,在不同的應(yīng)力階段巖石電阻率呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì),電阻率先上升,然后保持平穩(wěn),最后呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),且在接近巖石主破裂處,電阻率下降得更快。曲斌等[4]通過(guò)對(duì)儲(chǔ)層環(huán)境的模擬,對(duì)比飽和原油和飽和水樣品,得到巖石電阻率隨壓力的增大而增大,且呈e的指數(shù)形式變化,但變化梯度較小。張寧生等[5]研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于同一區(qū)塊的巖心,當(dāng)圍壓在巖心彈性形變范圍內(nèi),壓力與巖心電阻率呈線(xiàn)性關(guān)系。陳嘯宇等[6]基于測(cè)井資料研究了地應(yīng)力大小、方向?qū)?kù)車(chē)坳陷克拉蘇構(gòu)造帶儲(chǔ)層電阻率測(cè)井響應(yīng)的影響,結(jié)果表明隨著水平主應(yīng)力差的增大,地層電阻率呈指數(shù)增大的趨勢(shì),當(dāng)水平最大主應(yīng)力方向與裂縫走向夾角較小時(shí)地層電阻率與水平主應(yīng)力差的相關(guān)性好;當(dāng)水平最大主應(yīng)力方向與裂縫走向夾角較大時(shí)地層電阻率與水平主應(yīng)力差的相關(guān)性差。

中國(guó)電阻率各向異性研究始于20世紀(jì)80年代,陳大元等[7]通過(guò)對(duì)均勻飽和水的長(zhǎng)方形晶體在沒(méi)有外來(lái)水補(bǔ)給的情況下,研究了視電阻率各向異性與壓力的關(guān)系。沿用陳大元的方法,金安珍等[8]開(kāi)展了有補(bǔ)給水的單軸壓縮實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明有補(bǔ)給水與無(wú)補(bǔ)給水的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似,裂隙發(fā)展方向與4個(gè)各向異性主軸方位基本一致,隨著壓力的增加,電阻率各向異性主軸方向可能會(huì)發(fā)生1～3次躍變,每次躍變形成一個(gè)主軸方向。

以往的實(shí)驗(yàn)多集中在單軸應(yīng)力加壓下的電阻率隨應(yīng)力的變化研究,基本認(rèn)為當(dāng)應(yīng)力增大到一定程度時(shí),巖石會(huì)發(fā)生破裂,導(dǎo)致電阻率下降,而在實(shí)際的油藏開(kāi)發(fā)中,壓差不會(huì)達(dá)到巖石破裂的程度[6]。為了更好地模擬井下儲(chǔ)層環(huán)境,本文以庫(kù)車(chē)河露頭剖面巴什基奇克組巖心為研究對(duì)象,開(kāi)展了巖樣高溫高壓下,在圍壓大于軸壓和圍壓小于軸壓2種加載方式下,巖石在彈性形變內(nèi),巖石電阻率及電阻率各向異性系數(shù)隨水平應(yīng)力差變化關(guān)系的實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究,旨在分析巖石在強(qiáng)擠壓狀態(tài)下地應(yīng)力對(duì)電阻率的影響機(jī)理。

1 巖心制備與實(shí)驗(yàn)儀器

1.1 實(shí)驗(yàn)巖心制備

該實(shí)驗(yàn)巖樣取自庫(kù)車(chē)河露頭剖面巴什基奇克組巖性段。其露頭儲(chǔ)集巖主要為中粒巖屑砂巖,以孔隙式膠結(jié)為主,孔隙類(lèi)型以次生的雜基內(nèi)溶蝕微孔為主,平均孔喉半徑為1.028 μm,最大孔喉半徑可達(dá)75 μm,孔隙結(jié)構(gòu)類(lèi)型以微孔小喉為主、次為微孔中喉[9],巖石含有層理結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)巖心孔隙度、滲透率平均值分別為10.04%、3.18 mD*非法定計(jì)量單位,1 mD=9.87×10-4 μm2,下同。首先對(duì)巖樣進(jìn)行層理走向的劃分,將巖心加工成5 cm×5 cm×5 cm立方體,為了保證巖心各項(xiàng)參數(shù)的測(cè)量精度,保證X、Y、Z這3面的垂直度偏差小于±0.2°,各自對(duì)應(yīng)端面的平整度誤差小于±0.1 mm,邊長(zhǎng)誤差小于±0.3 mm,以便測(cè)量3個(gè)方向的電阻率。

1.2 飽和鹽水配置及電阻率測(cè)量

克深地區(qū)目地層埋藏深,上覆地層壓力大且溫度高,地層水礦化度高,配制與試水資料相同礦化度溶液,配用礦化度為180 g/L的NaCl型鹽水,15 ℃時(shí)電阻率為0.059 Ω·m,密度為1.131 g/cm3。用該溶液對(duì)所有巖心進(jìn)行加壓飽和,對(duì)巖心抽真空5 h以上,然后加壓飽和12 h以上,巖心充分吸水飽和,加壓過(guò)程中依然要繼續(xù)抽真空較長(zhǎng)的時(shí)間,確保巖心100%飽和地層水。為了更好地反映儲(chǔ)層條件下巖心的電阻率,利用高溫高壓3軸儀模擬儲(chǔ)層的溫壓條件。巖心經(jīng)過(guò)低溫干燥和表面清潔及磨光處理,加壓飽和鹽水后,放入高溫高壓3軸儀,采用交流二極法以及LCR數(shù)字電橋測(cè)量巖樣的電阻率。

電阻率為

(1)

式中,Rt為測(cè)量電阻率,Ω·m;R為測(cè)量電阻,Ω;L為巖樣長(zhǎng)度,cm;S為巖樣端面面積,cm2。

2 高溫下水平應(yīng)力差對(duì)電阻率的影響

根據(jù)克深地區(qū)目的層存在張性段、過(guò)渡段、壓性段的實(shí)際情況,設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)物理實(shí)驗(yàn)方法,實(shí)驗(yàn)時(shí)分2種情況考慮:①軸壓(水平最大應(yīng)力)>圍壓(上覆地層壓力=水平最小應(yīng)力),即模擬張性地層;②圍壓(上覆地層壓力=水平最大應(yīng)力)>軸壓(水平最小應(yīng)力),即模擬壓性地層。采用二極法測(cè)量方形巖心在受壓條件下的電阻率,巖心水平放置在電阻率夾持器內(nèi),電極對(duì)稱(chēng)布置在巖樣的2個(gè)端面上,電阻率測(cè)量方向始終與軸壓方向保持一致。電阻率測(cè)量方向及軸壓、圍壓示意圖見(jiàn)圖1。測(cè)試步驟:①在恒定溫度9 ℃下,圍壓分別為10、20、30、4、50 MPa和60 MPa時(shí),保持軸壓大于圍壓,軸壓遞增至70 MPa,測(cè)量X方向電阻率的RX,得到測(cè)量電阻率隨水平應(yīng)力差(p軸壓-p圍壓)的變化關(guān)系(見(jiàn)圖2);②在恒定溫度下9 ℃,軸壓分別為10、20、30、4、50 MPa和60 MPa時(shí),保持圍壓大于軸壓,圍壓遞增至70 MPa,測(cè)量X方向電阻率的RX,得到測(cè)量電阻率隨水平應(yīng)力差(p圍壓-p軸壓)變化關(guān)系(見(jiàn)圖3)。每次加壓不使巖石發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞,即在彈性形變內(nèi)測(cè)量巖石電阻率。

圖1 方形巖心電阻率測(cè)試方向及軸壓、圍壓示意圖

圖2 軸壓大于圍壓時(shí),不同水平最小應(yīng)力下電阻率與水平應(yīng)力差的關(guān)系

圖3 圍壓大于軸壓時(shí),不同水平最小應(yīng)力下電阻率與水平應(yīng)力差的關(guān)系

由于實(shí)驗(yàn)在百分之百飽和地層水的條件下進(jìn)行加壓測(cè)量電阻率,與實(shí)際地層電阻率(5～200 Ω·m)相比較,實(shí)驗(yàn)測(cè)量電阻率數(shù)值變化范圍很小(1.0～1.8 Ω·m)。2種加載方式下采用e指數(shù)形式進(jìn)行回歸,得到不同水平最小應(yīng)力條件下巖石電阻率隨水平應(yīng)力差的變化關(guān)系(見(jiàn)表1)。

表1 不同水平最小應(yīng)力下,電阻率隨水平應(yīng)力差的變化關(guān)系

3 高溫下水平應(yīng)力差對(duì)電阻率各向異性的影響

在恒定壓力、溫度90 ℃下,分別測(cè)量水平方向電阻率Rh,x、Rh,y與垂直電阻率Rv;每次加壓后等待30 min,待應(yīng)力平衡后,讀取電阻值。每測(cè)量完一個(gè)方向在不同壓力條件下的電阻,待夾持器冷卻到常溫后將巖樣取出,稱(chēng)重后重新置于飽和溶液中,間隔48 h后再測(cè)量另一個(gè)方向的電阻。一方面是為了避免上一次的應(yīng)力變化引起孔隙結(jié)構(gòu)的變化;另一方面是對(duì)實(shí)驗(yàn)中飽和液體流失的補(bǔ)充。測(cè)量步驟:當(dāng)傾角為0°時(shí),按軸壓方向測(cè)量巖樣在不同壓力下的電阻率,得到水平電阻率Rh;將巖樣旋轉(zhuǎn)90°,也按軸壓方向測(cè)量巖樣在不同壓力下的電阻率,得到垂直電阻率Rv。測(cè)量示意圖見(jiàn)圖4。通過(guò)計(jì)算得到巖樣在不同水平應(yīng)力差下的電阻率各向異性系數(shù)

(2)

式中,λ為電阻率各向異性系數(shù);Rv、Rh分別為垂直和水平電阻率,Ω·m。

實(shí)驗(yàn)分3種情況測(cè)量水平與垂直電阻率:①?lài)鷫捍笥谳S壓測(cè)Rh,軸壓大于圍壓測(cè)Rv;②圍壓大于軸壓同時(shí)測(cè)Rh、Rv;③軸壓大于圍壓同時(shí)測(cè)Rh、Rv,最后得到不同加載方式下電阻率各向異性系數(shù)隨水平應(yīng)力差的變化數(shù)據(jù)。

圖6 圍壓大于軸壓測(cè)Rh、Rv

圖7 軸壓大于圍壓測(cè)Rh、Rv

不同測(cè)量方式下,電阻率各向異性系數(shù)隨水平應(yīng)力差的變化關(guān)系不一樣,通過(guò)回歸分析可知在圍壓大于軸壓測(cè)Rh、軸壓大于圍壓分別測(cè)Rv與圍壓大于軸壓測(cè)Rh、Rv這2種測(cè)量方式下,得到不同水平最小應(yīng)力下電阻率各向異性系數(shù)隨水平應(yīng)力差呈e指數(shù)形式變化,具體關(guān)系式見(jiàn)表2。

從圖5(a)、圖6(a)和圖7(a)可知,Rv均大于Rh說(shuō)明沿層理方向的電阻率小于垂直于層理方向的電阻率。從圖5(a)和圖5(b)可知,隨著水平應(yīng)力差增大,Rh、Rv均增大,Rh增大幅度大于Rv,兩者差值越來(lái)越小,則電阻率各向異性系數(shù)減小;隨著水平最小應(yīng)力(圍壓)的增大,電阻率各向異性系數(shù)減小。由圖6(a)、圖6(b)可知,隨著水平應(yīng)力差增大Rv、Rh均增大,且Rv增大幅度大于Rh,兩者差值越來(lái)越大,電阻率各向異性系數(shù)增大;隨著水平最小應(yīng)力(軸壓)增大,電阻率各向異性系數(shù)增大。由圖7(a)、圖7(b)可知,在水平應(yīng)力差小于20 MPa時(shí)Rv增大幅度大于Rh,水平應(yīng)力差在20～40 MPa時(shí),Rv增大幅度小于Rh,水平應(yīng)力差大于40 MPa時(shí),Rv增大幅度大于Rh。則隨著水平應(yīng)力差的增大,電阻率各向異性系數(shù)基本上呈先增大后減小再增大趨勢(shì)變化;當(dāng)水平應(yīng)力差大于20 MPa時(shí),隨著水平最小應(yīng)力的增大,電阻率各向異性系數(shù)基本保持不變。由于巖石結(jié)構(gòu)的各向異性,其電阻率也存在明顯的各向異性特征。不同的加載方式,電阻率各向異性系數(shù)隨水平應(yīng)力差的變化趨勢(shì)不一樣,其主要原因是不同加載方式下,壓力增加引起孔隙結(jié)構(gòu)及孔隙度的變化程度不一樣,導(dǎo)致水平、垂直電阻率在不同壓力差下增大幅度不一樣。

表2 不同水平最小應(yīng)力下,電阻率各向異性系數(shù)(λ)隨水平應(yīng)力差的變化關(guān)系

4 結(jié) 論

(1) 高溫高壓下,巖石在彈性形變階段內(nèi)電阻率隨水平應(yīng)力差的增大呈e的指數(shù)形式增大,且隨著水平最小應(yīng)力的增加,巖石電阻率也增加但增加幅度減小。這為強(qiáng)擠壓狀態(tài)下用地應(yīng)力校正電阻率測(cè)井曲線(xiàn)值異常增高提供了實(shí)驗(yàn)理論依據(jù)和指明了校正方向。

(2) 巖石結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的各向異性導(dǎo)致巖石電阻率存在明顯的各向異性,沿層理或裂隙方向的巖石電阻率較低,而垂直于層理或裂隙方向的巖石電阻率較高。電阻率測(cè)量方向與加壓方向平行時(shí),電阻率隨水平應(yīng)力差增加而增加的幅度變小;電阻率測(cè)量方向與加壓方向垂直時(shí),電阻率隨水平應(yīng)力差增加而增加的幅度變大。不同加載方式下,電阻率各向異性系數(shù)隨水平應(yīng)力差的增大呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)。

(3) 應(yīng)力能引起巖石電阻率增大的變化,歸結(jié)于它引起巖石孔隙體積及孔隙結(jié)構(gòu)的改變。開(kāi)展巖石孔隙度和孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)隨應(yīng)力變化的理論關(guān)系研究,并結(jié)合阿爾奇公式,可以建立應(yīng)力影響電阻率的理論關(guān)系式,用于高強(qiáng)地應(yīng)力狀態(tài)下的電阻率測(cè)井曲線(xiàn)異常值的校正。

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