測(cè)試條件對(duì)低滲氣藏巖心應(yīng)力敏感性的影響

閆 健，付美濤，王 瑞，劉曉娟，齊傲江

(西安石油大學(xué) 陜西省油氣田特種增產(chǎn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065)

引 言

低滲油氣藏開發(fā)過(guò)程中，由于地層壓力的變化，導(dǎo)致巖石所承受的凈壓力發(fā)生變化，根據(jù)巖石力學(xué)理論，凈壓力的變化會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)層巖石發(fā)生彈性或塑性變形，而巖石的變形勢(shì)必又會(huì)導(dǎo)致巖石孔隙空間的變化[1]，從而影響氣體的滲流能力及氣井的產(chǎn)能[2-3]。正確評(píng)價(jià)儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性對(duì)優(yōu)化開發(fā)方式及分析油井產(chǎn)能影響因素至關(guān)重要。目前評(píng)價(jià)儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性主要測(cè)試方法是石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5358-2010《儲(chǔ)層敏感性流動(dòng)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法》，該評(píng)價(jià)方法采用的是單軸測(cè)試法。國(guó)內(nèi)部分學(xué)者對(duì)應(yīng)力敏感的測(cè)試方法進(jìn)行了研究，結(jié)果表明三軸應(yīng)力下的測(cè)試結(jié)果更接近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際[4-6]，但三軸應(yīng)力下測(cè)試方法目前未有國(guó)家和石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)測(cè)試條件也未有明確規(guī)定。鑒于不同的測(cè)試條件可能帶來(lái)不同的測(cè)試結(jié)果，本文通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，探討了出口端的回壓、軸向應(yīng)力大小、圍壓加載速度對(duì)低滲氣藏應(yīng)力敏感性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及流程

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用法國(guó)TOP生產(chǎn)的自適應(yīng)三軸測(cè)試系統(tǒng)(ROCK600-5HT),具有如下特點(diǎn)：最大軸向應(yīng)力100 MPa，最大圍壓50 MPa，最大入口壓力10 MPa；采用了特殊高精度應(yīng)力環(huán)；可以耦合化學(xué)、機(jī)械和溫度場(chǎng)；泵的最大流量15 mL/min；測(cè)試效率高等。測(cè)試樣品的直徑可以是50 mm或25 mm。因原設(shè)備無(wú)法測(cè)量氣體流量，所以在本次測(cè)試過(guò)程中對(duì)設(shè)備進(jìn)行了改進(jìn)，出口端連接皂膜流量計(jì)，以精確計(jì)量氣體流量。

本次所用測(cè)試樣品均為蘇里格氣田盒8低滲透氣藏天然巖心，制作成柱狀，樣品直徑為25 mm，長(zhǎng)度50 mm，兩端磨平，滲透率(0.017～3.315)×10-3μm2。實(shí)驗(yàn)氣體為高純氮?dú)?，測(cè)試溫度為20 ℃。

1.2 測(cè)試方法及流程

對(duì)于三軸應(yīng)力下的低滲氣藏巖心應(yīng)力敏感性測(cè)試目前還沒(méi)有相應(yīng)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，本次測(cè)試方法主要借鑒石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T5358-2010，采用變圍壓方法進(jìn)行測(cè)試，實(shí)際為擬三軸壓力測(cè)試，實(shí)驗(yàn)流程見(jiàn)圖1。實(shí)驗(yàn)主要測(cè)試出口端有無(wú)回壓、軸向應(yīng)力大小、圍壓加載速度對(duì)低滲氣藏應(yīng)力敏感性測(cè)試結(jié)果的影響。

圖1 三軸應(yīng)力敏感測(cè)試流程Fig.1 Flow chart of triaxial stress sensitivity test

(1)無(wú)回壓影響測(cè)試方法。設(shè)定出口端回壓p4為大氣壓，軸向壓力p1為1 MPa，圍壓p2為3 MPa，入口壓力p3為0.3 MPa，驅(qū)替壓差0.2 MPa，穩(wěn)定30 min后，測(cè)試出口端氣體流量，若氣體流量達(dá)到穩(wěn)定，則根據(jù)測(cè)得的氣體流量計(jì)算氣測(cè)滲透率。然后改變圍壓至6 MPa、9 MPa、12 MPa、15 MPa、18 MPa，待氣體流量穩(wěn)定后，測(cè)試相應(yīng)的氣體滲透率。

(2)有回壓影響測(cè)試方法。設(shè)定出口端回壓p4為0.6 MPa，改變?nèi)肟趬毫3為0.8 MPa，確保與(1)中相同的壓力梯度，然后重復(fù)(1)中實(shí)驗(yàn)過(guò)程。比較出口端有回壓和無(wú)回壓時(shí)的應(yīng)力敏感性。

(3)軸向應(yīng)力影響測(cè)試方法。設(shè)置軸向應(yīng)力p1為1 MPa、4 MPa、8 MPa、12 MPa，然后重復(fù)(2)中實(shí)驗(yàn)過(guò)程。分析加載軸向應(yīng)力后，對(duì)應(yīng)力敏感性測(cè)試結(jié)果的影響。

(4)圍壓加載速度影響測(cè)試方法。設(shè)置圍壓加載速度為0.15 MPa/min、0.30 MPa/min、0.50 MPa/min、1.0 MPa/min，重復(fù)(2)中實(shí)驗(yàn)過(guò)程，分析圍壓加載速度對(duì)應(yīng)力敏感性測(cè)試結(jié)果的影響。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 回壓的影響

研究表明，當(dāng)氣體在多孔介質(zhì)中的滲流速度較低時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)很重要的現(xiàn)象，即“氣體滑脫”，而該現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致氣測(cè)滲透率大于絕對(duì)滲透率。隨著孔徑的減小，氣體滑脫會(huì)變得更為明顯[7-9]。因此，在巖心應(yīng)力敏感性測(cè)試過(guò)程中，應(yīng)盡量減小氣體滑脫作用對(duì)氣測(cè)滲透率測(cè)試結(jié)果的影響，以真實(shí)反映應(yīng)力變化下巖心絕對(duì)滲透率的變化。而氣體滑脫效應(yīng)可以通過(guò)出口端施加一定回壓以提高孔隙壓力的方法進(jìn)行削弱。對(duì)于出口端回壓值的選取，筆者對(duì)不同滲透率干燥巖心單相氣體滲流特征進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在回壓0.6 MPa，平均壓力(孔隙壓力)倒數(shù)低于1.5后，隨驅(qū)替壓差的增大，氣測(cè)滲透率已貼近其絕對(duì)滲透率，即氣體滑脫效應(yīng)已大大減弱，但不能完全消除，如圖2所示。因此，在本次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，出口端回壓取0.6 MPa，入口壓力取0.8 MPa。

圖2 不同滲透率巖心0.6 MPa回壓下克氏回歸曲線Fig.2 Klinkenberg regression curves of different permeability cores under back pressure of 0.6 MPa

本次實(shí)驗(yàn)采用了2組不同滲透率級(jí)別的天然巖心，而每組巖心滲透率相近，測(cè)得不同凈圍壓(圍壓與孔隙流體壓力之差)下的無(wú)因次滲透率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 無(wú)因次滲透率與凈圍壓關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between net confining pressure and dimensionless permeability

可以看出：不論出口端有無(wú)回壓，隨著凈圍壓的增加，低滲巖心無(wú)因次氣測(cè)滲透率快速降低，當(dāng)巖心所承受的凈圍壓增加到一定值后，無(wú)因次滲透率減小速度有所變緩，這和常規(guī)低滲油藏巖心應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)結(jié)果類似，兩者之間的擬合結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 回壓影響下的巖心無(wú)因次滲透率與凈圍壓關(guān)系擬合結(jié)果Tab.1 Fitting relationships between dimensionless permeability of cores and net confining pressure under effect of back pressure

即無(wú)因次滲透率與凈圍壓之間的關(guān)系均符合較好的指數(shù)函數(shù)

(1)

其中：KD為無(wú)因次滲透率；k為凈圍壓下的氣測(cè)滲透率，10-3μm2；ki為原始?xì)鉁y(cè)滲透率，10-3μm2；α為應(yīng)力敏感系數(shù)，MPa-1，由實(shí)驗(yàn)確定；pi為原始地層壓力(實(shí)驗(yàn)中對(duì)應(yīng)初始圍壓值)，MPa；p為平均地層壓力(實(shí)驗(yàn)中取平均孔隙壓力值)，MPa。

從圖3及表1中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果還可以看出：出口端存在回壓與無(wú)回壓測(cè)得的應(yīng)力敏感性存在一定的差別：即在巖心出口端存在回壓時(shí)，測(cè)試的應(yīng)力敏感性更為明顯[9]，且滲透率越低，差異越大。分析原因，當(dāng)出口端存在回壓時(shí)，巖心的孔隙壓力較高，氣體滑脫效應(yīng)變?nèi)酰瑢?dǎo)致氣測(cè)滲透率減小，接近相應(yīng)凈圍壓下的絕對(duì)滲透率。同時(shí)，隨著凈圍壓的增加，巖心孔隙和孔喉變小，這將導(dǎo)致在無(wú)回壓時(shí)的氣體滑脫效應(yīng)更為顯著，氣測(cè)滲透率比該凈圍壓下的絕對(duì)滲透率更大，而且?guī)r心本身滲透率越低，孔喉越小，氣體滑脫效應(yīng)越強(qiáng)。所以，當(dāng)凈圍壓增大時(shí)，出口端無(wú)回壓與有回壓測(cè)試的滲透率差異越大，且滲透率越低的巖心差異更為明顯。

比較不同滲透率巖心測(cè)試結(jié)果(圖4)，可以觀察到滲透率越低的巖心，在同樣的凈圍壓下，巖心滲透率下降幅度越大，結(jié)合表1中擬合結(jié)果，巖心應(yīng)力敏感系數(shù)α越大，應(yīng)力敏感性越強(qiáng)。這與常規(guī)單軸應(yīng)力下的巖心應(yīng)力敏感性測(cè)試結(jié)果相似[10-17]。

2.2 軸向應(yīng)力的影響

巖石在儲(chǔ)層中所受應(yīng)力為三向應(yīng)力：上覆巖層壓力及兩個(gè)水平應(yīng)力。常規(guī)應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)僅加載了圍壓(上覆巖層壓力)，并未單獨(dú)加載軸向應(yīng)力，所得結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際有所差別。本次實(shí)驗(yàn)實(shí)際為擬三軸實(shí)驗(yàn)，即在施加圍壓的同時(shí)施加軸向應(yīng)力。實(shí)驗(yàn)所用巖心是在同一全直徑天然巖心相近位置上鉆取的，物性相近，用于進(jìn)行平行實(shí)驗(yàn)。

圖4 不同滲透率巖心應(yīng)力敏感性(p4=0.6 MPa)Fig.4 Difference in stress sensitivity of different permeability cores (p4=0.6 MPa)

不同軸向應(yīng)力下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5，無(wú)因次滲透率與凈圍壓之間的擬合關(guān)系見(jiàn)表2。結(jié)果顯示：隨軸向應(yīng)力的增加，在同樣的凈圍壓下，巖心氣測(cè)滲透率越高，即隨軸向應(yīng)力的增大，應(yīng)力敏感性越來(lái)越弱。分析原因：一方面，巖心從地層到地面，由于應(yīng)力的釋放，可能會(huì)形成一些微小的裂隙，或者巖心本身具有一定的微裂隙，在常規(guī)應(yīng)力敏感測(cè)試過(guò)程中，低應(yīng)力下的微裂隙閉合導(dǎo)致了滲透率的快速下降，表現(xiàn)為較強(qiáng)的應(yīng)力敏感性，而在三軸應(yīng)力測(cè)試中，由于圍壓和軸壓兩者的共同作用， 巖心中的微裂隙已經(jīng)閉合，所以其下降幅度變小；另一方面，當(dāng)圍壓增加時(shí)，在孔隙壓力不變的情況下，凈圍壓也隨之增大，而這將導(dǎo)致巖心的軸向變形，軸向位移有變大的趨勢(shì)，但是由于軸向力的存在，使得軸向長(zhǎng)度變形受到限制，因此，巖心孔隙和孔隙喉道變形有限，滲透率下降幅度變小，宏觀上表現(xiàn)為應(yīng)力敏感性越來(lái)越弱。

圖5 不同軸向應(yīng)力下無(wú)因次滲透率與凈圍壓關(guān)系曲線Fig.5 Relationships between net confining pressure and dimensionless permeabilityunder different axial stress

軸向應(yīng)力/MPa巖心號(hào)原始滲透率/10-3μm2擬合結(jié)果αR21.0H5#0.3870.1210.988 2H6#2.5330.0910.989 94.0H7#0.3790.0970.989 5H8#2.5740.0720.991 18.0H9#0.3940.0870.989 7H10#2.4950.0630.996 512.0H11#0.3880.0800.985 7H12#2.5270.0580.997 0

巖心應(yīng)力敏感系數(shù)的大小可以直接反映其變形程度：值越大，反映越容易變形，反之則越難[18]。不同滲透率巖心在不同軸向應(yīng)力下得到的應(yīng)力敏感系數(shù)α見(jiàn)表2。兩者之間變化關(guān)系曲線見(jiàn)圖6，可以看到，隨軸向應(yīng)力的增加，巖心應(yīng)力敏感系數(shù)越來(lái)越小，且在軸向應(yīng)力低于4.0 MPa時(shí)，應(yīng)力敏感系數(shù)下降幅度較大，而在軸向應(yīng)力大于4.0 MPa時(shí)，應(yīng)力敏感系數(shù)下降幅度變緩，最終趨向一個(gè)極值，即應(yīng)力敏感程度越來(lái)越接近。分析原因，主要是隨軸向應(yīng)力的增加，巖心孔喉可變形的幅度越來(lái)越小，測(cè)得的氣氣測(cè)滲透率變化幅度也越來(lái)越小。

圖6 不同滲透率巖心在不同軸向應(yīng)力下的應(yīng)力敏感系數(shù)Fig.6 Relationships between stress sensitivity coefficient and axial stress of different permeability cores

2.3 圍壓加載速度的影響

目前對(duì)于圍壓加載速度對(duì)巖心應(yīng)力敏感性的影響鮮有報(bào)道，在現(xiàn)有的行業(yè)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中也未提及。通常情況下，低滲氣藏的地層壓力下降速度在10-6～10-5MPa/min級(jí)別，而對(duì)于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，加載速度可能達(dá)到10-2MPa/min級(jí)別，即現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的應(yīng)力加載速度可能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)加載速度。本次實(shí)驗(yàn)在其他實(shí)驗(yàn)條件相同的條件下，設(shè)定不同的圍壓加載速度，以分析加載速度對(duì)應(yīng)力敏感性的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7。不同加載速度下的應(yīng)力敏感系數(shù)變化見(jiàn)圖8。

圖7 加載速度對(duì)應(yīng)力敏感性測(cè)試結(jié)果的影響Fig.7 Effect of loading speed on stress sensitivity

圖8 應(yīng)力敏感系數(shù)隨加載速度變化關(guān)系Fig.8 Relationship between stress sensitivity coefficient and loading speed

從圖7、圖8中可以看出：圍壓加載速度越大，巖心應(yīng)力敏感系數(shù)越大，應(yīng)力敏感性越強(qiáng)，但加載速度增加到一定程度，應(yīng)力敏感系數(shù)增加幅度逐漸變小。出現(xiàn)該現(xiàn)象可以從材料力學(xué)理論進(jìn)行解釋：加載越快，巖心塑性變形越快，變形程度越大。而塑性變形程度越大，巖心的孔隙和孔隙喉道越小，滲透率也越小，體現(xiàn)為應(yīng)力敏感性越強(qiáng)。但對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際來(lái)說(shuō)，一般地層壓力下降的速度較小，其遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的壓力加載速度。因此，在測(cè)試巖心應(yīng)力敏感性過(guò)程中，應(yīng)選擇合理的加載速度，若加載速度過(guò)快，則可能夸大實(shí)際地層的應(yīng)力敏感性。但在實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中，要貼近實(shí)際地層壓降速度，則需要耗費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間。要縮短室內(nèi)測(cè)試時(shí)間，可通過(guò)測(cè)試不同加載速度下應(yīng)力敏感性，得到應(yīng)力敏感系數(shù)隨加載速度的變化關(guān)系，從而對(duì)應(yīng)力敏感系數(shù)進(jìn)行修正。

3 結(jié) 論

(1)在本次實(shí)驗(yàn)條件下，低滲氣藏?zé)o因次滲透率與凈圍壓之間符合較好的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，無(wú)因次滲透率在較低的凈圍壓下下降幅度較大，在較高的凈圍壓下下降幅度減小。

(2)隨出口端回壓的增大，孔隙壓力逐漸增大，氣體滑脫效應(yīng)逐漸減弱，而氣體滑脫效應(yīng)越弱。測(cè)得的低滲氣藏應(yīng)力敏感性越強(qiáng)；隨應(yīng)力增加，孔喉變小，氣體滑脫效應(yīng)影響越大；滲透率越低，氣體滑脫對(duì)應(yīng)力敏感性影響越明顯。

(3)軸向應(yīng)力的加載，減弱了低滲氣藏應(yīng)力敏感性；隨軸向應(yīng)力的增大，巖心軸向變形位移越小，其應(yīng)力敏感性越來(lái)越弱。為了模擬真實(shí)氣藏條件，低滲氣藏應(yīng)力敏感性測(cè)試應(yīng)在三軸條件下進(jìn)行。

(4)圍壓加載速度越快，測(cè)得的低滲氣藏應(yīng)力敏感性越強(qiáng)，而真實(shí)氣藏壓力下降速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中加載速度，因此，要獲得真實(shí)氣藏應(yīng)力敏感性，應(yīng)選擇合理加載速度或?qū)?yīng)力敏感系數(shù)進(jìn)行修正。

(5)本次實(shí)驗(yàn)主要改變的是巖心圍壓加載速度，而真實(shí)氣藏變化的主要是孔隙壓力，后續(xù)實(shí)驗(yàn)將改變孔隙壓力，即通過(guò)定圍壓變內(nèi)壓的方法在擬三軸條件下測(cè)試低滲氣藏巖心的應(yīng)力敏感性，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更貼近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際。