礫巖儲層礫緣縫應(yīng)力敏感性實驗評價研究

楊 龍,王朝明，呂道平,寇 根,王子強,劉同敬,王 佳

(1.中國石油天然氣股份有限公司新疆油田分公司實驗檢測研究院，新疆 克拉瑪依 834000； 2.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101； 3.中國石油大學(xué)(北京)提高采收率研究院，北京 102249； 4.中國石油大學(xué)(北京)石油工程教育部重點實驗室，北京 102249； 5.北京金士力源科技有限公司，北京 102200)

0 引 言

礫巖儲集層主要為山麓洪積扇相沉積，顆粒大小混雜，分選差，普遍具有復(fù)模態(tài)和層狀結(jié)構(gòu)(圖1)，存在多種巖性界面和微觀裂縫，滲透率差異大，非均質(zhì)性十分嚴(yán)重。水驅(qū)開發(fā)礫巖油藏，油井多為單層，單向見效、見水，水驅(qū)儲量動用差。礫巖露頭、取芯資料分析和開發(fā)動態(tài)資料顯示，礫巖油藏在水驅(qū)開發(fā)過程中存在較為明顯的應(yīng)力敏感性特征[1-5]。新疆油田六中東區(qū)、七東一區(qū)等礫巖油藏水驅(qū)過程中，注水速度上升至一定強度后，注入壓力不上升或上升不明顯(圖2)。

圖1 儲集層巖石結(jié)構(gòu)模態(tài)示意圖

圖2 新疆油田典型礫巖油藏注水強度與注水壓力關(guān)系圖

目前，國內(nèi)外學(xué)者主要開展了針對礫巖油藏地質(zhì)特征、油藏開發(fā)技術(shù)和方法等方面的研究，而礫巖注水開發(fā)過程中存在的應(yīng)力敏感性實驗卻缺少必要的室內(nèi)實驗研究。如胡復(fù)唐[6]通過對礫巖油藏靜態(tài)資料的分析，提出了非典型孔隙介質(zhì)滲流特征，水驅(qū)過程中速敏和流體不均勻流動的三個儲層特征；許長福等[7]從儲集層特征分析和滲流機(jī)理研究著手，通過室內(nèi)試驗，研究了礫巖儲層水驅(qū)油和滲吸過程中微觀孔隙動用規(guī)律；SHAFIEI等[8]通過室內(nèi)試驗，總結(jié)了礫巖的地質(zhì)力學(xué)特征；SIMOLOTE等[9]通過對大量砂礫巖注水開發(fā)資料的分析，評價了Barrnncas油田注水開發(fā)效果和采收率。

因此，本文利用不同礫徑的礫石、砂粒充填壓實制作典型一維及三維礫巖巖芯，完成了室內(nèi)礫巖巖芯驅(qū)替實驗，并對礫巖巖芯及砂巖巖芯滲流過程展開了對比分析[10]，再現(xiàn)了注水速度和壓差的非線性關(guān)系，驗證了礫緣縫的存在是導(dǎo)致應(yīng)力敏感的主要原因，刻畫了礫巖變異和水竄主特征，明確了礫巖油藏水驅(qū)開發(fā)過程中具有明顯的壓力梯度界限。

1 實驗設(shè)計和流程

1.1 一維巖芯

1.1.1 實驗材料和制作過程

實驗材料：按一定配比的砂礫混合物若干，由直徑0.106～0.212 mm砂子、石英砂、環(huán)氧樹脂、固化劑、酒精等配制成的細(xì)砂混合物，砂巖部分液測滲透率在550 mD左右；厚度為3～5 mm、直徑為15～30 mm的礫石若干；一定量的環(huán)氧樹脂。

一維礫巖巖芯制作過程:①平鋪一層準(zhǔn)備好的砂?；旌衔镏糜谀＞叩撞?，保持底部細(xì)砂的平整；②將準(zhǔn)備好的大礫石、小礫石，依次分別各鋪兩條礫石在設(shè)計位置(保證切割后礫石位于方巖芯的中心位置)，并留出砂巖巖芯的位置；③用細(xì)砂覆蓋在礫石上部，找平；④放入巖芯制備裝置加壓，壓制時間12 h以上；⑤取出巖芯放入烘箱，設(shè)定烘箱溫度105 ℃烘烤1 h左右，取出巖芯。一維砂巖巖芯制作過程與一維礫巖巖芯制作過程類似，僅省略步驟②，不放入礫石。

根據(jù)設(shè)計方案，完成巖芯分割，巖芯規(guī)格：截面為正方形,邊長為4.3 cm，巖芯長度30 cm。一維方巖芯設(shè)計方案見圖3，實驗流程見圖4。

圖3 一維方巖芯設(shè)計圖

圖4 小尺寸實驗流程圖

1.1.2 一維巖芯實驗流程

1) 將巖芯放入巖芯夾持器中，抽真空飽和水，測得巖芯孔隙度。

2) 考慮一注一采，注入端設(shè)置注水速度為0.5 mL/min、1 mL/min、1.5 mL/min、2 mL/min、2.5 mL/min、4 mL/min、6 mL/min、8 mL/min、10 mL/min 9個流速，生產(chǎn)井連接大氣壓，繼續(xù)開展水驅(qū)測試，流速調(diào)整時間間隔為10 min，觀察注入壓力隨流量上升的變化情況。

1.2 三維巖芯

1.2.1 實驗材料和制作過程

實驗材料。一定配比的砂?；旌衔锶舾?由直徑0.106～0.212 mm砂子、石英砂、環(huán)氧樹脂、固化劑、酒精等配制成的細(xì)砂混合物，砂巖部分液測滲透率在550 mD左右；厚度為3～5 mm、直徑為15～30 mm的礫石若干；一定量的環(huán)氧樹脂；模擬井若干，內(nèi)徑1 mm，外徑3 mm；下部打孔，孔徑1 mm，孔間距5 mm。

三維礫巖巖芯制作。① 平鋪一層砂置于容器底部；② 預(yù)埋井并平鋪一層礫石，保持礫石間相互接觸；③ 在礫石上面鋪一層砂，覆蓋在第一層礫石上面；④ 鋪第二層礫石，保持礫石間相互接觸；⑤ 在第2層礫石上面鋪一層砂,并找平；⑥ 放入巖芯制備裝置加壓，壓制時間12 h以上；⑦ 取出巖芯放入烘箱，設(shè)定烘箱溫度105 ℃烘烤1 h左右，取出巖芯。直徑為40 cm，厚度4.3～4.5 cm的圓餅狀三維立體巖芯，三維礫巖及砂巖巖芯示意圖見圖5，巖芯制作具體參數(shù)見表1。

1.2.2 三維巖芯實驗流程

1) 抽空。加圍壓3 MPa，軸壓5 MPa；中心井首先進(jìn)行抽真空，時間為3.5 h；中心井抽真空結(jié)束后，1#井、2#井、3#井、4#井分別抽真空2 h。

2) 飽和水。圍壓3 MPa，軸壓5 MPa，中心井首先進(jìn)行注水，待壓力上升至2 MPa時，記錄注水量。其后1#井、2#井、3#井、4#井分別注水，待壓力上升至2 MPa時，記錄注水量和累積注水量。

3) 中心井注水。1口模擬井生產(chǎn)的情況下，采用不同注入流速開展礫巖巖芯壓力測試實驗。注采順序及流速設(shè)置見表2，流速調(diào)整時間間隔為10 min，觀察注入壓力隨流量上升的變化情況。

整理新疆典型礫巖油藏歷年系統(tǒng)試井結(jié)果及米吸水指數(shù)，見圖6，實驗注入流速設(shè)計為0.5～10 mL/min，單位厚度吸水指數(shù)5.08～16.36 m3/(d·MPa·m)。

圖5 三維礫巖及砂巖巖芯示意圖

表1 三維圓餅巖芯設(shè)計

表2 注采順序及參數(shù)設(shè)計

2 實驗結(jié)果和分析

2.1 一維水驅(qū)實驗結(jié)果及分析

將巖芯放入巖芯夾持器中，抽真空飽和水，測得一維砂巖巖芯和一維礫巖巖芯孔隙度分別為21.99%和22.08%，巖芯參數(shù)見表3。

注水速度分別為0.5 mL/min、1 mL/min、1.5 mL/min、2 mL/min、2.5 mL/min、4 mL/min、6 mL/min、8 mL/min、10 mL/min 9個流速，礫巖和砂巖芯壓力測試結(jié)果見圖7。

圖6 新疆典型礫巖油藏米吸水指數(shù)

表3 巖芯參數(shù)

圖7 注入壓力與不同流速關(guān)系曲線

由圖7可見，一維巖芯的注入壓力都隨著流速的增快而上升，壓力與流速呈線性關(guān)系，即隨著壓力的增加，注水量均勻增加，并沒有出現(xiàn)注水速度與注入壓力的非線性關(guān)系。分析認(rèn)為，一維砂巖巖芯，沒有礫緣縫存在，且?guī)r芯周圍圍壓均勻，導(dǎo)致應(yīng)力敏感性弱；而一維礫巖巖芯，雖然存在礫緣縫，但由于巖芯周圍圍壓均勻，礫緣縫無法張開，應(yīng)力敏感弱。

同時，一維砂巖巖芯注入壓力明顯高于一維礫巖巖芯。分析認(rèn)為，這是由于一維砂巖巖芯中加入礫石后，滲流面積減小，儲層滲流能力降低，滲透率降低，注水壓力升高。根據(jù)實驗測試的壓力及流量數(shù)據(jù)，利用達(dá)西公式得到了每塊巖芯水測滲透率，見表4。

2.2 三維水驅(qū)實驗過程及分析

三維砂巖巖芯中心井注水，注水速度分別為2.5 mL/min、3 mL/min、4 mL/min、5 mL/min、6 mL/min、7 mL/min、8 mL/min、9 mL/min、10 mL/min時，注入壓力與流速關(guān)系見圖8。由圖8可見，三維砂巖巖芯隨著流速的增快，注入壓力上升，壓力與流速呈近線性關(guān)系。

三維礫巖巖芯中心井注水，注水速度分別為2.5 mL/min、3 mL/min、4 mL/min、5 mL/min、6 mL/min、7 mL/min、8 mL/min、9 mL/min、10 mL/min時，注入壓力與流速關(guān)系見圖9。

表4 巖芯滲透率測算

圖8 三維砂巖巖芯不同流速與注入壓力關(guān)系

圖9 三維礫巖不同流速與注入壓力關(guān)系

由圖9可見，隨著流速的增快，注入壓力先線性上升，當(dāng)流量超過4～5 mL/min時，注入壓力上升幅度明顯趨緩，注入壓力呈非線性上升。

通過對比分析發(fā)現(xiàn)，考慮到一維巖芯和三維巖芯制作過程中加壓50 MPa，而注水實驗過程中圍壓3 MPa，軸壓5 MPa，雖然壓實作用及實驗圍壓大，但從砂巖巖芯可以證實注入強度增加，仍然難以形成新的裂縫。而礫巖巖芯不同，由于存在不規(guī)則的幾何形狀，注水過程中礫石各面受力不均勻，很容易造成礫緣縫的張開。圖10為砂巖和礫巖水驅(qū)后對比剖面圖，礫巖巖芯驅(qū)替實驗中，礫石-砂巖界面被注入的流體染為藍(lán)色(深色)，巖芯其他部分保持初始顏色(淺色)；砂巖巖芯驅(qū)替實驗中，水驅(qū)前緣分布均勻。結(jié)合壓力-速度曲線及注入流體竄流位置，判斷礫巖巖芯驅(qū)替過程中，礫緣縫存在,且是礫巖水竄的主要通道。因此，三維礫巖巖芯出現(xiàn)當(dāng)注入速度增加到一定強度時，壓力上升緩慢或不上升，應(yīng)力敏感性強的特點。

圖10 砂巖和礫巖水驅(qū)后剖面對比圖

3 結(jié) 論

1) 無論是一維礫巖巖芯還是一維砂巖巖芯，其注水壓力均隨著流速的上升呈線性上升，即隨著壓力的增加，注水量均勻的增加。對于砂巖巖芯，其主要是由于一維條件下，砂巖巖芯沒有礫緣縫存在，且周圍圍壓均勻，導(dǎo)致應(yīng)力敏感性弱；而一維礫巖巖芯，雖然存在礫緣縫，但由于周圍圍壓均勻，礫緣縫無法張開， 應(yīng)力敏感弱， 因此， 一維小尺寸巖芯不能用于評價注水引起的礫巖應(yīng)力敏感特征。

2) 通過對比三維礫巖巖芯和砂巖巖芯驅(qū)替實驗，表明礫巖巖芯隨著流速的增快，注入壓力呈非線性上升，反映出礫巖應(yīng)力敏感性高：注入流速低時，壓力上升呈近線性上升，表示巖芯吸水量與注水壓力成正比，即隨著壓力的增加，注水量均勻的增加；當(dāng)流速大于4～5 mL/min時，壓力上升趨緩，主要是由于礫緣縫的張開導(dǎo)致巖芯滲流能力增大，這與現(xiàn)場系統(tǒng)試井結(jié)果一致，表明礫巖油藏水驅(qū)開發(fā)過程中油水井間具有明顯的壓力梯度界限。