致密砂礫巖儲層應(yīng)力敏感性評價研究*

張 景 王 穎 范希彬 戶海勝 楊 鑫 李 閩

(1. 新疆油田公司勘探開發(fā)研究院 新疆克拉瑪依 834000； 2. 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室 西南石油大學 四川成都 610500)

隨著油氣資源的持續(xù)開采，儲層流體不斷被采出，巖石骨架會被壓縮，儲層巖石孔隙流體壓力會發(fā)生變化，儲層巖石的物性參數(shù)(如孔喉半徑、孔隙形狀等)會隨應(yīng)力的變化而變化，其中比較顯著的就是滲透率變化，這就是儲層的應(yīng)力敏感。致密儲集層含有豐富的油氣資源，或?qū)⒊蔀橛蜌赓Y源的主力儲集層[1]，致密砂巖儲層應(yīng)力敏感性也一直是研究熱點[2]。目前，國內(nèi)外專家對常規(guī)儲層應(yīng)力敏感性進行了大量研究并形成了完善的體系，但針對致密砂礫巖儲層應(yīng)力敏感性研究仍較少，致密砂礫巖儲層應(yīng)力敏感性評價也沒有統(tǒng)一的標準。調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，對于致密砂礫巖儲層應(yīng)力敏感性的評價，實驗室采用的有效應(yīng)力評價方法與生產(chǎn)現(xiàn)場采用的常規(guī)基質(zhì)應(yīng)力敏感評價方法存在著較大差異，評價的結(jié)果也有很大的差別。本文通過研究有效應(yīng)力與儲層滲透率的變化關(guān)系來模擬真實地層應(yīng)力的變化情況，指導(dǎo)油氣藏開發(fā)，提高最終采收率，從而追求經(jīng)濟效益最大化。

1 非線性有效應(yīng)力敏感實驗

1.1 巖心樣品基本物性

實驗巖心(圖1)表面明顯可見巨大的礫石嵌于巖心內(nèi)部，礫巖成分，巖性主要為灰綠色、灰色砂質(zhì)礫巖、中礫巖、小礫巖、細礫巖等，以砂礫狀結(jié)構(gòu)為主，支撐方式為顆粒支撐，其接觸方式為線接觸和點線接觸為主。礫石大小以中礫、小礫含量居多，最大粒徑為30 mm。巖石分選性中等偏差，巖石顆粒磨圓度不好，主要為次棱角狀、次圓狀。膠結(jié)物含量較低，膠結(jié)物類型以方解石為主，膠結(jié)中等較致密。所選實驗樣品巖心共4塊，基本物性參數(shù)見表1。

圖1 儲層砂礫巖樣品實物圖Fig .1 Photograph of one of the glutenite gravel samples

圖1 儲層砂礫巖樣品實物圖Fig .1 Photograph of one of the glutenite gravel samples

表1 砂礫巖巖心基本物性參數(shù)
Table 1 Fundamental properties of the four glutenite gravel samples

巖樣編號直徑/cm長度/cm干重/g孔隙度/%測試流體139-122.499 5.00357.621 16.1氮氣 154-152.504 5.564 65.306 10.4氮氣139-132.502 5.129 59.837 9.12地層水601-22.503 5.558 60.2627.90 地層水

1.2 實驗裝置與實驗方法

實驗室評價應(yīng)力敏感性實驗一般有穩(wěn)態(tài)法與非穩(wěn)態(tài)法實驗，由于所選巖心滲透率極低，故本文所采用的實驗方法為非穩(wěn)態(tài)法，即壓力脈沖衰減法。實驗所用儀器為Black-Stone I型應(yīng)力敏感性脈沖測試儀，實驗裝置見圖2。

實驗主要裝置包括巖心夾持器、圍壓泵(允許最高圍壓60 MPa)、內(nèi)壓泵、真空泵、數(shù)據(jù)采集軟件、控制面板、PC端、上游水箱和下游水箱等，允許最高孔隙壓40 MPa，巖心重復(fù)性測試誤差小，性能穩(wěn)定。

實驗分別用氮氣與地層水為介質(zhì)測試了4塊巖心的滲透率，為了模擬地層條件，實驗流體采用3%濃度KCl鹽水。實驗步驟分為2步：①巖心老化[3-4]實驗(恒定孔壓變圍壓)，巖心老化實驗可以消減巖樣塑性變形，使巖心性質(zhì)變得更加穩(wěn)定，減小實驗所帶來的不必要誤差；保持進口壓力1 MPa不變，緩慢增加圍壓，順序為5、10、15、20、25、30、35、40 MPa，然后再按照此梯度減小至5 MPa，并且在每個圍壓下穩(wěn)定20 min，如此進行2次循環(huán)，分別記錄每個圍壓下的脈沖壓力隨時間的變化關(guān)系，脈沖壓差統(tǒng)一取1.5 MPa；②恒定圍壓變孔壓實驗，實驗分為3組，分別采取圍壓為30、35、40 MPa，在每組恒定圍壓不變后變化孔壓8、12、16、20、24 MPa，在每個孔壓值下穩(wěn)定30 min后記錄脈沖壓力隨時間的變化關(guān)系，脈沖壓差取1.5 MPa。實驗對氣密性要求極高，時刻檢查裝置的密封性是實驗成功的關(guān)鍵。

圖2 Black-StoneⅠ型應(yīng)力敏感性脈沖測試裝置示意圖Fig .2 Diagram of Black-Stone I rock stress sensitivity measurement setup

1.3 實驗數(shù)據(jù)處理方法及結(jié)果

得到脈沖壓力與時間的關(guān)系后，由瓊斯計算方法[5](式(1))計算壓力脈沖衰減法滲透率：

(1)

式(1)中：m1為脈沖壓力的對數(shù)與時間關(guān)系曲線的斜率，無量綱；μL為液體黏度，mPa·s；L為巖心長度，cm；A為巖心橫截面積，cm2；cL為液體壓縮系數(shù)，MPa-1；cV1為上游水箱的壓縮系數(shù)，MPa-1；f1取決于孔隙體積、水箱體積、滲流介質(zhì)和容器壓縮性；V1、V2為上、下游水箱的體積，cm3。

凈應(yīng)力為圍壓與內(nèi)壓的差值，巖心601-2老化處理中滲透率與凈應(yīng)力的關(guān)系見圖3。巖心在不同圍壓下滲透率隨孔隙內(nèi)流體壓力的變化關(guān)系見圖4。

圖3 巖心601-2老化處理時滲透率隨凈應(yīng)力變化關(guān)系Fig .3 Permeability vs. confining pressure of Sample 601-2 during aging test

圖4 4塊巖樣巖心滲透率與孔壓變化關(guān)系Fig .4 Permeability vs. pore pressure of the four samples

Terzaghi[6]定義有效應(yīng)力為圍壓與孔壓的差值，即

pd=pc-pf

(2)

式(2)中：pd表示Terzaghi有效應(yīng)力，MPa；pc表示圍壓，MPa；pf表示孔壓，MPa。為了研究適用于石油地質(zhì)的有效應(yīng)力peff，Robin[7]提出了：

peff=pc-κpf

(3)

式(3)中：κ是有效應(yīng)力系數(shù)(一般是常數(shù)，無因次)，其值常與巖心礦物組成、組成顆粒物大小、孔隙形狀、膠結(jié)物成分與含量等有關(guān)；一般認為有效應(yīng)力系數(shù)為1.0[8-9]或接近1.0[10-15]，李閩 等[16]還發(fā)現(xiàn)了低滲致密砂巖有效應(yīng)力具有非線性特點。

要計算有效應(yīng)力就必須計算有效應(yīng)力系數(shù)，響應(yīng)面法[17]是計算有效應(yīng)力系數(shù)的主要方法，利用Matlab軟件擬合數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理響應(yīng)面(圖5)得到不同壓力下的滲透率等值線(圖6)，由滲透率等值線斜率得到有效應(yīng)力系數(shù)，從而計算出有效應(yīng)力peff。

巖樣滲透率隨有效應(yīng)力的變化關(guān)系如圖7所示。

圖5 巖樣601-2滲透率響應(yīng)面Fig .5 Sample 601-2 permeability response surface

圖6 巖樣601-2滲透率等值線Fig .6 Sample 601-2 permeability contour

圖7 4塊巖樣巖心滲透率與有效應(yīng)力變化關(guān)系Fig .7 Permeability vs. effective stress of the four samples

1.4 結(jié)果分析

從圖3可以看出，隨著老化回路的增加，滲透率變化的幅度越來越小，表明巖心的性質(zhì)趨于穩(wěn)定，并且老化次數(shù)越多，巖心的穩(wěn)定性越好，越利于實驗，能充分保證實驗可靠性。

從圖4可以看出，致密砂礫巖巖心滲透率隨孔隙內(nèi)流體壓力增加而增加，并且不同圍壓下，滲透率隨孔隙內(nèi)流體壓力變化幅度不一樣，如巖樣601-2在圍壓為30 MPa、孔壓為8 MPa時滲透率為1.98×10-3mD，孔壓為24 MPa時滲透率為6.95×10-3mD，單位壓降滲透率變化率為4.47%；圍壓為35 MPa、孔壓為8 MPa時滲透率為1.17×10-3mD，孔壓為24 MPa時滲透率為4.05×10-3mD，單位壓降滲透率變化率為4.44%；圍壓為40 MPa、孔壓為8 MPa時滲透率為1.02×10-3mD，孔壓為24 MPa時滲透率為1.82×10-3mD，單位壓降滲透率變化率為2.75%?？梢?，隨著圍壓的增加，滲透率隨孔壓變化的幅度越來越小，敏感性也越來越弱。

巖樣產(chǎn)生滲透率變化的原因和巖石種類及顆粒含量與大小有關(guān)[18]，隨著圍壓增加，巖樣內(nèi)部孔隙和喉道受力產(chǎn)生變形，喉道首先閉合，而孔隙基本不產(chǎn)生形變；而隨著圍壓繼續(xù)增加，內(nèi)部喉道孔隙體積被壓縮體積越來越小，因此滲透率減小趨勢會越來越慢，顆粒間的壓實作用會減弱，故會出現(xiàn)上述情況。

現(xiàn)場測量儲層應(yīng)力敏感性多采用常規(guī)基質(zhì)應(yīng)力敏感實驗(恒定低孔壓變圍壓)，圖8為現(xiàn)場巖心601-2滲透率與圍壓變化關(guān)系圖。

圖8 樣品601-2滲透率與圍壓變化關(guān)系Fig .8 Permeability vs. net confining pressure of Sample 601-2

不難發(fā)現(xiàn)，常規(guī)基質(zhì)應(yīng)力敏感實驗過程相當于實驗室應(yīng)力敏感性實驗的老化過程(第一個老化回路)。

2 應(yīng)力敏感性評價

得到滲透率與有效應(yīng)力之間的關(guān)系后，用Jones[19]模型評價此致密砂礫巖儲層滲透率應(yīng)力敏感性。

(K/Kref)1/3=1-Sln(peff/pref)

(4)

式(4)中：K表示選取參考點的滲透率，mD;Kref為參考有效應(yīng)力下對應(yīng)的滲透率，mD；pref為選取參考點的有效應(yīng)力，MPa；S是應(yīng)力敏感系數(shù)，通常S值越大應(yīng)力敏感性越強，評價標準見表2。

表2 Jones應(yīng)力敏感性評價標準Table 2 Jones stress sensitivity evaluation criteria

同時由圖7可以看出，致密砂礫巖儲層巖心滲透率隨有效應(yīng)力增加而減??；隨著有效應(yīng)力增加，滲透率降低幅度會減小，兩者呈冪函數(shù)關(guān)系，用Jones方法評價該樣品，評價結(jié)果(表3)為中等應(yīng)力敏感。

表3 Jones應(yīng)力敏感性評價結(jié)果Table 3 Results of Jones stress sensitivity evaluation method

現(xiàn)場一般采用行業(yè)標準法[20]來評價儲層巖石的應(yīng)力敏感性：

(5)

式(5)中：DK為滲透率的損失比，表示巖石應(yīng)力變化過程中滲透率的損失量；Ki通常表示初始滲透率。

應(yīng)力敏感性評價標準見表4。

表4 行業(yè)標準法應(yīng)力敏感性評價標準Table 4 Industry standard stress sensitivity evaluation criteria

巖心601-2加載過程起始點滲透率為0.017 mD，加載終點滲透率為0.003 92 mD，滲透率損失比為76.9%，評價結(jié)果為強應(yīng)力敏感。

因此，現(xiàn)場實驗方法評價結(jié)果是強應(yīng)力敏感，Jones方法得到的結(jié)論為中等應(yīng)力敏感；現(xiàn)場評價應(yīng)力敏感性的方法相當于實驗室評價應(yīng)力敏感的老化實驗，只是簡單的考慮了儲層巖石覆壓的變化(凈應(yīng)力)來評價其應(yīng)力敏感性，但是凈應(yīng)力并不能準確的用以評價應(yīng)力敏感性[21]；而實際生產(chǎn)活動中，相比于圍壓變化，主要是因為地下流體采出引起的孔隙流體壓力變化，從而引起有效應(yīng)力變化。應(yīng)力敏感發(fā)生在致密砂礫巖儲層開采的各個階段，現(xiàn)場方法不能準確反映開采各個階段的滲透率變化，也不能反映有效應(yīng)力的變化；Jones方法評價儲層巖石應(yīng)力敏感性考慮了孔壓的變化，利用有效應(yīng)力反映開采過程中各個階段滲透率的變化情況，通過有效應(yīng)力系數(shù)來反映致密砂礫巖儲層中巖石孔隙形狀、所充填礫石顆粒大小、形狀、礦物組成、膠結(jié)物類型及其含量等物性因素的影響，因此會與現(xiàn)場方法有一定的差別。

3 結(jié)論與建議

1) 基于有效應(yīng)力敏感實驗并采用Jones方法評價致密砂礫巖儲層巖石滲透率有效應(yīng)力敏感性級別為中等；而現(xiàn)場常采用老化實驗并采用行業(yè)標準法評價該類型儲層，應(yīng)力敏感性為強甚至極強，與實際生產(chǎn)情況不符。

2) 建議采用有效應(yīng)力敏感性評價方法及評價標準來界定致密砂礫巖儲層的應(yīng)力敏感性。