致密巖心人工造縫技術(shù)及上覆壓力下滲透率研究

趙瑞明 陳蒲禮 許婧

1.中國(guó)石油化工股份有限公司西北油田分公司實(shí)驗(yàn)中心，中國(guó)·新疆 烏魯木齊 830011

2.中國(guó)石油化工集團(tuán)縫洞型油藏提高采收率實(shí)驗(yàn)中心，中國(guó)·新疆 烏魯木齊 830011

1 引言

致密低滲透儲(chǔ)層是一個(gè)相對(duì)概念，世界上并沒有固定的標(biāo)準(zhǔn)和界限，據(jù)SY/T 6285-2011《油氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)方法》低滲定義為空氣滲透率小于10×10-3μm2的巖石儲(chǔ)層。近年來(lái)，中國(guó)發(fā)現(xiàn)的瑪湖油田、涪陵頁(yè)巖氣田等，產(chǎn)層主要為致密儲(chǔ)層，致密儲(chǔ)層的產(chǎn)量是有限的，但是這些儲(chǔ)層卻占據(jù)了儲(chǔ)量很大一部分[1]。由于致密儲(chǔ)層的井需要進(jìn)行液力壓裂以造縫方式增加儲(chǔ)層滲流能力，也就是低滲儲(chǔ)層減產(chǎn)通道也是基于人工造縫前提。巖心的人工造縫技術(shù)是模擬致密砂巖裂縫型油氣藏儲(chǔ)層特征有效方法[2]。因此，論文擬通過對(duì)鉆取巖心進(jìn)行人工造縫，造縫方式采用巖心切剖和應(yīng)力破裂的方式，并用上覆壓力實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析其效果情況，同時(shí)討論論證致密巖心上覆壓力合理的選取范圍，從而為巖心進(jìn)行進(jìn)一步滲流評(píng)價(jià)可行性進(jìn)行初步論證。

2 造縫原理及裝置

通過構(gòu)建模擬剪切應(yīng)力，將應(yīng)力加載在在巖心端面上下兩部分，逐級(jí)增加應(yīng)力大小，直至出現(xiàn)貫穿型裂縫，另一種為，通過線切割裝置，將巖心進(jìn)行對(duì)剖剖切造縫。應(yīng)力造縫裝置為自主研發(fā)設(shè)計(jì)（專利號(hào)：ZL 2013 1 0150484.3），裝置示意圖見圖1。

圖1 裝置示意圖

示意圖說明：

1.液壓油泵，承壓120MPa。

2.壓力表，100MPa。

3.壓力變送器，120MPa。

4.安全泄壓閥，100MPa。

5.壓力變送器，120MPa。

6.液壓傳動(dòng)器。

7.控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集周期＜1000-1S。

8.傳輸與控制線路。

9.高強(qiáng)度巖心造縫刀，硬度＞7。

10.高速攝像系統(tǒng)。

11.巖心加持系統(tǒng)。

12.儀器操作臺(tái)。

3 人工造縫評(píng)價(jià)

選取不同級(jí)別滲透率小于1mD 巖心進(jìn)行巖心兩組，每類包含若干個(gè)白云巖、致密碳酸鹽巖、致密砂巖、泥巖、個(gè)5 塊巖樣，分別進(jìn)行切剖和應(yīng)力破裂實(shí)驗(yàn)，比對(duì)兩種的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，論證巖心切剖和應(yīng)力破裂的可行性和適用性。

3.1 建立實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)

通過以下3 個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)巖心造縫效果，具體如下：①造縫的成功率，若造縫過程造成巖心結(jié)構(gòu)碎裂，不能進(jìn)一步開展覆壓孔滲實(shí)驗(yàn)則判斷造縫失敗；②造縫的裂縫形態(tài)，主要分貫穿型和非貫穿型；③造縫前后滲透率變化趨勢(shì)。

通過開展造縫前后覆壓孔滲研究，探索優(yōu)選出造縫巖心的凈上覆壓力區(qū)間，進(jìn)而建立基于覆壓孔滲測(cè)定的造縫評(píng)價(jià)方法方法標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 兩種在方法成功率和裂縫形態(tài)特征

本次共選取巖心14 塊，每塊巖心切成等長(zhǎng)度兩塊，分別開展應(yīng)力造縫和線切割剖切實(shí)驗(yàn)，造縫成功率和裂縫形態(tài)見表1。

實(shí)驗(yàn)表明，線切割剖切造縫成功率高于應(yīng)力造縫，特別是針對(duì)泥巖和致密碳酸鹽巖，線切割剖切造縫成功率遠(yuǎn)大于應(yīng)力造縫。線切割剖切造縫成功率為85.7%，應(yīng)力造縫成功率50%。針對(duì)泥巖，線切割剖切造縫，成功率為75%，應(yīng)力造縫成功率僅為25%。針對(duì)灰?guī)r樣品，線切割剖切造縫，成功率為83.3%，應(yīng)力造縫成功率僅為50%。

表1 造縫巖心孔滲特征及造縫成功了率和裂縫形態(tài)分布

線切割剖切造縫均為貫穿型，應(yīng)力造縫造縫過程極易出現(xiàn)非貫穿裂縫，在造縫過程中，應(yīng)避免出現(xiàn)非貫穿裂縫出現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)過程發(fā)現(xiàn)，巖心長(zhǎng)度大于直徑1.5 倍以上，出現(xiàn)非貫穿性裂縫概率明顯增大，同時(shí)，降低增壓速率也有助于應(yīng)力形成貫穿型裂縫。

對(duì)比線切割剖切造縫和應(yīng)力造縫，線切割剖切造縫，對(duì)巖石端面處結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一定程度的破壞，見圖2；應(yīng)力造縫兩塊巖心端面較好地保留了巖石原生形態(tài)，見圖3，更有利于進(jìn)一步開展相關(guān)驅(qū)替評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。

圖2 巖心線切割造縫端面形貌

圖3 巖心線切割造縫端面形貌

3.3 造縫巖心上覆壓力下滲透率評(píng)價(jià)

對(duì)于低滲透儲(chǔ)層巖石而言，假設(shè)實(shí)驗(yàn)巖樣受力變化后發(fā)生線彈性變形過程中發(fā)生的是支撐型軟塑性變形→彈性變形→塑性變形過程，人工造縫低滲透巖石在覆壓實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出的應(yīng)力敏感性是由其變形特征決定的。

選取五塊線切割剖切造縫樣品和應(yīng)力造縫樣品開展上覆壓力實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用2.3MPa 初始上覆壓力，逐級(jí)增加至45MPa，后逐級(jí)減壓至初始?jí)毫?.3MPa，測(cè)定不同壓力下的滲透率。

3.3.1 線切割造縫巖心上覆壓力下滲透率特征

線切割剖切巖心造縫后樣品滲透性得到了明顯的改善，造縫巖心當(dāng)上覆壓力達(dá)到10MPa，30MPa 時(shí)，造縫后巖心滲透率分別下降78.7%，86.7%。造縫后巖心滲透率均有明顯改善，退壓至首次壓力時(shí)平均為滲透率105mD，最小值93.8mD，具備開展其他滲流實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。線切割造縫巖心滲透測(cè)定數(shù)據(jù)見表2。

3.3.2 應(yīng)力造縫巖心上覆壓力下滲透率特征

巖心應(yīng)力造縫后樣品滲透性得到了明顯的改善，造縫巖心當(dāng)上覆壓力達(dá)到10MPa，30MPa 時(shí)，造縫后巖心滲透率分別下降91.8%，94.8%。造縫后巖心滲透率均有明顯改善，退壓至首次壓力時(shí)平均為滲透率63.0mD，最小值31.2mD，具備開展其他滲流實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。線切割造縫巖心滲透測(cè)定數(shù)據(jù)見表3。

3.3.3 兩種人工造縫方式對(duì)比

巖心線切割剖切和應(yīng)力造縫后，其滲透性均得到了明顯的改善，為進(jìn)一步開展其他滲流實(shí)驗(yàn)提供了基礎(chǔ)。但對(duì)比兩種方式，仍有一定的區(qū)別。

應(yīng)力造縫裂縫形態(tài)接近巖心天然裂縫，其截面處兩側(cè)塑性礦物組成完全一致，因此在應(yīng)力作用下其裂縫的上覆壓力滲透了較剖切低，退壓至首次壓力時(shí)滲透率接近原始特征，圖4為S2 樣品原始樣品、線切割剖切造縫和應(yīng)力造縫上覆壓力滲透率特征對(duì)比。

表2 線切割造縫巖心上覆壓力下氣體滲透率變化

表3 應(yīng)力造縫巖心上覆壓力下氣體滲透率變化

圖4 S4 樣品造縫前后滲透率變化特征

針對(duì)泥巖樣品，本次4 塊泥巖樣品其應(yīng)力造縫極易破碎，均未成功，建議通過線切割造縫。

實(shí)驗(yàn)表明10-15MPa 是造縫巖心滲透率變化的拐點(diǎn)，應(yīng)力造縫樣品10MPa 左右出現(xiàn)拐點(diǎn)，巖心剖切造縫15MPa 左右出現(xiàn)拐點(diǎn)。儲(chǔ)層巖石中孔隙流體壓力的變化會(huì)引起有效應(yīng)力發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致滲透率的改變，引發(fā)儲(chǔ)層巖石滲透率應(yīng)力敏感現(xiàn)象[3]。致密儲(chǔ)層開展傷害評(píng)價(jià)過程中應(yīng)首先找出滲透率變化拐點(diǎn)，者造縫巖心開展其他相關(guān)驅(qū)替實(shí)驗(yàn)初始上覆壓力應(yīng)略高于拐點(diǎn)壓力。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）線切割剖切造縫和應(yīng)力造縫方式均可用于致密巖心造縫，總體上應(yīng)力造縫的滲透率變化與原始樣品變化趨勢(shì)更符合。

（2）針對(duì)泥巖樣品，建議采用線切割剖切造縫。

（3）上覆壓力10 ～15MPa 是巖心滲透性變化拐點(diǎn)，造縫巖心開展其他相關(guān)驅(qū)替實(shí)驗(yàn)初始上覆壓力應(yīng)略高于此拐點(diǎn)壓力。