儲(chǔ)氣庫(kù)注采過(guò)程中有效應(yīng)力變化模擬試驗(yàn)

游利軍， 邵佳新， 高新平， 康毅力， 王福榮

（1. 油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室（西南石油大學(xué)），四川成都 610500；2. 中國(guó)石油西南油氣田分公司工程技術(shù)研究院，四川成都 610017）

隨著天然氣需求量日益增大、進(jìn)口氣量持續(xù)快速增長(zhǎng)以及國(guó)內(nèi)大型長(zhǎng)輸管道工程的快速建設(shè)，天然氣儲(chǔ)存和調(diào)峰矛盾日益突出[1-2]。儲(chǔ)氣庫(kù)是各大氣區(qū)天然氣管道建設(shè)的重要一環(huán)，具有儲(chǔ)存天然氣和調(diào)峰的功能[3-4]。與常規(guī)氣藏單向衰竭式開(kāi)采相比，儲(chǔ)氣庫(kù)具有強(qiáng)注強(qiáng)采、短期大流量交替注氣和采氣等特點(diǎn)[5]。儲(chǔ)氣庫(kù)周期注采過(guò)程中，儲(chǔ)層孔隙壓力周期性升高和降低，會(huì)引起儲(chǔ)層有效應(yīng)力交替變化，導(dǎo)致儲(chǔ)層裂縫周期性開(kāi)啟和閉合，進(jìn)而引發(fā)儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)層的應(yīng)力敏感性，而且隨著儲(chǔ)氣庫(kù)注采周期增長(zhǎng)，應(yīng)力敏感會(huì)增強(qiáng)[6]。因此，研究?jī)?chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)層的應(yīng)力敏感性，有助于提高儲(chǔ)氣庫(kù)的注采效率，優(yōu)化注采制度。

油氣生產(chǎn)過(guò)程中，有效應(yīng)力增大會(huì)使儲(chǔ)層物性發(fā)生變化[7]，尤其是儲(chǔ)層滲透率和孔隙度等參數(shù)[8]?？蒲腥藛T開(kāi)展了有效應(yīng)力加載條件下的巖石滲透率和孔隙度變化試驗(yàn)[9-13]，并通過(guò)建立函數(shù)、空間模型等來(lái)描述孔隙度、滲透率與有效應(yīng)力的關(guān)系[10，14-16]。同時(shí)建立了評(píng)價(jià)應(yīng)力敏感程度的方法，主要包括用回歸滲透率與有效應(yīng)力指數(shù)關(guān)系中的常數(shù)表示應(yīng)力敏感程度[17]、應(yīng)力敏系數(shù)法[18]，以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《儲(chǔ)層敏感性流動(dòng)試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法》（SY/T 5358—2010）等一系列評(píng)價(jià)方法。

筆者選取XG 儲(chǔ)氣庫(kù)碳酸鹽巖儲(chǔ)層巖樣，開(kāi)展了應(yīng)力敏感試驗(yàn)和考慮有效應(yīng)力作用時(shí)間的應(yīng)力敏感試驗(yàn)，并測(cè)試了試驗(yàn)過(guò)程中巖樣的滲透率，運(yùn)用掃描電鏡等手段觀測(cè)了考慮有效應(yīng)力作用時(shí)間試驗(yàn)前后的巖樣裂縫壁面，分析了有效應(yīng)力大小及其作用時(shí)間對(duì)巖石裂縫和孔隙結(jié)構(gòu)的作用機(jī)理?；谝陨戏治觯鞔_了儲(chǔ)氣庫(kù)周期注采過(guò)程中有效應(yīng)力和有效應(yīng)力作用時(shí)間對(duì)碳酸鹽巖滲透率的影響，以期為優(yōu)化儲(chǔ)氣庫(kù)的注采制度提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)巖樣與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)巖樣

試驗(yàn)巖樣選自川渝地區(qū)XG 儲(chǔ)氣庫(kù)黃龍組碳酸鹽巖儲(chǔ)層，埋深2 300.00～2 600.00 m，地層溫度62.23 ℃，儲(chǔ)氣庫(kù)庫(kù)容 40.5×108m3，墊底氣量 17.7×108m3，工作氣量22.8×108m3。試驗(yàn)巖樣孔隙度的最大值為11.99%，最小值為0.11%，平均為2.07%。巖樣滲透率的最大值為2.27 mD，最小值為4.36×10-4mD，平均為0.67 mD。儲(chǔ)層巖樣裂縫統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，有效裂縫為649 條，裂縫平均密度為8.96 條/m，占總裂縫的74.86%，表明儲(chǔ)氣庫(kù)碳酸鹽巖儲(chǔ)層有效裂縫較發(fā)育。

研究區(qū)塊為孔隙性-裂縫性碳酸鹽巖儲(chǔ)層，裂縫不僅是儲(chǔ)集空間，也是重要的滲流通道，因此采用巴西劈裂法對(duì)4 塊巖樣進(jìn)行了人工造縫，然后進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，并選擇4 塊基塊巖樣進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)巖樣的基本物性參數(shù)見(jiàn)表1。

表 1 試驗(yàn)巖樣的基本物性參數(shù)Table 1 Basic physical parameters of experimental rock samples

1.2 試驗(yàn)裝置

應(yīng)力敏感試驗(yàn)裝置主要包括驅(qū)替泵、氮?dú)馄俊鷫合到y(tǒng)、巖心夾持器、質(zhì)量流量計(jì)、回壓閥和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等，如圖1 所示。回壓閥在巖樣出口端施加回壓，具有2 個(gè)作用：1）在測(cè)試裂縫巖樣的滲透率時(shí)消除滑脫效應(yīng)[19-21]；2）可以提高壓力的傳遞效率，增加孔喉的動(dòng)用程度，提高基塊巖樣滲透率的測(cè)試效率[22]。

圖 1 應(yīng)力敏感試驗(yàn)裝置Fig.1 Stress sensitivity testing device

1.3 試驗(yàn)方法

儲(chǔ)氣庫(kù)注采過(guò)程中的儲(chǔ)層有效應(yīng)力會(huì)發(fā)生改變，為此開(kāi)展了應(yīng)力敏感試驗(yàn)，研究了儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)層有效應(yīng)力大小和作用時(shí)間對(duì)其滲透率的影響。基于研究區(qū)儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)層壓力的變化情況，設(shè)計(jì)了以下具體的試驗(yàn)步驟：1）將預(yù)先處理好的巖樣放入巖心夾持器，在高圍壓下對(duì)巖樣老化處理4 h，使巖樣中的孔隙閉合；2）測(cè)試有效應(yīng)力分別為 2，10，30，35，45，50 和60 MPa 時(shí)的巖樣滲透率，有效應(yīng)力為上覆巖層壓力（圍壓）與孔隙壓力之差；3）在步驟 2）基礎(chǔ)上進(jìn)行考慮有效應(yīng)力作用時(shí)間的應(yīng)力敏感試驗(yàn)，每個(gè)應(yīng)力加載2 h，每間隔30 min 測(cè)試一次巖樣的滲透率；4）采用應(yīng)力敏感系數(shù)法[18]進(jìn)行應(yīng)力敏感程度評(píng)價(jià)，并運(yùn)用SEM 等手段觀察分析了考慮有效應(yīng)力作用時(shí)間的應(yīng)力敏感試驗(yàn)前后的裂縫壁面。

應(yīng)力敏感程度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：應(yīng)力敏感系數(shù)Ss≤0.05，為無(wú)應(yīng)力敏感；0.051.00，應(yīng)力敏感程度為極強(qiáng)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 應(yīng)力敏感試驗(yàn)

巖樣應(yīng)力敏感程度評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表2。由表2 可知： 裂縫巖樣X(jué)G-1 和XG-2 的應(yīng)力敏感系數(shù)為0.34 和0.21，應(yīng)力敏感程度為中等偏弱和弱；基塊巖樣X(jué)G-3 和XG-4 的應(yīng)力敏感系數(shù)為0.03 和0.04，應(yīng)力敏感程度為無(wú)。

表 2 應(yīng)力敏感程度評(píng)價(jià)結(jié)果Table 2 Evaluation results of stress sensitivity

2.2 考慮有效應(yīng)力作用時(shí)間的應(yīng)力敏感試驗(yàn)

考慮有效應(yīng)力作用時(shí)間的巖樣應(yīng)力敏感程度評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表3。由表3 可知，裂縫巖樣的應(yīng)力敏感程度為中等偏強(qiáng)—強(qiáng)，基塊巖樣的應(yīng)力敏感程度為弱。研究區(qū)塊儲(chǔ)層上覆巖層壓力（圍壓）為30 MPa，儲(chǔ)氣庫(kù)的最大注氣壓力為10 MPa；儲(chǔ)氣庫(kù)由枯竭型氣藏改建而成，儲(chǔ)層孔隙壓力最小約1.0 MPa，因此有效應(yīng)力選20 和30 MPa。有效應(yīng)力恒定，隨著有效應(yīng)力作用時(shí)間增長(zhǎng)，試驗(yàn)巖樣的滲透率降低，其中基塊巖樣2 h 內(nèi)降低2%～3%，裂縫巖樣2 h 內(nèi)降低5%～9%（見(jiàn)圖2）。與常規(guī)試驗(yàn)結(jié)果相比，考慮有效應(yīng)力作用時(shí)間時(shí)，裂縫和基塊巖樣的應(yīng)力敏感程度均增強(qiáng)。

表 3 考慮有效應(yīng)力作用時(shí)間的應(yīng)力敏感評(píng)價(jià)結(jié)果Table 3 Stress sensitivity evaluation results considering the duration of effective stress action

圖 2 有效應(yīng)力作用時(shí)間與巖樣滲透率的關(guān)系Fig.2 Relationship between effective stress action duration and rock sample permeability

3 應(yīng)力敏感性影響因素分析

3.1 有效應(yīng)力作用時(shí)間

有效應(yīng)力的變化會(huì)引發(fā)巖石變形，而巖石的變形主要為骨架顆粒的變形和排列方式的改變。骨架顆粒的變形屬于彈性變形，有效應(yīng)力卸載后通常可以恢復(fù)；而骨架顆粒排列方式改變引發(fā)的變形通常屬于塑性變形，有效應(yīng)力卸載后難以恢復(fù)，屬于不可逆變形。對(duì)比應(yīng)力敏感程度評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)表2和表3）發(fā)現(xiàn)，隨著有效應(yīng)力作用時(shí)間增長(zhǎng)，裂縫巖樣和基塊巖樣的應(yīng)力敏感程度均增強(qiáng)。有效應(yīng)力作用時(shí)間增長(zhǎng)，巖樣骨架顆粒受擠壓發(fā)生彈性變形，骨架顆粒的排列方式產(chǎn)生相對(duì)位移，進(jìn)而發(fā)生塑性變形。碳酸鹽巖儲(chǔ)層基塊膠結(jié)致密，骨架顆粒變形的空間很小，因此導(dǎo)致其強(qiáng)度降低的主要原因是，裂縫壁面產(chǎn)生相對(duì)位移，導(dǎo)致骨架顆粒排列方式發(fā)生改變，從而引起塑性變形。掃描電鏡結(jié)果表明，試驗(yàn)前巖樣裂縫壁面存在致密結(jié)構(gòu)和大量微凸體（見(jiàn)圖3（a）），試驗(yàn)后裂縫壁面出現(xiàn)微裂縫和脫落的微粒（圖3（b））。隨著有效應(yīng)力增大，裂縫壁面的微凸體發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，導(dǎo)致顆粒之間產(chǎn)生相對(duì)位移，發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致巖石強(qiáng)度降低。

從圖2 可以看出，滲透率變化率隨著有效應(yīng)力作用時(shí)間的增長(zhǎng)可劃分為滲透率快速降低、滲透率穩(wěn)定和滲透率再降低等3 個(gè)階段。開(kāi)始階段，大量的孔隙和裂縫在有效應(yīng)力作用下逐漸閉合，導(dǎo)致巖樣滲透率快速降低。有效應(yīng)力作用一段時(shí)間后，由于大多數(shù)的孔隙和裂縫都已發(fā)生閉合，巖樣滲透率較為穩(wěn)定。由于裂縫壁面存在微凸體，尤其是以點(diǎn)狀接觸的微凸體易發(fā)生應(yīng)力集中，隨著有效應(yīng)力作用時(shí)間繼續(xù)增長(zhǎng)，微凸體破碎，并鑲嵌在裂縫壁面，誘發(fā)微裂縫的萌生，加速天然裂縫的擴(kuò)展，促使巖石強(qiáng)度降低，強(qiáng)化應(yīng)力敏感性，最終導(dǎo)致巖樣滲透率再次降低[23-24]。

3.2 巖石骨架顆粒

巖石骨架顆粒對(duì)巖石強(qiáng)度具有重要作用[25]。當(dāng)巖石受到有效應(yīng)力作用時(shí)，巖石骨架顆粒承受了絕大部分的應(yīng)力，因此巖石骨架顆粒會(huì)影響巖石的應(yīng)力敏感性。利用XRD 分析試驗(yàn)巖樣的礦物組分，結(jié)果顯示：巖樣全巖礦物組分以碳酸鹽礦物為主，平均含量為97.2%，其中白云石含量為75.3%，方解石含量為21.9%；石英含量為0.8%，黏土礦物含量為2.0%。黏土礦物主要為綠泥石、伊利石和少量的伊/蒙間層礦物。儲(chǔ)層中碳酸鹽礦物含量較高，進(jìn)行酸化改造時(shí)會(huì)溶蝕碳酸鹽礦物等，造成巖石強(qiáng)度降低，使儲(chǔ)層的應(yīng)力敏感性增強(qiáng)。儲(chǔ)層基塊酸化后，其滲透率和裂縫導(dǎo)流能力在有效應(yīng)力增大時(shí)會(huì)降低[26]，從而使注采效率降低。石英強(qiáng)度較高，溶蝕碳酸鹽礦物時(shí)會(huì)暴露出來(lái)，可對(duì)裂縫形成支撐，但由于其含量較少，對(duì)于弱化應(yīng)力敏感程度的作用很小。

圖 3 考慮有效應(yīng)力作用時(shí)間應(yīng)力敏感試驗(yàn)前后的裂縫壁面掃描電鏡圖片F(xiàn)ig.3 Scanning electron micrograph of fracture walls before and after stress sensitivity experiment taking into account of the effective stress action duration

4 結(jié)論與建議

1）未考慮有效應(yīng)力作用時(shí)間時(shí)，裂縫巖樣的應(yīng)力敏感程度為弱—中等偏弱，基塊巖樣為無(wú)；考慮有效應(yīng)力作用時(shí)間時(shí)，裂縫巖樣的應(yīng)力敏感程度為中等偏強(qiáng)—強(qiáng)，基塊巖樣為弱。

2）隨著有效應(yīng)力作用時(shí)間增長(zhǎng)，裂縫巖樣和基塊巖樣的滲透率呈現(xiàn) “快速降低—穩(wěn)定—降低” 的趨勢(shì)。

3）有效應(yīng)力作用時(shí)間增長(zhǎng)使裂縫壁面微凸體破碎，誘發(fā)微裂縫的萌生與擴(kuò)展，導(dǎo)致巖石強(qiáng)度降低，進(jìn)而強(qiáng)化巖樣的應(yīng)力敏感程度，最終影響儲(chǔ)氣庫(kù)的注采效率。

4）建議對(duì)碳酸鹽巖儲(chǔ)層裂縫進(jìn)行小規(guī)模不均勻酸蝕，以達(dá)到支撐裂縫的目的，使裂縫保持一定的導(dǎo)流能力。