張裂縫和剪裂縫應(yīng)力敏感差異對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層產(chǎn)能影響

陳文濱，姜漢橋，李俊鍵，何應(yīng)付，黃睿杰

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)，北京 102249；2.油氣資源與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；3.中國(guó)石化石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083)

0 引 言

致密油在美國(guó)Bakken、Barnett和Eagle Ford地區(qū)的成功開(kāi)發(fā)，使其成為石油勘探與開(kāi)發(fā)的研究熱點(diǎn)[1-3]。致密砂巖儲(chǔ)層基質(zhì)的滲透性較差，是主要的儲(chǔ)油空間，同時(shí)由于致密砂巖儲(chǔ)層脆性強(qiáng)[4]，天然裂縫往往比較發(fā)育，成為油氣的主要滲流通道，自然產(chǎn)能條件下，裂縫是致密油實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)的必要條件[5]。針對(duì)中國(guó)裂縫性致密砂巖儲(chǔ)層的應(yīng)力敏感性，國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了大量研究，肖文聯(lián)[6]基于鄂北低滲砂巖的應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)提出了裂縫與巖石骨架的3種變形機(jī)制，并對(duì)其有效應(yīng)力方程進(jìn)行了研究；劉之的等[7]通過(guò)對(duì)巖心裂縫進(jìn)行可視化描述，在弄清裂縫發(fā)育特征和產(chǎn)狀的基礎(chǔ)上，研究了裂縫的產(chǎn)狀、應(yīng)力敏感性與物性之間的內(nèi)在聯(lián)系；張海勇等[8]采用巴西實(shí)驗(yàn)制備的拉張應(yīng)力微裂縫巖心開(kāi)展了應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)，同時(shí)從裂縫介質(zhì)變形的機(jī)制上定量分析了裂縫性低滲透儲(chǔ)層的應(yīng)力敏感特征；徐新麗[9]研究了含微裂縫低滲儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性對(duì)產(chǎn)能的影響；此后，房平亮[10]、魏漪[5]等使用數(shù)值模擬研究了裂縫和基質(zhì)耦合的應(yīng)力敏感特性對(duì)致密油生產(chǎn)的影響。

目前針對(duì)裂縫應(yīng)力敏感性，只將其作為整體進(jìn)行研究，而沒(méi)有在地質(zhì)成因上對(duì)其進(jìn)一步分類，但在油田生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，位于不同構(gòu)造部位的同一地層，應(yīng)力敏感性也存在較大差異，對(duì)油井的生產(chǎn)規(guī)律具有重要影響，這與不同應(yīng)力背景下所形成裂縫的應(yīng)力敏感差異存在密切關(guān)聯(lián)。因此，研究致密砂巖儲(chǔ)層中不同性質(zhì)的裂縫對(duì)其應(yīng)力敏感性造成的影響差異，對(duì)于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和描述致密砂巖儲(chǔ)層的應(yīng)力敏感特征，分析油井的生產(chǎn)規(guī)律差異具有重要意義。以鄂爾多斯盆地紅河油田長(zhǎng)8段致密砂巖儲(chǔ)層為例，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了儲(chǔ)層中裂縫為張裂縫和剪裂縫時(shí)的應(yīng)力敏感性差異，并進(jìn)一步通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)比研究了2種裂縫對(duì)油井產(chǎn)能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)巖心

實(shí)驗(yàn)巖心取自紅河油田長(zhǎng)8段致密砂巖儲(chǔ)層，實(shí)驗(yàn)室條件下測(cè)得巖心相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)巖心基礎(chǔ)參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法及步驟

致密巖心滲透率測(cè)試使用氣體作為測(cè)試流體，為避免氣體竄流對(duì)結(jié)果的影響，基于定內(nèi)壓變圍壓的實(shí)驗(yàn)方法，使用脈沖衰減法測(cè)試不同有效應(yīng)力下的裂縫巖心滲透率。

實(shí)驗(yàn)步驟：①模擬不同地應(yīng)力條件，制作張裂縫巖心和剪裂縫巖心；②三維激光掃描各裂縫面；③設(shè)置圍壓分別為2.5、5.0、10.0、15.0、20.0、25.0、30.0、25.0、20.0、15.0、10.0、5.0、2.5 MPa進(jìn)行人工裂縫巖心變圍壓應(yīng)力敏感測(cè)試實(shí)驗(yàn)，單點(diǎn)持續(xù)時(shí)間為50 min；④反算滲透率，繪制應(yīng)力敏感曲線。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 裂縫面粗糙度分析

張裂縫在壓應(yīng)力作用下產(chǎn)生法向拉應(yīng)力，受巖石屬性不均質(zhì)的影響[11]，應(yīng)力易于集中在薄弱區(qū)域產(chǎn)生更明顯的作用，由于拉應(yīng)力垂直縫面，此時(shí)縫面的原始結(jié)構(gòu)反而不易破壞；而剪裂縫在剪應(yīng)力作用下，兩裂縫面受到相對(duì)摩擦，裂縫面的原始結(jié)構(gòu)被復(fù)雜的平行剪切力破壞而變得更加復(fù)雜。使用構(gòu)造線的二階導(dǎo)數(shù)可表示裂縫面的粗糙程度[12]，此時(shí)正值表示裂縫面凹陷(波谷)，負(fù)值表示裂縫面凸起(波峰)，針對(duì)2種裂縫10個(gè)裂縫面40 000多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)兩者基本符合高斯分布(圖1)，結(jié)合重構(gòu)三維圖證實(shí)，張裂縫面最大幾何落差較大，但凹凸點(diǎn)比較稀疏，平整區(qū)分布較廣泛，反映在統(tǒng)計(jì)圖中即數(shù)值集中分布在0附近(圖1a)，其(-1,1)區(qū)間內(nèi)數(shù)據(jù)點(diǎn)占71.22%，平均粗糙度指數(shù)為0.795 6；而剪裂縫縫面經(jīng)過(guò)垂直構(gòu)造線剪切力的二次摩擦作用，增加了凹凸起伏的密度，使裂縫面整體粗糙度增加(圖1b)，其(-1,1)區(qū)間內(nèi)數(shù)據(jù)點(diǎn)僅占57.73%，平均粗糙度為1.097 3，為張裂縫的1.38倍。

2.2 應(yīng)力敏感性對(duì)比

根據(jù)不同有效應(yīng)力下的滲透率數(shù)據(jù)，得到張裂縫和剪裂縫巖心的應(yīng)力敏感曲線(圖2)，其中，縱坐標(biāo)使用各曲線最大滲透率作無(wú)因次處理。由圖2可知，含有張裂縫和剪裂縫巖心的應(yīng)力敏感曲線有明顯差異，主要表現(xiàn)在2個(gè)方面。

(1)加壓階段張裂縫巖心前期曲線陡峭，隨有效應(yīng)力增加滲透率快速下降，而剪裂縫巖心曲線整體均勻，滲透率變化相對(duì)平緩，說(shuō)明張裂縫對(duì)致密儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性造成的影響更強(qiáng)，且該差異在有效應(yīng)力較小時(shí)更加明顯。

(2)對(duì)比加壓階段和卸壓階段的最終狀態(tài)，張裂縫巖心的滲透率損害程度明顯大于剪裂縫，而恢復(fù)程度又明顯小于剪裂縫，即張裂縫巖心的應(yīng)力敏感性更強(qiáng)。

圖2 張裂縫和剪裂縫應(yīng)力敏感曲線

在有效應(yīng)力增加過(guò)程中，張裂縫和剪裂縫巖心的滲透率下降曲線具有不同特征，使用指數(shù)式應(yīng)力敏感模型[13-14]，可對(duì)兩者的應(yīng)力敏感曲線進(jìn)行定量對(duì)比，此時(shí)兩者的滲透率曲線遞減規(guī)律差異在敏感系數(shù)上得到明顯的體現(xiàn)[15-16]。通過(guò)擬合得到其敏感系數(shù)(表2)。由表2可知，剪裂縫的應(yīng)力敏感系數(shù)平均為0.080，而張裂縫的應(yīng)力敏感系數(shù)平均為0.157，為剪裂縫的1.96倍，即張裂縫造成的應(yīng)力敏感性更強(qiáng)。

表2 裂縫巖心應(yīng)力敏感系數(shù)及指數(shù)擬合程度

基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可使用最大損害率和恢復(fù)率對(duì)應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)的2個(gè)關(guān)鍵狀態(tài)進(jìn)行定量評(píng)價(jià)(表3)。由表3可知：含剪裂縫巖心的平均最大損害率為86.16%，而張裂縫巖心的平均損害率為98.23%，為剪裂縫的1.14倍；張裂縫巖心的平均恢復(fù)率為16.00%，剪裂縫的平均恢復(fù)率為35.78%，為張裂縫的44.72%。含有2種裂縫的致密巖心的滲透率恢復(fù)程度極低，說(shuō)明高壓下裂縫閉合，卸壓后裂縫不易張開(kāi)，這是致密儲(chǔ)層出現(xiàn)應(yīng)力敏感傷害后，滲透率難以恢復(fù)的重要原因。

表3 裂縫巖心應(yīng)力敏感性定量評(píng)價(jià)

2種裂縫巖心的應(yīng)力敏感差異與2種裂縫的表面特征有密切的關(guān)系：張裂縫在拉應(yīng)力下形成，兩裂縫面基本保持了原始的形態(tài)，共軛程度較好，在升壓的過(guò)程中兩裂縫面吻合程度較高，導(dǎo)致滲透率迅速下降，后期滲透率極低，且恢復(fù)性較差；而剪裂縫在剪應(yīng)力下形成，縫面經(jīng)過(guò)摩擦力作用，破壞裂縫面的原始構(gòu)造，縫面間形成更多的間隙，降低了兩裂縫面的吻合程度，故而在升壓過(guò)程中滲透率變化相對(duì)平緩。

2.3 應(yīng)力敏感性差異對(duì)研究區(qū)產(chǎn)能的影響

2.3.1 研究區(qū)地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地致密油資源量占全國(guó)致密油預(yù)測(cè)總量的20%以上，盆地經(jīng)歷了印支、燕山和喜山3期大的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)[17]，期間受到水平擠壓和隆起等造成的多期應(yīng)力作用，盆地內(nèi)廣泛發(fā)育張裂縫和剪裂縫，對(duì)盆內(nèi)油氣的運(yùn)移和聚集起控制作用[18]。紅河油田的構(gòu)造位置位于鄂爾多斯盆地西緣天環(huán)向斜南段，其延長(zhǎng)組長(zhǎng)8段儲(chǔ)層是鄂爾多斯盆地東南部延長(zhǎng)組致密油主力勘探層系之一，層內(nèi)裂縫發(fā)育且復(fù)雜，根據(jù)鉆井取心及測(cè)井解釋資料，長(zhǎng)8段裂縫長(zhǎng)度集中分布在10～30 cm，裂縫寬度基本在1 mm以下，裂縫線密度平均為0.38條/m。

2.3.2 應(yīng)力敏感性差異對(duì)產(chǎn)能的影響

張裂縫和剪裂縫的應(yīng)力敏感性存在較大差異，該差異對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層的生產(chǎn)將產(chǎn)生較大影響。為對(duì)比兩者的影響差異，根據(jù)紅河油田長(zhǎng)8段致密砂巖儲(chǔ)層的實(shí)際情況設(shè)置模型定流壓生產(chǎn)，模型中基質(zhì)滲透率為0.1×10-3μm2，裂縫滲透率為50.0 μm2，初始地層壓力為20.0 MPa，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到的兩裂縫應(yīng)力敏感指數(shù)，在數(shù)值模擬中耦合基質(zhì)，對(duì)比研究致密砂巖儲(chǔ)層中裂縫為剪裂縫或張裂縫時(shí)油井的生產(chǎn)情況(圖3)。

圖3 油井生產(chǎn)數(shù)據(jù)對(duì)比

由圖3可知：純基質(zhì)情況下基本無(wú)產(chǎn)能，裂縫是致密儲(chǔ)層實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能的重要條件；當(dāng)裂縫是張裂縫時(shí)，儲(chǔ)層的應(yīng)力敏感性較強(qiáng)，隨著開(kāi)發(fā)的進(jìn)行地層壓力下降，巖層的有效應(yīng)力增加，滲透率下降較剪裂縫時(shí)更快，導(dǎo)致油井的日產(chǎn)量下降較快；生產(chǎn)1 a后，當(dāng)致密儲(chǔ)層中裂縫為張裂縫時(shí)，累計(jì)產(chǎn)量達(dá)178.58 m3，當(dāng)裂縫為剪裂縫時(shí)累計(jì)產(chǎn)量為214.62 m3，產(chǎn)量增加20.2%?？梢?jiàn)，張裂縫和剪裂縫的應(yīng)力敏感性差異對(duì)致密儲(chǔ)層油井產(chǎn)能具有重要的影響。

4 結(jié) 論

(1) 不同地應(yīng)力背景下形成的張裂縫和剪裂縫的表面粗糙度不同，是導(dǎo)致致密砂巖儲(chǔ)層存在應(yīng)力敏感性差異的重要原因。拉力為主應(yīng)力下形成的張裂縫面原始的構(gòu)造形態(tài)受破壞較小，因此，兩裂縫面吻合度高；剪切力為主應(yīng)力下形成的剪裂縫由于受剪切力的摩擦破壞作用，增加了裂縫面的粗糙程度，導(dǎo)致兩裂縫面吻合度變差，這是造成兩者應(yīng)力敏感差異的重要原因。

(2) 不同地應(yīng)力背景下形成的張裂縫和剪裂縫具有不同的應(yīng)力敏感特征。隨著開(kāi)發(fā)進(jìn)行，巖層有效應(yīng)力增加的過(guò)程中，含有張裂縫的致密砂巖儲(chǔ)層滲透率下降較快，而含有剪裂縫的致密砂巖儲(chǔ)層滲透率下降相對(duì)平緩，該差異在有效應(yīng)力較小時(shí)更加明顯；同時(shí)，張裂縫的存在使致密砂巖儲(chǔ)層滲透率應(yīng)力損害程度更大，恢復(fù)性更差。因此，在易形成張裂縫構(gòu)造部位的生產(chǎn)井應(yīng)更重視儲(chǔ)層的應(yīng)力敏感性問(wèn)題。

(3) 裂縫是致密砂巖儲(chǔ)層實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能的重要基礎(chǔ)，不同裂縫的應(yīng)力敏感性差異對(duì)致密儲(chǔ)層油井產(chǎn)能具有重要的影響。剪裂縫的應(yīng)力敏感性比張裂縫弱，在其他條件相同的情況下，在剪切地應(yīng)力成縫區(qū)域的油井一般會(huì)獲得較高的產(chǎn)能。