低滲透油藏壓驅(qū)物理模擬與裂縫定量表征

張翼飛，楊 勇，孫志剛，于春磊，孫 強，貝君平

（1.中國石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院，山東東營 257015；2.山東省非常規(guī)油氣勘探開發(fā)重點實驗室（籌），山東東營 257015；3.中國石化勝利油田分公司，山東東營 257001）

近年來，針對低滲透油藏注水井注不進水、采油井采不出油的現(xiàn)狀，大慶和吐哈等油田開展了一系列高壓注水先導試驗，取得了一定的開發(fā)效果［1-3］。依據(jù)現(xiàn)場實踐，勝利油田提出了壓驅(qū)技術(shù)，它是將水力壓裂設備與注水開發(fā)相結(jié)合，通過高壓高速注入，在較短時間內(nèi)提高油藏壓力、改善滲流能力，實現(xiàn)提高油井產(chǎn)能及油藏采收率的新技術(shù)。自2020年初，勝利油田在渤南和牛莊等區(qū)塊開展了壓驅(qū)注水現(xiàn)場試驗，初步見到良好效果，從常規(guī)注不進到大幅度提高注入量，解決了低滲透油藏注水井長期存在的注不進的問題。但壓驅(qū)作為一項新技術(shù)，對其增注機理和壓力傳導規(guī)律認識不清，壓驅(qū)井場存在油井見效不均衡的現(xiàn)象。依據(jù)對現(xiàn)場實踐的認識，推斷壓驅(qū)過程中注水井周圍儲層巖石產(chǎn)生大量裂縫，但對壓驅(qū)裂縫的展布形態(tài)認識不清。因此有必要在以水為注入介質(zhì)的條件下，開展壓驅(qū)裂縫的開啟條件和拓展規(guī)律的研究。

前人采用巖石力學特征試驗機與聲發(fā)射系統(tǒng)、CT 技術(shù)、掃描電鏡和激光掃描儀相結(jié)合等方法，針對水力壓裂裂縫的開啟條件及裂縫拓展特征開展了大量研究。結(jié)果表明，地層破裂壓力與巖石性質(zhì)、注入條件、天然裂縫發(fā)育情況及地應力等因素有關［4-9］。巖石滲透率越大，水力壓裂的巖石破裂壓力越?。?0］。注入排量和注入液黏度越大，巖石破裂壓力越大［11］。水力壓裂的裂縫形態(tài)受原地應力和注入條件等因素影響。小的水平應力差和低的注入排量均會使裂縫網(wǎng)絡變得更加復雜［12］。注入液黏度越大，越趨于形成長直縫，裂縫開度增加［13］。針對壓驅(qū)技術(shù)，目前研究采用數(shù)值模擬方法，認為濾失距離和裂縫半長是制約壓驅(qū)效果的關鍵因素［14］。但基于礦場監(jiān)測及數(shù)值模擬手段難以認識到微米尺度的裂縫特征及壓驅(qū)過程中形成的主干縫與分支縫之間的配置關系。在高濾失注入條件下形成的壓驅(qū)裂縫與常規(guī)水力壓裂裂縫形態(tài)是否一致，以及壓驅(qū)裂縫微觀展布特征目前尚無文獻報道，亟待建立微觀表征方法對壓驅(qū)裂縫的展布特征開展研究。為此，針對低滲透砂巖巖樣，利用自主研發(fā)的壓驅(qū)物理模擬實驗裝置，開展不同巖石滲透率、不同注入排量和不同圍壓條件下的壓驅(qū)破裂壓力研究。利用微米CT掃描設備，基于圖像處理及數(shù)據(jù)分析，在微米尺度上開展壓驅(qū)裂縫的定量表征，建立低滲透砂巖壓驅(qū)物理模擬實驗與裂縫表征方法，以期為有效描述壓驅(qū)裂縫展布特征和認清壓驅(qū)增注機理提供理論依據(jù)。

1 實驗器材與方法

1.1 實驗設備

1.1.1 壓驅(qū)物理模擬實驗裝置

壓驅(qū)物理模擬實驗采用中國石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院自主研發(fā)的壓驅(qū)物理模擬實驗裝置（圖1）。該裝置采用ISCO 泵注系統(tǒng)，恒速模式下實時監(jiān)測巖心夾持器的進口壓力，每隔0.2 s 自動記錄壓力數(shù)據(jù)。巖心夾持器可承載直徑為2.5 cm或3.8 cm、長度為4～8 cm 的巖心巖樣，可提供最大值為30 MPa的三軸圍壓。

圖1 壓驅(qū)物理模擬實驗裝置Fig.1 Physical simulation devices for fracturing-flooding

1.1.2 微米CT掃描系統(tǒng)

采用三英NanoVoxel-2000 微米CT 掃描系統(tǒng)（圖2）進行壓驅(qū)物理模擬實驗前、后巖樣的CT 掃描，其像素分辨率最高為0.5 μm。

圖2 微米CT掃描系統(tǒng)Fig.2 Micro-CT scanning system

1.2 巖樣制備

壓驅(qū)物理模擬實驗巖樣取自勝利油田某區(qū)塊低滲透砂巖露頭巖心，將露頭巖心制備成直徑為3.8 cm、高度約為10 cm 的圓柱巖樣。在巖樣上，用外徑為6 mm 的金剛石鉆頭鉆一個深度為5 cm 的孔（圖3），模擬壓驅(qū)注水井井口周圍儲層。巖樣基本物性參數(shù)如表1所示。

表1 壓驅(qū)物理模擬實驗巖樣基本物性參數(shù)Table1 Basic physical property parameters of rock samples for physical simulation test of fracturing-flooding

圖3 壓驅(qū)物理模擬實驗巖樣Fig.3 Rock samples for physical simulation test of fracturing-flooding

1.3 實驗步驟

壓驅(qū)物理模擬實驗及裂縫定量表征采用多套設備協(xié)同工作，實驗步驟主要包括：①在露頭巖心上鉆取直徑為2.5 mm、高度約為5 mm 的圓柱狀小巖樣，進行微米CT 高分辨率掃描，圖像尺寸為1 024×1 024×1 010 像素，像素分辨率為3.44 μm，獲取壓驅(qū)物理模擬實驗前巖樣的初始孔隙結(jié)構(gòu)及裂縫發(fā)育特征。②制備壓驅(qū)物理模擬實驗巖樣。③將巖樣放入壓驅(qū)物理模擬實驗裝置內(nèi)，采用密度為1.014 2 g/cm3，黏度為0.998 7 mPa·s 的氯化鉀溶液作為注入液，分別完成不同注入排量、不同巖石滲透率及不同圍壓下的壓驅(qū)物理模擬實驗。④壓驅(qū)物理模擬實驗完成后，對巖樣進行抽真空干燥處理，將環(huán)氧樹脂加溫至90 ℃，充分抽吸浸入巖樣中，在圍壓為20 MPa 條件下加壓24 h，使環(huán)氧樹脂與巖樣充分固結(jié)。將經(jīng)過環(huán)氧樹脂固結(jié)的巖樣進行全巖心微米CT掃描，獲取裂縫發(fā)育的空間位置及展布形態(tài)。結(jié)合肉眼觀測及微米CT掃描圖像，在巖樣上標記裂縫發(fā)育的位置。⑤在標記的裂縫發(fā)育位置鉆取2.5 mm×5 mm的圓柱狀小巖樣，完成微米CT高分辨率掃描，對比壓驅(qū)物理模擬實驗前、后巖樣的微米CT掃描圖像，定量表征壓驅(qū)裂縫展布形態(tài)及孔隙結(jié)構(gòu)。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 壓驅(qū)破裂壓力影響因素

2.1.1 注入排量

在圍壓為20 MPa的條件下，通過緩慢提高注入排量和恒定注入排量2 種方式，研究注入排量對壓驅(qū)破裂壓力和液測滲透率的影響。對于巖樣1-1，緩慢提高注入排量，當注入排量從0.5 mL/min 逐步提高到35 mL/min 時巖樣破裂，巖樣的破裂壓力和破裂后的液測滲透率分別為27.4 MPa 和6.10 mD（圖4a）。對于巖樣1-2，采用35 mL/min的恒定注入排量，驅(qū)替時間為81 s時巖樣破裂，巖樣的破裂壓力和破裂后的液測滲透率分別為30.8 MPa 和6.31 mD（圖4b）。分析結(jié)果可知，相同注入排量下，恒定注入方式導致巖樣的升壓速度較快，從而產(chǎn)生較大的破裂壓力。液測滲透率的增幅較大，說明恒定注入方式下產(chǎn)生的裂縫寬度較大。對于巖樣1-3，采用80 mL/min的恒定注入排量，驅(qū)替時間為36 s時巖樣破裂，巖樣的破裂壓力和破裂后的液測滲透率分別為40.6 MPa和37.24 mD（圖4c）。對比巖樣1-2和巖樣1-3 的測試結(jié)果可知，增大注入排量會產(chǎn)生較大的破裂壓力和裂縫寬度。

圖4 不同注入排量下驅(qū)替壓力和液測滲透率隨驅(qū)替時間的變化Fig.4 Displacement pressure and liquid permeability curves with time at different injection rates

2.1.2 巖石滲透率

在圍壓為20 MPa 的條件下，針對巖樣2-1—2-4，注入排量均從5 mL/min 開始逐步提高至巖樣破裂。結(jié)果表明，當氣測滲透率分別為5.40，6.67，12.90 和20.40 mD 時，在注入排量分別為14，12，15和30 mL/min 時巖樣破裂，破裂壓力分別為38.5，32.0，20.8和12.3 MPa（圖5）。由圖6可以看出，在高濾失注入條件下，巖樣的破裂壓力隨著巖石氣測滲透率的增加呈指數(shù)降低。在巖樣破裂前，隨著泵入流體的增加，泵壓曲線呈階梯式遞增形態(tài)。在巖樣破裂后，氣測滲透率較低的巖樣泵壓曲線產(chǎn)生較大跌落，呈單調(diào)遞減形態(tài)；氣測滲透率較高的巖樣泵壓曲線呈現(xiàn)波動式形態(tài)。這種波動式的泵壓曲線與水力裂縫和天然裂縫的相互作用增多有關，與裂縫網(wǎng)絡的形成有密切關系［15］。

圖5 不同滲透率巖樣的壓驅(qū)致裂泵壓曲線Fig.5 Pump pressure-time curves of rock samples with different permeability in fracturing-flooding

圖6 破裂壓力與氣測滲透率的關系Fig.6 Relationship between breakdown pressure and gas permeability

2.1.3 圍壓

將巖樣3-1，3-2，3-3 和3-4 分別在圍壓為5，15，20 和30 MPa 的條件下，逐步提高注入排量至巖樣破裂。實驗結(jié)果（圖7）表明，泵壓曲線呈鋸齒狀，當圍壓為5 MPa時，巖樣在注入排量為35 mL/min時發(fā)生破裂，巖樣破裂壓力為6.8 MPa。當圍壓由15 MPa增至20和30 MPa時，巖樣破裂前泵壓曲線均呈階梯狀遞增，分別在注入排量為45，25 和60 mL/min時發(fā)生破裂，破裂壓力分別為21.7，31.0 和40.3 MPa。由圖8 可以看出，隨著圍壓的增加，巖樣破裂壓力呈線性增加。

圖7 不同圍壓下的壓驅(qū)致裂泵壓曲線Fig.7 Pump pressure-time curves under different confining pressure in fracturing-flooding

圖8 破裂壓力與圍壓的關系Fig.8 Relationship between breakdown pressure and confining pressure

2.2 基于微米CT掃描的壓驅(qū)裂縫定量表征

CT 掃描技術(shù)是通過重建物體空間不同位置對X 射線的吸收系數(shù)，使不同密度的材料信息以高分辨率數(shù)字圖像的形式在計算機上顯示出來，圖像中不同位置的灰度值反映了巖樣中相應位置的組分對X 射線衰減能力的強弱［16］。近年來，伴隨著計算機技術(shù)和圖像處理技術(shù)的發(fā)展，CT掃描圖像的分辨率實現(xiàn)了由毫米級到微米級，再到納米級的尺度跨越［17-18］。但是，由于CT掃描分辨率與掃描獲得的視域呈反比關系，在CT 掃描分辨率提高的同時，巖樣尺寸就需要相應的縮小。

2.2.1 壓驅(qū)前CT掃描圖像

壓驅(qū)物理模擬實驗前，對巖樣進行微米CT 掃描。由于受到環(huán)境條件、傳感器元件和信道干擾等多種因素的影響，CT掃描圖像在采集、傳輸、存儲和顯示的各個環(huán)節(jié)不可避免地會被一些噪聲干擾。在巖心的垂直方向常會出現(xiàn)邊緣效應，即在圖像的垂向上，頂、底部邊界模糊且灰度值比中間部分偏低，在同一亮度和對比度下圖像整體偏暗。針對這種情況，利用AVIZO 軟件對圖像進行處理，將圖像頂、底部顏色偏暗的切片及巖心邊緣部分裁切，基于中值濾波算法對CT 圖像進行濾波降噪。以巖樣1-2為例，圖像經(jīng)處理后，觀測巖樣CT 三維重構(gòu)圖及二維CT切片發(fā)現(xiàn)，壓驅(qū)物理模擬實驗前巖樣中不存在明顯可見的天然裂縫（圖9）。

圖9 壓驅(qū)物理模擬實驗前巖樣1-2的CT三維重構(gòu)圖及二維CT切片F(xiàn)ig.9 3D CT reconstruction and 2D CT slices of Sample1-2 before physical simulation test of fracturing-flooding

采用交互式閾值算法進一步進行二值化分割，將巖樣CT掃描圖像分割為孔隙和骨架兩部分，計算得到巖心孔隙度為4.5%。值得注意的是，巖樣1-2在壓驅(qū)物理模擬實驗前，經(jīng)飽和稱重法測定巖樣孔隙度為11.2%，基于CT 掃描圖像計算的孔隙度明顯低于室內(nèi)實驗測試值。造成這種差異的主要原因是：①巖石結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性導致不同巖樣間孔隙度存在差異。②限于CT設備能夠提供的最高分辨率，在掃描成像過程中無法檢測出小于像素分辨率的孔隙。③經(jīng)過中值濾波后，大量孤立小孔隙被剔除，導致基于CT 掃描圖像計算的孔隙度進一步降低。

基于AVIZO 軟件中等效直徑算法，計算壓驅(qū)物理模擬實驗前巖樣中孔隙直徑及其占比。由圖10可見，孔隙直徑呈現(xiàn)正態(tài)分布，其中直徑小于30 μm的孔隙占總孔隙的96%，孔隙直徑分布峰值為9 μm。

圖10 巖樣1-2孔隙直徑分布Fig.10 Pore diameter distribution of Sample1-2

2.2.2 壓驅(qū)后CT掃描圖像

巖樣1-2 完成壓驅(qū)物理模擬實驗后，首先結(jié)合肉眼觀測和CT 掃描確定巖樣中裂縫發(fā)育位置（圖11），再在裂縫發(fā)育位置取樣完成高分辨率CT掃描。結(jié)合交互式閾值算法和Top-hat 算法，分別提取壓驅(qū)物理模擬實驗后巖樣中的裂縫部分和基質(zhì)中的孔隙部分。由圖12 可以看出，在高濾失注入條件下，壓驅(qū)結(jié)束后，巖樣中形成沿徑向擴展的垂直裂縫，壓驅(qū)裂縫呈平面狀展布特征。在微米尺度上，裂縫擴展路徑沿顆粒邊界蜿蜒前進。經(jīng)統(tǒng)計分析，壓驅(qū)裂縫平均開度為334 μm。壓驅(qū)物理模擬實驗后巖樣孔隙度為5.1%，相比壓驅(qū)物理模擬實驗前增加0.6%。直徑小于30 μm 的孔隙占總孔隙的87%，孔隙直徑分布峰值為13 μm。

圖11 壓驅(qū)物理模擬實驗后巖樣1-2全巖心CT掃描三維重構(gòu)圖及二維CT切片F(xiàn)ig.11 3D reconstruction and 2D CT slices of Sample1-2 with CT scans of whole core after physical simulation test of fracturing-flooding

圖12 壓驅(qū)物理模擬實驗后巖樣1-2高分辨率CT三維重構(gòu)渲染圖及二維CT切片F(xiàn)ig.12 3D reconstruction rendering and 2D CT slices under high-resolution CT scans of Sample1-2 after physical simulation test of fracturing-flooding

總的來說，壓驅(qū)產(chǎn)生裂縫后，孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，中大孔隙部分所占比例明顯增加，孔隙直徑分布曲線右移，孔隙度增幅為0.6%，巖石基質(zhì)中孔隙體積整體變大，分析這是壓驅(qū)增注的機理之一。

3 結(jié)論

壓驅(qū)破裂壓力受注入排量、巖石滲透率和圍壓的影響。壓驅(qū)破裂壓力隨注入排量的增加而增大，隨巖石滲透率的增加呈指數(shù)降低，隨圍壓的增加呈線性增大。

在高濾失注入條件下，壓驅(qū)結(jié)束后，巖石中形成沿徑向擴展的垂直裂縫，壓驅(qū)裂縫呈平面狀展布特征。在微米尺度上，裂縫擴展路徑沿顆粒邊界蜿蜒前進。

壓驅(qū)物理模擬實驗后，巖石巖樣孔隙度略有增加，其中小孔隙占比減小，孔隙直徑呈現(xiàn)整體增大的趨勢。

建立的壓驅(qū)物理模擬與壓驅(qū)裂縫定量表征方法，能夠有效監(jiān)測高濾失注入條件下低滲透砂巖的壓驅(qū)破裂壓力，實現(xiàn)微米尺度上的壓驅(qū)裂縫定量表征，為壓驅(qū)現(xiàn)場參數(shù)的優(yōu)化及壓驅(qū)增注機理的認識提供理論依據(jù)。