深層致密砂巖擴(kuò)容增注機(jī)理研究
——以南海東部X油田為例

任 楊，付云川，劉成林，匡臘梅，周文超，孫 君

(1.中海石油(中國)有限公司深圳分公司，廣東深圳 518064；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452)

南海東部X油田儲(chǔ)層具有滲透率低、埋藏深、溫度高等特點(diǎn)，儲(chǔ)層為致密砂巖，物性較差。一些注水井存在儲(chǔ)層污染堵塞，注入困難，注入強(qiáng)度會(huì)進(jìn)一步降低，配注指標(biāo)難以實(shí)現(xiàn)，造成地層能量虧空，影響了油田的產(chǎn)量。

針對(duì)目標(biāo)油田物性特點(diǎn)及開發(fā)過程中存在的問題，提出巖石力學(xué)擴(kuò)容強(qiáng)化注水技術(shù)，采用巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)測試、破壞理論擬合參數(shù)并結(jié)合真三軸物理模擬實(shí)驗(yàn)，研究目標(biāo)儲(chǔ)層巖石力學(xué)強(qiáng)度、變形參數(shù)和擴(kuò)容參數(shù)，擴(kuò)容機(jī)理，通過真三軸地應(yīng)力物理模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證擴(kuò)容效果，優(yōu)選工藝條件，確定水力擴(kuò)容在該油田的適用性，為現(xiàn)場施工提供指導(dǎo)[1-2]。

1 巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)測試與參數(shù)擬合

1.1 單軸強(qiáng)度測試實(shí)驗(yàn)

為分析目標(biāo)油田儲(chǔ)層巖石力學(xué)性質(zhì)，鉆取直徑25 mm的天然巖心，通過單軸抗壓實(shí)驗(yàn)得到儲(chǔ)層強(qiáng)度參數(shù)，通過三軸實(shí)驗(yàn)得到儲(chǔ)層巖石力學(xué)參數(shù)。

使用巖石力學(xué)測試系統(tǒng)在不加圍壓條件下測試巖心的單軸抗壓強(qiáng)度。在單軸壓縮條件下，隨著單軸應(yīng)力增加，試樣呈現(xiàn)出脆性破壞。巖心在單軸壓縮條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線反映出軸向應(yīng)力隨軸向應(yīng)變的增加，經(jīng)歷了上凹階段、線性階段和下凹階段，應(yīng)力達(dá)到峰值后迅速下降，測試得到單軸抗壓強(qiáng)度為69 MPa，直線段的彈性模量為8.4 GPa。

1.2 三軸強(qiáng)度測試實(shí)驗(yàn)

取目標(biāo)儲(chǔ)層巖心，分別測量在圍壓5，10，15 MPa條件下的三軸抗壓強(qiáng)度。圍壓加載到目標(biāo)值后，在巖心破壞強(qiáng)度的30%之前采取軸向負(fù)荷控制，后轉(zhuǎn)為徑向變形控制直到試樣破壞，控制程序采集應(yīng)力、應(yīng)變等數(shù)值，實(shí)驗(yàn)應(yīng)變率為1%/min。

對(duì)本次實(shí)驗(yàn)單軸、三軸抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)結(jié)合油藏資料數(shù)據(jù)，用Mohr-Coulomb,線性Drucker-Prager, Hoek-Brown強(qiáng)度以及拋物線性Drucker-Prager準(zhǔn)則進(jìn)行擬合。

巖石滑移面上剪應(yīng)力與主應(yīng)力的關(guān)系為：

τ=σtanφ+C

(1)

式中：τ為剪應(yīng)力，MPa；σ為主應(yīng)力,MPa；φ為內(nèi)摩擦角，(°)；C為粘聚力，MPa。

在σ-τ坐標(biāo)系中，利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以各組實(shí)驗(yàn)破壞時(shí)的軸向壓力σ1和圍壓σ3為直徑兩端點(diǎn)畫出莫爾圓，并畫出強(qiáng)度包線，得到Mohr-Coulomb準(zhǔn)則擬合曲線[3]，如圖1所示。計(jì)算得φ=49.2°，C=12.69 MPa。

圖1 Mohr-Coulomb準(zhǔn)則擬合曲線

利用Drucker-Prager強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行擬合，在三軸實(shí)驗(yàn)中平均主應(yīng)力與廣義剪應(yīng)力的關(guān)系為：

(2)

(3)

q=σ1-σ3

(4)

式中：p為平均主應(yīng)力，MPa；q為廣義剪應(yīng)力，MPa；σ1為最大主應(yīng)力，MPa；σ2為中間主應(yīng)力，MPa；σ3為最小主應(yīng)力，MPa；α、κ為與巖石內(nèi)摩擦角和粘聚力有關(guān)的常數(shù)，可用于計(jì)算目標(biāo)儲(chǔ)層巖石的屈服位置和屈服面[4-5]。

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到Drucker-Prager準(zhǔn)則擬合曲線，如圖2所示。擬合得到q=1.835p+24.58，得出α=0.353，κ=14.191。

圖2 Drucker-Prager準(zhǔn)則擬合曲線

利用Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行擬合：

(5)

式中：σc為巖石單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；m為反映巖石軟硬程度的常數(shù)；s為反映巖石破碎程度常數(shù)。

單軸強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)已測得σc=69 MPa，可用(σ1-σ3)2與σ3進(jìn)行線性擬合。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到Hoek-Brown準(zhǔn)則擬合曲線，如圖3所示。

圖3 Hoek-Brown準(zhǔn)則擬合曲線

擬合結(jié)果得到：(σ1-σ3)2=1 249σ3+2 748，得出m=18.1，s=0.58。通過分析可知目標(biāo)儲(chǔ)層巖石為較硬巖石，預(yù)測巖石受到破壞時(shí)的破裂程度為較完整巖體，呈塊狀結(jié)構(gòu)[6-7]。

利用拋物線型D-P模型擬合巖石屈服面模擬目標(biāo)儲(chǔ)層巖石的的彈塑性變形：

(6)

根據(jù)拋物線型D-P模型擬合結(jié)果作出巖石屈服面曲線，用于建立巖石力學(xué)破壞理論模型，進(jìn)行擴(kuò)容技術(shù)研究。

2 理論模型建立與效果預(yù)測

2.1 巖石力學(xué)破壞模型建立

根據(jù)單軸實(shí)驗(yàn)、三軸實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)所擬合的拋物線型D-P模型擬合曲線，在不同擴(kuò)容壓力條件下擬合cook巖石力學(xué)破壞模型，分析不同擴(kuò)容壓力條件下井壁巖石應(yīng)力路徑與破壞面的關(guān)系[10]。擬合結(jié)果見圖4。

圖4 井壁巖石應(yīng)力路徑與巖石屈服面關(guān)系

井口擴(kuò)容壓力26 MPa時(shí)，井壁周圍儲(chǔ)層巖石的應(yīng)力路徑不能碰到巖石屈服面，井周不能產(chǎn)生擴(kuò)容區(qū)；井口擴(kuò)容壓力28 MPa時(shí)，井壁周圍儲(chǔ)層巖石的應(yīng)力路徑剛剛觸碰到屈服面，此壓力為擴(kuò)容區(qū)產(chǎn)生的最小壓力，但低壓力下擴(kuò)容液向地層漏失比例高，擴(kuò)容效率較低；井口擴(kuò)容壓力32 MPa時(shí)，井壁周圍儲(chǔ)層應(yīng)力路徑與屈服面有較大段觸碰，井周能產(chǎn)生高效率擴(kuò)容區(qū)，滿足擴(kuò)容實(shí)施需求。

2.2 耦合孔隙介質(zhì)彈性力學(xué)模型建立

以井口擴(kuò)容壓力32 MPa為施工條件，采用耦合孔隙介質(zhì)彈性力學(xué)模型預(yù)測施工過程中井周儲(chǔ)層的擴(kuò)容應(yīng)力狀態(tài)，得到井周1 m半徑范圍內(nèi)儲(chǔ)層平均有效主應(yīng)力分布，分析擴(kuò)容區(qū)發(fā)展趨勢。模擬結(jié)果見表1。

表1 井周1 m半徑內(nèi)平均有效主應(yīng)力分布 MPa

井周平均有效主應(yīng)力越小，該區(qū)域越容易產(chǎn)生剪切擴(kuò)容區(qū)[11-12]。以井筒為原點(diǎn)，垂直于井筒的水平方向?yàn)?°方向，模擬結(jié)果可直觀看出，井周沿水平方向165°和345°方向平均有效主應(yīng)力最小，75°和255°方向平均有效主應(yīng)力最大。井口擴(kuò)容壓力為32 MPa時(shí)，能產(chǎn)生有效的擴(kuò)容區(qū)，擴(kuò)容區(qū)在井周的擴(kuò)展方向?yàn)?65°和345°，沿儲(chǔ)層水平最大主應(yīng)力方向，垂直于水平最小主應(yīng)力方向。

通過巖石力學(xué)測試目標(biāo)儲(chǔ)層巖心的強(qiáng)度，進(jìn)行破壞理論擬合，獲取目標(biāo)儲(chǔ)層的巖石力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)和變形參數(shù)，得到巖石破壞面曲線；建立的巖石力學(xué)破壞模型，能夠真實(shí)反映目標(biāo)儲(chǔ)層物性。分析不同擴(kuò)容壓力條件下井壁巖石應(yīng)力路徑與巖石破壞面的關(guān)系曲線，可以計(jì)算出目標(biāo)儲(chǔ)層的有效擴(kuò)容壓力。采用耦合孔隙介質(zhì)彈性力學(xué)模型能夠直觀地反映擴(kuò)容施工過程中井周擴(kuò)容區(qū)的發(fā)展趨勢，驗(yàn)證擬合計(jì)算結(jié)果。

為進(jìn)一步優(yōu)化擴(kuò)容施工工藝，更直觀地模擬擴(kuò)容施工效果，設(shè)計(jì)了真三軸水力擴(kuò)容物理模擬實(shí)驗(yàn)，使用大型物理模擬設(shè)備模擬儲(chǔ)層，探索并優(yōu)化工藝參數(shù)，為工藝方案設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

3 真三軸水力擴(kuò)容物理模擬

3.1 方案設(shè)計(jì)

為模擬目標(biāo)儲(chǔ)層巖石物性，實(shí)驗(yàn)使用砂巖露頭巖心滿足孔隙度12%、抗壓強(qiáng)度60 MPa，抗張強(qiáng)度3 MPa，與目標(biāo)儲(chǔ)層巖心物性接近。將巖心切割為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試樣，并經(jīng)過打磨保證立方體對(duì)立面平行且相鄰面垂直。

根據(jù)目標(biāo)儲(chǔ)層深度及地應(yīng)力梯度計(jì)算地應(yīng)力，三軸有效應(yīng)力為：Sv=33 MPa,Shmin=15 MPa,Shmax=21 MPa。實(shí)驗(yàn)方法采用：①恒定壓力的階梯擴(kuò)容；②恒定流量的低流速擴(kuò)容；③長時(shí)間預(yù)處理+小排量擴(kuò)容。

3.2 流程設(shè)計(jì)

為模擬擴(kuò)容施工注水井，保證在實(shí)驗(yàn)過程中流體能夠順利進(jìn)入試樣內(nèi)部，在切割打磨好的立方體中間鉆去2 cm左右的孔，并安裝壓裂管，壓裂管與巖心之間使用高強(qiáng)度樹脂密封，每組實(shí)驗(yàn)分別制作1套巖心試樣，共制作3套。使用CT掃描儀對(duì)實(shí)驗(yàn)前的巖心試樣進(jìn)行掃描，掃描圖片見圖5。

圖5 擴(kuò)容前巖心試樣CT照片

通過CT掃描照片觀察實(shí)驗(yàn)前巖心內(nèi)部完整，無裂縫產(chǎn)生。使用真三軸巖石力學(xué)測試儀器，將制備好的試樣放置在下壓頭上，接著在表面安裝一層熱縮管以防止流體進(jìn)入三軸壓力室。最后安裝上壓頭、位移傳感器和流體通道。巖心CT照片與安裝后的試樣如圖6所示。

圖6 水力擴(kuò)容試樣安裝示意圖

按照真實(shí)地應(yīng)力環(huán)境，通過真三軸六個(gè)方向的壓頭施加荷載。保持地應(yīng)力不變，通過流體注入系統(tǒng)注入流體壓力。理論起裂壓力預(yù)測根據(jù)以下公式計(jì)算：

Pb=3σh-σH+T0-T

(7)

式中：Pb為理論起裂壓力，MPa；σh為水平最小主應(yīng)力，MPa；σH為水平最大主應(yīng)力，MPa；T0為抗張強(qiáng)度，MPa。

實(shí)驗(yàn)條件為σh=15 MPa，σH=21 MPa，P=0，T0=3 MPa，計(jì)算得Pb=27.0 MPa。

3.3 恒定壓力的階梯擴(kuò)容模擬

恒定壓力的階梯擴(kuò)容模擬實(shí)驗(yàn)流體采用階梯壓力注入方式，即流體壓力呈階梯式逐步上升，并且在每個(gè)壓力階段保持一段時(shí)間，使流體充分進(jìn)入試樣內(nèi)部，改變孔隙壓力。用增壓泵注入加壓流體，先以較快的升壓速度壓力加至5.0 MPa，穩(wěn)定約30 min，觀察實(shí)驗(yàn)壓力變化。待液體壓力穩(wěn)定后逐漸升高壓力。實(shí)驗(yàn)過程中，可通過位移傳感器判斷巖心是否發(fā)生變形。當(dāng)流體壓力出現(xiàn)明顯下降時(shí)表明試樣已破裂，這時(shí)關(guān)閉流體壓力注入系統(tǒng)，結(jié)束實(shí)驗(yàn)，記錄實(shí)驗(yàn)壓力曲線。進(jìn)行階梯式恒定壓力擴(kuò)容直至樣品開裂時(shí)，測得實(shí)際擴(kuò)容壓力Pb=25.0 MPa，與理論起裂壓力相接近。對(duì)實(shí)驗(yàn)后的巖心試樣進(jìn)行CT掃描，對(duì)比實(shí)驗(yàn)前后試樣內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的變化以驗(yàn)證水力擴(kuò)容的效果，實(shí)驗(yàn)壓力曲線與CT掃描結(jié)果見圖7。

圖7 階梯壓力擴(kuò)容壓力曲線(上)與實(shí)驗(yàn)后巖心CT照片(下)

通過CT掃描照片可以看出，實(shí)驗(yàn)后巖心形成了一條單一張裂縫，不滿足擴(kuò)容實(shí)施效果[13-14]。實(shí)驗(yàn)表明，恒定壓力的階梯擴(kuò)容條件下孔壓預(yù)處理時(shí)間較短，擴(kuò)容開啟壓力較高，接近地層起裂壓力，并且形成單一張裂縫，擴(kuò)容效果不明顯。恒定壓力的階梯擴(kuò)容工藝不能滿足儲(chǔ)層改造和解堵的需求。

3.4 階梯恒定流量的低流速擴(kuò)容模擬

恒定流量的低流速擴(kuò)容模擬實(shí)驗(yàn)流體采用階梯增加擴(kuò)容流量的注入方式，即流體流量呈階梯式逐步上升，并且在每個(gè)流量階段保持一段時(shí)間，直至巖心開裂。實(shí)驗(yàn)過程中，通過位移傳感器判斷巖心是否發(fā)生變形。當(dāng)流體壓力出現(xiàn)明顯下降時(shí)表明試樣已破裂，這時(shí)關(guān)閉流體壓力注入系統(tǒng)，結(jié)束實(shí)驗(yàn)，記錄實(shí)驗(yàn)流量、壓力曲線。進(jìn)行階梯式恒定排量擴(kuò)容直至樣品開裂時(shí)，測得實(shí)際擴(kuò)容壓力Pb=27.5 MPa，約等于理論起裂壓力。對(duì)實(shí)驗(yàn)后的巖心試樣進(jìn)行CT掃描，實(shí)驗(yàn)壓力、流量曲線與CT掃描結(jié)果見圖8。

圖8 液體壓力、流量曲線(上)與實(shí)驗(yàn)后巖心CT照片(下)

通過CT掃描照片可以看出，實(shí)驗(yàn)后巖心形成了一條單一張裂縫，裂縫產(chǎn)生后沿著巖心的弱面發(fā)展，不滿足擴(kuò)容實(shí)施效果。說明恒定流量的低流速擴(kuò)容條件下沒有孔壓預(yù)處理，擴(kuò)容開啟壓力較高，約等于地層起裂壓力，形成沿巖心弱面發(fā)展的單一張裂縫，擴(kuò)容效果不明顯。恒定流量的低流速擴(kuò)容工藝不能滿足儲(chǔ)層改造和解堵的需求。

3.5 長時(shí)間預(yù)處理+小排量擴(kuò)容模擬

長時(shí)間預(yù)處理+小排量擴(kuò)容模擬實(shí)驗(yàn)，在低排量水力擴(kuò)容前對(duì)巖心試樣進(jìn)行孔壓預(yù)處理，注入實(shí)驗(yàn)流體至壓力升高至地層最小主應(yīng)力的80%，并維持18 h。然后采用低排量注入的方式進(jìn)行擴(kuò)容，直至巖心開裂破壞，記錄實(shí)驗(yàn)流量、壓力曲線。巖石試樣開裂時(shí)，測得實(shí)際擴(kuò)容壓力Pb=17.8 MPa，遠(yuǎn)小于理論起裂壓力。對(duì)實(shí)驗(yàn)后的巖心試樣進(jìn)行CT掃描，對(duì)比實(shí)驗(yàn)前后試樣內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的變化，以驗(yàn)證水力擴(kuò)容的效果。實(shí)驗(yàn)壓力曲線與CT掃描結(jié)果見圖9。

圖9 長時(shí)間預(yù)處理+小排量擴(kuò)容液體壓力曲線(上)與實(shí)驗(yàn)后巖心CT照片(下)

通過CT掃描照片可以看出實(shí)驗(yàn)后巖心在近井地帶附近形成復(fù)雜的擴(kuò)容帶，擴(kuò)容帶為大體積的縫網(wǎng)，能大幅度提高擴(kuò)容改造區(qū)的孔隙度和滲透率，滿足擴(kuò)容實(shí)施效果。實(shí)驗(yàn)說明，長時(shí)間預(yù)處理+小排量擴(kuò)容條件下，擴(kuò)容開啟壓力遠(yuǎn)低于地層起裂壓力，并且在近井地帶形成了復(fù)雜擴(kuò)容帶。這種工藝有利于大體積擴(kuò)容區(qū)的形成和發(fā)展，降低施工壓力，增強(qiáng)擴(kuò)容效果。

致密砂巖儲(chǔ)層孔隙度和滲透率均比較小，孔隙壓力傳遞較慢。若不加孔壓預(yù)處理，則注水?dāng)U容過程中近井地帶儲(chǔ)層應(yīng)力比較集中，當(dāng)局部應(yīng)力達(dá)到起裂壓力時(shí)，容易沿著巖心弱面形成單一裂縫。使用長時(shí)間孔壓預(yù)處理時(shí)，流體壓力均勻分布在井周孔隙中，近井地帶儲(chǔ)層一直處于特定孔隙壓力狀態(tài)，此時(shí)孔隙壓力增大會(huì)使儲(chǔ)層平均有效主應(yīng)力減小。結(jié)合圖1結(jié)論可知，平均有效主應(yīng)力的減小能使巖心在較小剪應(yīng)力作用下即達(dá)到屈服位置并產(chǎn)生裂縫，從而達(dá)到大幅度降低擴(kuò)容壓力的效果。經(jīng)過預(yù)處理后的巖心近井地帶處于均勻應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，再用小排量擴(kuò)容時(shí)易形成均勻復(fù)雜的擴(kuò)容縫網(wǎng)區(qū)。因此，不經(jīng)過孔壓預(yù)處理的擴(kuò)容容易形成單一裂縫，采用長時(shí)間孔壓預(yù)處理+小排量擴(kuò)容的方式實(shí)施擴(kuò)容，有利于大體積擴(kuò)容區(qū)的形成和發(fā)展。

4 結(jié)論

(1)基于儲(chǔ)層巖心力學(xué)參數(shù)測試數(shù)據(jù)建立孔隙介質(zhì)彈性力學(xué)模型，分析得出目標(biāo)儲(chǔ)層實(shí)施擴(kuò)容的井口最小壓力不低于28 MPa，在擴(kuò)容壓力32 MPa時(shí)，井周能產(chǎn)生有效的擴(kuò)容區(qū)，擴(kuò)容區(qū)在井周沿儲(chǔ)層水平最大主應(yīng)力方向擴(kuò)展。

(2)深層致密砂巖擴(kuò)容實(shí)施過程中，未經(jīng)過孔壓預(yù)處理的擴(kuò)容容易形成單一張裂縫，通過小排量擴(kuò)容前的孔壓預(yù)處理來增加近井地帶的孔壓，能大幅度降低擴(kuò)容所需壓力。通過不同擴(kuò)容實(shí)施工藝條件下的物理模擬實(shí)驗(yàn)效果對(duì)比，長時(shí)間預(yù)處理+小排量擴(kuò)容的工藝條件可以在近井地帶形成大體積的擴(kuò)容區(qū)。