致密儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性與力學(xué)特性關(guān)系實(shí)驗(yàn)研究

袁勝斌，毛 敏，楊 毅，張立剛，李大冬，李 浩，苗振華

(1.中法地質(zhì)渤海服務(wù)有限公司，天津 300457；2.提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室<東北石油大學(xué)>，黑龍江 大慶 163318)

在油氣藏的開采過程中，隨著儲(chǔ)層流體的產(chǎn)出，地層壓力不斷降低，巖石骨架上的應(yīng)力會(huì)逐漸增大，造成儲(chǔ)層巖石發(fā)生彈性或塑性變形，引發(fā)巖石孔隙結(jié)構(gòu)和體積發(fā)生變化，如孔隙體積的縮小、孔隙喉道和裂縫的閉合等，這種變化會(huì)造成滲透率損害，被稱之為儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性，會(huì)影響油氣井的產(chǎn)量[1-4]。致密儲(chǔ)層的應(yīng)力敏感性是近幾年研究的熱點(diǎn)問題，國內(nèi)外很多學(xué)者開展了相關(guān)研究，認(rèn)識(shí)到儲(chǔ)層原始滲透率值、力學(xué)特性、孔隙結(jié)構(gòu)特征、泥質(zhì)含量和含水飽和度等是影響儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性的重要因素[5-8]。但不同學(xué)者對各因素的影響規(guī)律也存在較多爭議，部分學(xué)者認(rèn)為低滲透儲(chǔ)層比中、高滲透儲(chǔ)層有更強(qiáng)的應(yīng)力敏感性，也有學(xué)者認(rèn)為，低滲透儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性較弱[9-10]。本論文開展了致密儲(chǔ)層巖石力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)，煤油、KCl溶液下的應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)，探討了應(yīng)力敏感性和巖石力學(xué)特性關(guān)系，進(jìn)一步揭示了致密儲(chǔ)層的應(yīng)力敏感性機(jī)理。

1 致密儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)特性

巖石樣品取自大慶油田外圍致密儲(chǔ)層，首先開展了鑄體薄片實(shí)驗(yàn)，測定了巖石的孔隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，如圖1所示。

圖1 巖石樣品的微觀結(jié)構(gòu)特征

致密儲(chǔ)層具有砂質(zhì)、粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，顆粒排列較緊密，大小顆粒雜亂分布，泥質(zhì)具重結(jié)晶呈薄膜狀、團(tuán)塊狀，或呈條帶狀分布。碳酸鹽呈團(tuán)塊狀充填孔隙，并見溶蝕交代碎屑顆粒現(xiàn)象。巖石孔隙發(fā)育差，主要為粒內(nèi)溶孔、鑄?？?，偶見粒間溶孔。孔隙零星分布不均，連通性差。

2 致密儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)

參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（SY/T5358-2002)，開展巖芯流動(dòng)實(shí)驗(yàn)，考察致密儲(chǔ)層在不同應(yīng)力條件下，與外來流體接觸后所發(fā)生的各種物理化學(xué)作用對儲(chǔ)層滲透率的影響程度，用滲透率損害率來表示：

式中：D K——巖樣滲透率損害率；

K1——初始應(yīng)力下巖芯的水測滲透率，mD；

K m——某一應(yīng)力水平下巖芯水測滲透率，mD；

DK——巖樣滲透率損害率，%。

流動(dòng)介質(zhì)選擇煤油和8%的KCl水溶液。測試過程，將巖芯進(jìn)行洗油，烘干24h，抽真空飽和流動(dòng)介質(zhì)，將飽和后的巖芯放入三軸巖芯夾持器中，利用智能巖芯流動(dòng)儀，開始注入溶液，注入速度0.01mL/min，圍壓隨著注入壓力的升高而逐步加大，直至出口端流出液體。利用移液管和秒表記錄出口端流出液體的流速，當(dāng)流速穩(wěn)定時(shí)，記錄注入壓力，并計(jì)算出巖芯初始滲透率K1。然后測定有效應(yīng)力13.25MPa下的巖芯滲透率Km。4種巖芯的在不同流動(dòng)介質(zhì)下的滲透率測試結(jié)果， 如表1所示。

表1 不同流動(dòng)介質(zhì)下滲透率損害程度數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)流體的選擇對儲(chǔ)層滲透率測試結(jié)果影響很大，濃度8%的KCl水溶液比煤油對巖石的滲透率傷害更大，煤油測滲透率損害率為弱到中等偏弱，濃度8%的KCl水溶液測滲透率損害率為中等偏弱到中等偏強(qiáng)。

3 致密儲(chǔ)層巖石力學(xué)特性

采用RAW-2000微機(jī)控制電液伺服三軸試驗(yàn)機(jī)，如圖2所示，進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)，巖石樣品經(jīng)過鉆取、切割和打磨幾道工序，制備成直徑25mm的圓柱形件，高徑比分布在2～2.5之間，保證端面平整光滑，加工好的試件，安裝軸向和徑向引伸計(jì)，安裝好的試件，如圖3所示。

圖2 三軸應(yīng)力實(shí)驗(yàn)機(jī)圖

圖3 試件安裝

取芯平均深度為1100m，地層壓力系數(shù)為1.02MPa/100m，上覆巖層壓力梯度2.26MPa/1000m，計(jì)算有效應(yīng)力約為13.25MPa，將該壓力統(tǒng)一設(shè)置為實(shí)驗(yàn)圍壓，然后按300N/s的加載速度增加軸向力，獲得全應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線，并計(jì)算了巖石彈性模量和抗壓強(qiáng)度，如表2所示。

表2 三軸壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 致密儲(chǔ)層滲透率損害與巖石力學(xué)特性的關(guān)系

在研究致密儲(chǔ)層滲透率損害與巖石力學(xué)特性的關(guān)系時(shí)，為了避免流動(dòng)介質(zhì)的影響，選擇煤油測試結(jié)果進(jìn)行分析，致密儲(chǔ)層巖石樣品初始滲透率和滲透率損害率與巖石彈性模量和抗壓強(qiáng)度關(guān)系，如圖4和圖5所示。

圖4 初始滲透率、滲透率損害率與彈性模量的關(guān)系

圖5 初始滲透率、滲透率損害率與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

巖石的抗壓強(qiáng)度和彈性模量越低，儲(chǔ)層原始滲透率越高，有效應(yīng)力作用下變形量越大，滲透率損害值越高，但滲透率損害率越低，表現(xiàn)出的敏感性損害程度就越低。對儲(chǔ)層初始滲透率、滲透率損害率與巖石的彈性模量和抗壓強(qiáng)度關(guān)系進(jìn)行線性、乘冪、對數(shù)函數(shù)和指數(shù)函數(shù)關(guān)系擬合，初始滲透率與彈性模量對數(shù)函數(shù)相關(guān)性最高，與抗壓強(qiáng)度乘冪相關(guān)性最高，R2分別為0.9869和0.9818；滲透率損害率與彈性模量乘冪相關(guān)性最高，與抗壓強(qiáng)度對數(shù)函數(shù)相關(guān)性最高，R2分別為0.9925和0.9834；致密儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性與巖石力學(xué)性質(zhì)關(guān)系密切。

5 結(jié)論

（1）區(qū)域致密油儲(chǔ)層含有粘土礦物，KCl水溶液在一定程度上能夠抑制粘土膨脹，但并不能完全抑制，造成滲透率損害程度遠(yuǎn)高于煤油。

（2）巖石抗壓強(qiáng)度和彈性模量越低，初始滲透率越高，滲透率損害值越高，滲透率損害率越低，表現(xiàn)出的應(yīng)力敏感性越弱。

（3）致密儲(chǔ)層初始滲透率與彈性模量對數(shù)函數(shù)相關(guān)性最高，與抗壓強(qiáng)度乘冪相關(guān)性最高；滲透率損害率與彈性模量乘冪相關(guān)性最高，與抗壓強(qiáng)度對數(shù)函數(shù)相關(guān)性最高。