裂縫對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性及滲流特征影響研究

付蘭清

(中石油大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院，黑龍江 大慶 163712)

裂縫對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性及滲流特征影響研究

付蘭清

(中石油大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院，黑龍江 大慶 163712)

[摘要]裂縫的存在對(duì)致密砂巖油藏滲流特征和開發(fā)效果有較大影響。選取松遼盆地北部致密砂巖巖樣，采用恒定驅(qū)替壓差、恒定凈圍壓2種試驗(yàn)方法評(píng)價(jià)了人工裂縫對(duì)致密砂巖巖心應(yīng)力敏感性影響，通過建立考慮啟動(dòng)壓力梯度的油水相對(duì)滲透率計(jì)算模型，利用非穩(wěn)態(tài)恒壓法測(cè)定得到了致密砂巖儲(chǔ)層巖心造縫前后的油水相對(duì)滲透率曲線，分析評(píng)價(jià)了裂縫對(duì)致密砂巖油藏滲流特征的影響規(guī)律。結(jié)果表明,帶裂縫致密砂巖巖心具有強(qiáng)應(yīng)力敏感性，增大孔隙內(nèi)壓可以促進(jìn)裂縫開啟，降低應(yīng)力敏感性損害程度；裂縫的存在，使致密儲(chǔ)層巖心油水相對(duì)滲透率曲線的共滲區(qū)范圍增大，驅(qū)油效率增加，殘余油飽和度下水相相對(duì)滲透率顯著增大，改善了致密砂巖儲(chǔ)層的整體開發(fā)效果。

[關(guān)鍵詞]致密砂巖；人工裂縫；應(yīng)力敏感；相對(duì)滲透率；驅(qū)油效率

近年來致密油成為繼頁巖氣之后全球非常規(guī)油氣勘探開發(fā)的又一熱點(diǎn)，我國(guó)致密油資源潛力大，地質(zhì)資源量達(dá)200×108t,具備形成規(guī)模儲(chǔ)量和有效開發(fā)的條件[1,2]。由于致密油資源埋藏深、儲(chǔ)層致密、物性極差，一般采用體積壓裂技術(shù)、水平井大規(guī)模多級(jí)壓裂技術(shù)進(jìn)行儲(chǔ)層壓裂改造以實(shí)現(xiàn)其有效動(dòng)用，而裂縫的存在對(duì)儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性與滲流特征有較大影響[3]。目前對(duì)于基質(zhì)巖心的研究比較深入，結(jié)果表明地層壓力下降引起巖石孔隙壓縮、裂縫通道閉合，導(dǎo)致巖石相關(guān)物性參數(shù)發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的變化，并直接造成產(chǎn)能損失，而巖石孔隙結(jié)構(gòu)和孔隙體積的變化又是影響油水滲流特征的一個(gè)重要因素，但對(duì)帶裂縫巖心的滲流特征研究較少[4～6]。基于此，筆者采用恒定驅(qū)替壓差、恒定凈圍壓2種試驗(yàn)方法研究帶裂縫致密巖心的應(yīng)力敏感特征, 并開展考慮擬啟動(dòng)壓力的相對(duì)滲透率曲線測(cè)定試驗(yàn)，研究裂縫對(duì)致密巖心滲流特征的影響。

1試驗(yàn)條件

巖心氣測(cè)孔隙度、滲透率等參數(shù)采用美國(guó)Coretest 公司的AP608孔滲測(cè)試儀測(cè)定。試驗(yàn)在恒溫50℃下進(jìn)行。試驗(yàn)用油是過濾后的透平油與變壓器油配制成的模擬油，50℃條件下黏度為4.50mPa·s。試驗(yàn)用水是人工配制注入水，礦化度6778.0mg/L。選取松遼盆地北部致密砂巖巖心4塊，造縫前巖心的基礎(chǔ)物性參數(shù)如表1所示。普通薄片鑒定資料反映研究區(qū)儲(chǔ)層儲(chǔ)集巖主要以長(zhǎng)石巖屑砂巖為主，顆粒間為點(diǎn)接觸或點(diǎn)-線接觸，壓實(shí)作用中等偏弱。

造縫采用劈縫法，具有成功率高，重現(xiàn)性好，可模擬裂縫開度等優(yōu)點(diǎn)，一般形成平行于巖樣軸向的單條裂縫(圖1)。假設(shè)小直徑巖心斷面的物理模型為單一裂縫面，忽略裂縫傾角的影響。

表1　巖心造縫前基礎(chǔ)物性參數(shù)表

圖1　巖心人工造縫前后對(duì)比

2帶裂縫巖心應(yīng)力敏感性試驗(yàn)

為對(duì)比帶裂縫致密巖心應(yīng)力敏感性隨圍壓與凈圍壓的變化情況，采用2種試驗(yàn)方法測(cè)試巖樣的應(yīng)力敏感特征：一是保持驅(qū)替壓差3MPa不變，圍壓由5、7、10、15、20、25、30MPa依次增加，壓力穩(wěn)定時(shí)間為50min；二是保持凈圍壓(圍壓與驅(qū)替壓差的差值)3MPa不變，按照同樣次序增加圍壓，并同步增加驅(qū)替壓差，依次測(cè)算每個(gè)壓力點(diǎn)對(duì)應(yīng)的滲透率。選取圍壓5MPa下滲透率為滲透率基值，計(jì)算某一圍壓下的滲透率與滲透率基值的比值，得到滲透率保留率(圖2)以衡量滲透率應(yīng)力敏感性的強(qiáng)弱。

圖2　滲透率保留率隨圍壓變化

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[7],計(jì)算應(yīng)力敏感引起的滲透率損害率，并參照該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果如表2所示。由表2可見，4塊巖心滲透率損害程度都為強(qiáng)，其中損害程度最大的是巖心FY-2，滲透率損害率達(dá)到86.30%。

表2　巖心滲透率應(yīng)力敏感性評(píng)價(jià)

如圖2所示，在恒定驅(qū)替壓差條件下，凈圍壓上升的初始階段，滲透率急劇下降，曲線在10MPa處有明顯拐點(diǎn)，拐點(diǎn)處4塊巖心滲透率損害率均超過53%，占增壓過程總降幅66%以上，造縫前氣測(cè)滲透率大于1mD的巖心FY-1、FY-3滲透率損害率分別為53.09%、59.00%，而滲透率小于1mD的巖心FY-2、FY-4滲透率損害率分別為57.53%、69.23%。在凈圍壓超過拐點(diǎn)后，滲透率下降趨于平緩。滲透率損害主要發(fā)生在達(dá)到拐點(diǎn)前較低的應(yīng)力范圍內(nèi)。

在恒定凈圍壓時(shí)，同步增加圍壓與驅(qū)替壓差，滲透率下降相對(duì)穩(wěn)定，曲線無明顯拐點(diǎn)，巖心FY-2滲透率損害率最大為85.37%。4塊巖樣滲透率損害程度處于同一評(píng)價(jià)級(jí)別內(nèi)，在上覆壓力點(diǎn)(約25MPa)，恒定凈圍壓條件下的滲透率損害率均低于恒定驅(qū)替壓差條件的試驗(yàn)結(jié)果。

2種試驗(yàn)方法的巖心應(yīng)力敏感性損害機(jī)制不同。恒定驅(qū)替壓差，裂縫巖心在加載過程中滲透率變化分為2個(gè)階段：①加壓達(dá)到拐點(diǎn)前，發(fā)生巖石本體與骨架顆粒的壓縮變形，受力變形以裂縫閉合和喉道壓縮為主，處于擬塑性變形階段，滲透率大幅下降；②凈應(yīng)力隨著圍壓繼續(xù)增加，巖石骨架不斷被壓實(shí)，圍壓達(dá)到分界壓力(10MPa)后，裂縫巖心從擬塑性形變過渡到彈性形變階段，剩余細(xì)小裂縫閉合的難度逐步增大，剩下難以壓縮的孔隙和細(xì)小喉道，巖石本體與骨架顆粒向孔隙中心移動(dòng)的壓縮形變量較小，滲透率下降較為平緩[8,9]。而恒定凈圍壓，隨著圍壓增加，孔隙中流體受力也逐漸增加，由于裂縫的存在和巖心本體的非均質(zhì)性，巖心裂縫的閉合狀態(tài)和骨架顆粒的壓縮處于動(dòng)態(tài)變化中，裂縫巖心的滲透率下降相對(duì)均勻平緩，表明增大孔隙內(nèi)壓可以在一定程度上抵抗裂縫閉合，降低裂縫巖心的應(yīng)力敏感性。

實(shí)際儲(chǔ)層有效應(yīng)力是儲(chǔ)層上覆壓力與孔隙中流體壓力之差，在采取壓裂等人工造縫措施后，隨著地層壓力下降，近井地帶儲(chǔ)層流體孔隙壓力降低，導(dǎo)致有效應(yīng)力增加，加劇裂縫應(yīng)力敏感性損害程度，致使地層滲流能力下降。因此，致密油開采過程中, 應(yīng)補(bǔ)充地層能量，以減緩地層壓力下降。

3致密砂巖巖心相對(duì)滲透率曲線測(cè)定

巖心相對(duì)滲透率和水驅(qū)油效率的測(cè)定在參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[10]的基礎(chǔ)上，為防止驅(qū)替液沿裂縫竄流，選取凈圍壓5MPa進(jìn)行恒壓驅(qū)替，并對(duì)數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行了修正。由于致密砂巖巖心進(jìn)行驅(qū)替試驗(yàn)時(shí)的滲流速度極低，不能滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中恒速法注水速度的試驗(yàn)條件，故測(cè)量油相啟動(dòng)壓力梯度和相滲曲線時(shí)采取恒壓法驅(qū)替。筆者處理相滲曲線數(shù)據(jù)時(shí)在油相運(yùn)動(dòng)方程中加入擬啟動(dòng)壓力梯度，得到考慮啟動(dòng)壓力梯度的油水相對(duì)滲透率計(jì)算公式，當(dāng)啟動(dòng)壓力梯度為零時(shí)，該式與JBN公式相同，并參照引文中的乘冪函數(shù)擬合方法做數(shù)據(jù)處理[11,12]。由于相對(duì)滲透率曲線的計(jì)算過程用到擬啟動(dòng)壓力梯度，在進(jìn)行致密巖心造縫前后相對(duì)滲透率曲線測(cè)定過程中只測(cè)定擬啟動(dòng)壓力梯度，未采用巖心實(shí)際的最小啟動(dòng)壓力梯度。

巖心FY-2、FY-3造縫前后的相對(duì)滲透率曲線如圖3所示，并將相滲曲線特征參數(shù)列于表3。由圖3可以看出，造縫前基質(zhì)巖心相對(duì)滲透率曲線特征是：①束縛水飽和度及殘余油飽和度高，隨著含水飽和度上升，油相相對(duì)滲透率曲線陡直下降，水相滲透率上升緩慢，曲線貼近橫坐標(biāo)軸，殘余油飽和度下的水相滲透率極低，平均9.21%；②油水兩相共滲區(qū)狹窄，平均18.91%，等滲點(diǎn)低，對(duì)應(yīng)含水飽和度平均為51.94%，等滲點(diǎn)右側(cè)的油相和水相有效滲透率均較低。

與造縫前相比，帶裂縫巖心相對(duì)滲透率曲線的總體特征為：①殘余油飽和度降低，水相滲透率提高，殘余油飽和度下的水相滲透率平均18.12%，造縫后巖心水驅(qū)采出程度提高；②等滲點(diǎn)右移，對(duì)應(yīng)含水飽和度平均為55.54%，油水兩相共滲區(qū)范圍增加，平均23.89%。

圖3　巖心油水相對(duì)滲透率曲線

巖心號(hào)類別出口端含水飽和度/%原始含油飽和度/%驅(qū)油效率/%兩相跨度/%最大水相相對(duì)滲透率/%FY-2造縫前44.1038.1835.0017.728.06造縫后43.0431.6444.4425.3220.41FY-3造縫前38.5341.3832.6920.0910.36造縫后40.9036.6438.0022.4615.83

為驗(yàn)證造縫后巖心滲透率改善效果，得到巖樣FY-2、FY-3水驅(qū)油效率試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。在起始階段，隨著注入孔隙體積倍數(shù)的增加，在造縫前后2塊巖心驅(qū)油效率都迅速上升，當(dāng)注入孔隙體積倍數(shù)平均達(dá)到0.14PV時(shí)的驅(qū)油效率占最終驅(qū)油效率60%以上，而后上升速度逐漸減緩直至不再增加。造縫后2塊巖心水驅(qū)油效率都得到提升，平均提高9.44%，而滲透率較低的巖心FY-2，在造縫后需要注入更多孔隙體積倍數(shù)以達(dá)到最終驅(qū)油效率，表明裂縫的存在可以提高水驅(qū)油效率，而且裂縫巖心達(dá)到最終驅(qū)油效率需要比造縫前注入更多的孔隙體積倍數(shù)。

圖4　巖心水驅(qū)油效率曲線

由此可見，相同恒定圍壓與驅(qū)替壓力作用下，保持孔隙內(nèi)壓有助于裂縫開啟，注入水先進(jìn)入裂縫中驅(qū)油，直至裂縫及兩側(cè)的孔隙介質(zhì)被水充滿后，才滲入滲透性較差的區(qū)域，故裂縫巖心與造縫前相比，表現(xiàn)出驅(qū)油效率上升更快、最終驅(qū)油效率更高的開采特征，但需要水驅(qū)注入孔隙體積的倍數(shù)也更多。

4結(jié)論

1)壓裂后投產(chǎn)初期，隨地層壓力下降有效應(yīng)力增加，裂縫巖心滲透率顯著下降，表現(xiàn)出強(qiáng)應(yīng)力敏感性，而增大孔隙內(nèi)壓可以在一定程度上促進(jìn)裂縫開啟，降低應(yīng)力敏感性影響。

2)人工造縫在一定程度上提高了巖心的滲流能力，相對(duì)滲透率曲線表現(xiàn)出殘余油飽和度降低，水相滲透率提高，兩相共滲區(qū)范圍增加，達(dá)到的最終驅(qū)油效率更高，提高了致密砂巖儲(chǔ)層的整體開發(fā)效果。

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[編輯]黃鸝

[收稿日期]2016-03-22

[作者簡(jiǎn)介]付蘭清(1989-)，男，助理工程師，主要從事油氣田開發(fā)工程方面的研究，fulanqing@petrochina.com.cn。

[中圖分類號(hào)]TE312

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號(hào)]1673-1409(2016)20-0014-05

[引著格式]付蘭清.裂縫對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性及滲流特征影響研究[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版), 2016,13(20):14～18.