低滲透儲層原位條件下應力敏感性評價

盛英帥 胡清雄 高輝 師永民,? 黨永潮 邵飛 杜書恒 方媛媛

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低滲透儲層原位條件下應力敏感性評價

盛英帥1胡清雄2高輝2師永民1,?黨永潮3邵飛3杜書恒1方媛媛1

1. 北京大學地球與空間科學學院, 北京 100871; 2. 中國石油天然氣股份有限公司新疆油田分公司采氣一廠, 克拉瑪依 834000; 3. 中國石油天然氣股份有限公司長慶油田分公司第一采油廠, 延安 727501; ? 通信作者, E-mail: sym@vip.163.com

為探討圍壓和孔隙壓力對巖石滲透率的影響及巖石滲透率敏感性評價的新方法, 選取松遼盆地3塊低滲透儲層巖樣, 采用巖石伺服三軸實驗系統, 分別做常規條件和原位條件下的應力敏感性評價, 得到三方面結果。1) 3 塊樣品的滲透率隨圍壓增大而降低, 隨著孔隙壓力的增大而增大。2) 原位條件下, 物性越差的樣品儲層應力敏感性越強。借助掃描電子顯微鏡和恒速壓汞實驗, 解釋了低滲透儲層敏感性差異存在的機理。儲層巖石喉道的大小和形態、黏土含量和類型、礦物膠結程度是決定滲透率敏感性差異的原因。3) 塑性礦物含量和類型是決定滲透率敏感性差異的主要因素, 即云母、黏土等塑性礦物含量越高, 致密巖石儲層滲透率應力敏感性越強。在實際工作中, 評價巖石滲透率敏感性時一般只考慮圍壓單因素的影響, 會對評價結果帶來較大的人為誤差, 而巖樣地層所處的孔隙壓力等條件對滲透率影響不容忽視。為準確地認識低滲透儲層的應力敏感特征, 制定更合理的生產壓差, 建議進行巖樣滲透率敏感性評價時, 恢復地下原位條件。

原位條件; 滲透率; 應力敏感; 微觀結構

石油天然氣開發過程中, 滲透率和孔隙度是評價儲層的兩個重要參數。儲層在地下受到上覆地層壓力、構造應力、孔隙流體壓力的作用, 并處于一個相對平衡的系統中。隨著油氣開發的進行, 巖石骨架承受凈上覆應力增大, 平衡會被打破, 表征巖石滲流能力的滲透率也將改變, 這就是儲層巖石滲透率應力敏感性[1]。

有關圍壓、孔隙壓力、溫度等條件對不同巖石滲透率的影響, 已有大量研究。Ghabezloo 等[2]研究了灰巖在有效應力作用下對滲透率的影響, 并指出孔隙壓力對滲透率的影響大于圍壓。Morrow 等[3]總結出花崗巖的滲透率隨著圍壓、有效應力的增大而滲透率降低的規律, 指出裂縫的存在對巖樣滲透率有較大的影響。Li等[4]提出E-bei的砂巖具有較強的應力敏感性和應力敏感滯后, 認為原因是砂巖為非彈性材料, 卸載后不能較好地恢復原狀。Al-Wardy[5]依據富含黏土礦物的砂巖滲透率對孔隙壓力的敏感性強于對圍壓的敏感性, 定性地解釋了黏土含量和應力對巖石滲透率的影響。賀玉龍等[6]初步提出溫度和有效應力對砂巖滲透率的影響機制, 認為有效應力對砂巖滲透率的影響主要在于有效應力對孔隙和喉道的壓縮作用, 而溫度的影響主要是加劇黏土礦物的分散作用以及砂巖骨架的熱膨脹對喉道的壓縮作用。張海勇等[7]從裂縫介質變形的機制方面定量地分析了裂縫性低滲透儲層的應力敏感特征。Dong 等[8]針對頁巖和砂巖, 分析應力對孔隙度和滲透率的影響, 結果顯示, 頁巖和砂巖的孔隙度敏感性基本上相同, 頁巖的滲透率則比砂巖敏感。肖文聯等[9]對低滲透致密砂巖做應力敏感性評價, 研究了不同圍壓下滲透率隨孔隙流體壓力的變化規律, 結果顯示, 滲透率隨著孔隙流體壓力的降低而減小, 隨著孔隙壓力的增加而增加; 低圍壓下滲透率的變化幅度較大, 高圍壓下變化幅度較小。胡大偉等[10]對多孔紅砂巖進行了三軸壓縮實驗, 結果顯示, 初始壓實階段和彈性變形階段試樣滲透率均勻減小, 塑性變形階段滲透率與軸向變形曲線逐漸趨于水平。劉曉旭等[11]闡述了低滲透儲層應力敏感性產生的機理, 分析了內部因素和外部因素的影響。

綜上所述, 前人的研究主要集中在有效應力對儲層滲透率的影響(有效應力增大, 滲透率減小, 有效應力的改變主要通過圍壓變化來實現)方面, 較少注重孔隙壓力變化對儲層巖石滲透率的作用, 儲層敏感性機理方面的研究較為欠缺, 沒有形成一致的認識。

本研究針對以上問題, 利用三軸孔隙壓力伺服實驗, 分別變化圍壓和孔隙壓力, 測定儲層的滲透率, 并借助掃描電子顯微鏡、X 射線衍射全巖分析、恒速壓汞實驗等手段, 解釋儲層滲透率應力敏感性的機理。本文研究結果可以為油氣不同開發階段應力變化對滲透率的改變提供新認識, 為低滲透油田開發方案的制定提供理論與實驗依據。

1 實驗特征和實驗方法

1.1 實驗裝置和實驗方法原理

儲層巖石的應力敏感性指油氣藏巖石的滲透率等物性參數隨應力條件變化而變化的性質。儲層巖石同時受到上覆壓力和孔隙壓力的共同作用[12], 有效應力指圍壓和孔隙壓力的差值。探討滲透率的應力敏感性, 可以通過改變圍壓或孔壓兩種方法來實現有效應力的變化。變圍壓應力敏感性的實驗研究的理論基礎是建立在 Terzaghi 有效應力[13]基礎之上的:

eff=c?p, (1)

其中,eff為有效應力(MPa),c為圍壓(MPa),p為孔隙壓力(MPa)。

采用穩態法測定巖芯氣體滲透率, 實驗樣品的滲透率用達西定律(Darcy’s Law)[14]計算:

其中,a為氣體滲透率(10?3μm2),o為出口氣體流量(mL/s),a為大氣壓力(MPa),為氣體的黏度(MPa·s),為樣品長度(cm),1為入口壓力(MPa),2為出口壓力(MPa),為樣品橫截面積(cm2)。

有效應力改變會影響儲層巖石的滲透率, 因此滲透率可以表示成有效應力的函數[15]:

=(eff), (3)

其中,為滲透率(μm2),(eff)為有效應力與滲透率之間的函數。

為使巖樣所受應力恢復至地層原位條件, 采用Taw 巖石三軸孔隙壓力伺服實驗系統(圖 1)進行實驗。該系統由圍壓、孔隙壓力和軸向壓力3套獨立的加載部分組成, 可以進行應力?滲流耦合等巖石力學實驗。實驗過程中, 在計算機控制系統的精準控制下, 按照0.02 mm/min的應變速率, 對樣品進行應力加載。巖石在不同圍壓和孔隙壓力下的孔隙滲透實驗, 測量分辨率高達 1/200000。實驗系統的具體參數見表1, 實驗流程見圖2。

儲層的上覆地層壓力是由該深度巖石的骨架和孔隙流體的總質量產生的壓力, 計算公式[16]為

ob= [w+ ( 1 ?)s], (4)

其中,ob為上覆地層壓力(MPa),為孔隙度(%),w為地層水密度(g/cm3),s為巖石骨架密度(g/cm3),為重力常數(N/kg),為潛水面至油層的深度(km)。

表1 實驗儀器參數

說明: FS表示滿量程(full scale)。

儲層巖石的孔隙壓力w(MPa)是由巖石孔隙流體質量所產生的壓力, 計算公式[16]為

w=w。 (5)

1.2 實驗樣品

實驗樣品選自松遼盆地南部扶余油層的3類不同儲層。實驗前對巖樣進行預處理, 主要包括巖樣的洗油和烘干。洗油用酒精和苯的混合物, 烘干溫度控制在 45oC, 連續烘干 36 小時。巖樣具體的信息如表2所示。

表2 實驗樣品信息

說明: 密度是巖樣洗油烘干后測算。

根據式(3)和(4), 儲層上覆地層壓力主要根據埋藏深度、孔隙度、巖石骨架密度以及地層水密度來確定。采樣區的巖石骨架密度平均為2.65 g/cm3, 設計編號為1, 2和3的實驗樣品所處的圍壓分別為28, 30 和 30 MPa, 孔隙壓力分別為 18, 20 和 20 MPa。

2 原位條件下敏感性評價

利用三軸巖石力學系統, 分別在常規條件下(不施加孔隙壓力, 只逐步施加和卸載圍壓)和地層原位條件下對樣品進行應力敏感性評價。

常規條件下, 保持巖樣所受的孔隙壓力為 0 MPa不變, 圍壓從 2 MPa 持續加載到 40 MPa (步長 2 MPa), 隨后卸載圍壓(步長 2 MPa)。在每種狀態下測量滲透率(圖3), 可以看出, 不同圍壓下 3 塊樣品的滲透率變化較大, 具有較強的壓敏性。樣品 2 的壓力敏感性強于其他兩塊樣品。圍壓卸載后, 樣品1的滲透率損失小于其他兩塊樣品。

常規條件下, 保持巖樣所受的圍壓為 0 MPa不變, 孔隙壓力從8 MPa持續加載到26 MPa (步長 2 MPa), 在每種狀態下測量滲透率(圖 4)。可以看出, 不同孔壓下 3 塊樣品滲透率變化較大, 具有較強的壓敏性。樣品3滲透率對孔隙壓力的敏感性強于其他兩塊樣品。

原位條件下, 3塊樣品的圍壓分別為28, 30和30 MPa, 孔隙壓力分別為18, 20和20 MPa, 分別變化圍壓和孔隙壓力條件: 1) 圍壓保持原位條件, 孔隙壓力從10 MPa增加到26 MPa (步長2 MP); 2) 孔隙壓力保持原位條件, 圍壓從22 MPa增加到40 MPa (步長2 MPa)。

原位條件下, 通過改變圍壓和孔隙壓力, 儲層樣品滲透率的變化不一致。如圖 5 所示, 隨著圍壓增大, 滲透率減小, 減小幅度比常規條件下大大降低; 但是隨著物性變差, 從樣品 1 至樣品 3 滲透率壓敏性增強。如圖 6 所示, 滲透率隨孔隙壓力增大而增大, 隨著物性變差, 滲透率敏感性增強。

常規條件下滲透率表現出較強的敏感性。有效應力從2 MPa變化到20 MPa時, 樣品2的滲透率變化率約為82.87%。在有效應力從4 MPa變到20 MPa的條件下, 對3塊樣品測算滲透率的敏感性。從表 3 看出: 不施加孔隙壓力, 只改變圍壓, 滲透率應力敏感性最強, 樣品1, 2和3的滲透率變化率分別為40.95%, 66.42%和62.63%; 不施加圍壓, 只改變孔隙壓力, 滲透率也表現出較強的敏感性, 有效應力從8 MPa變到26 MPa時, 樣品1, 2和3的滲透率的變化率分別為42.15%, 45.81%和52.62%。

如表3所示, 原位條件下, 對3塊巖樣分別通過改變圍壓和孔隙壓力的方式, 將有效應力從 4 MPa變化到20 MPa。結果顯示: 物性最差的樣品3滲透率變化最大, 兩種情況下分別為 57.28%和41.67%; 物性最好的樣品 1 滲透率變化最小, 兩種情況下分別為 10.84%和 11.26%; 樣品 2 滲透率變化居中, 兩種情況下分別為 45.04%和 30.71%。從數據分析看, 隨著物性變差, 滲透率變化率增大, 即滲透率隨應力增大敏感性增強。

表3 不同條件下滲透率的變化率

3 敏感性變化機制研究

低滲透致密儲層巖石發生滲透率應力敏感, 主要是由于應力狀態的改變導致承載骨架顆粒與孔喉結構間的原始狀態發生變化, 使得滲流通道發生變化[17]。低滲透致密儲層巖石滲透率應力敏感在常規條件和原位條件表現異同, 物性變化引起應力敏感的差異。因此, 下面主要從巖石學特征以及孔喉結構和分布特征進行分析。

3.1 巖石學特征

儲層巖石骨架礦物和填隙物具有不同的硬度和力學性質。石英、長石等硬度和脆性強的骨架顆粒在應力改變時可壓縮性小; 云母、黏土等塑性礦物在外力作用下易變形破碎, 細小的顆粒之間發生位移、流動, 進入巖石的孔隙或是堵塞孔隙和喉道, 直接導致樣品的滲透率和孔隙度降低。在只施加圍壓情況下, 剛性礦物和黏土礦物受到壓力時, 礦物之間的孔隙減小, 使得滲透性降低(圖 7(a))。在同時施加圍壓和孔隙壓力情況下, 礦物不僅受到圍壓的作用, 降低滲透性, 也受到孔隙壓力的支撐, 增大滲透率(圖 7(b))。云母、黏土等塑性礦物易在外力的作用下壓縮, 因此塑性礦物含量越高, 滲透率應力敏感性越強。

何江等[18]研究了低滲儲層巖石學特征與應力敏感性的關系, 認為巖石樣品骨架顆粒中柔性巖屑以及填隙物中基質等含量與應力敏感性正相關。因此, 不同的礦物類型和含量對于巖樣滲透率壓敏性有較大影響。利用X射線衍射技術, 對實驗樣品礦物類型和含量進行分析, 結果如表 4 所示。樣品 3的塑性礦物含量達到 28.53%, 樣品 1 的塑性礦物含量約為 14.50%, 樣品 2 的塑性礦物含量居中。孔隙壓力恢復至原位條件下時, 隨著圍壓的增大, 巖樣的滲透率大幅度減小。這主要是因為隨著圍壓的增大, 塑性礦物變形和破碎, 堵塞了大量孔隙和喉道。

表4 樣品礦物含量

3.2 孔喉結構和分布特征

致密巖石的孔隙受壓敏性的影響較小, 喉道大小和形狀是決定巖石應力敏感程度的主要因素。為了直觀地解釋孔喉結構與壓敏性的關系, 借助掃描電子顯微鏡分析樣品的孔喉結構。結果表明: 儲層孔隙以粒間孔為主, 微裂縫主要以粒間縫、粒緣縫和穿粒縫的形式存在, 是孔隙之間的連通通道; 孔隙與微裂縫內部充填巖屑、黏土礦物和有機質等填隙物, 充填于喉道中的黏土礦物是導致滲透性降低的重要因素, 滲透性越好的樣品黏土礦物含量越少(圖8)。

采用恒速壓汞的實驗手段, 分析孔喉大小的分布。如 圖 9 所示, 3 塊樣品的喉道分布有較大差異。物性較好的儲層(樣品 1 和樣品 2)對滲透率有貢獻的喉道半徑為 1~8 μm, 而物性差的樣品 3 巖性致密, 孔喉數量少, 喉道半徑主要分布在 1~3 μm范圍。在原位條件下, 物性差的樣品 3 滲透率的壓敏性最強。實際上, 低滲透巖石受到應力影響后, 巖石滲流孔道變小, 由于壓力梯度等因素的影響, 最小的滲流孔道最先喪失滲流能力, 且隨著有效應力不斷增大, 越來越多的小孔道喪失滲流功能[19]。物性差的儲層樣品主要分布小半徑喉道, 且數量少, 隨著有效應力增大, 小孔隙和喉道逐漸失去滲流能力, 滲透率減小。喉道分布不均一、孔喉半徑較大的樣品, 孔隙和喉道逐漸被壓縮, 滲透率降低。當有效應力繼續增大時, 發生礦物位移和壓縮, 巖石總體壓縮性降低, 滲透率降低的幅度大大減小。因此, 在原位條件下改變有效應力, 巖性越致密的儲層滲透率敏感性越強。

4 結論

1) 本研究對致密儲層應力敏感性進行實驗測定, 常規條件和原位條件下的結果相差較大大。常規條件下, 致密儲層表現出中強應力敏感性; 恢復至原位條件下, 即使隨著圍壓的增大, 由于孔隙壓力支撐孔隙和喉道不閉合, 致密儲層表現出中弱應力敏感性。

2) 云母、黏土等塑性礦物含量越高, 致密巖石儲層滲透率應力敏感性越強。

3) 致密儲層喉道半徑的大小和數量是決定巖石應力敏感性的重要因素。

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Evaluation on Stress Sensibility of Low ReservoirConditions

SHENG Yingshuai1, HU Qingxiong2, GAO Hui2, SHI Yongmin1,?, DANG Yongchao3, SHAO Fei3, DU Shuheng1, FANG Yuanyuan1

1. School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871; 2. The First Gas Production Plant, Xinjiang Oilfield Company, PetroChina, Kelamayi 834000; 3. The First Oil Production Plant, Changqing Oilfield Company, PetroChina, Yan’an 727501; ? Corresponding author, E-mail: sym@vip.163.com

In order to study the effect of confining press and pore press on permeability, the new method of evaluation on stress sensibility is proposed. Three pieces of low permeable reservoir rock samples in Songliao Basin are selected. A servo-controlled triaxial rock mechanics test system is employed to investigate the permeability of sandstone samples under conventional conditions andconditions. The results show that: 1) The permeability of three pieces of samples reduce with confining press increasing and pore press reducing. 2) The denser the rock is, the stronger stress sensitivity is,conditions, which explains the mechanism of low permeability reservoir sensitivity differences by means of X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), constant speed mercury injection experiment. What’s more, throat size and shape, plastic mineral content and type contribute to the differences of permeability sensitivity. 3) Mineral content and type of plastic are the major factor of the sensitivity of permeability differences. The stress sensitivity of tight reservoir permeability rock becomes strong with the increasement of mica, clay and other plastic mineral content. In the practical work, evaluation on stress sensitivity of permeability, the effect of confining pressure single factor is mostly considered, butthe effect pore presss would be ignored, which is bound to bring larger human error. So evaluation on stress sensibilityconditions is essential, which is significant for further understanding of stress sensitivity of low permeability reservoir characteristics and development.

conditions; permeability; stress sensitivity; microscopic structure

10.13209/j.0479-8023.2016.050

TE348

國家科技重大專項(2016zx05013-005)資助

2015-06-09;

2015-09-21;

網絡出版日期: 2016-09-29