用CT掃描技術分析致密砂巖儲層應力敏感性

王巧智， 江 安， 蘇延輝， 張銅耀， 高 波， 齊玉民,2

1中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司 2數巖科技股份有限公司

0 引言

圍繞致密砂巖儲層應力敏感性工作，國內外學者將研究重點集中在影響應力敏感性的內外因以及對油氣藏生產動態的影響[1- 4]。而準確的評價方法是研究應力敏感性的前提，行業標準法作為評價應力敏感性的基本方法，關注的是滲透率等宏觀物性參數變化，缺乏對微觀損害機理的認識。近年來，陸續有少數學者探討了微觀尺度分析應力敏感性的新方法[5- 8]，但這部分學者的研究對象較為單一，通常為基質或者人工裂縫的任一種，而事實上從多尺度傳質學角度來說，基質與人工裂縫是不可割裂的系統，應作為整體研究。此外，他們對滲流空間變化的細節關注不夠，孔隙和裂縫隨有效應力的形態變化缺乏精細化描述。

CT掃描技術具有描述致密砂巖儲層的孔隙結構的能力[9]。本文以臨興致密砂巖為研究對象，巖樣綜合考慮基質與人工裂縫雙因素，開展基于CT掃描儀實時掃描的巖樣加壓—卸壓實驗，多參數多角度分別描述了基質孔隙和人工裂縫的微觀變化行為。

1 實驗樣品與儀器方法

1.1 實驗樣品

選取山西臨興區塊致密砂巖氣藏巖樣。為了獲取清晰的孔隙及裂縫圖像，滿足高分辨率掃描的要求，需鉆取8 mm直徑微型的巖心柱樣品，然后對微型巖心柱進行人工造縫處理，人工裂縫為沿巖樣軸線的單條裂縫，巖樣滲透率45.86 mD，孔隙度12.8%。

1.2 儀器方法

使用Xradia MicroXCT- 100型微米CT掃描儀作為原位加壓卸壓掃描設備。將該巖樣放入8 mm定制巖心夾持器，施加0.1 MPa圍壓。調整CT掃描儀的分辨率至2.40 μm，以獲得適當的圖像精度。

CT掃描得到的初始圖像為灰度圖像(圖1a)，對灰度圖像進行銳化、降噪及分割處理即可獲取三維可視化數字巖心[10](圖1b)。利用Dong[11]提出的最大球算法，對數字巖心的孔隙網絡模型進行精確提取，獲取更為直觀反映實驗樣品孔隙空間的拓撲結構，其中球狀表征孔隙，束狀表征喉道。提取數字巖心信息，利用AVIZO軟件可以計算出巖樣裂縫寬度、裂縫張開體積、基質孔喉數量及基質孔喉半徑等參數信息。用一定空間的體素數與整個體積的體素總數之比表示孔隙度。

圖1 0.1 MPa有效應力條件下巖樣圖像處理過程

應力敏感性評價的具體實驗步驟如下：模擬加壓、卸壓過程，按順序依次測量有效應力2 MPa、5 MPa、7 MPa、9 MPa、12 MPa、15 MPa、12 MPa、9 MPa、7 MPa、5 MPa、2 MPa條件下的巖樣滲透率，并實時CT掃描獲取不同有效應力環境的巖樣形貌；應用應力敏感系數法評價巖樣的滲透率敏感性，如表1所示。

表1 應力敏感系數與敏感程度的關系

2 應力敏感性規律分析

實驗巖樣的應力敏感系數為0.33，滲透率的應力敏感性為中等偏弱。如圖2所示，在加壓、卸壓過程中，CT測算的總孔隙度對于有效應力的響應與氣測滲透率相仿，孔隙結構同樣表現出應力敏感性。為此，將巖樣的孔隙結構分割為人工裂縫和基質孔隙，利用CT掃描技術分析孔隙結構的具體變化。如圖3所示，加壓過程中，人工裂縫與基質的孔隙度降低均主要發生在7 MPa以內，與加壓初始值相比，人工裂縫與基質的孔隙度分別降低了3.8%和2.3%，7 MPa～15 MPa為孔隙度變化的平穩期。在卸壓過程中，孔隙度恢復有限，卸壓終點值與加壓初始值相比，人工裂縫與基質孔隙度分別減小4.2%、2.1%，人工裂縫孔隙度下降幅度更大，人工裂縫對有效應力的敏感程度高于基質孔隙。

圖2 滲透率與總孔隙度隨有效應力變化曲線

圖3 人工裂縫孔隙度與基質孔隙度隨有效應力變化曲線

3 分析討論

上文以孔隙度的方式量化了不同有效應力條件下人工裂縫及基質孔隙兩種孔隙結構的具體變化，那么孔隙度從細微觀角度是如何變化的？本文基于CT掃描圖像(圖4)，并利用AVIZO軟件的統計運算功能，分析巖樣的微觀參數變化。

3.1 人工裂縫空間

如圖4的二維圖像所示，當有效應力增加至7 MPa時，裂縫寬度變小。有效應力繼續增加，裂縫寬度無顯著變化。當有效應力降至初始狀態時，裂縫寬度恢復有限，不能達到初始水平。此外，如圖5的三維可視化裂縫圖像所示，初始狀態下，兩個裂縫面微凸體邊界圍成一個三維不規則體空間，將其定義為裂縫張開體積，此空間作為滲流的主要通道。隨著有效應力的增加，滲流空間逐漸被壓縮，表現為藍色不規則體體形態減小。卸壓后，不規則體體形態小幅度增加，滲流空間恢復有限。結合圖3中人工裂縫孔隙度曲線，該巖樣加壓至15 MPa時孔隙度下降了約4.7%(從8.1%下降到3.4%)，卸壓至0 MPa時，孔隙度恢復到3.9%。

圖4 加—卸壓過程中不同處理方式的數字巖心圖像

為了精細化描述人工裂縫隨有效應力的變化細節，應用AVIZO軟件統計計算了人工裂縫系統的裂縫張開體積、裂縫寬度。如圖5所示，巖樣加壓至7 MPa時，裂縫張開體積、裂縫寬度均發生了明顯下降，其中裂縫張開體積減少約46.7%，裂縫寬度減少約39.8%。有效應力繼續增加至15 MPa時，兩種參數值下降幅度明顯減緩。卸壓后，均恢復不明顯且無法恢復至初始狀態。在加壓和卸壓循環后，裂縫張開體積、裂縫寬度兩種參數終點值比初始值分別降低了51.2%、43.9%。結合實驗結果，從以下兩方面剖析裂縫的微觀變化行為。

圖5 人工裂縫形態表征參數隨有效應力變化曲線

3.1.1 應力敏感性存在拐點壓力

本文實驗樣品的應力敏感性拐點壓力為7 MPa，拐點前裂縫滲流空間的下降幅度遠大于拐點后，拐點壓力的存在與裂縫表面的微凸體形態有關。初始有效應力條件下，兩個裂縫面之間的微凸體輕微接觸，裂縫滲流空間為最大值。隨著有效應力的增加，兩個裂縫面之間的微凸體的嚙合數量增多，即各個微凸體全面接觸，致使裂縫滲流空間急劇減少，有效應力升至拐點時，微凸體已充分接觸，此時的裂縫滲流空間已趨近于穩定。在拐點處繼續增壓，裂縫繼續變形要克服先前已接觸的微凸體產生的巨大阻力，致使閉合愈加困難。卸壓后裂縫滲流空間不能恢復至初始狀態，原因在于微凸體發生永久性塑性變形，甚至會完全破碎產生不可逆轉的形變，導致巖心內部整體裂縫滲流能力減弱，即是裂縫的應力敏感性損害。

3.1.2 裂縫寬度可反映應力敏感性特征

文獻[5]使用可視化縫寬測量系統研究應力敏感性，指出裂縫寬度反映的是巖心端部二維平面的裂縫狀態，無法像滲透率一樣真實反映整個巖心內部流動情況。本文應用CT掃描技術測算到的裂縫寬度不是裂縫的機械視寬度，而是數百張二維切片堆疊計算的平均寬度。在相同有效應力下，CT掃描技術測算的裂縫平均寬度與行業標準法滲透率測試結果計算求得的裂縫寬度值接近(表2)，各有效應力條件下差值不超過14.4%，CT掃描技術測算的裂縫平均寬度可以真實反映巖心內部整體裂縫的有效滲流能力。

表2 CT掃描技術測算裂縫寬度與行業標準法氣測滲透率測算裂縫寬度

3.2 基質孔隙空間

如圖4所示，當有效應力升至7 MPa時，代表孔隙的像素點數量明顯減少。卸壓過程中，對比相同有效應力的前后兩幅圖像，像素點僅存在有限的恢復。此外，從三維基質孔隙圖像可以觀察到，初始狀態下孔隙與喉道連通良好，而加壓后孔隙喉道的數量減少，孔隙喉道的連通性變差。結合圖3中基質孔隙度曲線，該巖樣加壓至15 MPa時孔隙度下降了約2.5%(從5.0%下降到2.5%)，卸壓至0 MPa時，孔隙度恢復到2.9%。

如表3所示，有效應力增至15 MPa，孔隙、喉道的各參數均有所減小，喉道的減小幅度均大于孔隙，說明喉道對于有效應力更為敏感。這一結果符合孔隙與喉道變形理論，即有效應力增大時，喉道先于孔隙被壓縮。究其原因，臨興區塊儲層以粒間孔為主，孔隙呈梯形、多邊形等，有一定的抗壓能力，受有效應力的影響相對不大。而喉道多呈片狀、拱狀結構，喉道表面局部位置有黏土礦物附著搭橋，結構很容易被壓縮，受到有效應力作用極易閉合，導致滲透率大幅度降低。有效應力降至初始狀態時，各參數均未能恢復至初始狀態。這是因為在應力作用下孔隙喉道相繼發生彈塑性變形，尤其是在高有效應力下可引起顆粒破碎或孔隙坍塌，極大降低孔隙連通性，致使滲透率大幅度下降，卸壓后不能恢復至初始狀態。

表3 實驗巖樣基質孔隙參數隨有效應力變化

致密砂巖氣藏潛在應力敏感損害，工藝上應以預防為主。鉆完井過程中，應嚴格控制起下鉆速度以及開關泵的頻率，適當減小鉆井液的稠度，降低因壓力激動引起地應力改變，從而控制近井地帶儲層基質裂縫變形幅度，實現保護儲層和安全鉆井雙贏。在開采過程中，應適當減少開關井次數，采用合理的生產壓差及采氣速率，以控制孔隙壓力下降速度，防止滲流通道閉合，降低應力敏感損害。

4 結論

利用CT掃描實時獲取不同有效應力環境的巖樣形貌，構建不同有效應力下的數字巖心，可實現精細化分析儲層應力敏感性。臨興致密砂巖實驗巖樣的應力敏感損害程度為中等偏弱，滲透率及孔隙結構損害均不可逆。人工裂縫是影響應力敏感性的主要因素，裂縫寬度、裂縫張開體積等參數對有效應力的響應及時準確，可定量化描述裂縫應力敏感特征。基質孔隙是影響應力敏感性的次要因素，孔隙喉道的數量與半徑可以反映基質滲流空間隨有效應力的細節變化，喉道對于有效應力敏感程度高于孔隙。應力敏感影響低滲透致密砂巖儲層滲流特征，在微觀尺度研究應力敏感性是十分必要的。