儲(chǔ)層巖石不同圍壓下滲透率試驗(yàn)研究

儲(chǔ)層巖石不同圍壓下滲透率試驗(yàn)研究

1低滲透儲(chǔ)層巖石應(yīng)力敏感性的試驗(yàn)研究在氣田的開(kāi)采和開(kāi)發(fā)過(guò)程中，滲透率隨著有效荷載的變化而變化。在這種情況下，這種現(xiàn)象被稱為儲(chǔ)存層巖石的滲透應(yīng)力敏感性。有效荷載往往被認(rèn)為是關(guān)閉壓力和孔腔外壓之間的簡(jiǎn)單差異（也稱為內(nèi)壓），這是有效應(yīng)力的傳統(tǒng)概念。針對(duì)儲(chǔ)層巖石應(yīng)力敏感性,很多的學(xué)者[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17]做了大量的試驗(yàn)研究工作。試驗(yàn)研究應(yīng)力敏感的方法主要有兩種:變圍壓試驗(yàn)和變內(nèi)壓試驗(yàn)。變圍壓試驗(yàn)一般都是保持內(nèi)壓接近大氣壓下增加和降低圍壓進(jìn)行試驗(yàn),這是目前最為普遍的應(yīng)力敏感性試驗(yàn)研究的方法[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16];變內(nèi)壓試驗(yàn)就是保持圍壓為儲(chǔ)層巖石的上覆巖石壓力降低和增加內(nèi)壓進(jìn)行的應(yīng)力敏感性試驗(yàn),相對(duì)變圍壓試驗(yàn),實(shí)現(xiàn)變內(nèi)壓試驗(yàn)不容易穩(wěn)定,因此很少見(jiàn)采用變內(nèi)壓試驗(yàn)研究應(yīng)力敏感性的研究工作。根據(jù)有效應(yīng)力的傳統(tǒng)定義,兩種試驗(yàn)研究方法的效果是一樣的,即是圍壓和內(nèi)壓對(duì)滲透率的影響是一樣的。但在油氣田的開(kāi)發(fā)與開(kāi)采的生產(chǎn)過(guò)程中,一般圍壓保持不變的,內(nèi)壓隨生產(chǎn)的進(jìn)行而變化。以此可見(jiàn),變內(nèi)壓試驗(yàn)更符合生產(chǎn)實(shí)際情況?；谧儑鷫涸囼?yàn),對(duì)于低滲儲(chǔ)層巖石的應(yīng)力敏感性的認(rèn)識(shí)主要有兩種觀點(diǎn):(1)弱應(yīng)力敏感性[7,8,9,10,11,12,13],這一觀點(diǎn)主要是基于本體有效應(yīng)力理論,用變圍壓試驗(yàn)評(píng)價(jià)儲(chǔ)層巖石的應(yīng)力敏感性而得到,文獻(xiàn)通過(guò)變內(nèi)壓試驗(yàn)也得到了弱應(yīng)力敏感這一結(jié)論;(2)強(qiáng)應(yīng)力敏感性[1,2,3,14,15,16,17],它是基于傳統(tǒng)的有效應(yīng)力得到的,這個(gè)觀點(diǎn)是最為普遍的。本文開(kāi)展了變內(nèi)壓試驗(yàn),以研究低滲透致密砂巖應(yīng)力敏感性,與以往試驗(yàn)研究不同的是文中的變內(nèi)壓試驗(yàn)是在不同圍壓回路下的變內(nèi)壓試驗(yàn)。這樣做的目的在于不僅可以確定儲(chǔ)層巖石在不同的圍壓下升降孔隙流體壓力時(shí)的應(yīng)力敏感特征,而且可以從巖石變形機(jī)制上去認(rèn)識(shí)產(chǎn)生這些應(yīng)力敏感特征的原因。2試驗(yàn)設(shè)施和試驗(yàn)2.1試驗(yàn)流體的確定試驗(yàn)裝置圖如圖1,主要由3部分組成。第1部分是進(jìn)口壓力表之前的所有試驗(yàn)裝置,稱為高壓氣源裝置部分;第2部分是進(jìn)口壓力和出口壓力之間的所有裝置(包括試驗(yàn)巖樣),稱為試驗(yàn)的主體部分;第3部分為出口壓力表后面的所有裝置,稱為回壓裝置部分,主要是實(shí)現(xiàn)內(nèi)壓,獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)流體采用氮?dú)?。這樣可以避免化學(xué)反應(yīng)和毛管壓力效應(yīng)帶來(lái)的對(duì)滲透率的影響。2.2試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理試驗(yàn)巖樣長(zhǎng)度和直徑分別為4.022和2.529cm,該巖樣是巖屑砂巖,含有約45%的石英,約35%的巖屑,約16%的燧石以及約3%的填隙物等,其孔隙度為2%,滲透率為0.24×10-3μm2,屬于低滲致密砂巖。通過(guò)鑄體薄片的分析可以發(fā)現(xiàn),巖樣存在微裂縫(見(jiàn)圖2)。試驗(yàn)中包含了4個(gè)回路,每個(gè)回路都是在圍壓不變降低和增加內(nèi)壓下完成的(見(jiàn)圖3)。圖中右下角沒(méi)有試驗(yàn)點(diǎn)是因?yàn)閮?nèi)壓不能超過(guò)圍壓。設(shè)計(jì)中最高圍壓為44MPa(地層的上覆巖石壓力),最小值為14MPa;內(nèi)壓的最大值為24MPa(地層的孔隙流體壓力),最小值為6MPa;圍壓的變化點(diǎn)為44、34、24和14MPa,內(nèi)壓的變化步長(zhǎng)為3MPa。試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)的采集采用穩(wěn)態(tài)法,也就是每個(gè)測(cè)點(diǎn)在獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí),回壓和進(jìn)出口壓力要保持不變,氣體流量要保持穩(wěn)定。對(duì)于每個(gè)測(cè)試點(diǎn),當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí),記錄一定體積所用的時(shí)間(這個(gè)時(shí)間在相等體積下重復(fù)測(cè)定5次,取平均值作為這一體積所用的時(shí)間),然后用體積除以對(duì)應(yīng)的時(shí)間得到該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的體積流量Q,同時(shí)記錄下進(jìn)口壓力p1和出口壓力p2值,然后帶入式(1)中計(jì)算得到對(duì)應(yīng)點(diǎn)的滲透率k值:式中:k為滲透率(μm2);μ為黏度(mPa·s),可查表得到;L和A分別為試驗(yàn)巖樣的長(zhǎng)度(cm)和截面積(cm2);Pa為大氣壓(MPa);Q為體積流量(cm3/s);p1和p2分別為進(jìn)出口壓力(MPa),進(jìn)出口壓力和的一半為孔隙流體壓力(內(nèi)壓)。以往研究表明,滲透率的變化與加載路徑有關(guān)。因此,在試驗(yàn)之前對(duì)巖樣進(jìn)行了老化處理。很多學(xué)者認(rèn)為,老化處理是非常重要的,尤其是對(duì)于試驗(yàn)中的低滲致密砂巖。老化處理就是回路加載和卸載圍壓(回路過(guò)程中內(nèi)壓幾乎為0),直到巖樣的性質(zhì)達(dá)到穩(wěn)定,從而保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。3圍壓對(duì)滲透率的影響圖4是巖樣SWNO.1的老化處理結(jié)果。從圖中可以看出,經(jīng)過(guò)兩個(gè)回路后,巖樣的性質(zhì)(滲透率)基本達(dá)到穩(wěn)定。圖5、6分別是不同圍壓下降內(nèi)壓和升內(nèi)壓時(shí)的滲透率與內(nèi)壓的關(guān)系圖。從圖中可以看出,滲透率隨著內(nèi)壓的降低而減小,隨著內(nèi)壓的增加而增加;在低圍壓下,滲透率內(nèi)壓變化的變化幅度較大(見(jiàn)表1),圍壓為14MPa時(shí)降內(nèi)壓和升內(nèi)壓的滲透率的變化率分別為11.55%和10.87%,圍壓為24MPa時(shí)降內(nèi)壓和升內(nèi)壓的滲透率的變換率分別為6.13%和5.06%;隨圍壓的增加滲透率對(duì)內(nèi)壓的敏感性降低,當(dāng)達(dá)到試驗(yàn)的最大圍壓44MPa時(shí),滲透率隨內(nèi)壓的變化變得較平穩(wěn),降內(nèi)壓和升內(nèi)壓的滲透率的變化率分別為1.42%和1.15%,遠(yuǎn)小于低圍壓下的滲透率的變化率。試驗(yàn)中滲透率的變化是內(nèi)因和外因共同作用的結(jié)果。內(nèi)因是由巖石的性質(zhì)決定的,例如孔隙類型,巖石的組成等;外因主要是巖石的受力,所處環(huán)境的溫度等,因?yàn)樵囼?yàn)過(guò)程中溫度是恒溫,所以這里外因主要考慮巖石的受力。試驗(yàn)巖樣屬于低滲致密砂巖,含有微裂縫。微裂縫的存在起著增大滲流的作用,但微裂縫也很容易隨有效應(yīng)力的變化而變化,那么此時(shí)滲透率也就容易隨有效應(yīng)力的變化而變化。從圖5、6中可以發(fā)現(xiàn),試驗(yàn)巖樣在低圍壓時(shí),微裂縫起著主要的作用,滲透率隨內(nèi)壓的變化變化很大;而當(dāng)圍壓達(dá)到44MPa時(shí),滲透率的變化變得更平穩(wěn)了,這可能是由微裂縫已經(jīng)閉合或者對(duì)應(yīng)力的抵抗力變得更強(qiáng)所形成的結(jié)果,也即為微裂縫的閉合或者對(duì)應(yīng)力的抵抗力的增強(qiáng)使得巖石孔隙空間更難壓縮,進(jìn)而使得滲透率很難變化而表現(xiàn)出平穩(wěn)的特征。在圍壓為34MPa時(shí),滲透率的變化較復(fù)雜。在滲透率變化曲線上出現(xiàn)了一個(gè)臺(tái)階,這可能是應(yīng)力的變化而導(dǎo)致微裂縫的閉合所形成的。下面結(jié)合Bernabe的模型及其觀點(diǎn)解釋這種現(xiàn)象。壓力的變化可導(dǎo)致滲透率的變化,在圍壓和內(nèi)壓共同作用時(shí),為了表征其對(duì)滲透率的影響程度,人們往往引入滲透率有效應(yīng)力系數(shù)nk,該系數(shù)反映的是相對(duì)圍壓而言內(nèi)壓對(duì)滲透率的影響,其值的一般取值在0~1之間,表達(dá)式如下:式中:nk為滲透率有效應(yīng)力系數(shù),無(wú)因次;k為滲透率(μm2);Pc和Pp分別為圍壓(MPa)和孔隙流體壓力(MPa)。根據(jù)式(2),可以計(jì)算出現(xiàn)臺(tái)階前后的有效應(yīng)力系數(shù)(見(jiàn)表2):對(duì)于降內(nèi)壓過(guò)程,臺(tái)階出現(xiàn)前的nk為0.83,臺(tái)階出現(xiàn)后的nk為0.43;對(duì)于升內(nèi)壓過(guò)程,臺(tái)階出現(xiàn)前的nk為0.44,臺(tái)階出現(xiàn)后的nk為0.75。Bernabe認(rèn)為,砂巖微裂縫閉合時(shí)的滲透率有效應(yīng)力系數(shù)為0.625,那么在內(nèi)壓較小的一邊有效應(yīng)力系數(shù)小于0.625,而在內(nèi)壓較大的一邊有效應(yīng)力系數(shù)大于0.625。因此,該臺(tái)階的出現(xiàn)是由微裂縫的閉合或張開(kāi)所造成的。同時(shí),可以發(fā)現(xiàn)滲透率較大的變化幅度是由微裂縫的變形所引起的。圖7、8是不同圍壓下滲透率與凈應(yīng)力的關(guān)系圖。從中可以發(fā)現(xiàn):(1)在不同圍壓下,相同的凈應(yīng)力對(duì)應(yīng)的滲透率不一樣。根據(jù)有效應(yīng)力的概念,相同的有效應(yīng)力對(duì)應(yīng)的滲透率大小是一樣的。因此,對(duì)于試驗(yàn)巖樣,凈應(yīng)力不能代替有效應(yīng)力。這也就證明了圍壓和內(nèi)壓對(duì)滲透率的影響是不一樣的。(2)根據(jù)巖石的變形機(jī)制可以發(fā)現(xiàn),在變內(nèi)壓試驗(yàn)時(shí),孔隙流體壓力降低,巖石骨架膨脹,孔隙空間減少,滲透率減小;而對(duì)于變圍壓試驗(yàn),巖石骨架受力壓縮,孔隙空間減少,滲透率減小。以上表明,變圍壓試驗(yàn)和變內(nèi)壓試驗(yàn)是有區(qū)別的,變內(nèi)壓試驗(yàn)更符合油氣的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程。4地層壓力及滲透率根據(jù)圖5中的滲透率與圍壓和內(nèi)壓的關(guān)系結(jié)合儲(chǔ)層巖石應(yīng)力敏感性評(píng)價(jià)方法對(duì)試驗(yàn)巖石進(jìn)行應(yīng)力敏感性評(píng)價(jià)。當(dāng)圍壓(上覆巖石壓力)為44MPa,原始地層壓力為24MPa時(shí),其滲透率為2.35×10-6μm2;地層壓力降到14MPa時(shí),對(duì)應(yīng)的滲透率值為1.82×10-6μm2,滲透率的變化率為22.6%。根據(jù)儲(chǔ)層巖石應(yīng)力敏感性評(píng)價(jià)方法得到該儲(chǔ)層砂巖的應(yīng)力敏感性屬于中等應(yīng)力敏感。5利用bernabe方法來(lái)評(píng)價(jià)儲(chǔ)層巖石的滲透率(1)不同圍壓下滲透率隨內(nèi)壓的變化幅度是不一樣的,在低圍壓下,滲透率隨內(nèi)壓的變化較大,這主要是裂縫閉合引起的;在高圍壓下,由于裂縫閉合滲透率隨內(nèi)壓的變化幅度較小;(