儲層巖石不同圍壓下滲透率試驗研究

儲層巖石不同圍壓下滲透率試驗研究

1低滲透儲層巖石應(yīng)力敏感性的試驗研究在氣田的開采和開發(fā)過程中，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)象被稱為儲存層巖石的滲透應(yīng)力敏感性。有效荷載往往被認為是關(guān)閉壓力和孔腔外壓之間的簡單差異（也稱為內(nèi)壓），這是有效應(yīng)力的傳統(tǒng)概念。針對儲層巖石應(yīng)力敏感性,很多的學者[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17]做了大量的試驗研究工作。試驗研究應(yīng)力敏感的方法主要有兩種:變圍壓試驗和變內(nèi)壓試驗。變圍壓試驗一般都是保持內(nèi)壓接近大氣壓下增加和降低圍壓進行試驗,這是目前最為普遍的應(yīng)力敏感性試驗研究的方法[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16];變內(nèi)壓試驗就是保持圍壓為儲層巖石的上覆巖石壓力降低和增加內(nèi)壓進行的應(yīng)力敏感性試驗,相對變圍壓試驗,實現(xiàn)變內(nèi)壓試驗不容易穩(wěn)定,因此很少見采用變內(nèi)壓試驗研究應(yīng)力敏感性的研究工作。根據(jù)有效應(yīng)力的傳統(tǒng)定義,兩種試驗研究方法的效果是一樣的,即是圍壓和內(nèi)壓對滲透率的影響是一樣的。但在油氣田的開發(fā)與開采的生產(chǎn)過程中,一般圍壓保持不變的,內(nèi)壓隨生產(chǎn)的進行而變化。以此可見,變內(nèi)壓試驗更符合生產(chǎn)實際情況。基于變圍壓試驗,對于低滲儲層巖石的應(yīng)力敏感性的認識主要有兩種觀點:(1)弱應(yīng)力敏感性[7,8,9,10,11,12,13],這一觀點主要是基于本體有效應(yīng)力理論,用變圍壓試驗評價儲層巖石的應(yīng)力敏感性而得到,文獻通過變內(nèi)壓試驗也得到了弱應(yīng)力敏感這一結(jié)論;(2)強應(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,這個觀點是最為普遍的。本文開展了變內(nèi)壓試驗,以研究低滲透致密砂巖應(yīng)力敏感性,與以往試驗研究不同的是文中的變內(nèi)壓試驗是在不同圍壓回路下的變內(nèi)壓試驗。這樣做的目的在于不僅可以確定儲層巖石在不同的圍壓下升降孔隙流體壓力時的應(yīng)力敏感特征,而且可以從巖石變形機制上去認識產(chǎn)生這些應(yīng)力敏感特征的原因。2試驗設(shè)施和試驗2.1試驗流體的確定試驗裝置圖如圖1,主要由3部分組成。第1部分是進口壓力表之前的所有試驗裝置,稱為高壓氣源裝置部分;第2部分是進口壓力和出口壓力之間的所有裝置(包括試驗巖樣),稱為試驗的主體部分;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,主要是實現(xiàn)內(nèi)壓,獲取試驗數(shù)據(jù)。試驗流體采用氮氣。這樣可以避免化學反應(yīng)和毛管壓力效應(yīng)帶來的對滲透率的影響。2.2試驗數(shù)據(jù)處理試驗巖樣長度和直徑分別為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。通過鑄體薄片的分析可以發(fā)現(xiàn),巖樣存在微裂縫(見圖2)。試驗中包含了4個回路,每個回路都是在圍壓不變降低和增加內(nèi)壓下完成的(見圖3)。圖中右下角沒有試驗點是因為內(nèi)壓不能超過圍壓。設(shè)計中最高圍壓為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;圍壓的變化點為44、34、24和14MPa,內(nèi)壓的變化步長為3MPa。試驗數(shù)據(jù)點的采集采用穩(wěn)態(tài)法,也就是每個測點在獲取試驗數(shù)據(jù)時,回壓和進出口壓力要保持不變,氣體流量要保持穩(wěn)定。對于每個測試點,當達到穩(wěn)定時,記錄一定體積所用的時間(這個時間在相等體積下重復測定5次,取平均值作為這一體積所用的時間),然后用體積除以對應(yīng)的時間得到該點對應(yīng)的體積流量Q,同時記錄下進口壓力p1和出口壓力p2值,然后帶入式(1)中計算得到對應(yīng)點的滲透率k值:式中:k為滲透率(μm2);μ為黏度(mPa·s),可查表得到;L和A分別為試驗巖樣的長度(cm)和截面積(cm2);Pa為大氣壓(MPa);Q為體積流量(cm3/s);p1和p2分別為進出口壓力(MPa),進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,在試驗之前對巖樣進行了老化處理。很多學者認為,老化處理是非常重要的,尤其是對于試驗中的低滲致密砂巖。老化處理就是回路加載和卸載圍壓(回路過程中內(nèi)壓幾乎為0),直到巖樣的性質(zhì)達到穩(wěn)定,從而保證試驗結(jié)果的可靠性。3圍壓對滲透率的影響圖4是巖樣SWNO.1的老化處理結(jié)果。從圖中可以看出,經(jīng)過兩個回路后,巖樣的性質(zhì)(滲透率)基本達到穩(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(見表1),圍壓為14MPa時降內(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內(nèi)壓的敏感性降低,當達到試驗的最大圍壓44MPa時,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%,遠小于低圍壓下的滲透率的變化率。試驗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,因為試驗過程中溫度是恒溫,所以這里外因主要考慮巖石的受力。試驗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),試驗巖樣在低圍壓時,微裂縫起著主要的作用,滲透率隨內(nèi)壓的變化變化很大;而當圍壓達到44MPa時,滲透率的變化變得更平穩(wěn)了,這可能是由微裂縫已經(jīng)閉合或者對應(yīng)力的抵抗力變得更強所形成的結(jié)果,也即為微裂縫的閉合或者對應(yīng)力的抵抗力的增強使得巖石孔隙空間更難壓縮,進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,滲透率的變化較復雜。在滲透率變化曲線上出現(xiàn)了一個臺階,這可能是應(yīng)力的變化而導致微裂縫的閉合所形成的。下面結(jié)合Bernabe的模型及其觀點解釋這種現(xiàn)象。壓力的變化可導致滲透率的變化,在圍壓和內(nèi)壓共同作用時,為了表征其對滲透率的影響程度,人們往往引入滲透率有效應(yīng)力系數(shù)nk,該系數(shù)反映的是相對圍壓而言內(nèi)壓對滲透率的影響,其值的一般取值在0~1之間,表達式如下:式中:nk為滲透率有效應(yīng)力系數(shù),無因次;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),可以計算出現(xiàn)臺階前后的有效應(yīng)力系數(shù)(見表2):對于降內(nèi)壓過程,臺階出現(xiàn)前的nk為0.83,臺階出現(xiàn)后的nk為0.43;對于升內(nèi)壓過程,臺階出現(xiàn)前的nk為0.44,臺階出現(xiàn)后的nk為0.75。Bernabe認為,砂巖微裂縫閉合時的滲透率有效應(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,該臺階的出現(xiàn)是由微裂縫的閉合或張開所造成的。同時,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)力對應(yīng)的滲透率大小是一樣的。因此,對于試驗巖樣,凈應(yīng)力不能代替有效應(yīng)力。這也就證明了圍壓和內(nèi)壓對滲透率的影響是不一樣的。(2)根據(jù)巖石的變形機制可以發(fā)現(xiàn),在變內(nèi)壓試驗時,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;而對于變圍壓試驗,巖石骨架受力壓縮,孔隙空間減少,滲透率減小。以上表明,變圍壓試驗和變內(nèi)壓試驗是有區(qū)別的,變內(nèi)壓試驗更符合油氣的實際生產(chǎn)過程。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)合儲層巖石應(yīng)力敏感性評價方法對試驗巖石進行應(yīng)力敏感性評價。當圍壓(上覆巖石壓力)為44MPa,原始地層壓力為24MPa時,其滲透率為2.35×10-6μm2;地層壓力降到14MPa時,對應(yīng)的滲透率值為1.82×10-6μm2,滲透率的變化率為22.6%。根據(jù)儲層巖石應(yīng)力敏感性評價方法得到該儲層砂巖的應(yīng)力敏感性屬于中等應(yīng)力敏感。5利用bernabe方法來評價儲層巖石的滲透率(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;(