陳 璨　楊勝來　馬銓崢　方 勇　王敉邦

(中國石油大學(北京)石油工程教育部重點實驗室， 北京 102249)

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致密油儲層應力敏感性評價研究

陳 璨楊勝來馬銓崢方 勇王敉邦

(中國石油大學(北京)石油工程教育部重點實驗室， 北京 102249)

摘要：針對致密油藏應力敏感性問題，采用非穩(wěn)態(tài)和穩(wěn)態(tài)滲透率測試方法，研究在圍壓一定，流壓逐漸降低的過程中致密巖石氣測滲透率的變化情況。研究結(jié)果表明：在流壓降低的過程中，致密巖石滲透率損失率達到90%，存在強應力敏感性；對于同一巖樣，不同流壓下的非穩(wěn)態(tài)滲透率比穩(wěn)態(tài)滲透率小；有效圍壓小于20 MPa時，滲透率快速下降，當有效圍壓大于20 MPa時，滲透率下降速度逐漸減緩。

關(guān)鍵詞：致密油儲層； 非穩(wěn)態(tài)滲透率； 脈沖衰減法； 滲透率損失率； 應力敏感

致密儲層地下滲透率一般小于0.1×10-3μm2，孔隙度一般小于10%。在實際生產(chǎn)中，隨著油氣不斷被開采，儲層孔隙壓力逐漸降低，巖石骨架的有效應力增大，導致儲層發(fā)生彈塑性壓實變形。當油層產(chǎn)生彈塑性變形或壓實時，油藏的滲透率降低，影響油井產(chǎn)能。

對于低滲透致密儲層，學者通過大量試驗，研究儲層滲透率隨應力的變化關(guān)系，建立了相關(guān)模型，發(fā)現(xiàn)致密低滲透儲層應力敏感性普遍較強。由于試驗中所用巖心物性的差異及所采用研究手段的不同，導致研究結(jié)果存在較大差異[1]，并且研究過程中大都采用穩(wěn)態(tài)法研究應力敏感效應。對于致密儲層，傳統(tǒng)穩(wěn)態(tài)法測試效率低、測試時間長、實驗過程易受環(huán)境溫度影響、流速計量誤差偏大[2-3]。此外，由于流體在致密儲層中很難達到穩(wěn)定流動狀態(tài)，為模擬油層真實條件下的應力敏感效應，應同時采用非穩(wěn)態(tài)法和穩(wěn)態(tài)法測研究致密儲層的應力敏感性。Brace等人于1968年提出了基于非穩(wěn)態(tài)滲流理論的脈沖衰減法滲透率測試技術(shù)[4]，后經(jīng)Jones加以改進，這種非穩(wěn)態(tài)快速測量滲透率的方法可以大大縮短測量時間[5]。測量過程中只需要監(jiān)測壓力而無需流量，實驗系統(tǒng)精度能得到很好的保證。鑒于此，本次研究采用脈沖衰減法對致密巖石的應力敏感進行研究，并與常規(guī)穩(wěn)態(tài)法測量結(jié)果進行對比分析。

1脈沖衰減法測定原理

與常規(guī)穩(wěn)態(tài)法測滲透率原理不同，脈沖衰減法是基于一維非穩(wěn)態(tài)滲流理論，通過測試巖樣一維非穩(wěn)態(tài)滲流過程中孔隙壓力隨時間的衰減數(shù)據(jù)，并結(jié)合相應的數(shù)學模型，通過對滲流方程的精確解答和合適的誤差控制、簡化，從而獲得測試巖樣滲透率的一種方法。

脈沖衰減法滲透率測量系統(tǒng)主要由上游大腔室和小腔室、下游小腔室和大腔室及固定巖樣的巖心夾持器組成，如圖1所示。2個小腔室的容積相等(均為5 cm3)，2個大腔室內(nèi)部容積均為100 cm3，開關(guān)閥門時，閥門內(nèi)均無體積變化。將致密巖樣放入巖心夾持器中并在樣品周圍施加一定圍壓，兩端連接容器，使得實驗裝置中的上游腔室、下游腔室和巖樣孔隙壓力相等且達到平衡狀態(tài)。在整體實驗系統(tǒng)內(nèi)部達到壓力平衡時，一個小的壓力脈沖作用于巖心夾持器上游腔內(nèi)，此時，實驗系統(tǒng)內(nèi)形成一維滲流，隨后，壓力脈沖穿過巖樣并進入下游腔內(nèi)。然后，上游腔內(nèi)的壓力逐漸降低，下游腔內(nèi)的壓力逐漸升高，直到達到新的壓力平衡。

根據(jù)質(zhì)量守恒原理及達西定律，不考慮重力作用時氣體在巖樣一維非穩(wěn)態(tài)滲流的數(shù)學模型[6-7]為：

(1)

圖1　實驗原理圖

脈沖衰減法測試前，首先使儀器腔室和巖樣孔隙壓力均等于0。脈沖衰減開始后，連接巖樣入口和出口的上游和下游腔室壓力將隨脈沖衰減而發(fā)生變化。對應式(1)的初始條件和邊界條件分別為：

p(x,0)=0，0

(2)

p(0,t)=p1(t)，t≥0

(3)

p(L,t)=p2(t)，t≥0

(4)

(5)

p1(0)=p0

(6)

(7)

p2(0)=0

(8)

式中：p(x,t) — 巖樣孔隙壓力，MPa；

cg— 巖樣孔隙流體壓縮系數(shù)，MPa-1；

μg— 氣體黏度，mPa·s；

φ— 致密巖樣孔隙度，%；

K— 致密巖樣滲透率，10-3μm2；

L — 巖樣長度，cm；

t — 脈沖衰減時間，s；

V1 — 儀器上游腔室容積，cm3；

V2 — 下游腔室容積，cm3；

p1 — 上游腔室壓力，MPa；

p2 — 下游腔室壓力，MPa；

p0 — 施加壓力脈沖后的壓力，MPa。

由式(1)并結(jié)合初始條件和邊界條件式(2) — (8)進行理論解析，在誤差可控范圍內(nèi)進行適當簡化，即可獲得計算巖樣脈沖滲透率的數(shù)學模型[5]：

(9)

式中：Kg— 巖樣脈沖滲透率，10-3μm2；

m1— 無量綱壓力的對數(shù)值與時間關(guān)系曲線的斜率；

fz— 氣體壓宿性矯正系數(shù)；

f1— 質(zhì)量流矯正系數(shù)；

A— 巖樣橫截面積，cm2。

2致密巖心應力敏感性實驗

儲層巖石所受到的壓力主要包括上覆地層壓力(外壓)和孔隙流體壓力(內(nèi)壓)。有效壓力即為上覆地層壓力與孔隙流體壓力之差。當儲層巖石所受的有效壓力發(fā)生變化時，巖石就會發(fā)生變形，滲透率和孔隙度會隨之變化，產(chǎn)生應力敏感[8]。實驗室內(nèi)都是通過模擬有效應力的變化來評價儲層巖石的敏感性。在油氣藏實際開發(fā)過程中，隨著生產(chǎn)的進行，巖石的上覆壓力不變，孔隙流體壓力不斷降低。因此，為反映儲層開采過程的真實情況，本次實驗采取定外壓，變內(nèi)壓的方法進行應力敏感性研究。

2.1實驗材料

選擇新疆油田某致密油藏真實巖心(如圖2)，具體物性參數(shù)見表1。

表1　實驗巖樣基本參數(shù)

圖2　實驗用致密巖樣

2.2實驗條件

(1)實驗溫度為室溫。

(2)采用定圍壓，變流壓的方法進行實驗，圍壓設(shè)定為上覆地層壓力30 MPa，流壓分別為25，20，15，10，8，6，4，2 MPa。

(3)實驗用氣體為高純氮(純度大于99.999%)。

2.3實驗方法和步驟

非穩(wěn)態(tài)脈沖衰減滲透率測試在美國Core Lab公司研制的高壓氣測孔隙度滲透率儀的PDP-200脈沖衰減模塊上進行。該系統(tǒng)包括壓力自動控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)。該儀器對傳統(tǒng)脈沖滲透率儀器進行了適當改進，使得脈沖衰減前系統(tǒng)壓力平衡所需的等待時間明顯減小，提高了試驗測試效率，適用于滲透率分布在(0.01~0.10)×10-3μm2的致密巖石。運行該儀器需要高壓氣源和穩(wěn)定的圍壓施加裝置，氣源提供壓力不小于7 MPa。本次試驗中使用氮氣瓶提供高壓氣源。

(1)非穩(wěn)態(tài)測試。試驗前 30 min預熱脈沖滲透率儀，檢查密封性后將巖樣放入夾持器，施加30 MPa 圍壓，然后打開脈沖滲透率儀器相關(guān)閥門，施加一定的孔隙壓力。按照儀器提示等待儀器上游腔室、巖樣孔隙及下游腔室壓力達到熱平衡后，手動降低下游腔室壓力約0.1 MPa 形成初始衰減壓力脈沖，與儀器相連的計算機會自動測試壓力衰減數(shù)據(jù)并計算出脈沖衰減滲透率數(shù)值。在圍壓、外界環(huán)境條件不變的情況下，不斷地降低流壓，測試相應的滲透率值。

(2)穩(wěn)態(tài)法測試。常規(guī)穩(wěn)態(tài)法氣測滲透率首先準確測定巖心孔隙體積。圍壓和流壓由氮氣瓶提供，圍壓模擬地層巖樣所承受的上覆巖石所產(chǎn)生的覆蓋壓力，流壓則模擬油藏流體的壓力，大小由回壓閥控制。在測定時，通過改變流壓來改變凈有效圍壓，待流動穩(wěn)定后測定某壓力點下的滲透率。測定完后再降低流壓改變凈有效圍壓進行下一壓力點測試，實驗參照標準《SYT6385 — 1999覆壓下巖石孔隙度和滲透率測定方法》。

3實驗結(jié)果分析與討論

本次研究采用非穩(wěn)態(tài)法和穩(wěn)態(tài)法在不同流壓下(由大到小)測定6塊致密巖樣的氣測滲透率(見表2)?？梢钥闯霾捎梅欠€(wěn)態(tài)法測試時，6塊巖樣的氣測滲透率損失率最大可達96.50%，最低可達88.17%；而采用穩(wěn)態(tài)法測試時，氣測滲透率損失率最大可達93.28%，最低可達78.71%。不同測試方法結(jié)果顯示，致密巖樣均具有極強的應力敏感性，且非穩(wěn)態(tài)法測得的滲透率損失率大于穩(wěn)態(tài)法測得的滲透率損失率。

表2　壓力敏感性實驗結(jié)果

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)結(jié)果繪制滲透率應力敏感曲線(見圖3)?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著有效圍壓的增大，即流壓的降低，非穩(wěn)態(tài)滲透率和穩(wěn)態(tài)滲透率均呈明顯降低的趨勢，但下降速度逐漸減緩。在生產(chǎn)初期，即在有效圍壓小于20 MPa時，滲透率隨流壓的降低快速下降，壓力敏感性較強；當有效圍壓增加到20 MPa以后，滲透率下降幅度明顯減小，壓力敏感性明顯減弱。因此，在實際生產(chǎn)過程中，應該合理控制生產(chǎn)壓差，盡量減小壓敏效應對開發(fā)過程帶來的影響。

此外，同一塊巖心非穩(wěn)態(tài)滲透率變化曲線與穩(wěn)態(tài)滲透率變化曲線相差較大。在同一有效圍壓下，非穩(wěn)態(tài)滲透率比穩(wěn)態(tài)滲透率大。通過對比可以發(fā)現(xiàn)：有效圍壓較低，即流壓較高時，穩(wěn)態(tài)滲透率比非穩(wěn)態(tài)滲透率大得多；隨著有效圍壓的增加，非穩(wěn)態(tài)滲透率與穩(wěn)態(tài)滲透率差距逐漸減小。這是由于在常規(guī)穩(wěn)態(tài)法滲透率測試過程中，首先給巖樣施加一個較小的圍壓，施加入口壓力后同步緩慢增加圍壓和入口壓力以達到有效圍壓設(shè)定值。而非穩(wěn)態(tài)脈沖衰減滲透率實驗過程中，直接對巖樣增至設(shè)定的圍壓，之后施加孔隙壓力，即脈沖衰減過程中巖樣在實驗初期短時間內(nèi)承受了較高的圍壓作用，其對致密巖石微觀孔隙結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生較為明顯的壓縮變形，包括部分不可恢復的塑性變形。即使后期施加了較高的孔隙壓力，巖樣孔隙結(jié)構(gòu)的塑性變形也無法恢復。由此使得巖樣非穩(wěn)態(tài)脈沖滲透率小于常規(guī)穩(wěn)態(tài)法滲透率。

圖3　不同巖心非穩(wěn)態(tài)法和穩(wěn)態(tài)法壓力敏感實驗曲線

將滲透率損失率[9-10]用k′表示：

(9)

式中：k′ — 滲透率傷害程度，%；

kmax— 最大流壓時的氣測滲透率，10-3μm2；

kmin— 最小流壓下的氣測滲透率，10-3μm2。

6塊巖心的滲透率損失率計算結(jié)果見表3。

表3　不同巖心的滲透率損失率結(jié)果　%

從表3中可以看出，利用非穩(wěn)態(tài)方法測得的滲透率損失率大于用穩(wěn)態(tài)法測得的滲透率損失率，且非穩(wěn)態(tài)法測得的滲透率損失率平均在90%以上，說明致密巖心存在強壓敏效應。造成該現(xiàn)象的原因可能與致密巖石的孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)[11-12]。致密儲層中存在許多扁平或板狀喉道、微細毛管和成巖微裂縫發(fā)育，流壓降低時，可導致微小喉道關(guān)閉，滲透率大為降低。鑒于此致密油儲層不宜采用衰竭方式開采，應及時給地層補充能量。

4結(jié)語

(1)非穩(wěn)態(tài)脈沖衰減法實驗表明，隨著孔隙壓力的降低，致密油儲層的滲透率損失率達到90%以上，遠高于常規(guī)低滲油藏。強應力敏感性是致密油儲層的一個重要特征。

(2)對于致密儲層，非穩(wěn)態(tài)脈沖衰減滲透率損失率大于相同有效圍壓條件下的常規(guī)的穩(wěn)態(tài)法測試結(jié)果。

(3)在開采致密油藏時應盡量使油藏壓力保持相對穩(wěn)定或控制好生產(chǎn)壓差，以最大限度地減輕應力敏感對開發(fā)的不利影響。

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Study on the Stress Sensitivity of Tight Oil Reservoir

CHENCanYANGShenglaiMAQuanzhengFANGYongWANGMibang

(Key Laboratory of Petroleum Engineering of Ministry of Education, China University

of Petroleum (Beijing), Beijing 102249,China)

Abstract:As for the stress sensitivity of tight oil reservoir, the unsteady method to measure permeability change is adopted under the condition of constant confining pressure and decreasing flow pressure. The result indicates that as the flowing pressure decreases, the permeability damage can achieve as high as 90%, showing that tight rock exists tense stress sensitivity. For the same sample, the unsteady permeability is smaller than steady permeability. When the effective confining pressure is less than 20 MPa, the permeability decreases sharply, while the decreasing rate slows down as the effective pressure exceeds 20 MPa.

Key words:tight reservoir; unsteady permeability; pulse decay method; permeability damage; stress sensitivity

文獻標識碼：A

文章編號：1673-1980(2015)03-0047-05

中圖分類號：P618

作者簡介：陳璨(1991 — )，女，山東人，中國石油大學(北京)在讀碩士研究生，研究方向為油藏滲流機理。

基金項目：國家自然科學基金項目“超深層油氣藏巖石物性垂向分布規(guī)律及滲流特征研究”(50874114)

收稿日期：2014-12-10