姜宇玲,關(guān)富佳,胡海燕

(1.長江大學(xué) 非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430100;2.長江大學(xué) 石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100)

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川東龍馬溪組頁巖應(yīng)力敏感實驗研究

姜宇玲1,2,關(guān)富佳1,胡海燕1

(1.長江大學(xué) 非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430100;2.長江大學(xué) 石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100)

應(yīng)用PDP-200脈沖衰減法滲透率儀對涪陵頁巖氣藏產(chǎn)氣層系龍馬溪組頁巖露頭進(jìn)行滲透率應(yīng)力敏感性評價，采用定圍壓-降內(nèi)壓和定內(nèi)壓-升圍壓的方法對同一塊具有水平層理縫的巖樣進(jìn)行滲透率測試。結(jié)果表明：隨著作用在頁巖上的有效應(yīng)力的增大，頁巖測試滲透率呈指數(shù)規(guī)律遞減,遞減過程按遞減指數(shù)大小分為2段，分別體現(xiàn)了頁巖裂縫滲透率的應(yīng)力敏感性和頁巖基質(zhì)滲透率的應(yīng)力敏感性；同時,定圍壓測試較定內(nèi)壓測試頁巖滲透率不能馬上恢復(fù)，存在一定的滯后效應(yīng)，并且定內(nèi)壓測試時得到的裂縫閉合壓力要比定圍壓測試時有所降低。龍馬溪組頁巖露頭表現(xiàn)出雙重介質(zhì)特征，并且在內(nèi)壓卸載時造成了無法恢復(fù)的滲透率塑性損傷。

龍馬溪組頁巖；雙重介質(zhì)；應(yīng)力敏感性；滲透率傷害

姜宇玲,關(guān)富佳,胡海燕.川東龍馬溪組頁巖應(yīng)力敏感實驗研究[J].西安石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2016，31(6)：80-86.

JIANG Yuling,GUAN Fujia，HU Haiyan.Experimental study on stress sensitivity of Longmaxi Formation shale in eastern Sichuan[J].Journal of Xi'an Shiyou University (Natural Science Edition),2016,31(6):80-86.

引 言

儲層應(yīng)力敏感性最早是針對低滲儲層開采過程中油藏壓力降低而引起的滲透率損害提出的[1-4]。國內(nèi)學(xué)者相繼對致密砂巖、煤層以及火山巖的應(yīng)力敏感性進(jìn)行了實驗研究[4-8]，也有專門針對裂縫問題,應(yīng)用人造裂縫對頁巖裂縫滲透率進(jìn)行的應(yīng)力敏感性研究[9-10]，總的認(rèn)識是頁巖滲透率隨有效應(yīng)力增大而呈指數(shù)式遞減[9-20]。但上述學(xué)者研究成果都未能很好評價具有天然層理縫的頁巖滲透率應(yīng)力敏感性,尤其針對目前已經(jīng)進(jìn)行商業(yè)化開發(fā)的涪陵頁巖氣產(chǎn)層——龍馬溪組的孔-縫雙重介質(zhì)應(yīng)力敏感性未進(jìn)行針對性的系統(tǒng)研究。涪陵頁巖氣藏單井產(chǎn)能較國外同類頁巖氣藏高出很多，與國內(nèi)外同類氣藏地質(zhì)對比[21-22]可知，涪陵龍馬溪組頁巖比較發(fā)育的水平層理縫是氣藏高產(chǎn)的主要地質(zhì)因素，然而壓力衰減下的裂縫滲透率敏感性特征，對該氣藏生產(chǎn)動態(tài)、產(chǎn)能及其遞減規(guī)律正確評價至關(guān)重要。鑒于此，本文利用川東龍馬溪組露頭取樣制作具有水平層理縫的頁巖巖心，運(yùn)用美國巖心公司生產(chǎn)的PDP-200脈沖衰減法滲透率儀對具有雙重介質(zhì)特性的龍馬溪組頁巖巖心進(jìn)行應(yīng)力敏感性評價。

1 頁巖應(yīng)力敏感性實驗

以川東龍馬溪組頁巖露頭為實驗樣品，應(yīng)用美國巖心公司生產(chǎn)的PDP-200脈沖衰減法滲透率儀進(jìn)行頁巖滲透率的應(yīng)力敏感性測試，通過改變儀器內(nèi)壓和圍壓的方式建立有效應(yīng)力，得到不同有效應(yīng)力下的頁巖滲透率變化特征。

1.1 頁巖巖樣雙重介質(zhì)特征描述

實驗用巖樣取自重慶石柱縣龍馬溪組野外露頭，與涪陵頁巖氣藏屬同一儲層，巖石樣品具有明顯水平層理縫，屬于典型的雙重介質(zhì)儲層。因此，在評價應(yīng)力敏感性時裂縫的滲透率與基質(zhì)滲透率隨有效應(yīng)力變化所表現(xiàn)出的特征不同。在選取標(biāo)準(zhǔn)巖樣時要沿水平方向鉆取。同時，由官方發(fā)布的全國石油工程大賽基礎(chǔ)數(shù)據(jù){1}顯示出的頁巖儲層滲透率在(0.132 2～0.499 1)×10-3μm2，而這一參數(shù)也被試氣時的高產(chǎn)所印證。但這與國外巴奈特氣藏[21-22]以及國內(nèi)報道的國內(nèi)頁巖物性相關(guān)文獻(xiàn)[11,21-22]大相徑庭，他們提供的滲透率數(shù)量級基本都在(10-6～1)×10-3μm2，可以認(rèn)為他們測試的滲透率為頁巖基質(zhì)滲透率，而文獻(xiàn)[1]中給出的頁巖滲透率應(yīng)該是考慮了頁巖裂縫的特性。生產(chǎn)實踐表明，對頁巖巖心進(jìn)行雙重介質(zhì)應(yīng)力敏感性評價，對頁巖氣產(chǎn)能正確評價具有實際意義。

1.2 實驗方案

PDP-200的測定圍壓可達(dá)69 MPa，但受限于測試壓力(內(nèi)壓)由增壓泵+高壓儲氣罐提供。為了安全考慮，設(shè)置內(nèi)壓上限為25 MPa，采用定圍壓、逐漸降低內(nèi)壓以及定內(nèi)壓逐步加圍壓的測試方式。取2塊具有層理縫的相似頁巖巖心分別進(jìn)行先定圍壓后定內(nèi)壓測試和先定內(nèi)壓后定圍壓測試，測試不同有效應(yīng)力(圍壓與測試壓力之差)下頁巖滲透率變化特征。為了避免有效應(yīng)力傷害頁巖初始滲透性，在定圍壓測試時，采用逐步加壓方式，即圍壓和內(nèi)壓一同逐步升高，達(dá)到測試圍壓后再逐步降低內(nèi)壓。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 先定圍壓后定內(nèi)壓

2.1.1 定圍壓 調(diào)整巖心夾持器圍壓和測試壓力，設(shè)定圍壓25.50 MPa，設(shè)定內(nèi)壓25.00 MPa，測試1號巖心初始滲透率后，不斷降低測試壓力使有效應(yīng)力增大，測試不同有效應(yīng)力下巖心滲透率。實驗結(jié)果見表1、圖1和圖2，可以看出，測試巖心初始滲透率為0.484 5×10-3μm2，該值與第五屆中國石油工程大賽給出的我國頁巖的物性參數(shù)接近。隨著有效應(yīng)力增大，測試滲透率快速下降，然后趨于穩(wěn)定，頁巖滲透率大體在(10-6～1)×10-3μm2數(shù)量級，與國外巴奈特氣藏以及國內(nèi)報道的相關(guān)文獻(xiàn)測試結(jié)果一致，進(jìn)一步說明了水平層理縫頁巖具有雙重介質(zhì)的特征。

另一方面，滲透率與有效應(yīng)力大致呈指數(shù)關(guān)系變化。鑒于高有效應(yīng)力下頁巖巖心測試滲透率較小，在絕對坐標(biāo)軸上很難看出變化，因此，轉(zhuǎn)換為半對數(shù)坐標(biāo)，如圖2所示，可以明顯看出巖心的滲透率呈線性降低，且滲透率降低呈2段式，在有效應(yīng)力較低時，滲透率降低速度較大，遞減指數(shù)為0.551 0；在有效應(yīng)力較大時，滲透率降低的速度較小，遞減指數(shù)為0.067 8；有效應(yīng)力15.3 MPa左右是滲透率2種變化特征的分界點(diǎn)。具有明顯差異的2段遞減指數(shù)充分體現(xiàn)了具有水平層理縫頁巖的雙重介質(zhì)特性，低有效應(yīng)力下，滲透率的減小表現(xiàn)出裂縫滲透率的特性，高有效應(yīng)力下，滲透率的減小表現(xiàn)出基質(zhì)滲透率的特性。

表1 1號巖心應(yīng)力敏感性測試方案及測試結(jié)果Tab.1 Plan and results of stress sensitivity test of 1# core

圖1 1號巖心定圍壓滲透率變化曲線Fig.1 Permeability curve of 1# core under constant confining pressure

圖2 1號巖心定圍壓半對數(shù)坐標(biāo)滲透率變化曲線Fig.2 Permeability curve of 1# core in the semi logarithmic coordinate system under constant confining pressure

2.1.2 定內(nèi)壓 在定圍壓測試結(jié)束后，將測試壓力調(diào)整到2.00 MPa，將圍壓調(diào)整到2.30 MPa，測試巖心初始滲透率后，不斷升高圍壓使有效應(yīng)力增大，測試不同有效應(yīng)力下頁巖巖心滲透率。實驗結(jié)果見表1、圖3和圖4，可以看出，測試巖心初始滲透率為0.25×10-3μm2，同定圍壓測試結(jié)果相似，隨著有效應(yīng)力增大，測試滲透率快速下降，然后趨于穩(wěn)定，頁巖滲透率大體在(10-6～1)×10-3μm2數(shù)量級。

圖3 1號巖心定內(nèi)壓滲透率變化曲線Fig.3 Permeability curve of 1# core under constant internal pressure

圖4 1號巖心定內(nèi)壓半對數(shù)坐標(biāo)滲透率變化曲線Fig.4 Permeability curve of 1# core in the semi logarithmic coordinate system under constant internal pressure

滲透率與有效應(yīng)力大致呈指數(shù)關(guān)系變化，轉(zhuǎn)換為半對數(shù)坐標(biāo)后，同樣表現(xiàn)出巖心的滲透率與有效應(yīng)力呈線性關(guān)系(圖4)，滲透率降低呈2段式。有效應(yīng)力15.00 MPa左右是滲透率2種變化特征的分界點(diǎn)。由指數(shù)式趨勢線可知，在15.00 MPa左右，滲透率與有效應(yīng)力呈較好的指數(shù)關(guān)系，15.00 MPa前遞減指數(shù)為0.524 2，15.00 MPa后遞減指數(shù)為0.047 9，2段遞減指數(shù)明顯差異，同樣體現(xiàn)了具有水平層理縫頁巖的雙重介質(zhì)特性，但遞減指數(shù)、有效應(yīng)力分界點(diǎn)與定圍壓測試時有所變化。

2.2 先定內(nèi)壓后定圍壓

2.2.1 定內(nèi)壓 選用另一塊相似巖心先進(jìn)行定內(nèi)壓測試，調(diào)整巖心夾持器圍壓和測試壓力，設(shè)定圍壓2.30 MPa，設(shè)定內(nèi)壓2.00 MPa，測試巖心初始滲透率后，不斷增大圍壓使有效應(yīng)力增大，測試不同有效應(yīng)力下頁巖巖心滲透率，具體過程與前一個測試一致。實驗結(jié)果見表2、圖5和圖6，有效應(yīng)力16.20 MPa左右是滲透率2種變化特征的分界點(diǎn)，16.20 MPa前遞減指數(shù)為0.522，16.20 MPa后遞減指數(shù)為0.064。

表2 2號巖心應(yīng)力敏感性測試方案及測試結(jié)果Tab.2 Plan and results of stress sensitivity test of 2# core

圖5 2號巖心定內(nèi)壓滲透率變化曲線Fig.5 Permeability curve of 2# shale core under constant internal pressure

圖6 2號巖心定內(nèi)壓半對數(shù)坐標(biāo)滲透率變化曲線Fig.6 Permeability curve of 2# core in the semi logarithmic coordinate system under constant internal pressure

2.2.2 定圍壓 在定內(nèi)壓測試結(jié)束后，將圍壓保持在25.26 MPa，測試壓力在2.00 MPa時，測得2號巖心滲透率為0.000 078×10-3μm2，然后不斷增大測試壓力，使有效應(yīng)力減小，測試不同有效應(yīng)力下頁巖巖心滲透率。具體過程與前一個測試一致。實驗巖心測試的實驗結(jié)果見表2、圖7和圖8，有效應(yīng)力15.30 MPa左右是滲透率2種變化特征的分界點(diǎn)，15.30 MPa前遞減指數(shù)為0.502，15.30 MPa后遞減指數(shù)為0.053。

圖7 2號巖心定圍壓滲透率變化曲線Fig.7 Permeability curve of 2# core under constant confining pressure

圖8 2號巖心定圍壓半對數(shù)坐標(biāo)滲透率變化曲線Fig.8 Permeability curve of 2# core in the semi logarithmic coordinate system under constant confining pressure

2.2.3 定圍壓測試與定內(nèi)壓測試結(jié)果對比分析 由表1、表2、圖9、圖10、圖11和圖12可以看出，定圍壓測試和定內(nèi)壓測試的結(jié)果有所差異，在先定圍壓后定內(nèi)壓的實驗中定圍壓測試結(jié)果大于定內(nèi)壓測試結(jié)果；在先定內(nèi)壓后定圍壓的實驗中定內(nèi)壓測試結(jié)果大于定圍壓測試結(jié)果，尤其在低有效應(yīng)力階段比較明顯。同時由圖10、圖12可知，低有效應(yīng)力下初始滲透率不同的頁巖樣品，在滲透率遞減規(guī)律上體現(xiàn)出有效應(yīng)力分界點(diǎn)不同。

圖9 1號巖心定圍壓與定內(nèi)壓滲透率對比曲線Fig.9 Comparison of permeability curves of 1# core under constant confining pressure with constant internal pressure

圖10 1號巖心定圍壓與定內(nèi)壓半對數(shù)坐標(biāo)滲透率對比曲線Fig.10 Comparison of permeability curves of 1# core in the semi logarithmic coordinate system under constant confining pressure with constant internal pressure

圖11 2號巖心定內(nèi)壓與定圍壓滲透率對比曲線Fig.11 Comparison of permeability curves of 2# core under constant confining pressure with constant internal pressure

圖12 2號巖心定內(nèi)壓與定圍壓半對數(shù)坐標(biāo)滲透率對比曲線Fig.12 Comparison of permeability curves of 2# core in the semi logarithmic coordinate system under constant confining pressure with constant internal pressure

在定圍壓測試時，是同步將圍壓與測試壓力調(diào)整到初始時刻。此時可認(rèn)為頁巖滲透率不存在應(yīng)力損害，在逐漸降低測試壓力時，有效應(yīng)力開始增大，在未達(dá)到裂縫閉合壓力前頁巖能夠保持彈性變形，此時滲透率變化曲線表現(xiàn)出裂縫滲透率的特性，但隨著有效應(yīng)力增大，尤其是裂縫閉合后，孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，巖石顆粒之間的結(jié)合程度更加緊密，而頁巖的孔喉半徑非常小，納米級的孔隙空間不斷縮小，頁巖本身開始產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性變形，此時裂縫已閉合，表現(xiàn)出基質(zhì)滲透率的特性。

在定內(nèi)壓測試時，是在定圍壓測試基礎(chǔ)上連續(xù)進(jìn)行的，定圍壓測試結(jié)束后卸載圍壓至定內(nèi)壓測試壓力附近，但定圍壓測試時產(chǎn)生的塑性變形卻無法恢復(fù)。因此，定內(nèi)壓測試時頁巖巖心的滲透率會有所降低，測試結(jié)果表現(xiàn)出卸載壓力測試時的滯后現(xiàn)象；另一方面，由于巖樣在定圍壓測試時已經(jīng)造成了塑性傷害，使裂縫重新閉合的壓力必然較原來有所降低，所以，在圖10中表現(xiàn)出了遞減規(guī)律分界點(diǎn)壓力較定圍壓測試時有所下降。

3 結(jié) 論

(1)不論定圍壓還是定內(nèi)壓測試，頁巖滲透率都隨有效應(yīng)力增加呈指數(shù)式減小，同時，頁巖滲透率呈現(xiàn)2段大小不同遞減率的遞減規(guī)律，2段式分界點(diǎn)對應(yīng)的壓力為頁巖水平層理縫的閉合壓力；低有效應(yīng)力下，滲透率遞減率較大，頁巖表現(xiàn)為水平層理裂縫滲透率特性，高有效應(yīng)力下，滲透率遞減率較小，頁巖表現(xiàn)為基質(zhì)滲透率特性。

(2)頁巖樣品的滲透率受測試的有效應(yīng)力和測試次序影響較大，同一塊巖樣，高有效應(yīng)力下測得的初始滲透率要明顯低于低有效應(yīng)力下測得的初始滲透率；同時，頁巖在高有效應(yīng)力下測試后，即使重新降低有效應(yīng)力，頁巖滲透率也無法完全恢復(fù)，表明頁巖巖心在高有效應(yīng)力下造成了無法恢復(fù)的滲透率塑性損傷，同時也表現(xiàn)出了頁巖水平層理縫的閉合壓力在不同測試順序下的結(jié)果也不同。

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責(zé)任編輯：賀元旦

Experimental Study on Stress Sensitivity of Longmaxi Formation Shale in Eastern Sichuan

JIANG Yuling1,2,GUAN Fujia1，HU Haiyan1

(1.Cooperative Innovation Center of Hubei Province for Unconventional Oil and Gas,Yangtze University,Wuhan 430100,Hubei,China;2.College of Petroleum Engineering,Yangtze University,Wuhan 430100,Hubei,China)

The stress sensitivity of the permeability of the shale outcrop samples of Longmaxi formation in eastern Sichuan with horizontal bedding crack was evaluated in order to effectively develop shale gas and correctly evaluate the production capacity of shale gas in China.The permeability of cores was measured using PDP-200 permeability meter,and experimental plans include decreasing inner pressure under constant confining pressure and increasing confining pressure under constant internal pressure.The experimental results show that,the tested permeability of the core exponentially declines,and the descending process is divided into two sections according to the decreasing index,which reflect the stress sensitivity of shale crack permeability and shale matrix permeability separately;compared with constant internal pressure test,there is a permeability hysteresis effect in constant confining pressure test,and the crack closure pressure in constant internal pressure test is less than that in constant confining pressure test.The shale outcrop samples of Longmaxi formation have dual-porosity characteristic,and there is unrecoverable damage of permeability when inner pressure is decreasing.

Longmaxi formation shale;dual media;stress sensitivity;permeability damage

2016-09-15

國家自然科學(xué)基金“川東龍馬溪組頁巖氣成藏機(jī)理及其主控因素”(編號：41472122)；非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心創(chuàng)新基金“基于復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的頁巖氣產(chǎn)能研究”(編號：HBUOG-2014-3)

姜宇玲(1992-)，女，碩士研究生，從事油氣田開發(fā)研究。E-mail：1032710725@qq.com

10.3969/j.issn.1673-064X.2016.06.012

TE319

1673-064X(2016)06-0080-07

A