高紅艷，單理軍，劉創(chuàng)新，夏 瑜

（中海石油（中國(guó)）有限公司上海分公司，上海 200335）

致密氣儲(chǔ)層具有低孔隙度、低滲透率和多尺度滲流的特征，致密氣井的產(chǎn)量主要取決于人工改造區(qū)（SRV）裂縫的發(fā)育程度[1]，在人工改造區(qū)中發(fā)育有不同尺度的裂縫，主要包括人工壓裂縫、人工誘導(dǎo)縫以及天然裂縫[2]，在致密氣基質(zhì)中存在著大量沒(méi)有與壓裂縫網(wǎng)連通的人工誘導(dǎo)縫和天然裂縫，這些裂縫對(duì)基質(zhì)的滲透率具有較大的影響。研究裂縫發(fā)育的致密氣儲(chǔ)層應(yīng)力敏感對(duì)致密氣開(kāi)發(fā)具有重要意義。

基質(zhì)和裂縫的應(yīng)力敏感特征對(duì)儲(chǔ)層滲透率的影響較大。在基質(zhì)應(yīng)力敏感研究方面，Kwon 等和Reyes 等[3，4]采用穩(wěn)態(tài)法測(cè)量了Oklahoma 地區(qū)4 塊巖心，結(jié)果顯示應(yīng)力敏感與指數(shù)擬合程度最高，Bustin 等[5]使用脈沖法，通過(guò)改變上覆壓力使有效應(yīng)力變化，測(cè)量結(jié)果表明致密儲(chǔ)層具有強(qiáng)應(yīng)力敏感性。目前學(xué)者們普遍認(rèn)為微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征是影響基質(zhì)儲(chǔ)層應(yīng)力敏感的重要因素[6-11]。與基質(zhì)中的孔隙不同，層理縫對(duì)儲(chǔ)層滲透率影響較大，致密氣儲(chǔ)層中廣泛發(fā)育平行層理和水平層理，層理面為地層中接觸弱面，在應(yīng)力的作用下容易形成人工誘導(dǎo)裂縫，層理致密儲(chǔ)層具有較強(qiáng)的滲透率各向異性[12-18]，目前的研究結(jié)果多為單一考慮基質(zhì)或者裂縫的應(yīng)力敏感性，有必要在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，從微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征角度出發(fā)，對(duì)不同類(lèi)型致密儲(chǔ)層的應(yīng)力敏感性以及相互之間的影響規(guī)律進(jìn)行研究。本文利用某盆地H 組致密儲(chǔ)層氣藏的巖石，選取基質(zhì)、層理和人工造縫巖心，采用數(shù)字巖心技術(shù)，對(duì)巖樣中的微孔隙、微裂縫的形態(tài)特征進(jìn)行描述，針對(duì)不同類(lèi)型巖樣開(kāi)展應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)，利用考慮致密儲(chǔ)層特征的產(chǎn)能方程進(jìn)行模擬計(jì)算，為現(xiàn)場(chǎng)致密儲(chǔ)層氣開(kāi)發(fā)提供理論指導(dǎo)。

1 數(shù)字巖心技術(shù)多重介質(zhì)描述

1.1 樣品與方法

致密儲(chǔ)層樣品采自某盆地H 組地層巖石，巖樣在地層中的埋深為3 700～4 500 m。選取巖樣特征如下：2-5、2-6、1-5 為無(wú)明顯層理特征的黑色致密儲(chǔ)層，1-1、1-2、1-6 為在全直徑巖心上分別沿平行于層理方向鉆取巖樣（見(jiàn)表1）。

表1 巖樣基礎(chǔ)參數(shù)

微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征觀測(cè)實(shí)驗(yàn)采用儀器為FEI Quanta 200F 場(chǎng)發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡，分辨率達(dá)到1.2 nm，放大倍數(shù)25～200 000。本次工作采用氬離子拋光的技術(shù)對(duì)巖樣進(jìn)行預(yù)處理，保留了樣品表面真實(shí)的孔隙形態(tài)，然后對(duì)其進(jìn)行鏡下觀察。本次工作將傳統(tǒng)的巴西劈裂實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，對(duì)致密儲(chǔ)層巖心進(jìn)行了人工造縫[16]，并將壓裂后巖樣利用微米CT 進(jìn)行掃描，采用Xradia MicroXCT-200 掃描儀對(duì)巖心中裂縫的形態(tài)特征進(jìn)行描述，該儀器分辨率最高可達(dá)1 μm。

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

巖樣黏土礦物含量偏高，黏土礦物粒間或者與其他礦物接觸中發(fā)育大量的片狀孔隙和呈鋸齒狀彎曲的微裂縫，孔隙開(kāi)度為幾微米至幾十微米，長(zhǎng)度為幾十到幾百微米，黏土礦物片狀孔隙中可見(jiàn)石英充填，黏土礦物片狀孔隙在某種程度上具有微裂縫的作用（以下研究中將基質(zhì)中片狀孔隙和微裂縫統(tǒng)稱(chēng)為微裂隙）（見(jiàn)圖1（a））。層理為巖石中的弱接觸面，隨著地層壓力的變化極易形成層理縫，與基質(zhì)致密儲(chǔ)層中的微裂隙相比，裂縫開(kāi)度可達(dá)幾百微米，并且連通性更好，層理縫長(zhǎng)度通常延伸至整個(gè)切片表面（見(jiàn)圖1（b））。

圖1 巖樣掃描電鏡圖像

壓裂后巖樣1-5、1-6 的滲透率分別為164.6 mD、2.356 mD，裂縫開(kāi)度分別為1～3 μm、6～10 μm[16]，巖樣滲透率大幅度提高。兩塊巖樣裂縫都貫穿了整塊巖心，1-5 在巖心軸向上發(fā)育有一條橫向連通的裂縫，1-6 巖心的裂縫為3 條平行滲流方向的平直貫穿發(fā)育的正交縫（見(jiàn)圖2），壓裂縫與層理縫的形態(tài)特征更為接近。

圖2 巖樣CT 掃描成像

由于在原始的灰度圖像上每一個(gè)像素點(diǎn)的灰度值代表了該點(diǎn)物質(zhì)對(duì)于X 射線(xiàn)的吸收強(qiáng)度，所以黑色部分為孔隙，在此基礎(chǔ)上對(duì)三維所有數(shù)字切片進(jìn)行閾值分割，從而生成二值化圖像，并利用“最大球法”對(duì)裂縫開(kāi)度分布形態(tài)進(jìn)行描述（見(jiàn)圖3）。

利用數(shù)字巖心技術(shù)對(duì)裂縫開(kāi)度分布特征進(jìn)行描述（見(jiàn)圖4），由圖4 可知，微裂縫的開(kāi)度分布特征與常規(guī)巖樣類(lèi)似，裂縫并非光滑的平板縫，裂縫中存在骨架支撐。開(kāi)度主要分布在1～1 000 μm，曲線(xiàn)主要呈單峰的特征。

2 致密儲(chǔ)層滲透率應(yīng)力敏感

利用柱塞巖樣開(kāi)展?jié)B透率應(yīng)力敏感評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，應(yīng)力敏感測(cè)試實(shí)驗(yàn)在室溫常壓下進(jìn)行，使用氮?dú)庾鳛槟M天然氣的實(shí)驗(yàn)氣體。對(duì)所選巖心，在70 ℃的條件下，在恒溫箱內(nèi)烘干48 h。通過(guò)“脈沖法”測(cè)定了不同有效應(yīng)力條件下致密儲(chǔ)層巖心的滲透率。取圍壓與孔隙壓力的差值作為有效應(yīng)力。實(shí)驗(yàn)設(shè)定孔隙壓力為7 MPa，通過(guò)逐步增加圍壓改變有效應(yīng)力，有效應(yīng)力設(shè)置為4 MPa，7 MPa，14 MPa，21 MPa，27 MPa。巖樣滲透率隨有效應(yīng)力變化的測(cè)量結(jié)果（見(jiàn)圖5）。

在有效應(yīng)力和滲透率數(shù)學(xué)擬合方面，指數(shù)函數(shù)目前被廣泛應(yīng)用，因此選用指數(shù)函數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

式中：σeff－有效應(yīng)力；K0－有效應(yīng)力起點(diǎn)時(shí)的巖石滲透率，mD；K－任意地層壓力條件下的滲透率，mD；b－應(yīng)力敏感常數(shù)，MPa-1。擬合結(jié)果（見(jiàn)表2）。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與指數(shù)函數(shù)擬合程度較好，人造縫和層理巖樣擬合程度相對(duì)較高為92.75%～97.55%以上，基質(zhì)巖樣相對(duì)略低，為87.69%～87.99%。

表2 滲透率應(yīng)力敏感定量表征

與基質(zhì)中的微裂隙相比，人造裂縫兩側(cè)斷面粗糙程度更高，裂縫具有自支撐作用（見(jiàn)圖6），應(yīng)力敏感程度相對(duì)較弱[17-20]。層理縫力學(xué)性質(zhì)接近人工壓裂縫，因此其滲透率應(yīng)力敏感程度位于基質(zhì)和人造縫致密儲(chǔ)層之間，基質(zhì)中存在裂縫時(shí)，并且裂縫段與基質(zhì)段滲透率級(jí)差較大條件下，裂縫的滲透率變化對(duì)巖心的滲透率影響較小[21-25]，考慮到裂縫的自支撐作用，本次研究中基質(zhì)巖樣和層理巖樣中的微裂隙閉合是巖心滲透率下降的主控因素，即致密氣儲(chǔ)層基質(zhì)和裂縫共存條件下，基質(zhì)中微裂隙閉合會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)能下降。

圖6 裂縫自支撐作用[20]

3 實(shí)例分析

3.1 基本假設(shè)與模型建立

對(duì)于人工改造區(qū)致密氣儲(chǔ)層，簡(jiǎn)化的物理模型（見(jiàn)圖7），假設(shè)：人工改造區(qū)儲(chǔ)層為長(zhǎng)方體，并由等體積大小的立方體巖塊組成，立方體的長(zhǎng)、寬、高分別為X、Y、Z?；|(zhì)塊滲透率為K，長(zhǎng)度為x，基質(zhì)塊孔隙壓力為Pe，由于致密儲(chǔ)層基質(zhì)與裂縫具有較大的滲透率級(jí)差，因此認(rèn)為人造縫網(wǎng)中的壓力近似等于井筒壓力，為Pw，同時(shí)假設(shè)氣體黏度為，沿基質(zhì)塊內(nèi)部向外做平面單向流動(dòng)。

圖7 裂縫改造區(qū)示意圖

基質(zhì)塊個(gè)數(shù)n 與面積S 分別為：

人工改造區(qū)基質(zhì)塊滲流總面積為：

由上式得到考慮壓裂縫網(wǎng)和應(yīng)力作用的多尺度產(chǎn)能模型為：

式中：qSC－標(biāo)準(zhǔn)條件下氣井流量，m3/s；K0－滲透率，10-3μm2；h－氣層厚度，m；μ－平均壓力下氣體黏度，mPa·s；ZSC、Z-標(biāo)準(zhǔn)條件下和平均壓力條件下氣體壓縮因子，無(wú)因次；PSC－標(biāo)準(zhǔn)條件下的壓力，MPa；Pe、Pw－邊界壓力和井底壓力，MPa；Le、Lw－控制半徑和采出井半徑，m；TSC、T－標(biāo)準(zhǔn)條件下溫度和地層條件下溫度，K；φ－孔隙度，%；b－應(yīng)力敏感常數(shù)，MPa-1；KB－波爾茲曼常數(shù)；δ－氣體分子的碰撞直徑，nm；b 值大小反映了裂縫在巖心滲流方向上的發(fā)育程度。

3.2 應(yīng)力作用對(duì)產(chǎn)能的影響

選擇H3-1、H6-1 兩口典型實(shí)例井進(jìn)行模擬分析，生產(chǎn)數(shù)據(jù)（見(jiàn)表3）。目標(biāo)區(qū)儲(chǔ)層厚度為80～90.5 m，平均厚度87 m。由上述兩口井的生產(chǎn)實(shí)際分析可知，兩口井的產(chǎn)氣量差異較大，產(chǎn)氣量和井底壓力具有一定的正相關(guān)性。

表3 區(qū)塊試采數(shù)據(jù)

利用本次研究中實(shí)驗(yàn)測(cè)得的不同類(lèi)型巖樣滲透率數(shù)據(jù)作為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際儲(chǔ)層滲透率，滲透率取值分別為：黑色致密儲(chǔ)層0.000 5 mD、含裂縫致密儲(chǔ)層0.005 mD。鑒于選取模擬計(jì)算的氣井H3-1 和H6-1 井的儲(chǔ)層壓裂程度較高，因此選取壓裂液斷塊長(zhǎng)度為10 m。對(duì)于微裂縫不發(fā)育的儲(chǔ)層，氣體產(chǎn)量整體較小，最高氣產(chǎn)量為5×104m3左右，應(yīng)力作用對(duì)H3-1 井的影響較小，產(chǎn)量下降幅度小于5%，H6-1 井氣產(chǎn)量整體較高，最高氣產(chǎn)量為每天25×104m3左右，并且受應(yīng)力作用影響較大，產(chǎn)量最大降幅為39%（見(jiàn)圖8）。

圖8 H3-1 井、H6-1 井日產(chǎn)氣量變化

4 結(jié)論

（1）層理致密儲(chǔ)層中發(fā)育有層理縫，層理縫對(duì)巖心滲透率貢獻(xiàn)較大，并且裂縫特征更接近人造裂縫。應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)中基質(zhì)、層理和人工造縫致密儲(chǔ)層均表現(xiàn)為較強(qiáng)的應(yīng)力敏感，應(yīng)力敏感常數(shù)分別為0.078～0.153 MPa-1、0.112～0.208 MPa-1，0.073～0.079 MPa-1。

（2）片狀孔隙和裂縫是影響裂縫發(fā)育致密儲(chǔ)層滲透率應(yīng)力敏感的重要因素?；|(zhì)中片狀孔隙閉合是導(dǎo)致滲透率下降的主控因素，裂縫不僅可以提高巖心滲透率，而且具有降低應(yīng)力敏感程度的作用，裂縫發(fā)育的儲(chǔ)層中，基質(zhì)部分滲透率應(yīng)力敏感將導(dǎo)致產(chǎn)能下降。

（3）通過(guò)實(shí)例數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，致密氣儲(chǔ)層存在較強(qiáng)應(yīng)力敏感，隨著生產(chǎn)壓差增大產(chǎn)量下降幅度較大，最高為39%，因此致密儲(chǔ)層氣井要合理控制壓差，避免應(yīng)力敏感對(duì)產(chǎn)能的傷害。