張麗華, 王敏,單剛義，潘保芝

1.吉林大學 地球探測科學與技術學院,長春 130026 2.中國石化 東北油氣分公司, 長春 130026

0 引言

火山巖作為特殊的油氣儲層，越來越引起人們的重視，油氣藏已成為中國天然氣勘探和開發(fā)的主要領域之一，目前在松遼、準噶爾、渤海灣等地均發(fā)現(xiàn)有火山巖氣藏[1-2]。在油氣藏的開采過程中，隨著儲層內部流體的產出，儲層孔隙壓力降低，儲層巖石原有的受力平衡狀態(tài)發(fā)生改變。根據(jù)巖石力學理論[3]，從一個應力狀態(tài)變到另一個應力狀態(tài)必然要引起巖石的壓縮或拉伸，即巖石發(fā)生彈性或塑性變形。巖石的變形必然引起巖石孔隙結構和孔隙體積的變化，如孔隙體積的縮小、孔隙喉道和裂縫的閉合等，最終表現(xiàn)為孔隙度、滲透率隨有效應力的增加而降低。國內外很多學者對孔隙度滲透率的壓力敏感性進行了研究。楊正明等[4]對火山巖塞樣和全直徑樣品進行了滲透率隨壓力的變化研究，發(fā)現(xiàn)全直徑巖芯滲透率隨有效壓力的升高而下降的幅度比塞樣大。 楊滿平等[5]對大慶油田升平地區(qū)營城組升深2-1井10塊流紋巖樣品進行實驗的結果表明，流紋巖孔隙度的下降幅度在5%～22%之間，流紋巖的應力敏感性是不明顯的。朱華銀等[6]對大慶油田火山巖的主要儲集巖類(流紋巖、角礫巖、凝灰?guī)r、集塊巖)進行了應力敏感性實驗和巖石力學實驗分析，結果表明：大慶油田火山巖硬度大、抗壓強度高、應力敏感性不強，當有效壓力從5 MPa增大到60 MPa時，孔隙度下降率<5%(相對值)。 白遠等[7]通過建立覆壓物性與常壓物性關系，實現(xiàn)了根據(jù)常壓物性計算覆壓物性。從查閱的文獻來看[4-10]，對火山巖油氣藏的孔隙度和滲透率隨壓力的變化情況研究較多，但是對其校正方法的研究較少。通過鉆井取芯將巖芯重新提升到地面, 由于壓力釋放和彈性膨脹, 孔隙度有所恢復, 因此常壓下測量的巖芯孔隙度大于地層條件下的孔隙度。目前, 測井計算孔隙度都是基于巖芯分析的地面孔隙度建立的計算關系式, 由此得到的測井孔隙度實為地面孔隙度，并未考慮孔隙度與滲透率參數(shù)受覆壓影響較大這一問題，因而不能準確地表征火山巖儲層。而儲量計算是要求計算油氣藏孔隙中的含油氣量, 應該使用地層條件下的孔隙度。因此,必須將地面孔隙度校正為地層條件下的孔隙度。此外，巖石覆壓孔隙度和滲透率是在巖樣軸向和徑向施加相同壓力下測定的，是三軸孔隙度[11]。必須將三軸孔隙度轉換為單軸孔隙度，才能用于儲量計算。由于火山巖儲層巖芯覆壓孔隙度滲透率實驗成本高、時間長，不可能對所有巖樣進行覆壓孔隙度滲透率實驗。筆者選取長嶺斷陷龍鳳山地區(qū)有代表性的火山巖樣品進行孔隙度和滲透率隨壓力變化的實驗，然后根據(jù)這些樣品的測量數(shù)據(jù)，找到覆壓孔隙度和滲透率的校正方法。

1 儀器設備和實驗過程

1.1 實驗設備和樣品

實驗儀器是美國CORETEST公司的覆壓條件下孔隙度和滲透率自動測量儀[12](AP608)。測試過程和結果輸出完全自動化，從而實現(xiàn)精確和可重復的測量。Hassler型巖芯夾持器具有快速釋放功能。靜水應力條件范圍為3.5～65.5 MPa。試驗中使用的孔隙壓力由設備程序自動控制。設備的可測量滲透率范圍為(0.001～5 000)×10-3μm2，可測量的有效孔隙度范圍為0.1%～40%。

實驗樣品采自長嶺斷陷。松遼盆地南部斷陷型盆地群是由16個分割獨立的斷陷盆地組成，盆地總面積約5.36×104km2，平面上可劃分為西、中、東3個斷陷帶，長嶺斷陷位于中部斷陷帶，發(fā)育斷、坳兩套地層層系，自下而上發(fā)育下白堊統(tǒng)火石嶺組、沙河子組、營城組、登婁庫組和泉頭組，上白堊統(tǒng)青山口組、姚家組和嫩江組[13-14]。火石嶺組沉積時期處于盆地的初始裂陷階段，巖性為灰色粉砂巖，泥巖與粗砂巖，砂礫巖不等厚互層，局部發(fā)育火山巖，巖性為灰、深灰色安山巖、玄武安山巖及凝灰?guī)r[15-16]。營城組沉積時期處于盆地的斷陷期，早期火山活動發(fā)育大套火山巖，巖性主要為安山巖、玄武巖和凝灰?guī)r[17]。

1.2 實驗過程和結果

打開儀器電源，按照儀器要求設定氮氣出口壓力和氣泵壓力。將加工好的樣品洗油、洗鹽和烘干后，測量巖樣的長度和直徑等，把巖樣裝入巖芯夾持器，孔隙壓力設為1.4 MPa，施加的圍壓分別為3.5、8.3、13.1、17.9、22.8、27.6、32.4、37.2 MPa。然后開始測量不同壓力條件下巖樣的孔隙度?？紫抖鹊膽γ舾行钥梢远x為改變圍壓。采用石油行業(yè)標準SY/T 6385—2016覆壓下巖石孔隙度和滲透率測定方法[18]，φ0是壓力3.5 MPa下的孔隙度值。φi是壓力在3.5、8.3、13.1、17.9、22.8、27.6、32.4、37.2 MPa下的孔隙度值。巖樣的基本信息如表1所示。

表1 巖樣的基本信息

由于巖樣在測量過程中壞掉或由于巖樣的滲透率太低，導致最終只有一個巖樣X13-1_1測到了多個壓力點的滲透率值。安山巖、角礫凝灰?guī)r和凝灰?guī)r的實驗結果如圖1和圖2所示。從圖1和圖2中可以看出，3種巖性的孔隙度都是隨著壓力的增大而減小，但是減小的幅度和趨勢是不同的。在壓力<13.8 MPa時，安山巖和角礫凝灰?guī)r的孔隙度隨著壓力的增大而急劇減小，在壓力>13.8 MPa時，安山巖和角礫凝灰?guī)r孔隙度隨著壓力的增大而減小的趨勢變緩，而凝灰?guī)r的變化趨勢幾乎差不多，一直在減小。在37.2 MPa壓力下，安山巖的平均孔隙度變化為0.62，角礫凝灰?guī)r的平均孔隙度變化為0.43，而凝灰?guī)r的平均孔隙度變化為0.1。

圖1 孔隙度比隨壓力變化關系圖Fig.1 Relationship between porosity ratio and pressure

圖2 滲透率比隨壓力變化關系圖Fig.2 Relationship between permeability ratio and pressure

2 孔隙度和滲透率校正方法

巖石孔隙度和滲透率是在巖樣軸向和徑向施加相同壓力下測定的，即為靜水壓力加壓條件下的測定值。但是，埋藏在地下的巖石單元，由于地層延伸長度遠遠大于其厚度，可以認為巖石只在垂向或單軸方向上發(fā)生形變，橫向變化等于零[19]。 在靜水壓力作用下,巖芯各方向受到相等的壓力作用, 各個方向都會產生變形, 所測得的孔隙度為三軸孔隙度, 必須經過校正才能將其轉化為單向地層壓力條件下的孔隙度。儲層條件下單軸應力與實驗室三軸應力示意圖如圖3所示。

圖3 儲層條件下單軸應力與實驗室三軸應力示意圖[19]Fig.3 Schematic diagram of uniaxial stress and laboratory triaxial stress under reservoir conditions

2.1 校正方法

(1)繪制有效上覆壓力與孔隙度和滲透率的變化系數(shù)曲線

用巖樣在不同壓力下測得的孔隙度值和滲透率值除以巖樣在常壓下測定的孔隙度值和滲透率值，分別得到孔隙度變化系數(shù)(φi/φ0)和滲透率變化系數(shù)(ki/k0)，再以有效上覆壓力為橫坐標，孔隙度變化系數(shù)和滲透率變化系數(shù)為縱坐標，在同一坐標下繪制出相應的變化曲線(圖4)。

1.孔隙度變化系數(shù)曲線；2.滲透率變化系數(shù)曲線。圖4 壓力與孔隙度和滲透率變化系數(shù)曲線關系圖Fig.4 Relationship between pressure and variation coefficient of porosity and permeability

(2)計算單軸向壓力下的孔隙度

在圖4橫坐標上找到所需要的有效上覆壓力值A點，由A點垂直向上交曲線1于B點，B點縱坐標即為靜水壓力下的孔隙度變化系數(shù)φzr，用φzr乘以地面孔隙度φ0得出靜水壓力下的孔隙度φz

利用下式計算出單軸向壓力下的孔隙度φf

φf=φ0-(φ0-φz)*α

(1)

(3)計算單軸向壓力下的滲透率

以單軸向壓力下的孔隙度值φf除以地面孔隙度φ0值得出單軸向孔隙度變化系數(shù)φfr，在縱坐標中找到該點并做平行于橫坐標的線交曲線1于C點，由C點垂直向下交曲線2于D點，交點即為單軸向滲透率變化系數(shù)kfr，用kfr乘以常壓滲透率值k0即為單軸向壓力下的滲透率值。

重復以上步驟可以計算出任意單軸向壓力下的孔隙度和滲透率值。

2.2 校正結果

對長嶺斷陷的68塊火山巖巖樣進行常壓和覆壓條件下孔隙度和滲透率測量， 按照上面的方法對這些測量值進行了校正，得到單軸向壓力下的孔隙度和滲透率，校正效果見圖5和圖6。

圖5 未校正與校正的覆壓孔隙度與常壓孔隙度關系圖Fig.5 Relationship between uncorrected and corrected overburden porosity and atmospheric porosity

圖6 未校正與校正的覆壓滲透率與常壓滲透率關系圖Fig.6 Relationship between uncorrected and corrected overburden permeability and atmospheric permeability

3 結論

(1)火山巖的孔隙度隨著壓力的增大而減小，但不同巖性的樣品，孔隙度隨著壓力的增大而減小的幅度不同。安山巖的減小幅度最小，凝灰?guī)r的減小幅度最大。凝灰?guī)r的孔隙度受壓力的影響最明顯。

(2)地下巖芯取到地面, 由于彈性膨脹和壓力釋放, 巖芯的孔隙度會有所恢復, 地面條件測量得到的孔隙度或是覆壓條件下的三軸孔隙度，用于儲量計算時, 必須進行覆壓校正。