鄂爾多斯盆三疊系超低滲儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性評(píng)價(jià)

鄂爾多斯盆三疊系超低滲儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性評(píng)價(jià)

關(guān)于低滲和低滲儲(chǔ)存層是否具有很強(qiáng)的應(yīng)力敏感性，有很多討論。許多科學(xué)家認(rèn)為，低滲和低滲巖石的固應(yīng)力性非常敏感。因?yàn)閹r石的低粘質(zhì)和骨含量很高，孔喉嚨規(guī)模?。?lt;1m），巖石壓縮，變形，骨架壓縮，導(dǎo)致空腔內(nèi)半徑減小，并關(guān)閉。也有一部分學(xué)者認(rèn)為,超低滲透儲(chǔ)層屬于致密多孔介質(zhì),膠結(jié)成巖作用明顯,巖石抗壓強(qiáng)度高,壓縮系數(shù)低,因此不存在強(qiáng)應(yīng)力敏感。針對(duì)超低滲砂巖是否存在強(qiáng)應(yīng)力敏感問(wèn)題,筆者采用鄂爾多斯盆地三疊系露頭全直徑巖心和美國(guó)巖心公司生產(chǎn)的全自動(dòng)巖心驅(qū)替系統(tǒng)進(jìn)行了巖心應(yīng)力敏感性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn),并結(jié)合雙重有效應(yīng)力理論對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,研究了超低滲應(yīng)力敏感指數(shù)對(duì)油田產(chǎn)能的影響。1對(duì)壓力敏感的評(píng)估方法1.1u3000效應(yīng)力理論中的本體有效應(yīng)力油氣藏的巖石一般屬于致密介質(zhì),致密介質(zhì)的變形以本體變形為主。筆者采用雙重有效應(yīng)力理論中的本體有效應(yīng)力對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià),本體有效應(yīng)力公式為σpeff=σ-?p(1)σpeff=σ??p(1)式中:σpeff為本體有效應(yīng)力,MPa;σ為上覆巖層壓力,MPa;p為流體壓力,MPa;?為孔隙度,小數(shù)。1.2儲(chǔ)集層巖石物性指標(biāo)ws本文中評(píng)價(jià)巖石的應(yīng)力敏感性中的有效應(yīng)力指的是本體有效應(yīng)力。用本體有效應(yīng)力表示的儲(chǔ)集層應(yīng)力敏感公式為Κ=Κ0e-b(σ-?p)(2)式中:K0為應(yīng)力為零時(shí)的巖石滲透率,10-3μm2;K為任意地層壓力條件下的滲透率,10-3μm2;b為應(yīng)力敏感常數(shù),MPa-1。儲(chǔ)集層巖石的敏感程度用敏感指數(shù)來(lái)衡量,敏感指數(shù)定義為:條件參數(shù)在一定范圍內(nèi)的變化時(shí),巖石物性參數(shù)的損失百分?jǐn)?shù)。滲透率對(duì)地層壓力的敏感指數(shù)為Sp=(Κi-Κ)/Κi(3)式中:Sp為滲透率應(yīng)力敏感指數(shù),小數(shù);Ki為原始地層壓力pi下的滲透率,10-3μm2。經(jīng)推導(dǎo)得Sp可表示為Sp=1-e-b?(pi-p)(4)應(yīng)力敏感指數(shù)統(tǒng)一取為地層壓力下降10MPa時(shí)的數(shù)值,因此式(4)轉(zhuǎn)化為Sp=1-e-10b?(5)2巖石力學(xué)敏感實(shí)驗(yàn)2.1儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性研究主要依據(jù)儲(chǔ)層的應(yīng)力敏感是由于儲(chǔ)層所受的應(yīng)力發(fā)生變化,導(dǎo)致巖石變形,進(jìn)而導(dǎo)致滲透率發(fā)生變化所致。儲(chǔ)層滲透率發(fā)生變化是由于有效應(yīng)力發(fā)生變化的結(jié)果,因此研究?jī)?chǔ)層應(yīng)力敏感性主要是研究滲透率與有效應(yīng)力的關(guān)系。根據(jù)雙重有效應(yīng)力理論可知,在實(shí)驗(yàn)室可以采用改變孔隙壓力和改變圍壓兩種方法改變巖石的有效應(yīng)力。2.2實(shí)驗(yàn)儀器和傳感器滲流實(shí)驗(yàn)裝置是美國(guó)巖心公司提供的AutofloodTM(AFS300TM)驅(qū)替評(píng)價(jià)系統(tǒng)(圖1)。該系統(tǒng)包括壓力自動(dòng)控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)?；貕合到y(tǒng)、圍壓系統(tǒng)是通過(guò)高精度多級(jí)柱塞驅(qū)替泵以恒壓模式控制。注入驅(qū)替系統(tǒng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求可以設(shè)置為恒流速或恒壓驅(qū)替模式。數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)在對(duì)系統(tǒng)各部分壓力自動(dòng)采集的同時(shí)能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)恒流速和恒壓驅(qū)替模式,并完成相應(yīng)數(shù)據(jù)分析。泵流量為0.01μL/min～50mL/min,流速精度±0.3%。流速顯示最小流量為0.01μL/min,恒壓模式下能達(dá)到1.0μL/min。為模擬地層應(yīng)力特征,實(shí)驗(yàn)采用三軸巖心夾持器。夾持器在測(cè)試壓力為103.45MPa條件下測(cè)試4h無(wú)漏跡象,工作壓力為68.97MPa;工作溫度為5～150℃。實(shí)驗(yàn)采用壓力傳感器在30～100℃條件下,測(cè)試精度為±0.02%;在0～50℃條件下,測(cè)試精度為±0.04%,壓力顯示解析度為6.9×10-3MPa。為更精確采集到巖心兩端的壓差,實(shí)驗(yàn)室采用了3個(gè)不同量程的高線性壓差傳感器:(0～5.5×10-2)MPa,(0～8.6×10-1)MPa,(0～2.24)MPa,壓差精度±0.5%,在低壓差條件下使用(0～5.5×10-2)MPa量程壓差傳感器。由于巖心液體飽和度一般為80%～90%,孔隙中存在氣體或氣泡,氣水界面對(duì)滲流影響較大。為保證巖心孔隙中為單相滲流,在實(shí)驗(yàn)室采用了美國(guó)巖心公司生產(chǎn)的BP-100空氣彈簧回壓閥,提高孔隙壓力,使得孔隙殘余的氣體或氣泡溶解在液體中,消除非混相流體界面對(duì)啟動(dòng)壓力梯度測(cè)試的影響?；貕洪y的測(cè)試壓力為103.45MPa,工作壓力為68.97MPa,工作最高溫度為177℃。為了盡量達(dá)到恒壓差驅(qū)替,實(shí)驗(yàn)室采用高精度多級(jí)柱塞驅(qū)替泵控制回壓閥。2.3實(shí)驗(yàn)方法2.3.1巖心滲透率測(cè)定模擬開(kāi)采過(guò)程中由于孔隙壓力下降造成的儲(chǔ)層的應(yīng)力敏感,實(shí)驗(yàn)中圍壓保持37.93MPa不變,通過(guò)精確控制回壓的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)孔隙壓力的變化。實(shí)驗(yàn)步驟如下:①巖心恒溫烘干48h、測(cè)量巖心的長(zhǎng)度、直徑及氣測(cè)滲透率,然后抽空、充分飽和煤油48h并稱重。②將巖心放入巖心夾持器,接通流程,對(duì)儀器初始值調(diào)零,然后同時(shí)加圍壓與回壓,每次壓力增加3.45MPa,防止巖石所受的有效應(yīng)力過(guò)大,造成巖石嚴(yán)重的變形。最終加圍壓至37.93MPa,并保持不變,回壓為33.10MPa。③打開(kāi)裝煤油的中間容器閥門,進(jìn)行煤油單相滲流實(shí)驗(yàn),記錄巖心在不同壓差下的壓差與流量。通過(guò)回歸直線的斜率,計(jì)算該有效應(yīng)力下的液相滲透率;④每次降低回壓3.45MPa,壓差傳感器調(diào)零,并重復(fù)步驟③,直到回壓降至3.45MPa,卸壓、停泵,實(shí)驗(yàn)結(jié)束。2.3.2巖心滲透率測(cè)定實(shí)驗(yàn)中回壓保持3.45MPa不變,通過(guò)控制圍壓的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)有效應(yīng)力的變化。實(shí)驗(yàn)步驟如下:①巖心恒溫烘干48h、測(cè)量巖心的長(zhǎng)度、直徑及氣測(cè)滲透率,然后抽空、充分飽和煤油48h并稱重。②將巖心放入巖心夾持器,接通流程,對(duì)儀器初始值調(diào)零,加圍壓至8.97MPa,每次壓力增加3.45MPa,加回壓至3.45MPa,并保持不變。③打開(kāi)裝煤油的中間容器閥門,進(jìn)行煤油單相滲流實(shí)驗(yàn),記錄巖心在不同壓差下的壓差與流量。通過(guò)回歸直線的斜率,計(jì)算該有效應(yīng)力下的液相滲透率。④逐步升高圍壓并重復(fù)步驟③,直到圍壓升高至37.93MPa,卸壓、停泵,實(shí)驗(yàn)結(jié)束。3結(jié)果與討論3.1儲(chǔ)層開(kāi)發(fā)過(guò)程中,最佳壓力和壓差傳感器實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,為模擬實(shí)際地層條件下有效應(yīng)力特征,通過(guò)調(diào)整回壓控制巖心孔隙壓力,從而改變巖石有效應(yīng)力(圖2)。實(shí)驗(yàn)所用巖心長(zhǎng)度分別為16.82cm和18.81cm,滲透率分別為11.04×10-3μm2和2.57×10-3μm2。滲流曲線表明:隨著孔隙壓力的降低,有效應(yīng)力增加,滲透率逐漸增大,且增加幅度為20%～100%。事實(shí)上根據(jù)雙重有效應(yīng)力理論,儲(chǔ)層開(kāi)發(fā)過(guò)程中,孔隙壓力降低,有效應(yīng)力增加,巖石發(fā)生本體變形,巖石骨架顆粒被壓縮,巖石骨架體積減小,孔隙體積降低,滲透率應(yīng)該降低,很明顯實(shí)驗(yàn)結(jié)果與客觀事實(shí)相違背。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn),壓力傳感器和壓差傳感器在較大壓力變化范圍內(nèi)存在零點(diǎn)漂移問(wèn)題,導(dǎo)致測(cè)量過(guò)程中實(shí)測(cè)的壓差沒(méi)有客觀反映真實(shí)壓差。為避免巖心滲流端面面積小(直徑2.5cm)可能導(dǎo)致的流量測(cè)定不精確,在實(shí)驗(yàn)室采用全直徑超低滲巖心做應(yīng)力敏感性評(píng)價(jià)。在同樣壓差條件下,采用全直徑巖心(直徑10cm),更加容易準(zhǔn)確地測(cè)得體積流量。但在低壓差條件下進(jìn)行單相滲流實(shí)驗(yàn)時(shí),由于體積流量相對(duì)較大,隨著孔隙壓力的增加,微弱的零點(diǎn)漂移問(wèn)題會(huì)使得壓差的實(shí)測(cè)值比真實(shí)值偏大,最終計(jì)算出的滲透率偏小?？紫秹毫υ酱?實(shí)驗(yàn)所用的壓電式壓差傳感器的零點(diǎn)出現(xiàn)正漂移越嚴(yán)重,從而導(dǎo)致圖2所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果:滲透率隨著有效應(yīng)力的增加反而升高。很顯然這樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是不符合邏輯的。3.2考慮儲(chǔ)層巖石滲透率的應(yīng)力性評(píng)價(jià)為了克服壓差傳感器零點(diǎn)漂移帶來(lái)的實(shí)驗(yàn)誤差,在實(shí)驗(yàn)室采用回壓閥穩(wěn)定巖心出口端壓力,通過(guò)改變圍壓的方法改變巖石的有效應(yīng)力,并結(jié)合雙重有效應(yīng)力進(jìn)行巖石應(yīng)力敏感性分析,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1和圖3。滲透率隨著有效應(yīng)力的增加而降低,并分為2個(gè)階段:第1階段滲透率下降快,最大降幅達(dá)到20%左右;當(dāng)有效應(yīng)力達(dá)到25MPa時(shí),滲透率下降變慢,進(jìn)入了第2階段,第2階段最大降幅為5%左右。分析認(rèn)為,巖心中存在微裂縫,微裂縫在低滲、超低滲巖心中對(duì)滲透率的貢獻(xiàn)比較大。在第1階段巖石受壓縮的同時(shí),微裂縫閉合,使得滲透率大幅度下降。第2階段巖石主要發(fā)生壓縮變形,此時(shí)的微裂縫處于閉合狀態(tài),由于低滲、超低滲透巖心比較致密,壓縮系數(shù)比較小,不容易被壓縮,因此滲透率下降比較慢。掃描電鏡實(shí)驗(yàn)顯示,這些縫主要是以粒間縫、粒緣縫、穿?？p的形式存在,是孔隙之間的連接通道。這些縫對(duì)于低滲、超低滲透巖心的滲透率起重要作用(圖4)。然而,油藏條件下巖石處在壓縮的狀態(tài),微裂縫處于閉合狀態(tài),此時(shí)的滲透率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于巖石在地面時(shí)的滲透率。因此,利用應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)來(lái)分析巖心的應(yīng)力敏感時(shí),使用第1階段進(jìn)行應(yīng)力敏感性評(píng)價(jià)是不合適的,滲透率的初始值大于實(shí)際地層條件下滲透率的初始值,這樣會(huì)夸大儲(chǔ)層的應(yīng)力敏感性。而第2階段微裂縫處于閉合狀態(tài),巖石受壓縮,與儲(chǔ)層的實(shí)際情況相符,應(yīng)用此階段應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行應(yīng)力敏感性評(píng)價(jià),可以真實(shí)地反映油藏條件下巖石的應(yīng)力敏感性。同時(shí)還可以看出,儲(chǔ)層巖石的應(yīng)力敏感性并不強(qiáng)。根據(jù)文獻(xiàn)給出的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),本地區(qū)的巖心屬于弱應(yīng)力敏感。3.3高度敏感對(duì)電池的影響3.3.1地層壓力條件下的滲透率由達(dá)西定律可得:v=ΚμdpdrQ=Av=2πrh×ΚμdpdrqBo=2πrΚhμ??p?r(6)根據(jù)式(2),原始地層壓力條件下的滲透率為Κi=Κ0e-b(σ-?pi)(7)任意地層壓力條件下的滲透率為Κ=Κie-b?(pi-p)(8)積分可得q=2πΚih(pe-pw)Boμlnrerwe-b?(pi-ˉp)(9)3.3.2應(yīng)力敏感調(diào)查應(yīng)力敏感強(qiáng)與弱采用應(yīng)力敏感常數(shù)b表示。華慶白豹地區(qū)白155井區(qū)的具體數(shù)據(jù):原始地層壓力條件下滲透率Ki為1×10-3μm2;油層有效厚度為10m;應(yīng)力敏感常數(shù)為0.002MPa-1;孔隙度?為10%;黏度μ為1mPa·s;體積系數(shù)Bo為1.3m3/m3;控制半徑re為200m;井徑rw為0.1m;邊界壓力pe為20MPa;井底壓力pw為10～20MPa。由式(9)可知,應(yīng)力敏感常數(shù)越大,產(chǎn)量降低的幅度越大。第1階段的應(yīng)力敏感指數(shù)大于第2階段應(yīng)力敏感指數(shù),采用第1階段的應(yīng)力敏感指數(shù)評(píng)價(jià)儲(chǔ)層將夸大儲(chǔ)層的應(yīng)力敏感性。由圖5可見(jiàn),第2階段應(yīng)力敏感常數(shù)對(duì)應(yīng)的產(chǎn)量與無(wú)應(yīng)力敏感時(shí)相差不大,幾乎重合。由此可以得出:由于低滲、超低滲透儲(chǔ)層的應(yīng)力敏感性不強(qiáng),因此低滲、超低滲透儲(chǔ)層的產(chǎn)量壓敏性不