压力衰竭对储层岩石影响的现状报告

申剑坤 (西南石油大学)

秦柳 (中石油川庆钻探工程有限公司安全环保质量监督检测研究院)

张良华 (中石油西南油气田分公司重庆气矿)

压力衰竭对储层岩石影响的现状报告

申剑坤 (西南石油大学)

秦柳 (中石油川庆钻探工程有限公司安全环保质量监督检测研究院)

张良华 (中石油西南油气田分公司重庆气矿)

在油气开采过程中,随着烃类流体的不断采出,油藏内部的孔隙压力随之下降,在外部没有任何补给压力的情况下,储层压力发生衰竭是必然的。油藏的这种变化不仅对孔洞中流体的流动状态有影响,储层岩石的微观和宏观结构也必然会产生一定的变化,宏观表现如压实、地面沉降、套管变形,以及地层滑移、裂缝的闭合和再生等;微观表现如孔隙度和渗透率的变化、孔喉中毛管压力以及流体渗流特性的变化等。压力衰竭引发的一系列问题给钻井、完井以及开发方案的制定和调整提出了新的挑战。

孔隙压力 压力衰竭 岩石变形 现状

1 引言

从油气开采的角度看,孔隙压力作为油气藏的一种原始的驱动力,决定着油藏的开采方式,以及油田开发方案的制定和调整,也给开采过程的地层稳定性提出了挑战。随着油气开采的深入,地层压力的衰竭不可避免,这使工程技术人员不得不在油气开采的不同时期对开发方案进行评价和调整,特别是针对高温高压油气井这种现象尤为突出。在钻井方面,孔隙压力也是不可忽略的参数,它是确定安全泥浆密度窗口的重要参数之一,因此孔隙压力衰竭也为油田未来钻井和加密井的钻井方式提出了新的疑虑。从岩石力学的角度看,孔隙压力作为地应力的一部分,起着承担部分上覆岩层压力和支撑孔隙的作用,它的存在不仅仅是对岩石孔隙结构产生影响,还对岩石的力学特性有不同程度的影响。

2 地层压力衰竭对岩石变形的影响机理研究

有效应力概念的提出和完善为研究孔隙压力对岩石力学特性的影响奠定了理论基础,也提供了一条有效的途径。Geertsma[1]是首先提出压力衰竭对储层的物性有影响的学者,1957年 Geertsma提出了孔隙流体下降会使多孔介质本身以及介质内的流体体积同时发生变化,流体体积的变化可通过PVT分析得到,而多孔介质的体积变化则一直被忽略,基本上没有测量过。Geertsma在Biot弹性理论和Gassmann的弹性多孔介质的应力分布研究的基础上,从理论上推导了岩石的体积压缩系数和骨架压缩系数。1966年他对油气开采过程的岩石力学问题进行了实验研究,结果表明储层压力的衰竭会导致地层孔隙压力的下降,储层有发生体积收缩的趋势,由于围岩的存在,产层的横向变形受到限制,体积收缩的趋势转化为应力减小,最终结果是导致地应力减小,它还通过假设横向变形为零计算出了最小水平主应力的减小值。

随着油气开采的进行,压力衰竭引发的一系列问题逐渐凸显,引起大家的重视,压实沉降可能是这一时期最主要的问题,如北海的Ekofisk油田由于油气的采出致使地面有高达14 ft(1 ft=30.48 cm)的沉降,荷兰的 Groningen气藏也是由于烃类的不断采出导致了地面沉降等。不少专家学者开始针对开采导致压力衰竭引起的问题进行研究, Geertsma 1973年在收集了大量的地面沉降的实例后,提出了一种简单的评价储层压实和沉降的方法,他还通过 McCann和 Wilts提出的“tension center”和“vertical pincer”两个数学模型分析了由压力衰竭引起的地面沉降和压实之间的关系[2]。Hertz-Mindlin的球形模型也得出随着作用在球体上面的压力增加,球体之间的接触面积增大,最终表现为岩石强度和硬度增大。Colin M认为,随着岩石骨架上承受的应力增加必然会伴随着一些微观的变形机理,例如颗粒之间的胶结破坏、黏土和云母颗粒的塑性变形、微裂缝的张开和闭合,以及岩石骨架压实而导致的地面沉降、套管变形等一系列不容忽视的问题[3]。

前期的研究证实了孔隙压力的衰竭确实可能导致储层岩石的变形,岩石的压缩性是不可忽略的,而关于实际应用中岩石的变形又是一个更深入的问题。1985年,Geertsma从力学的角度对脆性碎屑岩地层中井眼和射孔孔眼的稳定性问题进行了分析,他认为在正常的情况下岩石表面的有效应力为零,岩石的破坏是由于流体注入产生的张力或流体采出产生的压力引起的,而周向应力是井壁和射孔孔眼稳定的关键,但周向应力受边界条件的影响较大,如温度和孔隙流体压力,实验数据表明孔隙压力对总应力和有效应力都是有影响的,根据声波时差计算的动弹性模量和考虑了孔隙压力影响的Gassmann-Biot方程计算出来的动弹性模量值存在较大的差异,说明孔隙压力对岩石的弹性模量同样存在影响,Geertsma还指出颗粒之间的接触类型和尺寸决定着岩石的变形[4]。Johnson等人[5]通过降低孔隙压力和利用线性差动传感器调整围压,控制岩石的径向变形的单轴应变实验来模拟地层压力衰竭,结果表明,随着岩石承受的有效应力的增加,孔隙度会下降,在低应力条件下,Ekofisk油藏的白垩石会随着应力增加少量的弹性变形,应力增加到较高水平后,岩石出现压实,并随着应力的增加压实量不断增加,但单轴应变实验得到的体积压缩量小于静水压实验得到的体积压实量。还有许多专家学者对压力衰竭问题进行了研究,如Laurent等人[6]认为孔隙压力对岩石弹性应变的影响是储层压实和储层沉降问题的基础,因此对岩石的孔弹性性质进行了实验室分析。Peter Schutjens[7]等利用解析模型描述了由于压降和衰竭引起的垂直井眼总应力的变化。

大量的实验结果和理论分析结果都表明,油藏是由流体和岩石骨架组成,在开采以前储层岩石在上覆岩层压力、围岩压力和孔隙流体压力的共同作用下,孔隙流体和岩石骨架共同支撑着上覆岩层压力,岩石处于平衡状态。在油气的开采过程中,随着油气的不断采出,作用在油藏岩石和围岩上的应力也必然会发生改变,孔隙流体压力的下降导致岩石骨架承受的有效应力增加,岩石是一种可压缩的多孔介质,在变化的外力作用下岩石可能会产生一些微观的变形特征。在开采初期,骨架可能表现出更多的弹性性质,如骨架颗粒之间的接触面积增大、孔隙体积收缩、储层压实等;随着作用在岩石骨架上的有效应力进一步增大,岩石的变形特征也就越演越烈,塑性变形或者极限破坏占主导地位,地面沉降、套管变形、地层滑移等现象就是地层掏空、孔隙压力衰竭的另一种更严重的后果,确切地说岩石在压力衰竭过程既有弹性变形也有非弹性变形。因此,对生产过程中压力衰竭对地层的力学特征的分析对于预防和预测储层的变形特征意义非凡。

3 生产过程中压力衰竭的表现

压力衰竭对生产的影响最早引起大家的重视可能还是在1989年对北海 Ekofisk油藏的一系列地面沉降的报道开始的。Johnson和Menghlnl[5-8]等人通过实验发现的初始压力为48.3 MPa,经过17年的生产后,地层压力降至27.6 MPa,白垩岩的上覆岩层有效应力从13.8 MPa增加到34.5 MPa,由于油气的采出致使Ekofisk油藏地面有高达14 ft的沉降。与此同时,M.L.Menghlnl等试图通过一些电测井工具来测量地层压实,但是精度不很高。N.Morlta等人[9]也提出了一种快速确定由孔隙压力变化引起的地面沉降、压实和地应力的方法,但该方法只适用于储层杨氏弹性模量小于20%或大于150%围岩杨氏弹性模量的情况。J.W.Dudley[10]通过建立3D地质模型和岩心测试结果得出油气生产过程压力衰竭引起的储层压实与孔隙坍塌有很大的关系,并不是随着孔隙度的增加而增大,压力衰竭值若在岩石能够承受的范围内岩石就不会出现孔隙坍塌的情况。

压力衰竭对储层孔隙度和渗透率方面的影响是大家比较关心的问题。Musaed[11]认为地层压力(孔隙压力)下降对初始孔隙度和渗透率较高的岩石影响较大,他认为原地应力条件下的储层岩石的渗透率很大程度上取决于岩石的初始孔隙度和渗透率值,该研究表明在预测产量过程假设渗透率与有效应力无关是一个错误的假设。国内也有不少专家针对孔隙压力在岩石特性方面的影响做了不少的研究。A.W.Chan和Zoback[12]利用形式方法定量预测衰竭地层的压实程度和诱导断裂的潜力,他们将实验室测试的岩样变形数据与现场结合,直观地确定油藏在衰竭过程的压实变形、孔隙和渗透率的改变等。张传进[13]通过三轴应力试验装置模拟石油开采过程中的不同地层条件,分析了岩石的力学参数与不同饱和度、不同有效应力之间的关系,试验结果表明,杨氏模量、抗压强度与有效围压之间为幂律指数关系,随有效围压的增加而增加;孔弹性系数随有效围压增加而降低;杨氏模量、抗压强度与含水饱和度之间为对数下降关系。朱华银[14]针对克拉2气藏的岩石,通过固定孔隙压力改变围压和固定围压降低孔隙压力两种方式来增大上覆岩层压力模拟气藏开采过程,并对实验过程中的岩石物性的变化规律进行了研究。王学滨等[15]对孔隙压力与岩体变形之间的关系做了研究,并由试验得出岩石在围压一定的前提下,孔隙压力越大,抗压强度和弹性模量越小,岩样的破坏模式不随孔隙压力的增加而改变。楼一珊[16]在岩石力学基础上,利用摩尔-库仑准则表征临界生产压差与岩石强度参数和地层压力之间的关系式,并得出临界生产压差随地层压力衰减而降低,开采初期不出砂的地层随着开采的不断进行出砂几率增大,这就意味着油气井在生产过程中应注意生产压差的变化,避免储层大量出砂。张渊、赵阳升等[17]通过试验研究认为随着环境温度的增加,长石细砂岩渗透率具有孔隙压力门槛值,在门槛值区域范围内,孔隙压力的变化对岩石的渗透率影响较大,当孔隙压力超出这个范围后,岩石渗透率随孔隙压力的增加呈缓慢增加趋势。许江等[18]对饱和砂岩进行三轴等围压情况下的循环加、卸载孔隙水压力实验,结果表明轴向应变曲线加载时呈上凹形趋势线,卸载段呈下凸形,在加卸载过程中,达到极限值之前都会出现拐点,弹性变形随循环次数的增加逐渐趋于稳定;而塑性变形随循环次数的增加而不断积累,残余应变随着循环次数的增加逐渐减小并趋于稳定。

由于孔隙压力衰竭对储层的影响,对钻井、完井和油气生产都带来了不同程度的挑战。钻井方面由于孔隙压力的改变,使得原有的安全泥浆密度窗口不再适应,导致钻井压力大大超出了地层压力,钻井液漏失严重,增大了井喷和地层损害的几率。Shadravan等 (2009)提出在衰竭地层采取欠平衡钻井取得成功,S.A.Solvang提出控制压力钻井解决压力衰竭地层由于地层压力的不确定性带来的钻井问题。M.Arnone也提出使用MPD技术解决衰竭地层的钻井问题,以此改善整个钻井过程,降低风险,并通过提前控制液压剖面减少施工成本,降低常规施工耗费的大量非生产时间。针对孔隙压力衰竭对储层的这些影响,人们正不断地重视并深入了解它,也试探着用现有的技术手段解决压力衰竭给油气开采带来的问题,目前它仍需要大量的实验和现场研究。

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10.3969/j.issn.1002-641X.2010.9.011

2009-11-06)