不同人造裂缝对渗透率影响的室内研究

2012-09-15刘春志蒲万芬周法元喻秋兰

特种油气藏 2012年4期

关键词：筛网石英砂克氏

刘春志，蒲万芬，周法元，喻秋兰

(1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室西南石油大学，四川成都 610500; 2.中海油(中国)有限公司天津分公司，天津 300452)

不同人造裂缝对渗透率影响的室内研究

刘春志1，蒲万芬1，周法元2，喻秋兰1

(1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室西南石油大学，四川成都 610500; 2.中海油(中国)有限公司天津分公司，天津 300452)

为了研究不同人造裂缝对渗透率的影响，介绍了不同岩心造缝方法及其特点，并开展了室内物模实验，测定不同人造裂缝的渗透率。结果表明:裂缝的克氏渗透率随裂缝平均宽度的增加而增大，随围压的增大而减小，且存在一定的线性关系。通过总结不同人造裂缝渗透率的变化规律，加深了对裂缝的认识，为更好地开采裂缝性储层提供一定的理论依据。

人造裂缝;物理模拟;渗透率;裂缝性储层

引言

在碳酸盐岩储层内裂缝广泛分布，其中的张开缝是油气重要的渗流通道，同时也是窜流的主要通道。裂缝渗透率的大小与裂缝开度、形态、壁粗糙度和延伸长度等参数有直接关系。目前，对裂缝渗透率的研究，由于理论和技术的限制，只能实现简单的数学模型和物理模型研究，但可以通过对岩心实施人造裂缝，观察和探索不同人造裂缝的渗透率变化规律。因此，有必要在室内开展一系列的实验研究，分析不同人造裂缝渗透率的变化规律，包括各种裂缝宽度、裂缝充填情况和应力状态对裂缝渗透率的影响。

1 不同造缝方法

1.1 对半切割法

1.1.1 制作方法

用切割机将岩心沿轴向剖为对等的2部分，根据所需裂缝宽度、形态进行有区别的充填支撑裂缝。充填物包括筛网、石英砂、陶粒、玻璃球、垫片等。许多室内实验常采用该方法制作裂缝，可评价凝胶封堵裂缝的能力［1－4］。

1.1.2 特点

(1)岩心切割后，可根据需要对裂缝进行充填或不充填，有效模拟不同缝宽的裂缝［5］。

(2)由于充填物是筛网、石英砂、垫片等，不能真实地反应实际裂缝情况，只能通过简单模拟来获得等效参数。

(3)对于宽度较大的裂缝，在物理模拟中难以实现。

1.2 径向挤压法

1.2.1 制作方法

在天然裂缝发育的地层，裂缝的形态取决于其三相应力状态，根据最小应力原理，裂缝总是产生于强度最弱、阻力最小的方向，即岩石的破裂面垂直于最小应力方向［6］。根据应力学原理，对岩心采取径向挤压造缝，即用平口钳夹住岩心，施加水平方向径向力。由于垂直于岩心水平方向的受力最小，可产生水平裂缝。

1.2.2 特点

(1)根据需要对裂缝进行充填或不充填，有效模拟不同裂缝宽度、不同渗透率的裂缝。

(2)通过该方法获得的裂缝壁面十分粗糙，对充填物的筛选有要求，尤其是石英砂、玻璃球的粒径不能太大。

(3)物理模拟实验时，岩心易断裂，应限制围压大小，而且难以模拟宽度较大的裂缝。

2 裂缝渗透率计算方法

全苏地质勘探研究所早在1962年就提出薄片法以及野外和实验室结合法［7］获得裂缝渗透率，而现有计算渗透率的方法主要是通过布辛列克方程［8－10］进行推导获得。另外，Kelton［11］对常规渗透率仪进行了改进，发明了Kelton渗透率仪，可用来测定裂缝的渗透率。

由于本文物模实验测定的是单一裂缝渗透率，基质不参与渗流，由充填物形成不同宽度的裂缝。因此，采用气测渗透率的公式［8］求取裂缝的渗透率，公式如下:

式中:Kf为裂缝渗透率，μm2;p0为大气压力，MPa; Q0为出口气体流量，cm3/s;μ为气体黏度，mPa·s; L为岩样长度，cm;a为裂缝长度，cm为平均裂缝宽度，cm;p1为入口压力，MPa;p2为出口压力，MPa。

对所得气测渗透率值采用图版法进行校正外推获得克氏渗透率，即多次改变平均压力，用式(1)计算多个Kf，绘制Kf与1关系曲线，外推与Kf轴相交，便可得克氏渗透率Kf'［8］。

3 物理模拟实验

3.1 实验样品

实验样品选取具有低孔、低渗致密碳酸盐岩的岩石。通过室内钻取岩心，常规物性分析可知，所钻取的岩心孔隙度平均约为0.41%，克氏渗透率平均约为0.008×10－3μm2，满足研究岩心单一裂缝渗透率的前提。选取直径为2.5 cm、长度为7 cm左右的岩心柱，采用2种方式进行造缝，裂缝充填物分别为筛网和石英砂，岩心外围用生胶带包裹严实。实验裂缝岩心基本数据见表1。

表1 实验裂缝岩心基本参数

3.2 实验设备及方法

采用常规气测渗透率装置，测定不同人造裂缝的渗透率，并加载不同围压，观察裂缝渗透率的变化情况，实验流程见图1。

图1 实验流程示意图

3.3 实验步骤

(1)将0～50号岩样放入岩心夹持器中，设定围压为3 MPa，通氮气，并记录进、出口压力及出口流量。

(2)气测0～15、30～45号岩样时，设定加载多个围压点:3、5、10、15、20、25、30、35、40 MPa，通氮气，并记录在不同围压下的进、出口压力及出口流量。

(3)用式(1)计算各种情况下的渗透率值，再采用图版法获得克氏渗透率。

4 实验结果分析

通过实验数据，删除一些重复过多的点，绘制出裂缝克氏渗透率与裂缝平均宽度、围压、铺砂浓度之间的关系曲线，见图2～7。

图2 克氏渗透率与裂缝平均宽度关系

(1)由图2、3可以看出，克氏渗透率随裂缝平均宽度的增加而增大。

图2a显示，对半切割法与径向挤压法相比，进行同样筛网充填时，前者的渗透率变化幅度更大。对半切割法制作的裂缝壁面平整光滑，流体在裂缝中的渗流基本是平行线，另外，随裂缝宽度的增加，其渗流能力增大，渗透率也相应增大;而通过径向挤压法制得的裂缝壁面粗糙且弯曲延展，渗流阻力大，因此变化相对较小。图3a显示，石英砂充填的渗透率比筛网充填的变化幅度大。因为充填物石英砂相对均匀的分布在裂缝中，裂缝孔隙空间较大，渗流通道基本呈现大孔喉状，故其裂缝渗透率相对更高。

通过绘制双对数坐标曲线，可定量得出渗透率与裂缝宽度之间的关系式。图2b、3b中4组关系式的相关系数较大，可以看出，裂缝克氏渗透率与裂缝平均宽度的常用对数之间存在着明显的线性关系。回归方程揭示了渗透率与裂缝宽度之间的内在联系。

图3 克氏渗透率与裂缝平均宽度关系

(2)图4显示，裂缝克氏渗透率随铺砂浓度的增大而减小。在同一铺砂浓度条件下，对半切割法测得的渗透率都比径向挤压法高，且渗透率变化幅度要小一些。对半切割法的裂缝壁面平整光滑，充填的石英砂能够均匀平滑分布于裂缝通道中，而径向挤压法产生的裂缝壁面凹凸不平，充填物分布散乱，渗流能力大大减弱，渗透率相对较低;另外，随着铺砂浓度的增加，径向挤压法充填的石英砂分布愈加散乱，渗流能力降低更快，因此渗透率变化幅度更大。

(3)由图5可以看出，未充填的裂缝克氏渗透率随围压的增大而减小。在同一围压条件下，对半切割法制得的裂缝渗透率与径向挤压法相比变化幅度更大。因为前者壁面平整光滑，裂缝通道平行分布，渗流能力强，而且裂缝平均宽度较大，低围压下测得的渗透率较高;随围压增加，前者裂缝宽度减小幅度大，渗透率也随之出现较大幅度的降低。

图5b中2组关系式的相关系数较大，可以看出，裂缝克氏渗透率与围压的常用对数之间存在着明显的线性关系，这是由于围压与裂缝宽度之间相互影响。回归方程也间接揭示了渗透率与裂缝宽度之间的内在联系。

图4 裂缝克氏渗透率与铺砂浓度关系

图5 克氏渗透率与围压关系

(4)图6、7显示，裂缝渗透率随围压的增加而减小。其中筛网充填层数越多，渗透率变化幅度也越大。因为充填层数多，相应的裂缝宽度大，随着围压的增加，裂缝宽度减小幅度大，充填物因受压变得更加紧密，经压实后渗流阻力增加，故充填层数多的渗透率变化大。当围压大于30 MPa时，渗透率变化幅度不明显，因裂缝宽度变化甚小，充填物基本压实。通过图6、7对比发现，同样层数筛网充填，对半切割法制得的裂缝宽度更宽，渗流能力更大，因此其渗透率高，渗透率变化幅度也大。