不同填充模式裂缝型致密储层应力敏感性定量研究

曹耐,董平川,雷刚,王娟,刘潇潇,潘贞贞

(1.中国石油大学(北京)石油工程教育部重点实验室,北京 102249;2.King Fahd University of Petroleum and Minerals,Dhahran 31261,Kingdom of Saudi Arabia;3.中国石化西北油田分公司雅克拉采气厂,新疆 库车 842017;4.中国石化中原油田天然气产销厂,河南 濮阳 457001;5.中国石化股份胜利油田分公司物资供应处,山东 东营 257024)

1 研究概况

致密油气藏开采过程中,储层孔隙度和渗透率随着有效应力的增加而减小,这种现象被称为致密储层应力敏感.裂缝性致密储层裂缝发育,裂缝的存在加剧了致密储层渗透率下降速度及非均质性,严重制约了致密储层的渗流能力.针对裂缝性储层岩石应力敏感性,国内外学者[1-16]开展了大量的研究工作.

Louis等[1]研究了单裂缝渗流特性随法向应力变化规律,认为渗流特性与法向应力存在负指数型经验公式.Nelson等[2]对含有微裂缝的岩心进行了应力敏感性实验,发现裂缝性岩心受应力影响比基质岩心要明显.Buchsteiner等[3]发现岩石的孔隙结构在应力作用下会发生形变,当其承受的有效应力升高时,裂缝会发生收缩式闭合.蒋官澄[4]实验证实人工造缝岩石渗流特性与法向应力满足负指数关系.Walsh等[5]发现裂缝性储层渗透率的立方根与有效应力的自然对数呈线性关系.李大奇等[6]对加压条件下裂缝图像宽度变化特征进行了直观测量.蒋海军等[7]采用天然致密砂岩制备裂缝性岩心,对裂缝性储层的应力敏感性进行了评价,认为低有效应力阶段,裂缝体现出较强的应力敏感性特征,当有效应力逐渐增大时,应力敏感性逐渐减弱.李传亮等[8]认为,裂缝性储层不存在强的应力敏感性,且裂缝性油藏应力敏感性强不是由于油藏自身的性质,而是由于试验误差等原因造成的.

以上文献对于裂缝性致密储层应力敏感性的研究主要是基于室内实验,没有从理论上进行分析.Brown等[9]假设裂缝两面均为微凸体随机分布的粗糙表面,基于赫兹弹性接触理论得到了裂缝闭合量与有效应力之间的变化关系.兰林[10]用理想平行板代替储层裂缝,建立了裂缝宽度计算模型,不能体现真实致密储层裂缝渗透率应力敏感性.Gangi[11]考虑实际裂缝壁面非均质性,将裂缝壁面的粗糙程度视为2个裂缝光滑面之间的杆柱分布,构建模型定量分析了裂缝性低渗透储层的应力敏感性特征,但模型中杆柱分布函数不能很好确定.在Gangi模型基础上,张海勇等[12]通过修改Gangi模型中杆柱弹性模量来反映裂缝内填充物 (矿物)含量对单一裂缝应力敏感性特征影响,但文献并不能确定裂缝内填充物含量与杆柱弹性模量定量关系.高艳霞[13]采用实验手段研究了不同裂缝填充物和填充浓度对裂缝岩样应力敏感性的影响,认为裂缝应力敏感性随着填充浓度的增加有降低趋势.赵伦等[14]通过实验研究了基质岩心、不充填裂缝性岩心、半充填裂缝性岩心及全充填裂缝性岩心的应力敏感性特征.

目前对于裂缝性致密储层应力敏感性的认识存在较大差异,且研究工作主要以定性研究为主,缺乏考虑裂缝填充程度与裂缝性致密储层应力敏感性特征曲线变化关系的定量研究.笔者通过应力敏感性实验研究了4种裂缝填充模式岩心(无裂缝基质岩心、裂缝全填充、裂缝半填充和裂缝不填充)应力敏感性特征,并基于渗流理论,建立了各裂缝填充模式下该储层渗透率应力敏感性理论表征模型,对各裂缝填充模式岩心渗透率随有效应力变化规律进行了定量表征,从理论上对实验结果及规律进行了解释.

2 应力敏感性评价方法

2.1 有效应力

本文采用本体有效应力对致密储层应力敏感性进行评价[17-18],本体有效应力公式为

式中:σ为本体有效应力,MPa;σ0为上覆岩石压力,MPa;p为流体压力,MPa;η为有效应力系数 (一般为岩石孔隙度).

2.2 应力敏感性系数

利用本体有效应力表示的岩石渗透率和孔隙度应力敏感性公式为[19-20]

式中:K0为岩石初始渗透率,10-3μm2;K为受到有效应力影响后的岩石渗透率,10-3μm2;α为渗透率应力敏感性系数,MPa-1;α0为岩石初始渗透率应力敏感性系数,MPa-1;φ0为岩石初始孔隙度;φ为受到有效应力影响后的岩石孔隙度;αφ为孔隙度应力敏感性系数,MPa-1.

3 应力敏感性实验结果

实验选用人造致密岩心,实验前对岩样进行清洗烘干处理,实验温度为室温.本次实验通过围压升降法,参考标准SY/T 6385-2016[21].岩样由4种裂缝填充模式岩心构成.应用巴西劈裂造缝技术将无裂缝基质岩心造缝,模拟裂缝不填充岩心;向压裂裂缝中铺填粗砂,模拟裂缝半填充岩心;向压裂裂缝中填入微细石英砂粉末,将裂缝填满,模拟全填充岩心(见表1).

表1 岩心基本参数

按照SY/T 6385-2016要求,分别对各组实验岩心进行不同有效应力下的孔隙度、渗透率应力敏感性实验,得到各组岩样孔隙度、渗透率应力敏感性曲线.结果表明:在有效应力增大的过程中,致密岩心孔隙度和渗透率均会产生一定的损失,孔隙度损失程度较小(可忽略),渗透率损失程度较大;4种裂缝模式中,不填充岩心应力敏感性最强,半填充岩心应力敏感性其次,全填充岩心应力敏感性再次,基质岩心应力敏感性最弱;有效应力较小时,不填充与半填充岩心应力敏感性较强,随着有效应力增大,不填充与半填充岩心应力敏感性减弱;全填充岩心应力敏感性曲线整体偏向于基质岩心敏感性曲线(见图1).

图1 岩样孔隙度、渗透率应力敏感曲线

4 应力敏感性定量表征模型

4.1 裂缝系统初始渗透率计算模型

假设气体在造缝岩心中稳定渗流,根据达西公式可得到:

式中:Km为基质系统渗透率,10-3μm2;Qm为大气压下基质系统气体体积流量,cm3/s;p0为大气压力,MPa;A为岩心端面积,cm2;μ为气体黏度,mPa.s;l为裂缝系统宽度,cm;ωf为裂缝系统开度,cm.

对式(4)进行积分,可以得到通过造缝岩心基质部分气体流量:

式中:p1为入口端绝对压力,MPa;p2为出口端绝对压力,MPa;L为岩心长度,cm.

通过造缝岩心的气体总流量为

通过裂缝系统的气体体积流量为

式中:Qs为大气压下通过岩心的总气体体积流量,cm3/s;Qf为大气压下通过裂缝气体体积流量,cm3/s;Ks为造缝岩心总渗透率,10-3μm2;Kf为裂缝渗透率,10-3μm2.

通过造缝岩心流量等于通过裂缝系统流量与通过基质系统流量之和,因此:

裂缝水力学开度与裂缝系统渗透率满足[7]:

联立式(8)和式(9),可得有关裂缝开度的表达式:

求解式(10)可得裂缝开度,将结果代入式(9)得到造缝岩心裂缝渗透率.

4.2 受压后裂缝系统渗透率计算模型

将岩心加围压σ,岩心两端压力设置为p1,p2(p1略大于p2),则.岩心受到有效应力作用后,基质岩心中气体流量计算公式为

造缝岩心中气体总流量计算公式为

裂缝系统内气体流量计算公式为

式中:Km0为岩心未受压时基质岩心渗透率,10-3μm2;Ks0为岩心未受压时造缝岩心总渗透率,10-3μm2;αm为岩心基质部分渗透率应力敏感性系数,MPa-1;αs为造缝岩心渗透率应力敏感性系数,MPa-1.

造缝岩心流量等于裂缝内气体流量与基质部分气体流量之和,即:

求解式(14)得到有效应力下裂缝系统渗透率.则裂缝系统渗透率损失率γ为

4.3 模型分析

利用新建计算模型,采用Matlab编程计算,得到造缝岩心裂缝渗透率损失率随有效应力变化曲线.计算结果表明:1)基质岩心渗透率在有效应力达到15 MPa前下降稍快,之后平稳.2)裂缝填充模式岩心渗透率应力敏感性较偏向于基质岩心渗透率应力敏感性,渗透率应力敏感性较弱(主要原因是在受压过程中,裂缝填充物起到了较强支撑作用,阻止了裂缝系统闭合,同时由于裂缝填充程度较高,填充物在一定程度上改变了裂缝系统性质,使得裂缝填充模式岩心应力敏感性特征较偏向于基质岩心).3)渗透率应力敏感性由强到弱依次为裂缝系统、裂缝填充模式岩心和基质岩心,说明裂缝填充模式岩心的渗透率应力敏感性过程可分为2个阶段.第1个阶段,有效应力较小,裂缝填充模式岩心受到有效应力影响,同时发生裂缝系统闭合和基质压缩现象;第2个阶段,裂缝填充模式岩心受压到一定程度,岩心渗透率应力敏感性主要表现为基质渗透率应力敏感性,岩心渗透率下降速率变缓(见图2).

图2 裂缝全填充模式岩心渗透率应力敏感性曲线

裂缝半填充模式岩心渗透率增加倍数较小时,在有效应力较小阶段,裂缝半填充模式岩心的渗透率应力敏感性曲线与裂缝系统渗透率应力敏感性曲线重合,裂缝系统闭合占主导地位(见图3).随着有效应力增大,裂缝系统闭合和基质压缩共同影响岩石渗透率应力敏感性,裂缝半填充模式岩心渗透率应力敏感性弱于裂缝系统渗透率应力敏感性.随着岩心渗透率增加倍数达到一定程度,裂缝半填充模式岩心与裂缝系统的渗透率应力敏感性曲线几乎重合.

图3 裂缝半填充模式岩心渗透率应力敏感性曲线

裂缝未填充模式岩心渗透率应力敏感性较偏向于裂缝系统渗透率应力敏感性,渗透率应力敏感性较强.裂缝系统闭合和基质压缩共同影响岩心渗透率应力敏感性,导致裂缝未填充模式岩心渗透率应力敏感性强于裂缝系统渗透率应力敏感性(见图4).

图4 裂缝未填充模式岩心渗透率应力敏感性曲线

5 结论

1)在有效应力增大的过程中,致密岩心孔隙度和渗透率均会产生一定的损失,孔隙度损失程度较小(可忽略),渗透率损失程度较大.4种裂缝填充模式岩心渗透率应力敏感性由强到弱依次为不填充岩心、半填充岩心、全填充岩心、基质岩心.有效应力较小时,不填充与半填充岩心渗透率应力敏感性较强.随着有效应力增大,不填充与半填充岩心渗透率应力敏感性减弱.全填充岩心渗透率应力敏感性曲线整体偏向于基质岩心敏感性曲线.

2)对于3种模式造缝岩心(裂缝填充模式岩心,裂缝半填充模式岩心和裂缝不填充模式岩心),当渗透率增加倍数较小时,造缝岩心(裂缝全填充模式岩心和裂缝半填充模式岩心)渗透率应力敏感性弱于裂缝系统应力敏感性.随着造缝岩心渗透率增加倍数增加到一定程度,裂缝半填充模式岩心渗透率应力敏感性曲线与裂缝系统应力敏感性曲线几乎重合.随着造缝岩心渗透率增加倍数进一步增大,造缝岩心(裂缝半填充模式岩心和裂缝不填充模式岩心)渗透率应力敏感性强于裂缝系统渗透率应力敏感性.

3)裂缝型致密岩心不同裂缝填充模式对渗透率应力敏感性影响分析结果,可用于致密油气藏产能预测及开发方案制定,为此类油田开发提供理论依据.