长岭断陷火山岩覆压孔隙度和渗透率实验及校正方法

张丽华, 王敏,单刚义，潘保芝

1.吉林大学 地球探测科学与技术学院,长春 130026 2.中国石化 东北油气分公司, 长春 130026

0 引言

火山岩作为特殊的油气储层，越来越引起人们的重视，油气藏已成为中国天然气勘探和开发的主要领域之一，目前在松辽、准噶尔、渤海湾等地均发现有火山岩气藏[1-2]。在油气藏的开采过程中，随着储层内部流体的产出，储层孔隙压力降低，储层岩石原有的受力平衡状态发生改变。根据岩石力学理论[3]，从一个应力状态变到另一个应力状态必然要引起岩石的压缩或拉伸，即岩石发生弹性或塑性变形。岩石的变形必然引起岩石孔隙结构和孔隙体积的变化，如孔隙体积的缩小、孔隙喉道和裂缝的闭合等，最终表现为孔隙度、渗透率随有效应力的增加而降低。国内外很多学者对孔隙度渗透率的压力敏感性进行了研究。杨正明等[4]对火山岩塞样和全直径样品进行了渗透率随压力的变化研究，发现全直径岩芯渗透率随有效压力的升高而下降的幅度比塞样大。 杨满平等[5]对大庆油田升平地区营城组升深2-1井10块流纹岩样品进行实验的结果表明，流纹岩孔隙度的下降幅度在5%～22%之间，流纹岩的应力敏感性是不明显的。朱华银等[6]对大庆油田火山岩的主要储集岩类(流纹岩、角砾岩、凝灰岩、集块岩)进行了应力敏感性实验和岩石力学实验分析，结果表明：大庆油田火山岩硬度大、抗压强度高、应力敏感性不强，当有效压力从5 MPa增大到60 MPa时，孔隙度下降率<5%(相对值)。 白远等[7]通过建立覆压物性与常压物性关系，实现了根据常压物性计算覆压物性。从查阅的文献来看[4-10]，对火山岩油气藏的孔隙度和渗透率随压力的变化情况研究较多，但是对其校正方法的研究较少。通过钻井取芯将岩芯重新提升到地面, 由于压力释放和弹性膨胀, 孔隙度有所恢复, 因此常压下测量的岩芯孔隙度大于地层条件下的孔隙度。目前, 测井计算孔隙度都是基于岩芯分析的地面孔隙度建立的计算关系式, 由此得到的测井孔隙度实为地面孔隙度，并未考虑孔隙度与渗透率参数受覆压影响较大这一问题，因而不能准确地表征火山岩储层。而储量计算是要求计算油气藏孔隙中的含油气量, 应该使用地层条件下的孔隙度。因此,必须将地面孔隙度校正为地层条件下的孔隙度。此外，岩石覆压孔隙度和渗透率是在岩样轴向和径向施加相同压力下测定的，是三轴孔隙度[11]。必须将三轴孔隙度转换为单轴孔隙度，才能用于储量计算。由于火山岩储层岩芯覆压孔隙度渗透率实验成本高、时间长，不可能对所有岩样进行覆压孔隙度渗透率实验。笔者选取长岭断陷龙凤山地区有代表性的火山岩样品进行孔隙度和渗透率随压力变化的实验，然后根据这些样品的测量数据，找到覆压孔隙度和渗透率的校正方法。

1 仪器设备和实验过程

1.1 实验设备和样品

实验仪器是美国CORETEST公司的覆压条件下孔隙度和渗透率自动测量仪[12](AP608)。测试过程和结果输出完全自动化，从而实现精确和可重复的测量。Hassler型岩芯夹持器具有快速释放功能。静水应力条件范围为3.5～65.5 MPa。试验中使用的孔隙压力由设备程序自动控制。设备的可测量渗透率范围为(0.001～5 000)×10-3μm2，可测量的有效孔隙度范围为0.1%～40%。

实验样品采自长岭断陷。松辽盆地南部断陷型盆地群是由16个分割独立的断陷盆地组成，盆地总面积约5.36×104km2，平面上可划分为西、中、东3个断陷带，长岭断陷位于中部断陷带，发育断、坳两套地层层系，自下而上发育下白垩统火石岭组、沙河子组、营城组、登娄库组和泉头组，上白垩统青山口组、姚家组和嫩江组[13-14]。火石岭组沉积时期处于盆地的初始裂陷阶段，岩性为灰色粉砂岩，泥岩与粗砂岩，砂砾岩不等厚互层，局部发育火山岩，岩性为灰、深灰色安山岩、玄武安山岩及凝灰岩[15-16]。营城组沉积时期处于盆地的断陷期，早期火山活动发育大套火山岩，岩性主要为安山岩、玄武岩和凝灰岩[17]。

1.2 实验过程和结果

打开仪器电源，按照仪器要求设定氮气出口压力和气泵压力。将加工好的样品洗油、洗盐和烘干后，测量岩样的长度和直径等，把岩样装入岩芯夹持器，孔隙压力设为1.4 MPa，施加的围压分别为3.5、8.3、13.1、17.9、22.8、27.6、32.4、37.2 MPa。然后开始测量不同压力条件下岩样的孔隙度。孔隙度的应力敏感性可以定义为改变围压。采用石油行业标准SY/T 6385—2016覆压下岩石孔隙度和渗透率测定方法[18]，φ0是压力3.5 MPa下的孔隙度值。φi是压力在3.5、8.3、13.1、17.9、22.8、27.6、32.4、37.2 MPa下的孔隙度值。岩样的基本信息如表1所示。

表1 岩样的基本信息

由于岩样在测量过程中坏掉或由于岩样的渗透率太低，导致最终只有一个岩样X13-1_1测到了多个压力点的渗透率值。安山岩、角砾凝灰岩和凝灰岩的实验结果如图1和图2所示。从图1和图2中可以看出，3种岩性的孔隙度都是随着压力的增大而减小，但是减小的幅度和趋势是不同的。在压力<13.8 MPa时，安山岩和角砾凝灰岩的孔隙度随着压力的增大而急剧减小，在压力>13.8 MPa时，安山岩和角砾凝灰岩孔隙度随着压力的增大而减小的趋势变缓，而凝灰岩的变化趋势几乎差不多，一直在减小。在37.2 MPa压力下，安山岩的平均孔隙度变化为0.62，角砾凝灰岩的平均孔隙度变化为0.43，而凝灰岩的平均孔隙度变化为0.1。

图1 孔隙度比随压力变化关系图Fig.1 Relationship between porosity ratio and pressure

图2 渗透率比随压力变化关系图Fig.2 Relationship between permeability ratio and pressure

2 孔隙度和渗透率校正方法

岩石孔隙度和渗透率是在岩样轴向和径向施加相同压力下测定的，即为静水压力加压条件下的测定值。但是，埋藏在地下的岩石单元，由于地层延伸长度远远大于其厚度，可以认为岩石只在垂向或单轴方向上发生形变，横向变化等于零[19]。 在静水压力作用下,岩芯各方向受到相等的压力作用, 各个方向都会产生变形, 所测得的孔隙度为三轴孔隙度, 必须经过校正才能将其转化为单向地层压力条件下的孔隙度。储层条件下单轴应力与实验室三轴应力示意图如图3所示。

图3 储层条件下单轴应力与实验室三轴应力示意图[19]Fig.3 Schematic diagram of uniaxial stress and laboratory triaxial stress under reservoir conditions

2.1 校正方法

(1)绘制有效上覆压力与孔隙度和渗透率的变化系数曲线

用岩样在不同压力下测得的孔隙度值和渗透率值除以岩样在常压下测定的孔隙度值和渗透率值，分别得到孔隙度变化系数(φi/φ0)和渗透率变化系数(ki/k0)，再以有效上覆压力为横坐标，孔隙度变化系数和渗透率变化系数为纵坐标，在同一坐标下绘制出相应的变化曲线(图4)。

1.孔隙度变化系数曲线；2.渗透率变化系数曲线。图4 压力与孔隙度和渗透率变化系数曲线关系图Fig.4 Relationship between pressure and variation coefficient of porosity and permeability

(2)计算单轴向压力下的孔隙度

在图4横坐标上找到所需要的有效上覆压力值A点，由A点垂直向上交曲线1于B点，B点纵坐标即为静水压力下的孔隙度变化系数φzr，用φzr乘以地面孔隙度φ0得出静水压力下的孔隙度φz

利用下式计算出单轴向压力下的孔隙度φf

φf=φ0-(φ0-φz)*α

(1)

(3)计算单轴向压力下的渗透率

以单轴向压力下的孔隙度值φf除以地面孔隙度φ0值得出单轴向孔隙度变化系数φfr，在纵坐标中找到该点并做平行于横坐标的线交曲线1于C点，由C点垂直向下交曲线2于D点，交点即为单轴向渗透率变化系数kfr，用kfr乘以常压渗透率值k0即为单轴向压力下的渗透率值。

重复以上步骤可以计算出任意单轴向压力下的孔隙度和渗透率值。

2.2 校正结果

对长岭断陷的68块火山岩岩样进行常压和覆压条件下孔隙度和渗透率测量， 按照上面的方法对这些测量值进行了校正，得到单轴向压力下的孔隙度和渗透率，校正效果见图5和图6。

图5 未校正与校正的覆压孔隙度与常压孔隙度关系图Fig.5 Relationship between uncorrected and corrected overburden porosity and atmospheric porosity

图6 未校正与校正的覆压渗透率与常压渗透率关系图Fig.6 Relationship between uncorrected and corrected overburden permeability and atmospheric permeability

3 结论

(1)火山岩的孔隙度随着压力的增大而减小，但不同岩性的样品，孔隙度随着压力的增大而减小的幅度不同。安山岩的减小幅度最小，凝灰岩的减小幅度最大。凝灰岩的孔隙度受压力的影响最明显。

(2)地下岩芯取到地面, 由于弹性膨胀和压力释放, 岩芯的孔隙度会有所恢复, 地面条件测量得到的孔隙度或是覆压条件下的三轴孔隙度，用于储量计算时, 必须进行覆压校正。