储层岩石不同围压下渗透率试验研究

储层岩石不同围压下渗透率试验研究

1低渗透储层岩石应力敏感性的试验研究在气田的开采和开发过程中，渗透率随着有效荷载的变化而变化。在这种情况下，这种现象被称为储存层岩石的渗透应力敏感性。有效荷载往往被认为是关闭压力和孔腔外压之间的简单差异（也称为内压），这是有效应力的传统概念。针对储层岩石应力敏感性,很多的学者[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17]做了大量的试验研究工作。试验研究应力敏感的方法主要有两种:变围压试验和变内压试验。变围压试验一般都是保持内压接近大气压下增加和降低围压进行试验,这是目前最为普遍的应力敏感性试验研究的方法[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16];变内压试验就是保持围压为储层岩石的上覆岩石压力降低和增加内压进行的应力敏感性试验,相对变围压试验,实现变内压试验不容易稳定,因此很少见采用变内压试验研究应力敏感性的研究工作。根据有效应力的传统定义,两种试验研究方法的效果是一样的,即是围压和内压对渗透率的影响是一样的。但在油气田的开发与开采的生产过程中,一般围压保持不变的,内压随生产的进行而变化。以此可见,变内压试验更符合生产实际情况。基于变围压试验,对于低渗储层岩石的应力敏感性的认识主要有两种观点:(1)弱应力敏感性[7,8,9,10,11,12,13],这一观点主要是基于本体有效应力理论,用变围压试验评价储层岩石的应力敏感性而得到,文献通过变内压试验也得到了弱应力敏感这一结论;(2)强应力敏感性[1,2,3,14,15,16,17],它是基于传统的有效应力得到的,这个观点是最为普遍的。本文开展了变内压试验,以研究低渗透致密砂岩应力敏感性,与以往试验研究不同的是文中的变内压试验是在不同围压回路下的变内压试验。这样做的目的在于不仅可以确定储层岩石在不同的围压下升降孔隙流体压力时的应力敏感特征,而且可以从岩石变形机制上去认识产生这些应力敏感特征的原因。2试验设施和试验2.1试验流体的确定试验装置图如图1,主要由3部分组成。第1部分是进口压力表之前的所有试验装置,称为高压气源装置部分;第2部分是进口压力和出口压力之间的所有装置(包括试验岩样),称为试验的主体部分;第3部分为出口压力表后面的所有装置,称为回压装置部分,主要是实现内压,获取试验数据。试验流体采用氮气。这样可以避免化学反应和毛管压力效应带来的对渗透率的影响。2.2试验数据处理试验岩样长度和直径分别为4.022和2.529cm,该岩样是岩屑砂岩,含有约45%的石英,约35%的岩屑,约16%的燧石以及约3%的填隙物等,其孔隙度为2%,渗透率为0.24×10-3μm2,属于低渗致密砂岩。通过铸体薄片的分析可以发现,岩样存在微裂缝(见图2)。试验中包含了4个回路,每个回路都是在围压不变降低和增加内压下完成的(见图3)。图中右下角没有试验点是因为内压不能超过围压。设计中最高围压为44MPa(地层的上覆岩石压力),最小值为14MPa;内压的最大值为24MPa(地层的孔隙流体压力),最小值为6MPa;围压的变化点为44、34、24和14MPa,内压的变化步长为3MPa。试验数据点的采集采用稳态法,也就是每个测点在获取试验数据时,回压和进出口压力要保持不变,气体流量要保持稳定。对于每个测试点,当达到稳定时,记录一定体积所用的时间(这个时间在相等体积下重复测定5次,取平均值作为这一体积所用的时间),然后用体积除以对应的时间得到该点对应的体积流量Q,同时记录下进口压力p1和出口压力p2值,然后带入式(1)中计算得到对应点的渗透率k值:式中:k为渗透率(μm2);μ为黏度(mPa·s),可查表得到;L和A分别为试验岩样的长度(cm)和截面积(cm2);Pa为大气压(MPa);Q为体积流量(cm3/s);p1和p2分别为进出口压力(MPa),进出口压力和的一半为孔隙流体压力(内压)。以往研究表明,渗透率的变化与加载路径有关。因此,在试验之前对岩样进行了老化处理。很多学者认为,老化处理是非常重要的,尤其是对于试验中的低渗致密砂岩。老化处理就是回路加载和卸载围压(回路过程中内压几乎为0),直到岩样的性质达到稳定,从而保证试验结果的可靠性。3围压对渗透率的影响图4是岩样SWNO.1的老化处理结果。从图中可以看出,经过两个回路后,岩样的性质(渗透率)基本达到稳定。图5、6分别是不同围压下降内压和升内压时的渗透率与内压的关系图。从图中可以看出,渗透率随着内压的降低而减小,随着内压的增加而增加;在低围压下,渗透率内压变化的变化幅度较大(见表1),围压为14MPa时降内压和升内压的渗透率的变化率分别为11.55%和10.87%,围压为24MPa时降内压和升内压的渗透率的变换率分别为6.13%和5.06%;随围压的增加渗透率对内压的敏感性降低,当达到试验的最大围压44MPa时,渗透率随内压的变化变得较平稳,降内压和升内压的渗透率的变化率分别为1.42%和1.15%,远小于低围压下的渗透率的变化率。试验中渗透率的变化是内因和外因共同作用的结果。内因是由岩石的性质决定的,例如孔隙类型,岩石的组成等;外因主要是岩石的受力,所处环境的温度等,因为试验过程中温度是恒温,所以这里外因主要考虑岩石的受力。试验岩样属于低渗致密砂岩,含有微裂缝。微裂缝的存在起着增大渗流的作用,但微裂缝也很容易随有效应力的变化而变化,那么此时渗透率也就容易随有效应力的变化而变化。从图5、6中可以发现,试验岩样在低围压时,微裂缝起着主要的作用,渗透率随内压的变化变化很大;而当围压达到44MPa时,渗透率的变化变得更平稳了,这可能是由微裂缝已经闭合或者对应力的抵抗力变得更强所形成的结果,也即为微裂缝的闭合或者对应力的抵抗力的增强使得岩石孔隙空间更难压缩,进而使得渗透率很难变化而表现出平稳的特征。在围压为34MPa时,渗透率的变化较复杂。在渗透率变化曲线上出现了一个台阶,这可能是应力的变化而导致微裂缝的闭合所形成的。下面结合Bernabe的模型及其观点解释这种现象。压力的变化可导致渗透率的变化,在围压和内压共同作用时,为了表征其对渗透率的影响程度,人们往往引入渗透率有效应力系数nk,该系数反映的是相对围压而言内压对渗透率的影响,其值的一般取值在0~1之间,表达式如下:式中:nk为渗透率有效应力系数,无因次;k为渗透率(μm2);Pc和Pp分别为围压(MPa)和孔隙流体压力(MPa)。根据式(2),可以计算出现台阶前后的有效应力系数(见表2):对于降内压过程,台阶出现前的nk为0.83,台阶出现后的nk为0.43;对于升内压过程,台阶出现前的nk为0.44,台阶出现后的nk为0.75。Bernabe认为,砂岩微裂缝闭合时的渗透率有效应力系数为0.625,那么在内压较小的一边有效应力系数小于0.625,而在内压较大的一边有效应力系数大于0.625。因此,该台阶的出现是由微裂缝的闭合或张开所造成的。同时,可以发现渗透率较大的变化幅度是由微裂缝的变形所引起的。图7、8是不同围压下渗透率与净应力的关系图。从中可以发现:(1)在不同围压下,相同的净应力对应的渗透率不一样。根据有效应力的概念,相同的有效应力对应的渗透率大小是一样的。因此,对于试验岩样,净应力不能代替有效应力。这也就证明了围压和内压对渗透率的影响是不一样的。(2)根据岩石的变形机制可以发现,在变内压试验时,孔隙流体压力降低,岩石骨架膨胀,孔隙空间减少,渗透率减小;而对于变围压试验,岩石骨架受力压缩,孔隙空间减少,渗透率减小。以上表明,变围压试验和变内压试验是有区别的,变内压试验更符合油气的实际生产过程。4地层压力及渗透率根据图5中的渗透率与围压和内压的关系结合储层岩石应力敏感性评价方法对试验岩石进行应力敏感性评价。当围压(上覆岩石压力)为44MPa,原始地层压力为24MPa时,其渗透率为2.35×10-6μm2;地层压力降到14MPa时,对应的渗透率值为1.82×10-6μm2,渗透率的变化率为22.6%。根据储层岩石应力敏感性评价方法得到该储层砂岩的应力敏感性属于中等应力敏感。5利用bernabe方法来评价储层岩石的渗透率(1)不同围压下渗透率随内压的变化幅度是不一样的,在低围压下,渗透率随内压的变化较大,这主要是裂缝闭合引起的;在高围压下,由于裂缝闭合渗透率随内压的变化幅度较小;(