鄂尔多斯盆三叠系超低渗储层应力敏感性评价

鄂尔多斯盆三叠系超低渗储层应力敏感性评价

关于低渗和低渗储存层是否具有很强的应力敏感性，有很多讨论。许多科学家认为，低渗和低渗岩石的固应力性非常敏感。因为岩石的低粘质和骨含量很高，孔喉咙规模小（<1m），岩石压缩，变形，骨架压缩，导致空腔内半径减小，并关闭。也有一部分学者认为,超低渗透储层属于致密多孔介质,胶结成岩作用明显,岩石抗压强度高,压缩系数低,因此不存在强应力敏感。针对超低渗砂岩是否存在强应力敏感问题,笔者采用鄂尔多斯盆地三叠系露头全直径岩心和美国岩心公司生产的全自动岩心驱替系统进行了岩心应力敏感性评价实验,并结合双重有效应力理论对实验结果进行分析,研究了超低渗应力敏感指数对油田产能的影响。1对压力敏感的评估方法1.1u3000效应力理论中的本体有效应力油气藏的岩石一般属于致密介质,致密介质的变形以本体变形为主。笔者采用双重有效应力理论中的本体有效应力对实验结果进行评价,本体有效应力公式为σpeff=σ-ϕp(1)σpeff=σ−ϕp(1)式中:σpeff为本体有效应力,MPa;σ为上覆岩层压力,MPa;p为流体压力,MPa;ϕ为孔隙度,小数。1.2储集层岩石物性指标ws本文中评价岩石的应力敏感性中的有效应力指的是本体有效应力。用本体有效应力表示的储集层应力敏感公式为Κ=Κ0e-b(σ-ϕp)(2)式中:K0为应力为零时的岩石渗透率,10-3μm2;K为任意地层压力条件下的渗透率,10-3μm2;b为应力敏感常数,MPa-1。储集层岩石的敏感程度用敏感指数来衡量,敏感指数定义为:条件参数在一定范围内的变化时,岩石物性参数的损失百分数。渗透率对地层压力的敏感指数为Sp=(Κi-Κ)/Κi(3)式中:Sp为渗透率应力敏感指数,小数;Ki为原始地层压力pi下的渗透率,10-3μm2。经推导得Sp可表示为Sp=1-e-bϕ(pi-p)(4)应力敏感指数统一取为地层压力下降10MPa时的数值,因此式(4)转化为Sp=1-e-10bϕ(5)2岩石力学敏感实验2.1储层应力敏感性研究主要依据储层的应力敏感是由于储层所受的应力发生变化,导致岩石变形,进而导致渗透率发生变化所致。储层渗透率发生变化是由于有效应力发生变化的结果,因此研究储层应力敏感性主要是研究渗透率与有效应力的关系。根据双重有效应力理论可知,在实验室可以采用改变孔隙压力和改变围压两种方法改变岩石的有效应力。2.2实验仪器和传感器渗流实验装置是美国岩心公司提供的AutofloodTM(AFS300TM)驱替评价系统(图1)。该系统包括压力自动控制系统和数据自动采集系统。回压系统、围压系统是通过高精度多级柱塞驱替泵以恒压模式控制。注入驱替系统根据实验要求可以设置为恒流速或恒压驱替模式。数据自动采集系统在对系统各部分压力自动采集的同时能自动实现恒流速和恒压驱替模式,并完成相应数据分析。泵流量为0.01μL/min～50mL/min,流速精度±0.3%。流速显示最小流量为0.01μL/min,恒压模式下能达到1.0μL/min。为模拟地层应力特征,实验采用三轴岩心夹持器。夹持器在测试压力为103.45MPa条件下测试4h无漏迹象,工作压力为68.97MPa;工作温度为5～150℃。实验采用压力传感器在30～100℃条件下,测试精度为±0.02%;在0～50℃条件下,测试精度为±0.04%,压力显示解析度为6.9×10-3MPa。为更精确采集到岩心两端的压差,实验室采用了3个不同量程的高线性压差传感器:(0～5.5×10-2)MPa,(0～8.6×10-1)MPa,(0～2.24)MPa,压差精度±0.5%,在低压差条件下使用(0～5.5×10-2)MPa量程压差传感器。由于岩心液体饱和度一般为80%～90%,孔隙中存在气体或气泡,气水界面对渗流影响较大。为保证岩心孔隙中为单相渗流,在实验室采用了美国岩心公司生产的BP-100空气弹簧回压阀,提高孔隙压力,使得孔隙残余的气体或气泡溶解在液体中,消除非混相流体界面对启动压力梯度测试的影响。回压阀的测试压力为103.45MPa,工作压力为68.97MPa,工作最高温度为177℃。为了尽量达到恒压差驱替,实验室采用高精度多级柱塞驱替泵控制回压阀。2.3实验方法2.3.1岩心渗透率测定模拟开采过程中由于孔隙压力下降造成的储层的应力敏感,实验中围压保持37.93MPa不变,通过精确控制回压的变化来实现孔隙压力的变化。实验步骤如下:①岩心恒温烘干48h、测量岩心的长度、直径及气测渗透率,然后抽空、充分饱和煤油48h并称重。②将岩心放入岩心夹持器,接通流程,对仪器初始值调零,然后同时加围压与回压,每次压力增加3.45MPa,防止岩石所受的有效应力过大,造成岩石严重的变形。最终加围压至37.93MPa,并保持不变,回压为33.10MPa。③打开装煤油的中间容器阀门,进行煤油单相渗流实验,记录岩心在不同压差下的压差与流量。通过回归直线的斜率,计算该有效应力下的液相渗透率;④每次降低回压3.45MPa,压差传感器调零,并重复步骤③,直到回压降至3.45MPa,卸压、停泵,实验结束。2.3.2岩心渗透率测定实验中回压保持3.45MPa不变,通过控制围压的变化来实现有效应力的变化。实验步骤如下:①岩心恒温烘干48h、测量岩心的长度、直径及气测渗透率,然后抽空、充分饱和煤油48h并称重。②将岩心放入岩心夹持器,接通流程,对仪器初始值调零,加围压至8.97MPa,每次压力增加3.45MPa,加回压至3.45MPa,并保持不变。③打开装煤油的中间容器阀门,进行煤油单相渗流实验,记录岩心在不同压差下的压差与流量。通过回归直线的斜率,计算该有效应力下的液相渗透率。④逐步升高围压并重复步骤③,直到围压升高至37.93MPa,卸压、停泵,实验结束。3结果与讨论3.1储层开发过程中,最佳压力和压差传感器实验过程中,为模拟实际地层条件下有效应力特征,通过调整回压控制岩心孔隙压力,从而改变岩石有效应力(图2)。实验所用岩心长度分别为16.82cm和18.81cm,渗透率分别为11.04×10-3μm2和2.57×10-3μm2。渗流曲线表明:随着孔隙压力的降低,有效应力增加,渗透率逐渐增大,且增加幅度为20%～100%。事实上根据双重有效应力理论,储层开发过程中,孔隙压力降低,有效应力增加,岩石发生本体变形,岩石骨架颗粒被压缩,岩石骨架体积减小,孔隙体积降低,渗透率应该降低,很明显实验结果与客观事实相违背。经分析发现,压力传感器和压差传感器在较大压力变化范围内存在零点漂移问题,导致测量过程中实测的压差没有客观反映真实压差。为避免岩心渗流端面面积小(直径2.5cm)可能导致的流量测定不精确,在实验室采用全直径超低渗岩心做应力敏感性评价。在同样压差条件下,采用全直径岩心(直径10cm),更加容易准确地测得体积流量。但在低压差条件下进行单相渗流实验时,由于体积流量相对较大,随着孔隙压力的增加,微弱的零点漂移问题会使得压差的实测值比真实值偏大,最终计算出的渗透率偏小。孔隙压力越大,实验所用的压电式压差传感器的零点出现正漂移越严重,从而导致图2所示的实验结果:渗透率随着有效应力的增加反而升高。很显然这样的实验结果是不符合逻辑的。3.2考虑储层岩石渗透率的应力性评价为了克服压差传感器零点漂移带来的实验误差,在实验室采用回压阀稳定岩心出口端压力,通过改变围压的方法改变岩石的有效应力,并结合双重有效应力进行岩石应力敏感性分析,实验结果见表1和图3。渗透率随着有效应力的增加而降低,并分为2个阶段:第1阶段渗透率下降快,最大降幅达到20%左右;当有效应力达到25MPa时,渗透率下降变慢,进入了第2阶段,第2阶段最大降幅为5%左右。分析认为,岩心中存在微裂缝,微裂缝在低渗、超低渗岩心中对渗透率的贡献比较大。在第1阶段岩石受压缩的同时,微裂缝闭合,使得渗透率大幅度下降。第2阶段岩石主要发生压缩变形,此时的微裂缝处于闭合状态,由于低渗、超低渗透岩心比较致密,压缩系数比较小,不容易被压缩,因此渗透率下降比较慢。扫描电镜实验显示,这些缝主要是以粒间缝、粒缘缝、穿粒缝的形式存在,是孔隙之间的连接通道。这些缝对于低渗、超低渗透岩心的渗透率起重要作用(图4)。然而,油藏条件下岩石处在压缩的状态,微裂缝处于闭合状态,此时的渗透率远远小于岩石在地面时的渗透率。因此,利用应力敏感性实验来分析岩心的应力敏感时,使用第1阶段进行应力敏感性评价是不合适的,渗透率的初始值大于实际地层条件下渗透率的初始值,这样会夸大储层的应力敏感性。而第2阶段微裂缝处于闭合状态,岩石受压缩,与储层的实际情况相符,应用此阶段应力敏感实验结果对储层进行应力敏感性评价,可以真实地反映油藏条件下岩石的应力敏感性。同时还可以看出,储层岩石的应力敏感性并不强。根据文献给出的评价标准,本地区的岩心属于弱应力敏感。3.3高度敏感对电池的影响3.3.1地层压力条件下的渗透率由达西定律可得:v=ΚμdpdrQ=Av=2πrh×ΚμdpdrqBo=2πrΚhμ⋅∂p∂r(6)根据式(2),原始地层压力条件下的渗透率为Κi=Κ0e-b(σ-ϕpi)(7)任意地层压力条件下的渗透率为Κ=Κie-bϕ(pi-p)(8)积分可得q=2πΚih(pe-pw)Boμlnrerwe-bϕ(pi-ˉp)(9)3.3.2应力敏感调查应力敏感强与弱采用应力敏感常数b表示。华庆白豹地区白155井区的具体数据:原始地层压力条件下渗透率Ki为1×10-3μm2;油层有效厚度为10m;应力敏感常数为0.002MPa-1;孔隙度ϕ为10%;黏度μ为1mPa·s;体积系数Bo为1.3m3/m3;控制半径re为200m;井径rw为0.1m;边界压力pe为20MPa;井底压力pw为10～20MPa。由式(9)可知,应力敏感常数越大,产量降低的幅度越大。第1阶段的应力敏感指数大于第2阶段应力敏感指数,采用第1阶段的应力敏感指数评价储层将夸大储层的应力敏感性。由图5可见,第2阶段应力敏感常数对应的产量与无应力敏感时相差不大,几乎重合。由此可以得出:由于低渗、超低渗透储层的应力敏感性不强,因此低渗、超低渗透储层的产量压敏性不