柴西地區(qū)變圍壓條件下儲層物性變化規(guī)律

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(1. 大陸動力學國家重點實驗室，陜西 西安 710069；2. 西北大學， 陜西 西安 710069)

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柴西地區(qū)變圍壓條件下儲層物性變化規(guī)律

張津?qū)?，2，張金功1，2

(1. 大陸動力學國家重點實驗室，陜西 西安 710069；2. 西北大學， 陜西 西安 710069)

利用柴達木盆地西部地區(qū)16個砂巖樣品進行變圍壓實驗，對砂巖儲層中圍壓與孔隙度、滲透率及巖石孔隙壓縮系數(shù)的關系進行研究。結(jié)果表明：當圍壓升高時，巖石顆粒重新排列，體積縮小；當圍壓降低時，巖石顆粒體積恢復，排列樣式不會恢復；圍壓的變化對常規(guī)儲層影響較大，對低滲透儲層影響較小，滲透率變化幅度取決于喉道改變程度。巖石孔隙壓縮系數(shù)隨著圍壓的升高而降低，兩者之間存在指數(shù)函數(shù)關系，建立了圍壓與巖石孔隙壓縮系數(shù)的經(jīng)驗公式，該公式對柴達木盆地西部地區(qū)油藏工程研究具有一定的指導意義。

變圍壓；儲層物性；壓縮系數(shù)；柴達木盆地；柴西地區(qū)

0 引 言

隨著油藏工程技術飛速發(fā)展，儲層地層壓力與孔隙度、滲透率及巖石孔隙壓縮系數(shù)的變化關系成為研究重點。李傳亮[1-3]認為，礦物硬度越大，巖石的壓縮系數(shù)越小，實測巖石壓縮系數(shù)偏高是由于巖心表皮效應所致。王厲強[4-5]認為巖心表皮效應不是實測孔隙壓縮系數(shù)偏大的主要原因，提出實測壓縮系數(shù)校正公式。前人對計算公式做了大量的研究工作[6-7]，而忽視了實驗研究對實際應用的價值。圍壓—孔隙度、圍壓—滲透率及圍壓—巖石孔隙壓縮系數(shù)變化關系具有較強的地域性[8]。該文在取心實驗研究的基礎上，分析柴達木盆地西部地區(qū)(簡稱柴西地區(qū))圍壓—孔隙度、圍壓—滲透率及圍壓—巖石孔隙壓縮系數(shù)的變化關系及影響因素，針對柴西地區(qū)建立了精度較高的指數(shù)函數(shù)公式，可為油田開發(fā)措施調(diào)整提供依據(jù)。

1 實驗方法

1.1 試樣設備與樣品信息

樣品取自于柴西地區(qū)，在不同地區(qū)的4口取心井中各選取4塊樣品，共16塊樣品。16塊樣品埋藏深度為1 728.00～3 441.95 m，巖性為長石砂巖、泥質(zhì)粉砂巖。實驗前樣品顆粒體積為20.487～31.639 cm3，地面孔隙度為10.13%～21.31%，地面滲透率為0.119×10-3～62.000×10-3μm2。

1.2 實驗方案

將16塊樣品分別切成直徑為25.4 mm、高為50.8 mm的圓柱體，端面磨光；將切好的樣品烘干，對部分含油跡樣品除油后進行顆粒體積、孔隙度及滲透率測量。對樣品進行覆壓實驗，分為升壓和降壓2步，對樣品加減壓力到一定數(shù)值時保持3～21 min后進行孔隙體積、孔隙度及滲透率測定，滲透率測試介質(zhì)為N2。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 孔隙度隨圍壓變化分析

將16塊樣品按照實驗前孔隙度的大小排序，選取1組具有代表性的巖心作為實驗樣品，做孔隙度隨圍壓變化關系圖(圖1)。由圖1可知，當圍壓開始升高時，孔隙度隨圍壓的增大而降低，升壓初期孔隙度降低幅度較大，后期幅度趨于平緩；當壓力增至44.728 MPa時停止升壓，改為降壓，在降壓的過程中，孔隙度隨著壓力的降低而升高，降壓初期樣品孔隙度的升高幅度與升壓后期孔隙度升高幅度相似，部分樣品孔隙度大于升壓后期孔隙度，整個降壓過程孔隙度變化曲線接近直線。

圖1 孔隙度與圍壓的關系

孔隙度的變化大小取決于巖石在凈上覆壓力狀態(tài)下的形變程度。實驗結(jié)果認為，無圍壓狀態(tài)下巖石顆粒松散排列(圖2a)；當圍壓開始升高時，巖石顆粒與顆粒之間發(fā)生重新排列(圖2b)；圍壓持續(xù)增大至顆粒無法再重新排列(圖2c)，巖石顆粒與顆粒之間開始發(fā)生相互作用，顆粒發(fā)生縮小變形，同時顆粒間孔隙隨之縮小，因此，升壓初期孔隙度變化幅度較大，升壓后期孔隙度變化平緩。實驗壓力達到44.728 MPa時開始降壓，降壓初期顆粒受到的壓力開始釋放，巖石顆粒形變迅速反彈，顆粒間孔隙隨之恢復(圖2d)，出現(xiàn)降壓初期孔隙度大于升壓后期孔隙度的情況。整個降壓過程孔隙度變化的幅度相對平緩，說明巖石顆粒與顆粒之間壓力減小，使顆粒形變逐漸恢復，但顆粒位置發(fā)生的重新排列卻無法恢復到最開始的狀態(tài)，因此，無法達到初始孔隙度。

2.2 滲透率隨圍壓變化分析

為了實驗整體的對比性，繼續(xù)用同一組樣品做滲透率隨凈上覆壓力變化關系圖(圖3)。4個樣品中，2塊樣品(CY4-1、CY4-2)滲透率相對較高，2塊樣品(CY4-3、CY4-4)滲透率相對較低。實驗過程中，升壓前期滲透率下降幅度較大，升壓后期滲透率下降平緩；當壓力增至44.728 MPa時停止升壓，改為降壓。滲透率隨著壓力的降低而增大，降壓前期出現(xiàn)相同圍壓下滲透率大于升壓后期滲透率的現(xiàn)象，整個降壓過程滲透率變化曲線接近直線。

圖2 巖石顆粒隨圍壓變化微觀特征

巖石的孔隙和喉道控制滲透率的大小，按照儲集層滲透率分級，滲透率較高的2塊樣品為常規(guī)儲集層，滲透率較低的2塊樣品為低滲透儲集層。由于該組樣品孔隙度大小相當，因此，樣品滲透率的大小主要取決于喉道的差異，滲透率高的樣品喉道相對較粗，滲透率低的樣品喉道相對較細。根據(jù)實驗結(jié)果顯示，當樣品升壓時，孔隙和喉道均會變小變細。滲透率高的樣品滲透率下降的幅度較大，說明升壓時孔隙受壓，原來的孔喉結(jié)構(gòu)被破壞，喉道縮小，滲透率下降；當樣品降壓時，孔隙和喉道會隨之變大變粗，但是不能恢復到原始狀態(tài)。

實驗過程中，常規(guī)儲集層滲透率變化幅度約為10.0×10-3μm2，升壓前和降壓后最終滲透率變化較大，約為2.0×10-3μm2；滲透率低的2塊樣品在實驗過程中變化幅度在1.0×10-3μm3以內(nèi)，升壓前和降壓后最終滲透率變化微小，范圍在0.5×10-3μm3以內(nèi)。對比分析認為，低滲透儲集層孔隙的受壓縮小或降壓變大對喉道結(jié)構(gòu)的改變影響很小，沒有對滲透率產(chǎn)生較大的影響。該現(xiàn)象說明圍壓的變化對常規(guī)儲集層影響較大，對低滲透儲集層影響微小，即低滲透率儲集層應力敏感性弱。

圖3 滲透率與圍壓的關系

2.3 巖石孔隙壓縮系數(shù)隨圍壓的變化

巖石孔隙壓縮系數(shù)為當外加有效壓力每升高單位壓力時單位孔隙體積的變化量，表達式為：

(1)

式中：Cp為巖石孔隙壓縮系數(shù)，10-4MPa-1；Vp為巖石孔隙體積，cm3；p為圍壓，MPa。

根據(jù)式(1)，將同一組實驗樣品數(shù)據(jù)進行整理計算，并繪制巖石孔隙壓縮系數(shù)隨圍壓變化圖(圖4)。

圖4 巖石孔隙壓縮系數(shù)與圍壓的關系

由圖4可知，巖石孔隙壓縮系數(shù)隨著圍壓的升高而降低，兩者有較好的指數(shù)關系，相關系數(shù)達到了0.953 3，因此，線性回歸公式為：

Cp=31.714e-0.046p

(2)

油藏開發(fā)過程中，儲層圍壓會隨開發(fā)進度發(fā)生改變，導致巖石骨架發(fā)生壓縮變化，壓縮變化促使巖石顆粒、孔隙及總體積的改變，而這種改變會影響巖石孔隙壓縮系數(shù)的大小。式(2)中，儲層圍壓和巖石孔隙壓縮系數(shù)的關系得到了較好的體現(xiàn)。巖石孔隙壓縮系數(shù)是油藏工程研究的一個重要參數(shù)，由于計算巖石孔隙壓縮系數(shù)經(jīng)驗公式有很強的地域性，式(2)僅針對柴達木盆地西部地區(qū)油藏工程研究具有一定的指導意義。

巖石壓縮系數(shù)是油氣藏動態(tài)儲量計算、彈性產(chǎn)能評價和試井解釋結(jié)果的重要參數(shù)。A油藏為柴西地區(qū)復雜斷塊油藏，根據(jù)實測平均壓力，利用式(2)對該油藏開發(fā)過程中巖石壓縮系數(shù)進行計算，可較為便捷地分析巖石孔隙壓縮系數(shù)隨油氣藏開發(fā)動態(tài)變化情況，為開發(fā)調(diào)整提供依據(jù)。例如S40井區(qū)為柴西新探區(qū)，目前處于開發(fā)早期階段。利用式(2)對該井巖石孔隙壓縮系數(shù)隨深度的變化進行分析(表1)。

表1 S40井巖石孔隙壓縮系數(shù)隨圍壓的變化(部分數(shù)據(jù))

由表1可知，砂巖儲層壓縮系數(shù)隨深度的增加逐漸減小，與實際情況相符，且與實測壓縮系數(shù)相近，可為開發(fā)層系和方案的選擇提供依據(jù)。

3 高、低滲透率儲層巖石變形差異對比分析

巖石孔隙和喉道控制滲透率的大小，當孔隙度大小相近時，樣品滲透率大小主要取決于喉道的差異，即滲透率高的樣品喉道相對較粗，而滲透率低的樣品喉道相對較細。高滲透率巖石加載外力時，顆粒與顆粒之間重新排列，當無法重新排列時，顆粒發(fā)生縮小變形，整個過程改變初始的孔喉結(jié)構(gòu)，孔隙度減小，喉道變細，與初始的粗喉道相比變化幅度大，實驗數(shù)據(jù)中的滲透率變化幅度為10.0×10-3μm2左右。低滲透率巖石加載外力時，顆粒與顆粒之間重新排列，顆?？s小變形，孔喉結(jié)構(gòu)也會發(fā)生改變，孔隙度減小，喉道變細。由于低滲透率巖石初始喉道較細，即使孔喉結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，喉道的粗細程度變化也并不大，實驗數(shù)據(jù)中的滲透率變化范圍在0.5×10-3μm3以內(nèi)。李傳亮提出了多孔介質(zhì)的雙重有效應力原理，利用該理論來解釋實驗過程，結(jié)構(gòu)變形可以理解為巖石顆粒與顆粒之間重新排列，本體變形可以理解為顆粒發(fā)生縮小變形。在實驗過程中，高滲透率巖石樣品和低滲透率巖石樣品均發(fā)生結(jié)構(gòu)變形。巖石樣品加壓時，前期主要為結(jié)構(gòu)變形，后期主要為本體變形；降壓時，只發(fā)生本體變形，不發(fā)生結(jié)構(gòu)變形。結(jié)果顯示，高滲透率巖石樣品滲透率變化受結(jié)構(gòu)變形影響較大，低滲透率巖石樣品受結(jié)構(gòu)變形和本體變形影響較小。因此，高、低滲透率儲層巖石變形存在差異，滲透率變化幅度取決于喉道改變程度。

4 結(jié) 論

(1) 圍壓升高時，巖石顆粒發(fā)生重新排列，體積縮?。粐鷫航档蜁r，巖石顆粒體積恢復，但排列樣式不會恢復。圍壓的變化對常規(guī)儲集層影響較大，對低滲透儲集層影響微小。

(2) 表征圍壓—巖石孔隙壓縮系數(shù)的關系為指數(shù)函數(shù)，該函數(shù)為柴西地區(qū)油田開發(fā)及措施的調(diào)整提供依據(jù)。

(3) 高、低滲透率儲層巖石變形存在差異，高滲透率巖石滲透率受結(jié)構(gòu)變形影響較大，低滲透率巖石受結(jié)構(gòu)變形和本體變形影響較小，滲透率變化幅度取決于喉道改變程度。

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[6] 張曉亮. 巖石孔隙壓縮系數(shù)計算新方法 [J]. 特種油氣藏，2014，21(3)：97-9，155.

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編輯 朱雅楠

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.05.028

20151230；改回日期：20160812

中國地質(zhì)調(diào)查局基礎地質(zhì)調(diào)查計劃項目“非常規(guī)能源礦產(chǎn)調(diào)查評價”(12120113040700)

張津?qū)?1985-)，男， 2009年畢業(yè)于西北大學勘查技術與工程專業(yè)，現(xiàn)為該校礦產(chǎn)普查與勘探專業(yè)在讀博士研究生，主要從事油氣地質(zhì)及構(gòu)造地質(zhì)的研究工作。

TE122.3

A

1006-6535(2016)05-0114-04