裂縫性儲層巖心制作方法及評價研究

唐 軍， 吳正良， 蒲俊余， 歐 翔， 謝 盛， 李 巍， 石朝敏

(1中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院 2油氣田應(yīng)用化學(xué)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 3中國石油西南油氣分公司勘探事業(yè)部)

國內(nèi)外學(xué)者研究儲層保護(hù)主要采用巖心流動實(shí)驗(yàn)，測定儲層巖心污染前后的滲透率進(jìn)行研究。針對裂縫性巖心流動實(shí)驗(yàn)而言，準(zhǔn)確控制實(shí)驗(yàn)巖心裂縫寬度，保持構(gòu)成裂縫界面的巖石介質(zhì)性質(zhì)，以及裂縫界面形狀規(guī)則等，尤其重要。一些學(xué)者采用人造巖心[1]造縫并用樹脂類材料粘結(jié)[2]固定以保持縫寬，但由于其巖心來源于非儲層，改變了巖心組分和性質(zhì)，同時樹脂類材料易發(fā)生彈性形變或破碎引起縫寬和滲透率測量不準(zhǔn)。另一些學(xué)者采用測量支撐裂縫用金屬絲厚度作為實(shí)驗(yàn)縫寬[3]，因金屬絲具有彈性,同一金屬絲在圍壓釋放與施壓狀態(tài)下的測量厚度不等，導(dǎo)致測定縫寬失真、滲透率偏離實(shí)際。最終引起實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)規(guī)律性差，實(shí)驗(yàn)結(jié)果背離實(shí)際。

一、裂縫性巖心滲透率的影響因素

1. 礦物組分與黏結(jié)劑對裂縫和滲透率的影響

采用人造巖粉與其它一些黏結(jié)劑混合、壓制、烘干制成人造裂縫巖心，首先，黏結(jié)劑[4]包裹在巖粉顆粒表面而改變了巖石性質(zhì)，并隔斷水敏礦物與污染流體接觸而使其實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)為無水敏但實(shí)際應(yīng)用中卻遭遇嚴(yán)重水敏；其次，因黏結(jié)劑在“硬化”后具有一定彈性，受圍壓作用使縫寬變窄引起測定滲透率降低；再者，因其壓實(shí)程度不高，在圍壓作用下裂縫斷面上的局部巖粉顆粒剝落并在裂縫內(nèi)堆積或滯留于裂縫內(nèi)造成再次堵塞引起滲透率降低。因此，裂縫性巖心流動實(shí)驗(yàn)，不宜使用“人造巖心”。

2. 裂縫復(fù)位及其支撐物位置對滲透率的影響

針對同一裂縫巖心，即使采用完全一樣的金屬絲都按相同方式嵌入裂縫內(nèi)，但在安放支撐金屬絲時，因其擺放位置各異、裂縫復(fù)位程度不同，因裂縫界面各處凹凸不平的程度各異[5]，導(dǎo)致相同圍壓對金屬絲的作用效果不同，引起各組用金屬絲的形變量不同，致使各組實(shí)驗(yàn)縫寬發(fā)生相應(yīng)變化。如表1所示，盡管各組實(shí)驗(yàn)均施加2.0 MPa圍壓，但測定縫寬絕對偏差最大為4.3 μm，其滲透率平均偏差為88.7 mD。事實(shí)上，這與平板縫不同，除圍壓外，裂縫的復(fù)位程度與支撐裂縫用金屬絲的位置都會影響實(shí)驗(yàn)縫寬，因此，不能僅以圍壓大小來度量和判定實(shí)驗(yàn)縫寬。

3. 裂縫的空間形狀對測定滲透率的影響

采用特定儲層鉆取巖心制作實(shí)驗(yàn)裂縫巖心時，其形成裂縫的空間形狀，對裂縫性實(shí)驗(yàn)巖心的有效裂縫率與裂縫寬度的測量和計算將產(chǎn)生重要影響，尤其影響微裂縫的測定滲透率。

注:巖心長度為3.086 cm,直徑為2.516 cm,圍壓為2.0 MPa。

若制作的實(shí)驗(yàn)裂縫斷面呈近似“三角形”，這類裂縫實(shí)際是一個“死縫”,有效裂縫率為零，實(shí)驗(yàn)無法正常進(jìn)行。

若制作的實(shí)驗(yàn)裂縫斷面呈“梯形”，實(shí)驗(yàn)流體在壓差作用下，以非線性流方式流經(jīng)這類裂縫。顯然，這種情況已不能滿足達(dá)西定律與泊肅葉方程的應(yīng)用條件。

當(dāng)制作的實(shí)驗(yàn)裂縫斷面呈較為規(guī)則的“矩形”。這類裂縫空間實(shí)質(zhì)上是一個較為規(guī)則的超薄“長方體”。在壓差作用下，實(shí)驗(yàn)流體沿柱體軸線方向以線性流通過裂縫，這就為應(yīng)用達(dá)西定律與泊肅葉方程建立了充要條件。

二、微裂縫滲透率與縫寬計算公式

由于實(shí)驗(yàn)裂縫空間呈規(guī)整“矩形”，如圖1。

圖1 裂縫空間示意圖

因裂縫性致密儲層流體主要通過裂縫流入井筒而貢獻(xiàn)產(chǎn)量，沒有考慮孔隙滲流貢獻(xiàn)。依據(jù)泊肅葉(Poiseuille)方程和設(shè)定：實(shí)驗(yàn)巖心的單一裂縫長和其截面積分別為D和DW，在巖心兩端壓差Δp作用下，不可壓縮黏滯流的流量[6]Q可表示為：

(1)

依據(jù)達(dá)西定律，不可壓縮黏滯流體，在壓差Δp作用下于微裂縫中的線性穩(wěn)定流量Q可表示為：

(2)

聯(lián)合式(1)、式(2)求解，按參數(shù)設(shè)定單位統(tǒng)一量綱后，得：

(3)

(4)

(5)

式(3)～式(5)中：u—驅(qū)替液黏度，mPa·s；L—巖心長度，cm；D—巖心直徑，cm；S—巖心截面積，cm2；Δp—作用于巖心兩端的壓差，MPa；Q—在壓差Δp作用下，流經(jīng)裂縫的驅(qū)替液平均流量，cm3/min；W—實(shí)驗(yàn)縫寬，μm；Kf—裂縫滲透率，mD；Φf—裂縫率，無量綱。

三、實(shí)驗(yàn)縫寬調(diào)控方法與滲透率測定

(1)準(zhǔn)確測量驅(qū)替液的黏度(u)、巖心直徑(D)與巖心長度(L)。

(2)制作并形成斷面呈規(guī)整“矩形”的實(shí)驗(yàn)裂縫巖心，再沿平行于柱體軸線方向崁入支撐裂縫用金屬絲，把制成的裂縫巖心置于夾持器內(nèi)。

(3)控制圍壓不低于5 MPa且不高于巖心破碎壓力，按由小到大的順序逐漸增大圍壓，測量穩(wěn)定壓差Δp下驅(qū)替液從巖心A端流入、通過巖心裂縫的驅(qū)替液平均流量Q，然后用式(4)計算實(shí)驗(yàn)縫寬。若縫寬偏大，則繼續(xù)增大圍壓調(diào)節(jié)縫寬，直至實(shí)驗(yàn)縫寬達(dá)到要求值。

(4)實(shí)驗(yàn)縫寬調(diào)定后，保持圍壓和巖心不動，持續(xù)維持裂縫復(fù)位程度與支撐用金屬絲位置固定完成下步實(shí)驗(yàn)。并再次測定穩(wěn)定壓差Δp下的平均流量Q，用式(5)或式(6)計算空白裂縫滲透率Kf0。

(5)繼續(xù)保持圍壓和巖心不動，通過倒換閘閥，讓污染流體從(相反方向)巖心的B端流入，控制污染壓力恒定在3.5 MPa下污染巖心2 h。然后，繼續(xù)保持圍壓與巖心不動，倒換閘閥，先讓驅(qū)替液沿污染方向排除管內(nèi)及巖心污染端的殘余污染流體，再讓驅(qū)替液同時流入巖心兩端，并間斷打開巖心污染端的排液出口閥，清潔巖心污染端，直至排除驅(qū)替液較純?yōu)橹埂?/p>

(6)繼續(xù)保持圍壓和巖心不動，倒換閘閥，讓驅(qū)替液從巖心A端流入、測定并記錄最大驅(qū)替壓力。當(dāng)驅(qū)替壓力穩(wěn)定后，測定在穩(wěn)定壓差Δp作用下，單位時間內(nèi)通過裂縫的驅(qū)替液體積即平均流量Q。采用式(5)計算污染后的裂縫滲透率Kf1。

(7)計算裂縫滲透率恢復(fù)率K。K等于污染后的巖心裂縫滲透率占其污染前的裂縫滲透率的百分?jǐn)?shù)。即：

K=(Kf1/Kf0)×100%

(6)

四、實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證

1. 致密巖心的孔隙對測定裂縫滲透率的影響

選取某儲層滲透率極小的致密砂巖制成實(shí)驗(yàn)巖心，首先分別測定其孔隙滲透率K孔隙。然后，按本文介紹的方法制成3個裂縫巖心進(jìn)行3組實(shí)驗(yàn)，分別對每組進(jìn)行20μm和10μm縫寬條件下的流動實(shí)驗(yàn)，測定對應(yīng)壓差Δp下的平均流量Q，并用式(4)計算K孔隙+裂縫，因測定滲透率包含裂縫滲透率和孔隙滲透率兩部分，即：K孔隙f+裂縫=K孔隙+K裂縫，所以，K裂縫=K孔隙+裂縫-K孔隙。把K裂縫代入式(5)計算對應(yīng)的縫寬(W測定)，詳見表2。

表2中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：序號1、2和3對應(yīng)巖心的孔隙滲透率都分別遠(yuǎn)小于其對應(yīng)的裂縫滲透率,當(dāng)裂縫寬度為10μm時，其對應(yīng)的巖心孔隙滲透率分別占其裂縫滲透率的2.75%、1.89%和1.11%；當(dāng)裂縫寬度為20 μm時，其對應(yīng)的巖心孔隙滲透率分別占其裂縫滲透率的0.34%、0.24%和0.14%。且隨著縫寬的增大、巖心孔隙滲透率的減小，其孔隙滲透率的貢獻(xiàn)也越來越小。

表2 致密巖心基質(zhì)上的孔隙對測定裂縫滲透率的影響實(shí)驗(yàn)

注:“孔隙性滲透率測定實(shí)驗(yàn)”是指對儲層鉆取致密巖心在造縫之前進(jìn)行的孔隙性流動實(shí)驗(yàn)；W等效是指包含裂縫與孔隙滲透率的測量縫寬。

2. 驅(qū)替壓力對測定縫寬及其滲透率的影響

選擇同一儲層井深鉆取巖心，按本文介紹的方法制成3個實(shí)驗(yàn)裂縫巖心進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。分別調(diào)控各組的實(shí)驗(yàn)縫寬至恒定，用同一種驅(qū)替流體，分別對每組進(jìn)行3個不同驅(qū)替壓差下的流動實(shí)驗(yàn)，測定對應(yīng)壓差Δp下的對應(yīng)流量Q，實(shí)驗(yàn)結(jié)果詳見表3。

通過A、B、C三組實(shí)驗(yàn)表明：無論是增大壓差還是減小壓差，其測定滲透率和對應(yīng)縫寬都分別保持恒定，且重現(xiàn)性好，也不受巖心尺寸影響；裂縫滲透率僅隨其縫寬而變化并遵循達(dá)西定律。

表3 驅(qū)替壓力對測定縫寬及其滲透率的影響

注:A、B、C三組實(shí)驗(yàn)，使用不同長度與直徑的巖心，各組采用同種流體，通過改變壓差，測定對應(yīng)流量并計算縫寬與對應(yīng)滲透率。

3. 測定縫寬與滲透率及其恢復(fù)率實(shí)驗(yàn)

選擇同一井深鉆取的儲層致密巖心制成5個直徑和長度不等的裂縫性巖心，按本辦法分成5組分別進(jìn)行巖心流動實(shí)驗(yàn),見表4。

結(jié)果表明：5組實(shí)驗(yàn)縫寬平均偏差為0.20 μm、相對平均偏差為0.46%；滲透率的平均偏差為8.8 mD、相對平均偏差為1.5%；滲透率恢復(fù)率的平均偏差為0.30%、相對平均偏差為0.35%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果的重現(xiàn)性好。

5組結(jié)果的絕對偏差最大值：縫寬為0.4 μm、滲透率恢復(fù)率為0.68%。滲透率恢復(fù)率的最大極差僅為1.13%。說明實(shí)驗(yàn)的重現(xiàn)性好，巖心長度與直徑并不影響縫寬和裂縫滲透率及其恢復(fù)率的測定。

同時發(fā)現(xiàn)，表4中序號2與4僅0.8 μm的縫寬變化卻引起滲透率的絕對偏差最大值達(dá)到15.0 mD，最大極差達(dá)到28.3 mD。這表明縫寬的微小變化將引起裂縫滲透率顯著變化，因此，實(shí)驗(yàn)縫寬控制對微裂縫滲透率的準(zhǔn)確測定尤其關(guān)鍵。

表4 測定縫寬與滲透率及其恢復(fù)率實(shí)驗(yàn)

注:表中各組實(shí)驗(yàn)，采用同種流體污染巖心，使用同種驅(qū)替流體測定污染前與污染后的裂縫滲透率。

五、實(shí)驗(yàn)方法應(yīng)用

1. 研究裂縫滲透率變化規(guī)律及其對儲層的傷害

研究縫寬變化對其滲透率恢復(fù)率的影響規(guī)律，評價某鉆完井液對特定裂縫儲層的傷害程度。用優(yōu)選密度為1.07g/cm3的鉆完井液(在120℃滾16 h后冷至室溫)作為污染流體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

按本文介紹的方法和程序，測定系列縫寬條件下的對應(yīng)裂縫滲透率，并計算相應(yīng)的滲透率恢復(fù)率，然后繪制滲透率恢復(fù)率-縫寬曲線，見圖2。

圖2 滲透率恢復(fù)率-縫寬曲線

圖2的曲線表明,該鉆完井液有利于這類裂縫儲層保護(hù)。當(dāng)縫寬小于45 μm時，滲透率恢復(fù)率隨縫寬的減小無限逼近96.3%；在45～50 μm縫寬區(qū)域其值隨縫寬增大而緩慢減??；在50～60 μm縫寬區(qū)域其值隨縫寬的增大而迅速減??；在60～85 μm縫寬區(qū)域其值隨縫寬的增大而緩慢減??；當(dāng)縫寬超過85 μm時其值無限逼近79.3%。

由此可知,針對該類裂縫性儲層，優(yōu)選配方總體上對其傷害程度較輕(傷害率小于20.5%)，并把縫寬小于54 μm的儲層傷害降至10%以內(nèi)；裂縫寬度越大，其傷害程度越嚴(yán)重，反之，則傷害程度減小。

2. 評價和改進(jìn)工作液配方

某井鉆至井深5 440.00 m、奧陶系地層，取鉆井液1#改進(jìn)配方2#、3#、4#作為污染流體評價其對儲層的傷害程度。用同構(gòu)造相應(yīng)層位鉆取巖心制成裂縫性巖心完成實(shí)驗(yàn)，詳見表5。

表5 采用油氣層保護(hù)劑改進(jìn)鉆井完井液配方

結(jié)果表明：2#配方把裂縫滲透率恢復(fù)率從原來的18.5%提高到41.9%,提高了126.5%，反排壓力和浸入深度都有較大減??；3#配方把裂縫滲透率恢復(fù)率進(jìn)一步提高到62.5%,提高了237.8%，反排壓力和浸入深度再次減小；通過評價和優(yōu)選，改進(jìn)儲層鉆完井液性能，把其裂縫滲透率恢復(fù)率提高到了65.2%，累計提高了252.4%。

六、結(jié)果與討論

(1)用本法進(jìn)行裂縫性巖心流動實(shí)驗(yàn)，既滿足達(dá)西定律和泊肅葉方程應(yīng)用的充要條件，又符合特定儲層巖性與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等環(huán)境條件，可利用它們來分析測定裂縫寬度及其滲透率，揭示儲層裂縫滲透率隨其縫寬變化的規(guī)律性，并提高實(shí)驗(yàn)測量的準(zhǔn)確性，以及特定儲層評價的針對性與實(shí)用性。

(2)應(yīng)用儲層流體流動基礎(chǔ)理論，采用儲層巖心制成規(guī)則的單一裂縫單元進(jìn)行流動實(shí)驗(yàn)，減少了多裂縫對縫寬測定的影響，排除了非儲層因素與裂縫形狀等其它因素對裂縫及其滲透率測定的影響，保證了方法應(yīng)用的可靠性和實(shí)用性。

(3)盡管不能保證各組實(shí)驗(yàn)所放置的裂縫支撐物位置及其復(fù)位程度都完全一樣。但各單組實(shí)驗(yàn)的裂縫支撐物位置及其復(fù)位程度都唯一確定，借助合適圍壓調(diào)定此施壓狀態(tài)下的縫寬，維持縫寬完成巖心污染、測定其污染前后的滲透率，使單組實(shí)驗(yàn)在同一縫寬條件下完成，解決了實(shí)驗(yàn)縫寬偏離實(shí)際導(dǎo)致裂縫滲透率測量失真等問題。