壓力衰竭對儲層巖石影響的現狀報告

申劍坤 (西南石油大學)

秦柳 (中石油川慶鉆探工程有限公司安全環保質量監督檢測研究院)

張良華 (中石油西南油氣田分公司重慶氣礦)

壓力衰竭對儲層巖石影響的現狀報告

申劍坤 (西南石油大學)

秦柳 (中石油川慶鉆探工程有限公司安全環保質量監督檢測研究院)

張良華 (中石油西南油氣田分公司重慶氣礦)

在油氣開采過程中,隨著烴類流體的不斷采出,油藏內部的孔隙壓力隨之下降,在外部沒有任何補給壓力的情況下,儲層壓力發生衰竭是必然的。油藏的這種變化不僅對孔洞中流體的流動狀態有影響,儲層巖石的微觀和宏觀結構也必然會產生一定的變化,宏觀表現如壓實、地面沉降、套管變形,以及地層滑移、裂縫的閉合和再生等;微觀表現如孔隙度和滲透率的變化、孔喉中毛管壓力以及流體滲流特性的變化等。壓力衰竭引發的一系列問題給鉆井、完井以及開發方案的制定和調整提出了新的挑戰。

孔隙壓力 壓力衰竭 巖石變形 現狀

1 引言

從油氣開采的角度看,孔隙壓力作為油氣藏的一種原始的驅動力,決定著油藏的開采方式,以及油田開發方案的制定和調整,也給開采過程的地層穩定性提出了挑戰。隨著油氣開采的深入,地層壓力的衰竭不可避免,這使工程技術人員不得不在油氣開采的不同時期對開發方案進行評價和調整,特別是針對高溫高壓油氣井這種現象尤為突出。在鉆井方面,孔隙壓力也是不可忽略的參數,它是確定安全泥漿密度窗口的重要參數之一,因此孔隙壓力衰竭也為油田未來鉆井和加密井的鉆井方式提出了新的疑慮。從巖石力學的角度看,孔隙壓力作為地應力的一部分,起著承擔部分上覆巖層壓力和支撐孔隙的作用,它的存在不僅僅是對巖石孔隙結構產生影響,還對巖石的力學特性有不同程度的影響。

2 地層壓力衰竭對巖石變形的影響機理研究

有效應力概念的提出和完善為研究孔隙壓力對巖石力學特性的影響奠定了理論基礎,也提供了一條有效的途徑。Geertsma[1]是首先提出壓力衰竭對儲層的物性有影響的學者,1957年 Geertsma提出了孔隙流體下降會使多孔介質本身以及介質內的流體體積同時發生變化,流體體積的變化可通過PVT分析得到,而多孔介質的體積變化則一直被忽略,基本上沒有測量過。Geertsma在Biot彈性理論和Gassmann的彈性多孔介質的應力分布研究的基礎上,從理論上推導了巖石的體積壓縮系數和骨架壓縮系數。1966年他對油氣開采過程的巖石力學問題進行了實驗研究,結果表明儲層壓力的衰竭會導致地層孔隙壓力的下降,儲層有發生體積收縮的趨勢,由于圍巖的存在,產層的橫向變形受到限制,體積收縮的趨勢轉化為應力減小,最終結果是導致地應力減小,它還通過假設橫向變形為零計算出了最小水平主應力的減小值。

隨著油氣開采的進行,壓力衰竭引發的一系列問題逐漸凸顯,引起大家的重視,壓實沉降可能是這一時期最主要的問題,如北海的Ekofisk油田由于油氣的采出致使地面有高達14 ft(1 ft=30.48 cm)的沉降,荷蘭的 Groningen氣藏也是由于烴類的不斷采出導致了地面沉降等。不少專家學者開始針對開采導致壓力衰竭引起的問題進行研究, Geertsma 1973年在收集了大量的地面沉降的實例后,提出了一種簡單的評價儲層壓實和沉降的方法,他還通過 McCann和 Wilts提出的“tension center”和“vertical pincer”兩個數學模型分析了由壓力衰竭引起的地面沉降和壓實之間的關系[2]。Hertz-Mindlin的球形模型也得出隨著作用在球體上面的壓力增加,球體之間的接觸面積增大,最終表現為巖石強度和硬度增大。Colin M認為,隨著巖石骨架上承受的應力增加必然會伴隨著一些微觀的變形機理,例如顆粒之間的膠結破壞、黏土和云母顆粒的塑性變形、微裂縫的張開和閉合,以及巖石骨架壓實而導致的地面沉降、套管變形等一系列不容忽視的問題[3]。

前期的研究證實了孔隙壓力的衰竭確實可能導致儲層巖石的變形,巖石的壓縮性是不可忽略的,而關于實際應用中巖石的變形又是一個更深入的問題。1985年,Geertsma從力學的角度對脆性碎屑巖地層中井眼和射孔孔眼的穩定性問題進行了分析,他認為在正常的情況下巖石表面的有效應力為零,巖石的破壞是由于流體注入產生的張力或流體采出產生的壓力引起的,而周向應力是井壁和射孔孔眼穩定的關鍵,但周向應力受邊界條件的影響較大,如溫度和孔隙流體壓力,實驗數據表明孔隙壓力對總應力和有效應力都是有影響的,根據聲波時差計算的動彈性模量和考慮了孔隙壓力影響的Gassmann-Biot方程計算出來的動彈性模量值存在較大的差異,說明孔隙壓力對巖石的彈性模量同樣存在影響,Geertsma還指出顆粒之間的接觸類型和尺寸決定著巖石的變形[4]。Johnson等人[5]通過降低孔隙壓力和利用線性差動傳感器調整圍壓,控制巖石的徑向變形的單軸應變實驗來模擬地層壓力衰竭,結果表明,隨著巖石承受的有效應力的增加,孔隙度會下降,在低應力條件下,Ekofisk油藏的白堊石會隨著應力增加少量的彈性變形,應力增加到較高水平后,巖石出現壓實,并隨著應力的增加壓實量不斷增加,但單軸應變實驗得到的體積壓縮量小于靜水壓實驗得到的體積壓實量。還有許多專家學者對壓力衰竭問題進行了研究,如Laurent等人[6]認為孔隙壓力對巖石彈性應變的影響是儲層壓實和儲層沉降問題的基礎,因此對巖石的孔彈性性質進行了實驗室分析。Peter Schutjens[7]等利用解析模型描述了由于壓降和衰竭引起的垂直井眼總應力的變化。

大量的實驗結果和理論分析結果都表明,油藏是由流體和巖石骨架組成,在開采以前儲層巖石在上覆巖層壓力、圍巖壓力和孔隙流體壓力的共同作用下,孔隙流體和巖石骨架共同支撐著上覆巖層壓力,巖石處于平衡狀態。在油氣的開采過程中,隨著油氣的不斷采出,作用在油藏巖石和圍巖上的應力也必然會發生改變,孔隙流體壓力的下降導致巖石骨架承受的有效應力增加,巖石是一種可壓縮的多孔介質,在變化的外力作用下巖石可能會產生一些微觀的變形特征。在開采初期,骨架可能表現出更多的彈性性質,如骨架顆粒之間的接觸面積增大、孔隙體積收縮、儲層壓實等;隨著作用在巖石骨架上的有效應力進一步增大,巖石的變形特征也就越演越烈,塑性變形或者極限破壞占主導地位,地面沉降、套管變形、地層滑移等現象就是地層掏空、孔隙壓力衰竭的另一種更嚴重的后果,確切地說巖石在壓力衰竭過程既有彈性變形也有非彈性變形。因此,對生產過程中壓力衰竭對地層的力學特征的分析對于預防和預測儲層的變形特征意義非凡。

3 生產過程中壓力衰竭的表現

壓力衰竭對生產的影響最早引起大家的重視可能還是在1989年對北海 Ekofisk油藏的一系列地面沉降的報道開始的。Johnson和Menghlnl[5-8]等人通過實驗發現的初始壓力為48.3 MPa,經過17年的生產后,地層壓力降至27.6 MPa,白堊巖的上覆巖層有效應力從13.8 MPa增加到34.5 MPa,由于油氣的采出致使Ekofisk油藏地面有高達14 ft的沉降。與此同時,M.L.Menghlnl等試圖通過一些電測井工具來測量地層壓實,但是精度不很高。N.Morlta等人[9]也提出了一種快速確定由孔隙壓力變化引起的地面沉降、壓實和地應力的方法,但該方法只適用于儲層楊氏彈性模量小于20%或大于150%圍巖楊氏彈性模量的情況。J.W.Dudley[10]通過建立3D地質模型和巖心測試結果得出油氣生產過程壓力衰竭引起的儲層壓實與孔隙坍塌有很大的關系,并不是隨著孔隙度的增加而增大,壓力衰竭值若在巖石能夠承受的范圍內巖石就不會出現孔隙坍塌的情況。

壓力衰竭對儲層孔隙度和滲透率方面的影響是大家比較關心的問題。Musaed[11]認為地層壓力(孔隙壓力)下降對初始孔隙度和滲透率較高的巖石影響較大,他認為原地應力條件下的儲層巖石的滲透率很大程度上取決于巖石的初始孔隙度和滲透率值,該研究表明在預測產量過程假設滲透率與有效應力無關是一個錯誤的假設。國內也有不少專家針對孔隙壓力在巖石特性方面的影響做了不少的研究。A.W.Chan和Zoback[12]利用形式方法定量預測衰竭地層的壓實程度和誘導斷裂的潛力,他們將實驗室測試的巖樣變形數據與現場結合,直觀地確定油藏在衰竭過程的壓實變形、孔隙和滲透率的改變等。張傳進[13]通過三軸應力試驗裝置模擬石油開采過程中的不同地層條件,分析了巖石的力學參數與不同飽和度、不同有效應力之間的關系,試驗結果表明,楊氏模量、抗壓強度與有效圍壓之間為冪律指數關系,隨有效圍壓的增加而增加;孔彈性系數隨有效圍壓增加而降低;楊氏模量、抗壓強度與含水飽和度之間為對數下降關系。朱華銀[14]針對克拉2氣藏的巖石,通過固定孔隙壓力改變圍壓和固定圍壓降低孔隙壓力兩種方式來增大上覆巖層壓力模擬氣藏開采過程,并對實驗過程中的巖石物性的變化規律進行了研究。王學濱等[15]對孔隙壓力與巖體變形之間的關系做了研究,并由試驗得出巖石在圍壓一定的前提下,孔隙壓力越大,抗壓強度和彈性模量越小,巖樣的破壞模式不隨孔隙壓力的增加而改變。樓一珊[16]在巖石力學基礎上,利用摩爾-庫侖準則表征臨界生產壓差與巖石強度參數和地層壓力之間的關系式,并得出臨界生產壓差隨地層壓力衰減而降低,開采初期不出砂的地層隨著開采的不斷進行出砂幾率增大,這就意味著油氣井在生產過程中應注意生產壓差的變化,避免儲層大量出砂。張淵、趙陽升等[17]通過試驗研究認為隨著環境溫度的增加,長石細砂巖滲透率具有孔隙壓力門檻值,在門檻值區域范圍內,孔隙壓力的變化對巖石的滲透率影響較大,當孔隙壓力超出這個范圍后,巖石滲透率隨孔隙壓力的增加呈緩慢增加趨勢。許江等[18]對飽和砂巖進行三軸等圍壓情況下的循環加、卸載孔隙水壓力實驗,結果表明軸向應變曲線加載時呈上凹形趨勢線,卸載段呈下凸形,在加卸載過程中,達到極限值之前都會出現拐點,彈性變形隨循環次數的增加逐漸趨于穩定;而塑性變形隨循環次數的增加而不斷積累,殘余應變隨著循環次數的增加逐漸減小并趨于穩定。

由于孔隙壓力衰竭對儲層的影響,對鉆井、完井和油氣生產都帶來了不同程度的挑戰。鉆井方面由于孔隙壓力的改變,使得原有的安全泥漿密度窗口不再適應,導致鉆井壓力大大超出了地層壓力,鉆井液漏失嚴重,增大了井噴和地層損害的幾率。Shadravan等 (2009)提出在衰竭地層采取欠平衡鉆井取得成功,S.A.Solvang提出控制壓力鉆井解決壓力衰竭地層由于地層壓力的不確定性帶來的鉆井問題。M.Arnone也提出使用MPD技術解決衰竭地層的鉆井問題,以此改善整個鉆井過程,降低風險,并通過提前控制液壓剖面減少施工成本,降低常規施工耗費的大量非生產時間。針對孔隙壓力衰竭對儲層的這些影響,人們正不斷地重視并深入了解它,也試探著用現有的技術手段解決壓力衰竭給油氣開采帶來的問題,目前它仍需要大量的實驗和現場研究。

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10.3969/j.issn.1002-641X.2010.9.011

2009-11-06)