致密砂巖啟動壓力測試中圍壓模式的優選

田 巍，朱維耀，朱華銀，和雅琴，信朝選

(1.北京科技大學，北京 100083；2.中油勘探開發研究院廊坊分院，河北 廊坊 065007；3.華北油田公司，河北 任丘 062552）

引 言

啟動壓力梯度的存在一直是一個具有爭議的問題[1-2]，已有文獻[3-5]證實啟動壓力梯度的存在對油田的注水壓力界限、井網井距、開發指標等都存在影響；實際上，由于實驗技術手段的不同，導致測定的啟動壓力梯度的數值也有很大偏差。低滲透致密儲層具有較強的應力敏感性，在不同的上覆壓力下，巖心滲透率傷害也不同，目前對于擬啟動壓力梯度的研究幾乎所有文獻都沒有給出具體的實驗條件，筆者經過多年的室內實驗觀察發現，在室內實驗中，對于不同的圍壓控制模式測得的巖心啟動壓力大小相差迥異。利用吐哈油田低滲致密巖心開展了不同圍壓控制模式下啟動壓力實驗研究，優選出了室內測定啟動壓力梯度的最佳方法，為以后的實驗提供參考。

1 實驗部分

1.1 實驗原理

在實驗過程中，由于圍壓控制模式的不同，導致巖心受到有效應力的差異，從而引起巖石骨架本體變形程度不同，表現在宏觀上就是巖心滲透率數值發生變化，目前研究孔隙介質變形方面的文獻[6-9]較多，但對于孔隙介質變形引起室內測試啟動壓力數值變化的文獻還沒有。實驗通過控制不同的圍壓模式來達到產生孔隙介質變形程度的差異，即巖心受到不同的有效應力，以此來測定不同圍壓控制模式下啟動壓力的數值。

滲流實驗分別按照恒定圍壓和恒定凈圍壓2種模式進行。每種模式均以恒定注入壓力和恒定注入流量2種方式進行，分別測定滲流穩定時的壓力值，并將壓力值換算成壓力梯度，將上述測定的實驗數據以壓力梯度為橫坐標，以流量為縱坐標，繪制成壓力梯度—流量關系擬合直線，通過實驗點回歸擬合得到直線方程，即常見非線性滲流方程（直線段）為：

式中：Q為流量，mL/min；Δp為進出口壓力差，MPa；L為巖心長度，cm；a為擬合直線的斜率；b為擬合直線的截距。

式(1)中的b/a即為擬啟動壓力梯度值。

1.2 實驗設備及流程

滲流實驗裝置選用美國巖心公司生產的Auto-floodTM(AFS300TM)驅替評價系統，注入驅替系統根據實驗要求可設置為恒速或恒壓驅替模式。數據自動采集系統可完成對系統各部分壓力自動采集，并完成相應數據分析。為了模擬地層應力特征，實驗采用三軸巖心夾持器。圍壓系統使用高精度多級柱塞驅替泵，實驗室采用高精度多級柱塞驅替泵控制回壓閥；為更精確采集到巖心兩端的壓力差，采用了高線性壓差傳感器。

1.3 實驗方法

1.3.1 恒定圍壓實驗方案

在恒定圍壓條件下，注入流體分別按照恒定注入壓力和恒定注入流量2種方法進行，實驗設定恒定圍壓 30MPa，分別測定各設定注入壓力（或注入流量）下流體的穩定流量（或壓力），恒定注入壓力實驗設計壓力點為1.0、0.8、0.6、0.4、0.3、0.2MPa，測定不同注入壓力下的流量；恒定注入流量實驗的設計流量分別為 0.001、0.003、0.005、0.008、0.010、0.015mL/min，測定不同流量下的壓差。將各注入方式下實驗點回歸擬合，按照回歸擬合直線求取擬啟動壓力梯度。

實驗步驟如下：①將巖心烘干48h，測定巖心的長度、直徑及克氏氣測滲透率；②將巖心抽真空12h飽和標準鹽水，而后稱重，計算巖心的有效孔隙度；③將巖心放入巖心夾持器，接通流程，對儀器初始值調零，然后加圍壓和回壓，在加圍壓的過程中，以2MPa為步長以0.5h為間隔緩慢施加，防止巖心受到的有效應力過大而嚴重變形，最終加圍壓至 30MPa，而后恒定不變；④打開驅替泵，以恒定的壓力（流量）注入實驗鹽水，待流量（壓力）穩定后，記錄該壓力下的流量值（壓力），更換下一壓力點；⑤直至測定所有設定壓力（流量）點，結束實驗。

1.3.2 恒定凈圍壓實驗方案

實驗開始前，設定凈圍壓為 2MPa，即保持圍壓始終比巖心入口壓力高 2MPa，實驗分別按照恒定注入壓力和恒定注入流量2種方法進行，恒定注入壓力實驗設定注入壓力分別為1.0、0.8、0.6、0.4、0.3、0.2MPa，測定不同壓力下的穩定流量，恒定注入流量實驗設定的流量分別為0.001、0.003、0.005、0.008、0.010、0.015mL/min，測定不同流量下的壓差，依據測定的流量和壓差值回歸擬合求取啟動壓力梯度的大小。

實驗步驟如下：①將巖心烘干48h，測定巖心的長度、直徑和克氏氣測滲透率；②將巖心抽真空12h飽和標準鹽水，而后放入巖心夾持器，接通流程，對儀器初始值調零，設置凈圍壓為 2MPa；③緩慢施加初始圍壓 2MPa，打開驅替泵，以恒定的壓力（流量）注入實驗鹽水；④待流量（壓力）穩定后，記錄該壓力下的流量（壓力）值，更換下一壓力點；⑤直至測定所有設定壓力（流量）點，結束實驗。

半剛性節點模型是對于碗扣式扣件或直角扣件的支架半剛性連接，由于其連接作用達不到剛性節點的連接作用，故要對線剛度比k1、k2進行半剛性修正。采用修正之后的線剛度比按照剛節點模型的步驟進行計算即可。需要注意的是修正只需在碗扣式連接處。除了文獻4中表D-2注明的梁遠端鉸接和嵌固的調整系數不需要修正，其余地方也不必再修正。

1.4 實驗結果與分析

1.4.1 恒定圍壓實驗

實驗過程中保持圍壓恒定30MPa，實驗結果見表1。在恒定壓力注入實驗流體的實驗中，隨著壓力梯度的增加，采出流量逐漸增加，流量和壓力梯度符合直線關系，相關系數在0.9以上，根據實驗點回歸擬合，求得的擬啟動壓力梯度為0.1839MPa/m，可見在較低的壓力梯度下，非線性不明顯，可以通過直線擬合的方法求取擬啟動壓力梯度。對于恒定注入流量實驗，將實驗結果的壓差折算成壓力梯度，按照線性回歸擬合，求得的擬啟動壓力梯度為0.1888MPa/m；在恒定注入流量下，隨著實驗的進行，壓力逐漸升高，壓力梯度逐漸增大，采出液體流量也逐漸增加，直至采出流量穩定，壓力穩定。但實驗過程中壓力上升得較慢，上升到一定值后緩慢下降，而后又上升，起初振動幅度較大，類似阻尼振動的動態變化過程，隨著注入時間的延長，振幅越來越小，直至最后趨于穩定，整個過程耗時較長，極不經濟。

在恒定圍壓模式下，流體無論以何種方式注入，都會由于注入參數的增加而引起相應骨架變形程度的減小，一定的注入壓力對應著一定的骨架形變量，注入壓力越大，巖心骨架應力形變量越小，滲透率得到部分恢復，滲透效果變好，滲流能力變得相對大一些；在恒定注入流量過程中也出現上述類似的變化規律。在注入壓力梯度稍大的情況下，可能會出現實驗點偏離直線而凹向流量軸，因此經回歸擬合測得的擬啟動壓力梯度往往數值偏大。

1.4.2 恒定凈圍壓實驗

實驗設定凈圍壓為2MPa，實驗結果見表1。在恒定注入壓力方式下，圍壓恒定，整個巖心骨架受力處于靜態穩定中，巖心滲流穩定速度較快，從注入開始到滲流穩定所需要的時間較短，將實驗點線性回歸擬合求得擬啟動壓力梯度為0.1660MPa/m。在恒定流量注入方式下，按照數據擬合求得擬啟動壓力梯度為0.1655MPa/m。

表1 不同圍壓控制模式下實驗結果

在恒定注入壓力實驗方式下，孔隙壓力的增加同樣導致圍壓的自動調整，因此對于巖石本體，受力不變，巖心骨架變形程度也是恒定的，巖心的滲透率幾乎沒有變化，即使再增加注入壓力，流量也不會偏離直線太多，這樣在恒定滲透率條件下測得的啟動壓力才和該塊巖心的實際啟動壓力梯度值符合。

在一定注入流量下，隨著注入壓力的升高，圍壓一直變化，由于系統檢測壓力值是有間隔的，井口壓力的變化使巖心總是重復著變形和恢復2個過程，直至進口壓力恒定。恒定凈圍壓，對于巖心本體來說，始終處于動態平衡中，孔隙中的流體受力逐漸增加，巖心本體受力不變，總是從一個凈壓力差調整到下一個相同的凈壓力差，因此，從實驗開始到穩定所需的時間會很長。以注入流量為0.005mL/min壓力變化過程為例，在注入初期，壓力平穩上升，直至最高點為0.621MPa，而后降低至0.572MPa，而后再上升，如此循環，類似阻尼振動，產生了圍繞穩定值 0.588MPa上下波動的振蕩過程，振動幅度越來越小，直至最后穩定在0.588MPa。

2 評價與優選

上述2種圍壓控制模式下，得到4組實驗結果，通過對比發現，恒定圍壓模式下2種注入方式測定的啟動壓力數值相差不大，但都偏高。考慮到低滲巖心不同于一般的中高滲巖心，在圍壓施加過程中，可能由于巖心變形發生應力敏感，導致上覆壓力的增加，引起滲透率的大幅下降。因此室內實驗時，在恒定圍壓模式下注入參數增加的過程中，恒定流量和恒定壓力，都會由于凈圍壓的減小而使滲流效果變好，使得實驗點偏向流量軸，從而使回歸直線在壓力梯度軸的交點變大，即啟動壓力梯度數值變大。

為了判斷2種圍壓控制方案中的應力敏感性變化，參照有效應力[10]理論，有效應力σeff為上層總壓力和孔隙流體壓力p的差值，在實驗室內通常用圍壓Pc表示上層總壓力，則有效應力的計算表達式為：

式中：α為有效應力系數。

當α=1時的表達式即為經典的Terzaghi有效應力表達式，孔隙壓力并非定值，而是一個等效值，一般來說，可以用進口壓力近似代替孔隙壓力。

據文獻[11]評價方法表述可知，對于相同性質的巖心，在相同的有效應力下對應的滲透率值應相等，所測得啟動壓力也應相同或相近，應力敏感指數也不應該差異太大。

式中：K為有效應力為σeff時的巖石滲透率，μ m2；K0為有效應力為0時的巖石滲透率，μ m2；d為巖石應力敏感常數，MPa-1；為巖石應力敏感指數。

依據文獻[11]的算法，即按照式（3）、（4）將恒定圍壓模式下的2組實驗數據分別進行回歸擬合和應力敏感指數計算，擬合和計算結果見表2。

表2 不同圍壓控制方式下的應力敏感性評價

從表2可以看出，按照文獻[11]的方法計算恒定圍壓下應力敏感指數分別為30.92%和37.50%，屬于“中等偏弱”應力敏感，同樣按照國家經貿委發布的“SY-T5358-2002儲層敏感性流動實驗評價方法”中圍壓應力敏感方法計算的滲透率變化率分別為 4.42%和 13.99%（由于注入參數實驗點選取幅度較小，只能計算出滲透率變化率），已經發生弱應力敏感?？梢?，無論依據哪種評價標準，恒定圍壓情況下，都會引起明顯的應力敏感，對于恒定凈圍壓情況下，同樣按照國家經貿委發布標準計算的滲透率變化率極小，可以認為沒有發生應力敏感。

文獻[11-12]對應力敏感進行了研究，一般認為，圍壓會引起巖心骨架的變形，使大孔隙被壓縮、微裂縫閉合，滲透率大幅降低。研究表明，致密砂巖的特點之一是存在連通不好的大孔隙或微裂縫，本實驗巖石中存在構造微裂縫，因此其受壓應力敏感變化分為2個階段：大孔隙壓縮裂縫閉合階段和彈性變形階段，2個階段以凈圍壓11MPa為分界點。在凈圍壓低于11MPa時，滲透率隨凈圍壓變化幅度較大；在凈圍壓高于11MPa時，滲透率隨凈圍壓變化幅度較小，因此在以恒定圍壓方式實驗時，要盡量使巖心在彈性階段進行，這樣測得的數值才有意義。

從經濟可行性和設備要求的角度考慮，在恒定流量情況下，無論是哪種圍壓控制模式，所需的時間都較長，不適合室內大批量測試，但對設備的要求較低，一般的平流泵皆可滿足要求；恒定凈圍壓模式下測試結果準確，而在恒定圍壓模式下測定偏差較大；在恒定注入壓力情況下，2種圍壓模式開展滲流實驗所需時間都不太長，但在恒圍壓模式下測試結果偏差較大，而在恒定凈圍壓模式下測試結果準確，適合室內批量測試，一般的國產成套滲流設備和進口注入設備皆可滿足要求。綜合以上2種控制方法綜合衡量可知：恒定注入壓力下以恒定凈圍壓模式開展實驗方法比較可行。

在油田實際開發過程中，隨著油藏開發的進行，地層壓力會有所下降，儲層受到的有效應力增大，儲層的孔隙空間減小，滲流能力降低，特別是對于裂縫性儲層，有效應力的影響更加明顯。二次采油中注水的目的就是補充地層損失能量，提高孔隙流體壓力，以此提高壓力梯度。在實際地層中啟動壓力梯度是多種因素綜合作用下表現出來的結果，由于持續注水補充了地層壓力的損失，孔隙壓力梯度變化的幅度并不大，因此巖石本體受到的有效應力變化并不明顯。在室內測試啟動壓力梯度時，采用恒定凈圍壓模式可以使巖石有效應力恒定，恒定注入壓力可使巖石孔隙壓力不發生大的波動，因此測試啟動壓力耗時較短，且模擬地層的精度也較高，因此恒定凈圍壓模式下的恒定壓力注入實驗是比較理想的實驗方法。

3 結 論

（1）在室內實驗計算擬啟動壓力梯度時，可以按照實驗點回歸擬合直線的方法求得。

（2）在恒定圍壓模式下所測得啟動壓力梯度數值往往偏差較大，不能反映巖心實際情況， 為適當降低實驗誤差，可在凈圍壓高于11MPa下進行實驗，測試結果有一定可信度。

（3）在恒定凈圍壓模式下，測試數據可靠，恒定流量注入時由于壓力動態變化較大壓力穩定較慢，恒定壓力注入時由于巖心骨架變形穩定壓力穩定較快。

（4）綜合分析認為，室內測定啟動壓力梯度較為理想的圍壓控制模式是在恒定壓力注入方式下的恒定凈圍壓模式。

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