溫度、壓力對鶯-瓊盆地儲層巖石物性影響的實驗研究

謝玉洪，單鈺銘，李緒深，周 文，童傳新，王 磊

（1.中海石油有限公司湛江分公司，廣東湛江524057；

2.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室（成都理工大學），成都610059）

溫度、壓力對鶯-瓊盆地儲層巖石物性影響的實驗研究

謝玉洪1，單鈺銘2，李緒深1，周 文2，童傳新1，王 磊2

（1.中海石油有限公司湛江分公司，廣東湛江524057；

2.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室（成都理工大學），成都610059）

為探討溫度、壓力的變化對儲層巖石物性的影響，利用高溫高壓巖石物性參數測試系統對鶯-瓊盆地中深層砂巖儲層巖樣進行了氣體介質的變溫及高溫變圍壓孔隙度和滲透率測試。實驗結果表明，鶯-瓊盆地儲層巖石在高溫下的熱膨脹會造成巖石的孔隙度和滲透率出現輕微下降，熱膨脹效應對孔隙度影響很小（變化率＜3%），對滲透率的影響相對明顯（平均變化率8%），且喉道越小，影響越大。在高溫條件下（170℃），壓力因素引起孔隙度和滲透率的下降幅度要大于單一溫度的影響，巖石孔隙度的變化主要受初始孔隙空間大小及泥質含量的控制，而高溫條件對巖石的滲透率降低有抑制作用。實驗巖石表現出的溫度及壓力敏感特性主要受巖石剛性顆粒含量及膠結強度的控制。

鶯-瓊盆地；砂巖；高溫高壓；孔隙度；滲透率

南海西部鶯歌海盆地和瓊東南盆地簡稱鶯-瓊盆地。鶯-瓊盆地屬于高溫高壓盆地，在中深層高溫、高壓地層有重大的油氣發現，探明了如鶯歌海盆地東方13等大型天然氣藏，證明在高溫高壓環境下的天然氣具有大規模成藏條件，而分析高溫高壓環境對儲層巖石物性的影響，是深入認識高溫高壓盆地天然氣運聚條件的必要基礎。

關于溫度變化對儲層物性的影響，國內外學者雖已做了一定的實驗測試研究，但就溫度變化對不同類型儲層物性的影響整體認識還不夠完善。張義等（2006）曾對網狀裂縫儲層巖樣滲透率隨溫度的變化進行過相應的實驗研究，認為隨著溫度的升高，由于受熱，礦物發生膨脹，導致儲層巖石滲透率的降低[1]。實驗研究所用介質類型為惰性氣體或者純水，最高溫度一般在120℃左右。賀玉龍等（2005）、曾平等（2005）研究過溫度和有效應力對滲透率的影響[2，3]，主要針對中孔低滲砂巖（孔隙度為16%～19%，滲透率為3.5×10-3～5.2×10-3μm2），加溫20～60℃，普通水（低礦化度）介質，滲透率降低在50%以上，孔隙度變化極小。葉正榮等（2000）、郭平（2007）針對稠油熱采，研究過礦物轉化、溶解及沉淀，流體相互作用等溫度作用機理[4，5]。

另一類加溫實驗主要見于CO2驅油以及儲層巖石成巖作用研究領域，主要研究儲層在高溫下的水-巖反應，研究溶蝕孔隙成因；實驗條件：高溫反應（220℃），各類流體介質，實驗時間可持續半年多[6-8]。還有國內外學者用氣體介質測試研究高溫產生熱破裂及其對滲透率的影響，其試驗溫度可達到600℃，主要研究高溫冷卻循環后的滲透率變化，確定巖石熱破裂的門檻溫度[9-11]；或者在高溫（600℃）及應力下實時測試致密巖石的滲透率的變化，主要也是研究高溫（200℃以上）段巖石熱破裂對滲透率的影響程度[12，13]。而油氣儲層巖石所處的溫度及流體介質條件極少達到熱破裂條件。

國內外已開展過的壓力敏感性實驗眾多，絕大多數實驗介質主要為各類氣體或地表水，圍限壓力可以加到120MPa，實驗溫度通常也不超過120℃[14-19]。

針對鶯-瓊盆地儲層巖石這方面的研究不多，前人僅在常溫條件測試的少量樣品，顯示出在氣體介質條件下中深層砂巖樣品無或有弱的壓力敏感性。本次研究，綜合考慮了溫度（150～170℃）、圍壓（50MPa）、介質差異等可能的影響因素，同時加溫和加壓，測定儲層巖石的孔隙度和滲透率變化。

1 實驗儀器、步驟及樣品

1.1 實驗儀器及實驗流程

實驗采用“油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室”自主研制的“FC-040地層條件巖石物性參數測試系統”，并根據實驗研究需要，新設計加工了高溫高壓巖心夾持器、溫度自動控制系統、回壓控制系統、流量自動檢測系統等，能夠完成溫度170℃、圍壓70MPa、孔隙壓力35MPa條件下的物性參數測量。本文實驗采用的介質類型為氮氣，因為氣體介質與巖石礦物不發生化學反應，所以主要研究的是溫度、壓力條件引起的物理過程對巖石物性的影響。

不同溫度、圍壓條件下孔隙度測量：①將加工制備好的巖樣烘干，測量幾何尺寸、干重等。②把巖樣裝入巖心夾持器，施加5MPa的圍壓并保持恒定（自動伺服控制，控制精度0.1MPa）。③在選定的溫度條件下進行儀器參數標定，并在該溫度條件下測試樣品的孔隙度。④按照設計的溫度點逐級升高溫度，待每一級溫度平衡后（2h），重復③過程，測定相應溫度條件下巖樣的孔隙度，直至最高溫度點（170℃）。⑤在達到設計最高溫度后，保持溫度條件不變，逐級提高圍壓測定巖樣的孔隙度。

不同溫度、圍壓條件下滲透率測量：①、②過程同孔隙度測量。③在設定溫度條件下，調節氣體穩壓器在巖樣兩端建立穩定的流動壓差，待出口端檢測氣體流量達到平衡后，測定巖樣的滲透率。④按照設計的溫度點逐級升高溫度，待每一級溫度平衡后（2h），重復③過程，測定相應溫度條件下巖樣的滲透率，直至最高溫度點（170℃）。⑤在達到設計最高溫度后，保持溫度條件不變，逐級提高圍壓，測定巖樣的滲透率。⑥可保持溫度不變，逐級減小圍壓至初始圍壓點，測量卸圍壓過程巖樣的滲透率。

1.2 實驗樣品

實驗樣品主要取自南海鶯-瓊盆地樂東、東方、鄰頭、崖城、寶島等構造的探井巖心，樣品主要是中-深層（2～4km）的鶯歌海組（Y）、黃流組（H）、三亞組（SY）、陵水組（LS）、崖城組（YC）的儲層砂巖，主要巖性為極細-細粒長石石英砂巖，泥質含量（質量分數）為2%～15%，主要泥質類型為高嶺石、伊利石，碳酸鹽膠結物總質量分數為5%～20%。實驗樣品常規孔隙度為7.53%～32%。

2 實驗結果及分析

2.1 溫度、壓力對砂巖儲層孔隙度的影響

2.1.1 溫度對巖石孔隙度的影響

按照前述實驗程序測試得到的研究區不同地層、不同孔隙度級別的10個巖樣孔隙度隨溫度的變化關系見圖1。

由圖1可以看出，固定圍壓（5MPa）條件下，鶯-瓊盆地各地層巖樣的孔隙度隨著溫度升高略有降低，但孔隙度的變化幅度整體比較小，一般變化幅度＜3%；且不同地區不同地層及不同量級的孔隙度的變化幅度整體差別不大，說明單一溫度因素對孔隙度的影響很小。其原因是因為在試驗溫度范圍，由溫度產生的巖石礦物顆粒的熱膨脹體積變化較小（砂巖骨架礦物的體積熱膨脹系數為3.34×10-5℃-1），由此造成的孔隙空間體積的變化也不明顯，故孔隙度變化不顯著。

2.1.2 高溫下凈圍壓對巖石孔隙度的影響

高溫（170℃）條件下改變圍壓的孔隙度實驗測試結果見圖2，各級圍壓下巖樣孔隙度下降幅度（用孔隙度比φp/φ0表示）變化關系見圖3。

高溫條件下，鶯-瓊盆地各儲層巖石孔隙度隨著凈圍壓增加呈下降趨勢，達到50MPa凈圍壓時，除2個相對低孔滲的樣品降低幅度可達28.9%和44.5%，一般降幅在5.3%～13.8%之間。

按照實驗過程分析，在達到170℃高溫后，由于保持了充分的穩定時間，巖石礦物的熱膨脹效應已趨于穩定，此時增加凈圍壓主要反映的是應力對巖石的壓縮效應引起的孔隙空間變化。從實驗結果的變化量級看，高溫條件下的壓縮作用對較高孔隙度的巖石影響程度不大，而對相對低孔隙度的巖石影響程度比較大。即高溫條件孔隙度隨凈圍壓的降幅與巖石初始孔隙度有關，初始孔隙度越低，降幅越大（圖4）。另據實驗巖樣礦物學分析結果，低孔隙度的巖石，其泥質等塑性組分含量相對較高，在應力作用下，壓縮變形程度也相對較高。

2.2 溫度、壓力對砂巖儲層滲透率的影響

2.2.1 溫度對巖石滲透率的影響

鶯-瓊盆地8個變溫實驗巖樣的基礎參數見表1，定圍壓（5MPa）下各巖樣變溫實驗獲得的滲透率隨溫度的變化關系見圖5，實驗巖樣變溫時的滲透率降幅統計見表2。

由圖5和表2可見，鶯瓊盆地各地層巖樣的滲透率隨著溫度升高而降低，溫度升高產生的熱膨脹效應對顆粒間的喉道有明顯的縮小作用。研究區不同構造、不同地層巖樣的滲透率總降幅在4.94%～14.55%之間，平均降幅7.92%，總體溫度敏感程度不高，且不同地區不同地層之間滲透率的下降幅度差別也不大。

與孔隙度的變化不同，升高溫度使巖石礦物顆粒產生熱膨脹的體積變化雖然不大，不會造成總孔隙空間有顯著的改變，但對孔隙喉道的縮小影響是顯著的。由于巖石孔隙喉道本身尺度較小，溫度造成的礦物顆粒膨脹的微小變化對巖石喉道的影響程度就比較明顯，因此滲透率會降低。而由溫度升高引起的滲透率的降低幅度（實驗最高溫度條件）也與巖石初始滲透率（孔隙結構/喉道大小）有一定關系，喉道越小，受熱膨脹效應的影響越大，滲透率的降幅也越大（圖6）。

2.2.2 壓力對巖石滲透率的影響

作為對比，首先在常溫下對研究區不同地層、初始孔隙度范圍在17.8%～30.11%、初始滲透率范圍在（2.5～3 573.3）×10-3μm2的巖樣進行的變圍壓實驗，其結果見圖7；實驗最大圍壓下（50MPa）滲透率的下降幅度統計見表3。常溫條件下，黃流組和崖城組巖樣的滲透率降幅相對較小，范圍在12.33%～27.25%之間，平均降幅為19.3%。鶯歌海組、三亞組、陵水組巖樣的滲透率降幅相對較大，平均降幅為25.4%。

高溫（150～169℃）條件下變圍壓實驗巖樣滲透率與凈圍壓的關系見圖8，滲透率比（Kp/K0）與凈圍壓的關系見圖9，最高圍壓條件下滲透率的降幅統計見表4。

依據上述圖、表分析，在高溫條件下，巖石的滲透率會隨著凈圍壓的增加而逐漸降低，巖石滲透率降幅相對較大的階段是凈圍壓初始加載的階段，隨著凈圍壓的進一步增加巖石滲透率的下降幅度逐漸變緩。高溫條件下，該地區黃流組巖樣的滲透率降幅相對較小，在8.61%～16.22%之間；鶯歌海組、三亞組、陵水組、崖城組巖樣的滲透率降幅相對較大，但總體都低于20%。

與常溫條件下的變圍壓實驗相比，高溫下巖樣滲透率的下降幅度有所減小，即高溫環境對巖石應力敏感性有一定的抑制作用。這是由于在達到170℃高溫并保持穩定后，巖石礦物的熱膨脹效應已趨于穩定，此時增加凈圍壓引起的巖石壓縮作用大小主要取決于巖石礦物的組成結構、顆粒結合強度及其變形能力。而巖石在經歷了前期加溫熱膨脹后，巖石孔隙喉道已經受到一定程度的壓縮，表現為隨溫度升高滲透率下降；此時巖石的壓實程度已經有所增大，故孔隙喉道再進一步壓縮的程度會有所降低，所以滲透率的降低幅度減小。疊加溫度和壓力的共同影響，滲透率的降低變化平均在23.06%。

達到實驗最大凈圍壓之后逐漸減小凈圍壓，巖樣滲透率逐漸增大；但加載和卸載過程中相同的凈圍壓點的巖樣滲透率不相同，加載過程所測得的巖樣滲透率高于卸載過程所測得的巖樣滲透率，即存在滲透率滯后現象（圖10）。造成這種現象的主要原因是在凈圍壓增加的過程中巖石的喉道被壓縮變小，使巖石的滲透率降低；當凈圍壓逐漸減小時巖石的喉道會有程度不同的恢復，但并不能完全恢復到初始狀態，恢復程度與巖石彈塑性有關。依據巖樣滲透率總恢復率（卸載到初始圍壓條件的滲透率/加載初始圍壓條件的滲透率）數據統計，其值在90.58%～99.48%，平均恢復率為95.3%，說明高溫條件下實驗巖樣仍然具有較強的彈性，塑性變形比例小。

高溫條件下實驗巖石具有較低的壓力敏感性、滲透率恢復率比較高的特點，認為是所研究的巖石剛性骨架顆粒石英含量比較高，主要膠結物為碳酸鹽礦物，膠結強度較高所造成的。

3 結論

a.鶯-瓊盆地各儲層巖石的組成礦物在高溫條件下會發生熱膨脹，引起巖石的孔隙和喉道的壓縮變化，從而造成巖石的孔隙度和滲透率下降。但熱膨脹體積變化量級較小，不會造成總孔隙空間有顯著的改變，但對喉道的影響相對顯著，所以儲層巖石孔隙度變化很小，滲透率則有8%左右的降低，且喉道越小，受熱膨脹效應的影響越大。

b.在高溫條件下，儲層巖石孔隙度隨著凈圍壓增加而下降，50MPa圍壓時降低幅度范圍為5.3%～44.5%，主要受巖石初始孔隙度及泥質含量的控制，泥質含量越高、初始孔隙度越低，降幅越大。

c.常溫下儲層巖石的滲透率隨著凈圍壓的增加而降低，變化幅度為12.33%～35.86%，為弱-中等偏弱應力敏感類型。高溫條件下，巖石的滲透率有類似的變化特征，但滲透率的下降幅度有所減小（8.61%～20.08%）。這是溫度、壓力因素共同影響的結果，即熱膨脹使巖石先發生一定程度的壓縮，之后的壓力因素使喉道再進一步壓縮的程度會有所降低，所以滲透率的降低幅度減小。

d.高溫條件下實驗巖石具有較低的壓力敏感性，以及加載-卸載實驗滲透率恢復率比較高（95.3%），說明實驗巖樣具有較強的彈性，塑性變形比例小，受控于巖石剛性骨架顆粒含量及膠結強度。

e.依據實驗結果，鶯-瓊盆地各類儲層巖石（特別是中-高品質儲層巖石）在地層高溫條件下，以及地層孔隙壓力異常高的特殊背景下，其孔隙度和滲透率不會大幅度變差；即在該地區實際地層環境條件下，儲層物性仍然可以保持較好。需要說明的是，由于實驗使用非反應性氣體介質，這是單純考慮物理因素的結論。對于存在的其他可能與巖石礦物有化學反應的流體介質，如不同礦化度的地層水，在高溫高壓條件下則要同時考慮物理和化學因素的共同影響。有關這方面的實驗研究已經進行，將另文發表。

[1]張義，賀衛東，陳科，等.網狀裂縫性巖心室內敏感性實驗研究[J].西部探礦工程，2006（1）：86-88.

Zhang Y，He W D，Chen K，et al.Laboratory sensitivity research on fracture shape core[J].West-China Exploration Engneering，2006（1）：86-88.（In Chinese）

[2]賀玉龍，楊立中.溫度和有效應力對砂巖滲透率的影響機理研究[J].巖石力學與工程學報，2005，24（14）：2420-2427.

He Y L，Yang L Z.Mechanism of effects of temperature and effective stress on permeability of sandstone[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24（14）：2420-2427.（In Chinese）

[3]曾平，趙金州，李治平，等.溫度、有效應力和含水飽和度對低滲透砂巖滲透率影響的實驗研究[J].天然氣地球科學，2005，16（1）：31-34.

Zeng P，Zhao J Z，Li Z P，et al.Experimental study concerning the effect of temperature effective stress and water saturation on the permeability of tightsandstone[J].Natural Gas Geoscience，2005，16（1）：31-34.（In Chinese）

[4]葉正榮，樊世忠，蔣海軍.熱采過程中儲層溫度敏感性室內實驗[J].特種油氣藏，2000，7（1）：35-37.

Ye Z R，Fan S Z，Jiang H J.Indoors experimental research on formation sensitivity in thermal production[J].SOGR，2000，7（1）：35-37.（In Chinese）

[5]郭平.稠油熱采過程中的水-巖反應實驗研究[J].石油勘探與開發，2007，34（2）：222-225.

Guo P.Experimental study of water-rock reaction during thermal production[J].Petroleum Exploration and Development，2007，34（2）：222-225.（In Chinese）

[6]Luquot L，Gouze P.Experimental determination of porosity and permeability changes induced by injection of CO2into carbonate rock[J].Chemical Geology，2009，265（1/2）：148-159.

[7]黃思靜，楊俊杰，張文正，等.不同溫度條件下乙酸對長石溶蝕過程的實驗研究[J].沉積學報，1995，13（1）：7-17.

Huang S J，Yang J J，Zhang W Z，et al.Experimental study of feldspar dissolution by acetic acid at difference burial temperatures[J].Acta Sedimentologica Sinica，1995，13（1）：7-17.（In Chinese）

[8]張軍濤，吳世祥，李宏濤，等.川東南志留系泥巖蓋層水巖相互作用的實驗模擬及其研究意義[J].石油實驗地質，2011，33（1）：96-99.

Zhang J T，Wu S X，Li H T，et al.Simulation experimental of water-rock interaction in Silurian mudstone cap formation and its significance in Southeast Sichuan Basin[J].Petroleum Geology ＆Experiment，2011，33（1）：96-99.（In Chinese）

[9]Aruna M.The effects of temperature and pressure on absolute permeability of sandstones[D].Standford，California：Standford University，1978.

[10]陳颙，吳曉東，張福琴.巖石熱開裂的試驗研究[J].科學通報，1999，44（8）：880-883.

Chen Y，Wu X D，Zhang F Q.Experimental study on thermal cracking of rock[J].Chinese Science Bulletin，1999，44（8）：880-883.（In Chinese）

[11]劉均榮，吳曉東.熱處理巖石微觀試驗研究[J].西南石油大學學報：自然科學版，2008，30（4）：15-20.

Liu J R，Wu X D.Microscopic experiment of thermal treated rock[J].Journal of Southweast Petroleum Univerisity（Science ＆Technology Edition），2008，30（4）：15-20.（In Chinese）

[12]張淵，趙陽升，萬志軍，等.不同溫度條件下孔隙壓力對長石細砂巖滲透率影響試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2008，27（1）：53-58.

Zhang Y，Zhao Y S，Wan Z J，et al.Experimental study on effect of pore pressure on feldspaar fine sandstone permeability under different temperatures[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008，27（1）：53-58.（In Chinese）

[13]張寧，趙陽升，萬志軍，等.三維應力下熱破裂對花崗巖滲流規律影響的試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2010，29（1）：118-123.

Zhang N，Zhao Y S，Wan Z J，et al.Experimental research on seepage laws of granite under thermal cracking action with 3Dstress[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，29（1）：118-123.（In Chinese）

[14]石玉江，孫小平.長慶致密碎屑巖儲集層應力敏感性分析[J].石油勘探與開發，2001，28（5）：85-87.

Shi Y J，Sun X P.Stress sensitivity analysis of Changqing clastic reservoir[J].Petroleum Exploration and Development，2001，28（5）：85-87.（In Chinese）

[15]張琰，崔迎春.砂礫性低滲氣層壓力敏感性的試驗研究[J].石油鉆采工藝，1999，21（6）：1-6.

Zhang Y，Cui Y C.Experimental study on pressure sensitiveness of conglomerated gas reservoir with low permeability[J].Oil Drilling ＆Production Technology，1999，21（6）：1-6.（In Chinese）

[16]向陽，向丹，黃大志，等.裂縫-孔隙型雙重介質應力敏感模擬實驗研究[J].石油實驗地質，2003，25（5）：498-500.

Xiang Y，Xiang D，Huang D Z，et al.Study on the stress sensitivity of permeability in fracture-pore dual media by the full simulation experiment[J].Petroleum Geology ＆Experimental，2003，25（5）：498-500.（In Chinese）

[17]尹尚先，王尚旭.不同尺度下巖層滲透性與地應力的關系及機理[J].中國科學：D輯，2006，36（5）：472-480.

Yin S X，Wang S X.The relationship and mechanism between formation permeability and ground stress on different scales[J].Sicience in China（D：Earth Sciences），2006，36（5）：472-480.（In Chinese）

[18]劉建軍，劉先貴.有效應力對低滲透多孔介質孔隙度、滲透率的影響[J].地質力學學報，2001，7（1）：41 -44.

Liu J J，Liu X G.The effect of effective on porosity and permeability of low permeability porous media[J].Journal of Geomechanics，2001，7（1）：41-44.（In Chinese）

[19]張浩，康毅力，陳一健，等.致密砂巖油氣儲層巖石變形理論與應力敏感性[J].天然氣地球科學，2004，15（5）：482-485.

Zhang H，Kang Y L，Chen Y J，et al.Deformation theory and stress sensitivity of tight sandstones reservoirs[J].Natural Gas Geoscience，2004，15（5）：482-485.（In Chinese）

Experimental study on effects of temperature and stress on properties of reservoir rocks in Yinggehai and Qiongdongnan basin，South China Sea

XIE Yu-hong1，SHANYu-ming2，LI Xu-shen1，ZHOU Wen2，TONGChuan-xin1，WANGLei2
1.Zhanjiang Branch of CNOOC Ltd.，Zhanjiang524057，China；2.State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation，Chengdu University of Technology，Chengdu610059，China

In order to study the effects of temperature and pressure on the properties of reservoir rocks，the authors use a testing system of rock physical parameters with high temperature and high pressure to measure the porosity and permeability of the sandstone reservoir rocks in the middle-deep formation of the Yinggehai and Qiongdongnan basin by nitrogen gas.The test results show that the thermal expansion of the reservoir rocks under high temperature will induce a slight decreasing of the porosity and permeability of the rocks.The thermal expansion effect is very small on the porosity（＜3%in variation rate），but the effect is relatively large on the permeability（8%in average variation rate），and the smaller throats in rocks，the greater effect of the thermal expansion on the permeability.The decreasing extent of the porosity and permeability induced by confining pressure under high temperature（170℃）is larger than that induced only by temperature，and the porosity ofrocks variation is controlled by the size of the original pore space and argillaceous content.There is a restraint effect on the permeability decreasing of rocks under high temperature.These special sensitive characteristics of pressure and temperature showed by the tested rock samples are mainly controlled by the stiff particle content and cementation intensity of rocks.

Yinggehai and Qiongdongnan basin；sandstone；high temperature and pressure；porosity；permeability

TE135.3

A

10.3969/j.issn.1671-9727.2015.02.10

1671-9727（2015）02-0218-07

2014-06-10。

國家重大科技專項（2011ZX05023-04）。

謝玉洪（1961-），男，博士，教授級高工，從事海洋油氣科研和管理工作，E-mail：xieyh＠cnooc.com.cn。