致密砂巖裂縫型油氣藏巖心人工裂縫制備方法

戰永平， 付春麗， 李松巖

(1.中國石油大學(華東)石油工程學院，山東 青島 266555；2. 中國石油集團海洋工程有限公司，山東 青島 266555)

致密砂巖裂縫型油氣藏巖心人工裂縫制備方法

戰永平1， 付春麗2， 李松巖1

(1.中國石油大學(華東)石油工程學院，山東 青島 266555；2. 中國石油集團海洋工程有限公司，山東 青島 266555)

巖心的人工造縫技術是模擬致密砂巖裂縫型油氣藏儲層特征有效方法。依據巖石裂縫形成發展趨勢與巖石破壞機理相似特性，對巖心進行不同方式的破壞產生不同形式的裂縫，運用刀刃徑向拉伸和徑向共軛剪切破壞可制備出具有一條貫穿裂縫的巖心。運用軸向集中應力徑向拉伸破壞，通過監測差應力的大小和方位，控制裂縫的擴展和裂縫網絡的形態，達到制備出具有多條非貫通裂縫的巖心。人工裂縫制備方法，對于推動致密砂巖裂縫型油氣藏巖心室內分析技術的發展具有重要的意義。

致密砂巖裂縫型油氣藏； 巖石破壞形式； 貫穿縫； 非貫穿縫

0 引 言

致密砂巖裂縫型油氣藏是指致密砂巖中含有油氣運移的發育裂縫的一類低滲透砂巖油氣藏。據統計，目前裂縫型低滲儲集層油氣產量占整個油氣產量的一半以上，占準備投產的油氣儲量的2/3以上[1-2]。因此，對致密砂巖裂縫型油氣藏巖心進行油氣儲層室內評價及傷害實驗具有重要的現實意義。

致密砂巖裂縫型油藏的巖石一般硬度較大，質地脆弱，天然裂縫巖心的獲得十分有限。目前，一般利用造縫工具對基質巖心進行人工造縫的方法模擬致密砂巖裂縫型油氣藏[3-6]，其方法主要有壓縫法、劈縫法[7-9]以及切割法[10]。利用造縫工具只能形成一條沿巖心軸向貫穿的裂縫，雖然也可以模擬致密砂巖裂縫性油氣藏，但存在著巖心易破碎，成功率低，重現驅替時易斷裂的問題。

本文利用人工非貫穿裂縫巖心對貫穿縫的造縫方法進行了改進，根據巖石的破壞形式，利用軸向集中力對巖心進行劈裂造縫。此方法不僅操作簡單，破損小，成功率高，并且可造出具有裂縫網絡的巖心[11]，可更加準確模擬裂縫性油藏。

1 研究原理

裂縫性致密砂巖油藏最主要的特點為裂縫發育，儲層裂隙，滲透率高，是其重要的滲流或儲集空間[12]，主要起導油作用，儲層基質孔隙度較大，主要起儲油作用[13]。儲層發育裂縫的形成是由于巖石受力產生的一種脆性破裂的結構，根據裂縫形成時所受力的性質，可將裂縫分為張拉裂縫、剪切裂縫。張拉裂縫是由張應力作用而產生的裂縫，剪切裂縫是由于剪應力作用而形成的裂縫[14-15]。裂縫的形成與巖石的破壞具有相似性。因此，可運用巖石破壞機理進行人工造縫模擬天然裂縫。

巖石在低溫、低圍壓及高應變率條件下一般發生脆性破壞；相反，則表現為延性破壞或延性流動。室內巖心一般表現為脆性狀態，一般發生張性破裂或剪切破裂，張性破裂的破裂方向平行于最大應力方向或垂直于最大拉應力方向；剪切破裂，其破裂面最初方向與最大應力之間夾角小于45°。圖1是幾種典型的巖石破壞形式。

(a)單軸壓力張性破裂(b)三軸應力 剪切破裂(c)集中應力 張性破裂

圖1 幾種典型的巖石破壞形式

2 貫穿縫制備

根據巖石的破壞形式，利用造縫設備使巖石發生徑向拉伸或者剪切破壞形成裂縫。

(1) 刀刃徑向拉伸。如圖2所示，在圓柱狀巖心周向上用一對對齊的刀刃施加壓力p，刀刃沿加載直徑切入巖心，產生垂直于加載直徑的拉伸應力，在拉伸應力作用下，沿壓力p的方向形成裂縫。此造縫方式，裂縫壁面不會產生摩擦滑動，裂縫面粗糙，但只能形成一條裂縫，無法造出多條裂縫。

(2) 徑向共軛剪切。如圖3所示，將圓柱狀巖心放入由兩個金屬半圓柱面組成的圓柱孔內，使巖心徑向受到一對共軛壓力，巖心在相對壓應力的作用下，沿徑向裂開，生成剪切裂縫。此造縫方式，裂縫壁面會產生摩擦滑動，裂縫面較光滑，但只能形成一條裂縫，無法造出多條裂縫。

圖2 刀刃徑向拉伸造縫

圖3 徑向剪切造縫

3 非貫穿縫制備

根據巖石集中應力的張性破裂形式，若讓其破壞產生非貫穿的張拉裂縫，只是簡單從巖心兩側施加壓力是難以實現的。因此，設計了直徑為1 mm的40Cr結構合金鋼鋼絲若干，借助此鋼絲使巖心發生軸向集中應力徑向拉伸破壞(見圖4)。

圖4 軸向集中應力徑向拉伸

施加壓力p作用于鋼絲，巖心在鋼絲軸向集中應力的作用下，沿壓力p方向形成一條非貫通裂縫。取下鋼絲，調整鋼絲的方位，繼續造縫。此造縫方式，不僅保持了巖心的完整性，并且可造出多條壁面粗糙的非貫穿的交叉裂縫，可以更好模擬致密砂巖裂縫型油氣藏。

4 非貫穿縫的控制

刀刃徑向拉伸與徑共軛剪切造縫，裂縫的產生從承載壓力不再上升開始，直至巖心伴隨“砰”的一聲脆響為止，產生一條貫穿的宏觀裂縫。軸向集中應力徑向拉伸造縫成縫過程與貫穿縫基本一致，但其裂縫的擴展以及裂縫網絡形態可以較好地進行控制。

(1) 裂縫擴展控制。在差應力的作用下，巖石會發生變形，會發生體積的非彈性膨脹，隨著差應力的增大，巖石表現出膨脹局部化時，會產生脆性破壞，隨即產生一條宏觀非貫穿裂縫。因此，通過監測差應力的大小，控制裂縫的擴展是可行的。

(2) 裂縫網絡形態控制。致密砂巖在軸向集中應力作用下發生脆性破壞時，幾乎總是形成一條平行于加載方向的裂縫。據此，改變集中應力的加載位置，可在不同方向上多次造縫，一般可以獲得1～4條壁面粗糙的交叉裂縫，可以為正交裂縫、斜交裂縫、放射狀裂縫，其形態如圖5所示。

(a) 正交

(b) 斜交

(c) 放射狀

5 結 語

本文主要分析了人工貫穿裂縫與非貫穿裂縫的造縫方式，非貫穿裂縫的軸向集中應力造縫方式具有操作簡單，裂縫形態多樣，巖心狀態完整的優點，解決了人工貫穿裂縫巖心流動實驗過程中，沿貫穿裂縫面出現的刺漏與斷裂的問題，可更好地模擬致密砂巖裂縫性油藏。

[1] 羅 群. 致密砂巖裂縫型油藏的巖心觀察描述-以文明寨致密砂巖為例[J]. 新疆石油地質，2010，31(3)：229-231.

[2] 劉軍迎. 裂縫型油氣藏疊前地震檢測方法技術研究[D]. 成都：成都理工大學，2012.

[3] 趙 倫，陳燁菲，寧正福，等. 異常高壓碳酸鹽巖油藏應力敏感實驗評價——以濱里海盆地肯基亞克裂縫-孔隙型低滲透碳酸鹽巖油藏為例[J]. 石油勘探與開發，2013，40(2)：194-200.

[4] 王永蘭，文光耀，李 俊. 敘利亞Gbeibe油田裂縫性碳酸鹽巖長巖心驅替實驗研究[J]. 鉆采工藝，2014，38(3)：95-97

[5] 修乃嶺，田國榮，竇晶晶，等. 頁巖巖心人工裂縫導流能力室內模擬實驗研究[J]. 重慶科技學院學報(自然科學版)，2014，16(6)：79-82.

[6] 郭 平，王 娟，劉 偉，等. 縫洞型凝析氣藏衰竭開采動態實驗研究[J]. 石油鉆采工藝，2013，35(2)：67-70.

[7] 張麒麟，王學英，魏 軍，等. 裂縫性巖心評價方法及儲層保護技術[J]. 鉆井液與完井液，2009，26(3)：16-20.

[8] 徐 剛，李世杰，尚 明，等. 一種裂縫性油藏巖石物理模擬方法的建立[J]. 山東科技大學學報(自然科學版)，2010，20(2)：84-87.

[9] 賈 虎，蒲萬芬，廖 然，等. 縫洞型油氣藏物理模擬試驗方法研究[J]. 石油鉆探技術，2010，38(6)：102-108.

[10] 劉春志，蒲萬芬，周法元，等. 不同人造裂縫對滲透率影響的室內研究[J]. 特種油氣藏，2012，19(2)：117-122.

[11] 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)：86-89.

[12] 張云峰，趙旭光，王 宇，等. 正斷層伴生裂縫物理模擬實驗研究[J]. 科學技術與工程，2010，36(10)：8975-8979.

[13] 閆鳳林，劉慧卿，楊海軍，等. 裂縫性油藏巖心滲吸實驗及其應用[J].斷塊油氣田，2014，21(2)：228-231.

[14] 陳熾昭. 巖石破壞機理的探討[J]. 巖石力學，1985(3)：12-13.

[15] 臧德勝，歐陽連勤. 壓剪條件下巖石破壞機理的探討[J]. 礦山壓力與頂板管理，2001(3)：77-80.

The Artificial Cracks Preparation Method for the Tight Sandstone Facture Reservoir

ZHANYong-ping1,FUChun-li2，LISong-yan1

(1. Petroleum Engineering, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266555, Shandong, China； 2. CNPC Offshore Engineering Company Limited, Qingdao 266555, Shandong, China)

Artificial fracture is a good way to simulate the tight sandstone fracture reservoirs. Different artificial fractures were made by using the different breaks, the core with a through crack was made with the blade radial stretch and radial conjugate shear break. The core with multiple non-penetrating crack was made with the axial radial stress, and fracture expansion and network form were controlled by monitoring the size and orientation of stress. Artificial fracture has the vital significance to develop the core laboratory analysis technology of the tight sandstone fracture reservoirs.

tight sandstone facture reservoir； core breaking form; through crack； non-interpenetrated crack

2016-03-25

國家自然科學基金資助項目(51304229)；中國石油大學(華東)精品實驗建設項目(JS201402)

戰永平(1982-)，男，山東招遠人，實驗師，現從事壓裂實驗、壓裂實驗方案優化等方面的教學與研究。

Tel.：15275290018；E-mail：zhanyongping@upc.edu.cn

TE 321

A

1006-7167(2017)01-0010-03