高溫高壓巖石壓縮系數(shù)實(shí)驗(yàn)裝置研制

閆傳梁, 程遠(yuǎn)方, 袁忠超, 劉鈺文, 韓忠英, 王 偉

(1. 中國石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院, 山東 青島 266580；2. 中海油研究總院 海洋石油高效開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100028)

高溫高壓巖石壓縮系數(shù)實(shí)驗(yàn)裝置研制

閆傳梁1, 程遠(yuǎn)方1, 袁忠超2, 劉鈺文1, 韓忠英1, 王 偉1

(1. 中國石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院, 山東 青島 266580；2. 中海油研究總院 海洋石油高效開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100028)

研制了高溫高壓巖石壓縮系數(shù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置,基于該裝置測試了溫度對巖石壓縮系數(shù)的影響。結(jié)果表明：巖石壓縮系數(shù)與巖石所處的應(yīng)力狀態(tài)和溫度密切相關(guān),壓縮系數(shù)隨溫度的升高而增大,隨凈有效覆蓋壓力的增大而降低；在進(jìn)行溫度和孔隙壓力循環(huán)后,巖石的壓縮系數(shù)大幅降低；在進(jìn)行第2次循環(huán)時(shí)壓縮系數(shù)降低幅度最大,隨后壓縮系數(shù)降低的幅度逐漸減小。對衰竭式開采的油氣藏進(jìn)行產(chǎn)能預(yù)測時(shí)需要充分考慮溫度對儲層壓縮系數(shù)的影響。

實(shí)驗(yàn)裝置； 壓縮系數(shù)； 稠油油藏； 高溫高壓

由于稠油密度大、黏度高、流動性差的特點(diǎn),在開采過程中需要采用熱采的方式來提高油藏的采收率,目前常用的稠油熱采方式主要有蒸汽驅(qū)、蒸汽吞吐和火燒油層等[1]。熱采時(shí)儲層溫度可達(dá)300 ℃以上,溫度的升高會對儲層巖石自身性質(zhì)產(chǎn)生影響,其中包括對巖石壓縮系數(shù)的影響。巖石壓縮系數(shù)是一個(gè)反映油藏巖石所能提供的彈性能量大小的一個(gè)重要參數(shù),較大巖石壓縮系數(shù)表明油藏的彈性驅(qū)動能量非常充足,油藏較容易開采，因此巖石壓縮系數(shù)對油藏產(chǎn)能預(yù)測影響很大。

目前確定巖石壓縮系數(shù)的方法主要有經(jīng)驗(yàn)公式法和實(shí)驗(yàn)測量法。經(jīng)驗(yàn)公式法主要包括Hall圖版法和Newman經(jīng)驗(yàn)公式法2種。但Hall圖版法錯(cuò)誤地顯示出巖石壓縮系數(shù)隨孔隙度的增大而減小的邏輯關(guān)系,而且掩蓋了不同巖性之間的差異[2]；Newman法只考慮了巖石壓縮系數(shù)與單因素之間的關(guān)系,使用誤差大[3]。實(shí)驗(yàn)法主要是通過測量巖石在一定的圍壓和孔隙壓力下,因孔隙體積的變化而流出的液體體積來測量巖石的壓縮系數(shù)[4]。肖文聯(lián)、徐軒等[5-6]人發(fā)明并改進(jìn)了巖石壓縮系數(shù)的實(shí)驗(yàn)裝置。王新海等[7]對多組巖樣的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了回歸分析,得到了巖石壓縮系數(shù)的變化規(guī)律。劉榮和等[8]從巖石壓縮過程與壓縮系數(shù)的概念出發(fā),分析了實(shí)驗(yàn)過程中巖石壓縮系數(shù)變化規(guī)律,研究了影響巖石壓縮系數(shù)變化的因素。Sadeghazad等[9]通過實(shí)驗(yàn)的方式研究了應(yīng)力變化與巖石壓縮系數(shù)之間的關(guān)系。此外，丁克文、李海鵬等[10,3]對于巖石壓縮系數(shù)也進(jìn)行了大量的理論研究。但目前關(guān)于巖石壓縮系數(shù)的研究都是在室溫下進(jìn)行的,而儲層溫度要遠(yuǎn)高于室溫,溫度變化對巖石壓縮系數(shù)是否存在影響,影響規(guī)律是什么，至今未見相關(guān)研究報(bào)道。為研究溫度對巖石壓縮系數(shù)的影響,本文設(shè)計(jì)了高溫高壓巖石壓縮系數(shù)測試裝置,并開展了溫度對巖石壓縮系數(shù)的影響規(guī)律研究,為稠油熱采相關(guān)的教學(xué)和科研工作提供實(shí)驗(yàn)支撐。

1 巖石壓縮系數(shù)定義

在油氣開采的過程中,由于孔隙流體被逐漸采出,儲層孔隙壓力降低,有效應(yīng)力增大,使得儲層被逐漸壓縮。在儲層壓縮過程中孔隙體積的減少會使孔隙中的流體被擠出,增加原油產(chǎn)量。因此,在石油工程中只關(guān)心孔隙體積隨孔隙壓力的變化,所以習(xí)慣上把巖石孔隙體積的壓縮系數(shù)稱為巖石的壓縮系數(shù)。巖石的孔隙體積壓縮系數(shù)為改變單位孔隙壓力時(shí)單位孔隙體積的變化值[8],即

(1)

式中,Cp為巖石孔隙體積壓縮系數(shù)(以下稱巖石壓縮系數(shù)),MPa-1；p為孔隙壓力,MPa；Vp為孔隙體積,cm3。

2 高溫高壓巖石壓縮系數(shù)實(shí)驗(yàn)裝置

高溫高壓巖石壓縮系數(shù)實(shí)驗(yàn)裝置主要由高溫高壓巖心夾持器、圍壓系統(tǒng)、孔壓系統(tǒng)，以及各溫度、壓力傳感器組成。實(shí)驗(yàn)裝置簡圖見圖1。高溫高壓巖心夾持器技術(shù)參數(shù)：最高工作壓力為50 MPa,最高使用溫度為400 ℃，適用巖心φ25.0 mm×50 mm，進(jìn)出接口為DW3。

測量時(shí)將巖心放入夾持器的封套中,在巖心中和封套外分別施加孔隙壓力和圍壓,使其在圍壓和孔隙壓力的作用下保持平衡,之后保持圍壓不變,降低孔隙壓力,使巖心孔隙體積壓縮減小,孔隙中的流體排出,通過式(1)計(jì)算其巖石壓縮系數(shù)。

圖1 巖石壓縮系數(shù)實(shí)驗(yàn)裝置簡圖

實(shí)現(xiàn)高溫下儲層壓縮系數(shù)的測試,需要解決2個(gè)關(guān)鍵問題,一個(gè)是巖心夾持器在高溫下的密封問題；另一個(gè)是巖心的密封問題。傳統(tǒng)的巖石壓縮系數(shù)測試主要采用橡膠材料進(jìn)行密封,無法滿足高溫下實(shí)驗(yàn)的要求。

本研究研制的高溫高壓巖心夾持器采用法蘭密封結(jié)構(gòu),上下游柱塞整體位于圍壓腔內(nèi),巖心端面與夾持器柱塞可有效貼合,采用柔性石墨環(huán)對夾持器內(nèi)的圍壓進(jìn)行密封(夾持器結(jié)構(gòu)圖見圖2),克服了傳統(tǒng)設(shè)備采用橡膠密封無法在高溫下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的弊端。

巖心兩端與中間帶孔的壓頭相連,巖心和壓頭都包裹在銅套中進(jìn)行密封,使巖心所有表面都與圍壓隔絕開,有效傳遞圍壓的同時(shí)還可耐受高溫、高壓而持續(xù)工作。采用的銅套壁厚為0.1 mm,由紫銅棒車削加工成型后,經(jīng)真空熱處理制成,在保證輕薄柔軟的前提下還能有一定的韌度,不會在巖心變形時(shí)發(fā)生破裂。

巖心密封方式如圖3所示。巖心、壓頭和小石墨環(huán)都裝入銅套中,與小石墨環(huán)接觸的壓頭端面是一個(gè)錐形面,然后在安裝支架上向下用力壓緊壓帽,使小石墨環(huán)向下與壓頭緊密貼合,同時(shí)小石墨環(huán)受壓向側(cè)向膨脹,與密封鋼套一起將銅套壓緊,實(shí)現(xiàn)巖心與圍壓流體的隔絕。

孔壓和圍壓采用EDC伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行加載,可實(shí)現(xiàn)壓力和流量的自動控制和計(jì)量,當(dāng)孔壓或圍壓發(fā)生變化時(shí)伺服控制系統(tǒng)會自動進(jìn)行補(bǔ)償,使壓力保持在一個(gè)定值,不會因溫度或其他條件的改變而發(fā)生變化,相對于傳統(tǒng)的手搖泵,精度大大提高。

圖2 高溫高壓巖心夾持器結(jié)構(gòu)圖

圖3 巖心密封示意圖

3 溫度對巖石壓縮系數(shù)的影響

本實(shí)驗(yàn)采用人造巖心,取自渤海灣某稠油儲層,埋深1 540 m,巖心孔隙度在44%左右。

圖4為不同溫度下巖石壓縮系數(shù)隨凈有效覆蓋壓力(為圍壓和孔隙壓力的差值)的變化曲線。從圖中可以看出,巖石壓縮系數(shù)隨溫度的增加而逐漸增大,隨凈有效覆蓋壓力的增大而逐漸減小,尤其在凈有效覆蓋壓力較小時(shí)變化更為明顯,說明巖心在逐漸被壓密。

圖5為凈有效覆蓋壓力為9 MPa時(shí),巖石壓縮系數(shù)隨溫度的變化曲線。由圖可知，巖石的壓縮系數(shù)在不同溫度范圍內(nèi)增幅有差異,溫度由25 ℃升高到100 ℃時(shí),巖石的壓縮系數(shù)增加了341%；而當(dāng)溫度由50 ℃升高到100 ℃時(shí),巖石壓縮系數(shù)增加了37%。

圖4 不同溫度下的巖石壓縮系數(shù) 隨凈有效覆蓋壓力變化曲線

圖5 巖石壓縮系數(shù)隨溫度變化曲線

巖石由不同的礦物顆粒組成,不同礦物顆粒之間的熱膨脹率不同,巖石在高溫環(huán)境下,會由于礦物顆粒組分的熱膨脹率的差異,導(dǎo)致內(nèi)部裂縫的擴(kuò)展及誘導(dǎo)裂縫的產(chǎn)生傳播[11]；同時(shí)溫度的升高也使巖石膠結(jié)物的剛度降低,顆粒間的滑移增大[12-13],最終巖石的抗變形能力減弱,巖石壓縮系數(shù)增大。

4 溫度循環(huán)對巖石壓縮系數(shù)的影響

在進(jìn)行稠油油藏開采時(shí),會進(jìn)行多輪次的蒸汽吞吐,儲層溫度會經(jīng)歷多次升溫、降溫和升壓、降壓的循環(huán)過程,為研究多輪次蒸汽吞吐過程中儲層壓縮特性的變化,測試了300 ℃循環(huán)溫度對巖石壓縮系數(shù)的影響。結(jié)果見圖6。每一次壓縮系數(shù)測試結(jié)束后將溫度降低到儲層原始溫度,穩(wěn)定一段時(shí)間后再進(jìn)行加溫和升高孔隙壓力,進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)的測試。如此進(jìn)行5次循環(huán),模擬多輪次蒸汽吞吐過程中儲層特性的改變。

通過對300 ℃循環(huán)溫度下儲層壓縮系數(shù)的測試,發(fā)現(xiàn)在進(jìn)行溫度和孔壓加載循環(huán)后,巖石的壓縮系數(shù)大幅降低，尤其在進(jìn)行第2次循環(huán)后壓縮系數(shù)降低幅度最大,隨后壓縮系數(shù)降低的幅度逐漸減小,第5次循環(huán)后的壓縮系數(shù)趨于平穩(wěn)。

圖6 溫度循環(huán)對巖石壓縮系數(shù)的影響 (凈有效覆蓋壓力9 MPa)

5 結(jié)論

(1) 巖石的壓縮系數(shù)隨凈有效覆蓋壓力的增大而逐漸降低,且降低的幅度隨凈有效覆蓋壓力的增大而減小。

(2) 溫度越高,巖石的壓縮系數(shù)越大,但在不同溫度范圍內(nèi)變化幅度存在差異。

(3) 溫度和孔隙壓力循環(huán)后,巖石的壓縮系數(shù)大幅降低；尤其在進(jìn)行第2次循環(huán)后壓縮系數(shù)降低幅度最大,隨后壓縮系數(shù)降低的幅度逐漸減小,第5次循環(huán)后的壓縮系數(shù)趨于平穩(wěn)。

(4) 溫度升高使稠油油藏巖石壓縮系數(shù)增大,在進(jìn)行蒸汽吞吐開采效果預(yù)測的時(shí)候應(yīng)當(dāng)考慮壓縮系數(shù)的變化；同時(shí)由于油氣藏的儲層溫度都要高于地面,對于其他衰竭式開采的油氣藏在進(jìn)行產(chǎn)能預(yù)測的時(shí)候也應(yīng)當(dāng)考慮溫度對壓縮系數(shù)的影響；高溫高壓巖石壓縮系數(shù)實(shí)驗(yàn)裝置的研制對稠油熱采相關(guān)的教學(xué)和科研工作具有重要意義。

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Development of experimental device for rock coefficient of compressibility under high temperature and high pressure

Yan Chuanliang1, Cheng Yuanfang1, Yuan Zhongchao2, Liu Yuwen1, Han Zhongying1, Wang Wei1

(1. School of Petroleum Engineering,China University of Petroleum,Qingdao 266580， China;2. State Key Laboratory of Offshore Oil Exploitation,CNOOC Research Institute,Beijing 100028, China)

A teaching experimental device for rock coefficient of compressibility under high temperature and high pressure is developed and the effect of temperature on rock coefficient of compressibility is tested by this device. The results show that the rock coefficient of compressibility is closely related to the stress state and the rock temperature,and the coefficient of compressibility increases with the increase of temperature,and decreases with the increase of net effective overburden pressure. When the temperature and pore pressure are circulated,the rock compressibility decreases greatly,and when the second circulation is carried out,the compressibility decreases in maximum,and subsequently,the magnitude of the compressibility factor decreases gradually. Therefore,in the production prediction of depleted oil and gas reservoirs,the influence of temperature on the reservoir coefficient of compressibility should be taken into full consideration.

experimental device; coefficient of compressibility; heavy oil reservoir; high temperature and high pressure

10.16791/j.cnki.sjg.2017.07.026

2016-12-09

2017-02-27

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)項(xiàng)目(2015CB251201)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51574270)；青島市科技計(jì)劃項(xiàng)目(15-9-1-55-jch)；海洋石油高效開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金

閆傳梁(1987—),男,山東泰安,博士,講師,主要從事石油工程巖石力學(xué)方面的教學(xué)和研究工作.

E-mail：yanchuanliang@163.com

P618.13

A

1002-4956(2017)07-0099-04