鄂爾多斯盆地致密油儲層覆壓孔滲特征實驗研究

陳信良， 楊正明， 趙新禮， 張亞蒲， 李海波， 牛中坤， 李雯

(1.中國科學院大學工程科學學院， 北京 100049； 2.中國科學院滲流流體力學研究所， 廊坊 065007；3.中國石油勘探開發研究院提高石油采收率國家重點實驗室， 北京 100083)

近年來，致密油已然成為中國非常規油氣勘探與開發的熱點[1-3]。截止到2019年底，致密油地質資源量為125×108t，可采資源量為13×108t，是支撐中國原油上產的重要資源[4-5]。但致密油儲層微觀孔隙結構復雜，非均質性較強，孔滲較低[6-7]，進而導致對地層采用補充能量的開發方式較為困難[8]，因此致密油開發時，整體呈現衰竭式開發的狀況[9-10]。隨著致密油衰竭式開發的進行，地層壓力不斷下降，其儲層孔隙度和滲透率也不斷變化[11-12]，其孔滲變化程度直接影響了致密油后續的開發。因此，研究致密油覆壓條件下的孔滲特征變得尤為重要。

早在1999年，吳凡等[13]便對上覆壓力與巖石孔滲之間的關系進行了研究，并建立了上覆壓力與巖石孔滲之間的經驗關系式。隨后，又有諸多學者對覆壓條件下的孔滲變化特征進行了研究。Moosavi等[14]利用儲層巖石在不同有效應力下的孔隙體積壓縮特性來推導孔隙度和滲透率與有效應力的關系。Nourani等[15]提出了一種利用環境條件下測得的孔隙度和絕對滲透率數據來預測圍壓下覆巖滲透率的分析實驗方法。張騫等[16]對頁巖覆壓孔滲關系進行了研究，建立了頁巖孔隙度與凈覆壓之間的相關關系和模型。Su等[17]提出了考慮滲透率/孔隙度隨應力變化的記憶效應的分數階松弛方程，從而采用米塔格-萊弗勒(Mittag-Leffler，ML)定律準確描述了有效應力-孔隙度/滲透率關系。但前人針對覆壓孔滲的影響機理研究較少[18]，研究對象主要集中在中高滲、低滲和裂縫性油藏[19-21]，研究普遍認為上覆壓力對巖石滲透率的影響較大，而對巖石孔隙度的影響較小[22-23]，同時針對致密油儲層的覆壓孔滲研究尚少[24]。

現利用YC-4型覆壓孔滲測定儀，對鄂爾多斯盆地133塊致密油巖心進行了覆壓孔滲實驗，得到了不同覆壓條件下巖心的孔滲數據。通過對孔滲數據的分析，提出了基于相對孔隙度及滲透率比值，研究不同覆壓下巖石的孔滲變化規律的方法。同時結合了目前較為先進的同步輻射成像技術，對3塊不同滲透率的代表性巖心進行了高精度成像分析。并從微觀孔隙結構的角度對致密砂巖覆壓孔滲變化影響機理進行了討論，以期為致密油藏的現場開發提供一定的理論指導。

1 覆壓孔滲實驗及實驗結果分析

1.1 巖心制備

為了得到致密砂巖油藏覆壓與孔隙度、滲透率之間的普遍規律，在鄂爾多斯盆地目標區塊16口井的致密砂巖油層，選取并制備了133塊直徑為2.5 cm左右的柱狀巖心樣品作為本次實驗的實驗材料。

為了說明上覆壓力對致密砂巖儲層孔滲的影響，選擇了5塊有代表性的典型巖心，對其實驗過程中的孔滲數據變化進行分析。5塊典型巖心的巖石數據如表1所示。

表1 5塊典型巖心巖石數據

1.2 實驗條件及實驗步驟

本實驗在20 ℃的條件下進行，選用氦氣作為實驗氣體，根據中國石油天然氣行業標準SY/T 6385—2016《覆壓下巖石孔隙度和滲透率測定方法》對實驗進行設計，采用YC-4型覆壓孔滲測定儀(圖1)開展實驗。

圖1 YC-4覆壓孔滲測定儀Fig.1 YC-4 overburden porosity and permeability tester

實驗流程如圖2所示，實驗的具體步驟如下。

(1) 將制備好的巖心進行洗油與烘干處理。

(2) 測定初始條件下每塊巖心的孔隙度與滲透率。

(3) 打開YC-4型覆壓孔滲測定儀對儀器進行預熱并校準。

圖2 覆壓孔滲實驗流程圖Fig.2 Flow chart of overburden porosity and permeability experiment

(4)將巖心放入儀器中進行測試，測試過程保持驅替壓力不變，通過控制圍壓的大小對覆壓進行調整。按照0、2.5、3.5、5.0、7.0、9.0、11.0、15.0、20.0、25.0、30.0 MPa的順序逐步提高覆壓，在每個覆壓點保持壓力恒定后，測量各覆壓下巖心的孔隙度與滲透率并記錄。

(5)按照上述壓力相反的順序降低覆壓測試覆壓卸載時不同有效覆壓下巖心的滲透率并記錄。

(6)對記錄的實驗數據進行處理及分析。

1.3 實驗結果及分析

1.3.1 覆壓孔滲變化規律

基于實驗所得到的5塊最有代表性的典型巖心在0～30 MPa內不同覆壓狀態下的巖心孔隙度與滲透率數據，繪制孔隙度、滲透率與凈有效覆壓之間的關系曲線，如圖3所示。

圖3 5塊典型巖心孔滲與凈有效覆壓之間的關系曲線Fig.3 Relationship between porosity and permeability of 5 typical cores and net effective overburden pressure

通過圖3(a)可以看出，巖心的孔隙度和上覆壓力之間存在一定的相關關系，各巖心的孔隙度均隨著覆壓的增加而逐漸降低，但整體來看巖心的孔隙度大小變化較小。在凈有效覆壓加載的過程中，YY-13巖心孔隙度降低幅度最小，僅降低0.25%；YY-22巖心孔隙度降低幅度最大，但也僅降低0.48%。

通過圖3(b)可以看出，巖心的滲透率和上覆壓力之間存在一定的相關關系，覆壓的變化對巖心滲透率大小影響較大，巖心存在較強的應力敏感性。在覆壓加載過程中，各巖心的滲透率均隨著覆壓的增加而逐漸降低，并且在覆壓增加的初期(覆壓小于10 MPa時)滲透率下降較快，后期(覆壓大于10 MPa時)下降較慢且逐漸趨于穩定，滲透率變化最大的YY-22巖心和變化最小的YY-42巖心滲透率分別降低了0.162 3 mD和0.020 6 mD；在覆壓卸載的過程中，各巖心的滲透率隨著覆壓的降低而逐漸上升，巖石的滲透率始終低于加載時的滲透率，即使覆壓全部卸載，巖心的滲透率也無法再回到實驗初始的滲透率水平，滲透率發生了一定量的不可逆損失。

1.3.2 覆壓孔滲相對變化規律

由于致密巖心孔隙度和滲透率相對于中高滲儲層來說較小，用絕對值難以表征其孔滲變化特征，因此提出利用孔滲相對值來表征其孔滲變化規律。為了對覆壓孔滲的變化規律進行更為深入的分析，對上述5塊巖心的實驗數據進行進一步處理，繪制其相對孔隙度、相對滲透率比值與凈有效覆壓之間的關系曲線，如圖4所示。相對孔隙度和相對滲透率比值的計算公式為

(1)

(2)

圖4 5塊典型巖心相對孔滲比值與凈有效 覆壓之間的關系曲線Fig.4 Relationship between relative porosity, permeability ratio and net effective overburden pressure of 5 typical cores

通過圖4(a)可以看出，上覆壓力對相對孔隙度比值的影響也較大，每塊巖心在覆壓條件下的孔隙度與初始孔隙度相比都有較為明顯的損失，但損失程度各不相同。通過對5塊典型巖心的巖石數據進行對比分析可以發現，巖心在覆壓下孔隙度的損失程度與其初始滲透率具有一定的相關性，滲透率越低的巖心，其孔隙度損失程度也相對越大。在凈有效覆壓加載的過程中，滲透率較高的YY-13巖心和滲透率較低的YY-42巖心的相對孔隙度分別降低了1.73%和10.54%。

通過圖4(b)可以看出，上覆壓力對相對滲透率比值的影響較大，每塊巖心在覆壓條件下的滲透率與初始滲透率相比均有較大程度的損失。通過對5塊典型巖心的巖石數據進行對比分析可以發現，巖心在覆壓下滲透率的損失程度與其初始滲透率具有一定的相關性，巖心滲透率越低，其滲透率損失程度越大，在凈有效覆壓加載過程中，滲透率較高的YY-13巖心和滲透率較低的YY-42巖心的相對滲透率分別降低了64.32%和94.94%。同時，各巖心的滲透率不可逆損失與其初始滲透率同樣具有一定的相關性，滲透率越低的巖心，其滲透率不可逆損失也相對越大，卸壓過后，滲透率較高的YY-13巖心和滲透率較低的YY-42巖心的相對滲透率分別降低了42.32%和74.60%。

1.3.3 油層條件下孔滲特征關系研究

基于對覆壓孔滲數據的分析，發現巖心在覆壓下的孔隙度、滲透率損失程度均和巖心的初始滲透率具有一定的相關性，故利用實驗所得到的133塊巖心在初始和油層壓力條件下的孔隙度與滲透率數據繪制出油層壓力條件下巖心相對孔隙度、滲透率比值與初始滲透率之間關系的散點圖，并進行擬合，如圖5所示。

圖5 油層條件下巖心相對孔隙度、滲透率比值與 初始滲透率關系Fig.5 Relationship between core relative porosity, permeability ratio and initial permeability under reservoir conditions

通過圖5可以看出，油層條件下巖心相對孔隙度、滲透率比值與初始滲透率有較好的半對數關系，巖心的初始滲透率越低，儲層條件下巖心與初始巖心的孔隙度與滲透率相差比例就越大。同時，滲透率在油層條件下的損失的程度要大于孔隙度，上覆壓力對滲透率的影響要大于對孔隙度的影響。通過對擬合的公式進行計算可以得出，當巖心初始滲透率為0.5 mD時，巖心在油層條件下的相對孔隙度、滲透率比值分別為79.82%和55.40%；當巖心初始滲透率為0.1 mD時，儲層的相對孔隙度、滲透率比值分別為67.78%和37.54%；當巖心初始滲透率為0.01 mD時，儲層的相對孔隙度、滲透率比值分別為50.55%和11.99%。

儲層孔隙度的變化將極大地影響儲層儲量計算的大小，儲層滲透率的變化也將極大地影響地下流體滲流能力的大小。通過圖5可以看出，當巖心滲透率為0.1 mD時，初始測得的巖石相對孔隙度、滲透率比值均為100%，而油層條件下巖石相對孔隙度、滲透率比值分別為67.78%和37.54%，其儲量在計算時則會下降32.22%，流動能力下降62.46%。因此，在對油層條件下的油藏儲量以及滲透率進行計算時需要考慮油層壓力對巖石孔隙度以及滲透率的影響。

通過對上述5塊典型巖心覆壓孔滲數據的分析，發現巖心在覆壓下的滲透率不可逆損失和巖心的初始滲透率同樣具有一定的相關性，故基于實驗所得到的11塊巖心的滲透率不可逆損失與初始滲透率數據，繪制出滲透率不可逆損失與初始滲透率之間的關系的散點圖，并進行擬合，如圖6所示。

圖6 滲透率不可逆損失與初始滲透率關系Fig.6 The relationship between irreversible loss of permeability and initial permeability

從圖6中可以看出，經過覆壓過后巖心的滲透率不可逆損失與初始滲透率同樣存在較好的半對數關系，巖心的初始滲透率越低，巖心的滲透率不可逆損失就越嚴重。通過對擬合的公式進行計算可以得出，當巖心初始滲透率為0.5 mD時，巖心的滲透率不可逆損失為31.78%；當巖心初始滲透率為0.1 mD時，巖心的滲透率不可逆損失為52.53%；當巖心初始滲透率為0.01 mD時，巖心的滲透率不可逆損失為82.21%。

2 覆壓孔滲的影響機理

為了揭示引起上述曲線變化的原因，進一步探究鄂爾多斯盆地致密砂巖覆壓孔滲變化的影響機理，采用同步輻射成像技術對其進行研究。同步輻射成像技術(synchrotron radiation computed tomography，SR-CT)是目前世界物質成像方面較為先進的一項技術，其原理與目前廣泛采用的X射線CT成像技術類似，但其所使用的光源同X射線CT成像不同，同步輻射光源具有極高的光強和穿透性，能夠大幅提高巖石結構成像的精度，使巖石結構更加容易辨別，尤其是針對致密砂巖的微觀巖石結構，SR-CT有著較強的優勢[25]。利用美國勞倫斯伯克利國家實驗室先進光源，對實驗所采用的3塊滲透率不同的典型巖心進行SR-CT成像與分析，3塊巖石的巖石數據如表2所示，成像結果如圖7所示。

表2 3塊SR-CT成像巖心的巖石數據

圖7 3塊不同滲透率巖心的SR-CT成像Fig.7 SR-CT imaging of 3 cores with different permeability

2.1 覆壓孔滲變化的影響機理

從圖7中可以看出實驗所采用的致密砂巖巖心整體微觀非均質性較強，巖石骨架顆粒排列不規則、磨圓度較差、接觸方式以線接觸為主。孔隙類型以粒間孔隙、粒內溶孔、晶間孔以及微裂縫為主，部分孔隙內被黏土礦物充填，孔隙分布不均勻且連通性相對較差，部分孔隙之間僅通過粒間縫進行連通。根據所觀測巖心樣品的巖石結構，對覆壓孔滲變化的影響機理進行如下分析。

隨著上覆壓力的緩慢增加，巖石中作為流體主要滲流通道的微裂縫首先會發生閉合，使巖石的孔隙度和滲透率迅速下降；當繼續增大上覆壓力，巖石顆粒將會發生彈性形變，巖石中的孔隙和喉道也將隨著覆壓增加而變得更為狹窄，使巖石孔隙度迅速降低。同時，流動通道的縮小會使流體在巖石中流動阻力上升、流動難度增大，使滲透率也隨之降低；當上覆壓力超過巖石的彈性屈服應力時，部分巖石顆粒還會發生塑性形變以及位移脫落，使巖石顆粒的排列更為緊密，進一步占據孔隙空間。連接各個孔隙之間的喉道還可能會發生閉合、局部溶解重結晶甚至擠壓破壞，閉合的喉道和破碎的巖石顆粒將導致死孔隙的產生，使巖石的孔隙度和滲透率進一步降低。但由于孔隙空間有限，孔隙度和滲透率的降低速度將變得相對緩慢。以上幾點因素共同揭示了覆壓加載過程中圖3和圖4中實驗曲線變化的原因。

在上覆壓力卸載的過程中，雖然具有彈性的巖石顆粒會隨著上覆壓力的降低而逐漸恢復到原來的狀態，但巖石顆粒的塑性變形、溶解重結晶、擠壓破壞以及位移脫落，必然會對巖石的孔隙結構造成不可逆的破壞，從而導致滲透率發生不可逆損失。以上幾點因素共同揭示了覆壓卸載過程中圖3(b)和圖4(b)中滲透率曲線變化的原因。

2.2 滲透率對覆壓孔滲的影響機理

將圖7結合表2中的巖石滲透率可以看出，巖石的滲透率越低，其滲流空間越狹小，孔隙結構越復雜，微觀非均質性越強，孔隙之間的連通性也越差，能夠建立起的有效的滲流通道就越少。由于巖石的滲透率受到諸多因素的影響，任何微小的巖石形變或結構的破壞都會進一步降低有效滲流通道的數量，增加流體在巖石中流動的難度，加劇上覆壓力對巖石孔隙度與滲透率的影響，故巖心的滲透率越低，覆壓對巖心滲透率造成的損失以及不可逆損失也就越大，且滲透率的損失程度也要高于孔隙度的損失程度。以上幾點因素共同揭示了圖5和圖6中實驗曲線的變化原因。

根據上述規律，在現場進行衰竭式開發的過程中，要注意對地層能量的補充，當覆壓不斷增加，一旦對地層孔隙結構造成不可逆傷害，再進行補充能量，也不能回復到原來的滲透率。同時在針對不同滲透率的儲層進行生產開發時，也要注意對地層能量補充方案進行靈活調整，設計合理的注采壓差，以減輕覆壓對巖石孔滲變化的影響，進而改善儲層原油的開發效果。

3 結論

通過上述研究得出以下結論。

(1)本文提出相對孔隙度比值和相對滲透率比值來表征致密油儲層覆壓孔滲變化特征。研究表明，相對孔隙度比值和相對滲透率比值與有效覆壓有很好的相關關系，隨上覆壓力的增加，其相對孔隙度比值和相對滲透率比值變化均較大，與傳統的認識不同。

(2)在油層條件下，其相對孔隙度、滲透率比值以及不可逆滲透率損失與滲透率均具有很好的半對數關系。研究表明，在油層條件下的孔隙度、滲透率的值與在地面的孔滲差異較大，其影響不可忽略。如0.1 mD的巖心，地面測得的相對孔隙度、滲透率比值均為100%，而油層條件相對孔隙度、滲透率分別為67.78%和37.54%，其儲量在計算時則會下降32.22%，流動能力下降62.46%。

(3)利用同步輻射光源成像技術，分析了3塊不同滲透率巖心的微觀孔隙結構特征，從成像中可以看出，致密油巖心的滲透率越低，其微觀非均質性越強，孔隙連通性越差。