劉春志，蒲萬芬，周法元，喻秋蘭

(1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西南石油大學(xué)，四川 成都 610500; 2.中海油(中國)有限公司天津分公司，天津 300452)

不同人造裂縫對滲透率影響的室內(nèi)研究

劉春志1，蒲萬芬1，周法元2，喻秋蘭1

(1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西南石油大學(xué)，四川 成都 610500; 2.中海油(中國)有限公司天津分公司，天津 300452)

為了研究不同人造裂縫對滲透率的影響，介紹了不同巖心造縫方法及其特點(diǎn)，并開展了室內(nèi)物模實(shí)驗(yàn)，測定不同人造裂縫的滲透率。結(jié)果表明:裂縫的克氏滲透率隨裂縫平均寬度的增加而增大，隨圍壓的增大而減小，且存在一定的線性關(guān)系。通過總結(jié)不同人造裂縫滲透率的變化規(guī)律，加深了對裂縫的認(rèn)識，為更好地開采裂縫性儲層提供一定的理論依據(jù)。

人造裂縫;物理模擬;滲透率;裂縫性儲層

引言

在碳酸鹽巖儲層內(nèi)裂縫廣泛分布，其中的張開縫是油氣重要的滲流通道，同時也是竄流的主要通道。裂縫滲透率的大小與裂縫開度、形態(tài)、壁粗糙度和延伸長度等參數(shù)有直接關(guān)系。目前，對裂縫滲透率的研究，由于理論和技術(shù)的限制，只能實(shí)現(xiàn)簡單的數(shù)學(xué)模型和物理模型研究，但可以通過對巖心實(shí)施人造裂縫，觀察和探索不同人造裂縫的滲透率變化規(guī)律。因此，有必要在室內(nèi)開展一系列的實(shí)驗(yàn)研究，分析不同人造裂縫滲透率的變化規(guī)律，包括各種裂縫寬度、裂縫充填情況和應(yīng)力狀態(tài)對裂縫滲透率的影響。

1 不同造縫方法

1.1 對半切割法

1.1.1 制作方法

用切割機(jī)將巖心沿軸向剖為對等的2部分，根據(jù)所需裂縫寬度、形態(tài)進(jìn)行有區(qū)別的充填支撐裂縫。充填物包括篩網(wǎng)、石英砂、陶粒、玻璃球、墊片等。許多室內(nèi)實(shí)驗(yàn)常采用該方法制作裂縫，可評價凝膠封堵裂縫的能力［1－4］。

1.1.2 特點(diǎn)

(1)巖心切割后，可根據(jù)需要對裂縫進(jìn)行充填或不充填，有效模擬不同縫寬的裂縫［5］。

(2)由于充填物是篩網(wǎng)、石英砂、墊片等，不能真實(shí)地反應(yīng)實(shí)際裂縫情況，只能通過簡單模擬來獲得等效參數(shù)。

(3)對于寬度較大的裂縫，在物理模擬中難以實(shí)現(xiàn)。

1.2 徑向擠壓法

1.2.1 制作方法

在天然裂縫發(fā)育的地層，裂縫的形態(tài)取決于其三相應(yīng)力狀態(tài)，根據(jù)最小應(yīng)力原理，裂縫總是產(chǎn)生于強(qiáng)度最弱、阻力最小的方向，即巖石的破裂面垂直于最小應(yīng)力方向［6］。根據(jù)應(yīng)力學(xué)原理，對巖心采取徑向擠壓造縫，即用平口鉗夾住巖心，施加水平方向徑向力。由于垂直于巖心水平方向的受力最小，可產(chǎn)生水平裂縫。

1.2.2 特點(diǎn)

(1)根據(jù)需要對裂縫進(jìn)行充填或不充填，有效模擬不同裂縫寬度、不同滲透率的裂縫。

(2)通過該方法獲得的裂縫壁面十分粗糙，對充填物的篩選有要求，尤其是石英砂、玻璃球的粒徑不能太大。

(3)物理模擬實(shí)驗(yàn)時，巖心易斷裂，應(yīng)限制圍壓大小，而且難以模擬寬度較大的裂縫。

2 裂縫滲透率計(jì)算方法

全蘇地質(zhì)勘探研究所早在1962年就提出薄片法以及野外和實(shí)驗(yàn)室結(jié)合法［7］獲得裂縫滲透率，而現(xiàn)有計(jì)算滲透率的方法主要是通過布辛列克方程［8－10］進(jìn)行推導(dǎo)獲得。另外，Kelton［11］對常規(guī)滲透率儀進(jìn)行了改進(jìn)，發(fā)明了Kelton滲透率儀，可用來測定裂縫的滲透率。

由于本文物模實(shí)驗(yàn)測定的是單一裂縫滲透率，基質(zhì)不參與滲流，由充填物形成不同寬度的裂縫。因此，采用氣測滲透率的公式［8］求取裂縫的滲透率，公式如下:

式中:Kf為裂縫滲透率，μm2;p0為大氣壓力，MPa; Q0為出口氣體流量，cm3/s;μ為氣體黏度，mPa·s; L為巖樣長度，cm;a為裂縫長度，cm為平均裂縫寬度，cm;p1為入口壓力，MPa;p2為出口壓力，MPa。

對所得氣測滲透率值采用圖版法進(jìn)行校正外推獲得克氏滲透率，即多次改變平均壓力，用式(1)計(jì)算多個Kf，繪制Kf與1關(guān)系曲線，外推與Kf軸相交，便可得克氏滲透率Kf'［8］。

3 物理模擬實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)樣品選取具有低孔、低滲致密碳酸鹽巖的巖石。通過室內(nèi)鉆取巖心，常規(guī)物性分析可知，所鉆取的巖心孔隙度平均約為0.41%，克氏滲透率平均約為0.008×10－3μm2，滿足研究巖心單一裂縫滲透率的前提。選取直徑為2.5 cm、長度為7 cm左右的巖心柱，采用2種方式進(jìn)行造縫，裂縫充填物分別為篩網(wǎng)和石英砂，巖心外圍用生膠帶包裹嚴(yán)實(shí)。實(shí)驗(yàn)裂縫巖心基本數(shù)據(jù)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)裂縫巖心基本參數(shù)

3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法

采用常規(guī)氣測滲透率裝置，測定不同人造裂縫的滲透率，并加載不同圍壓，觀察裂縫滲透率的變化情況，實(shí)驗(yàn)流程見圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程示意圖

3.3 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)將0～50號巖樣放入巖心夾持器中，設(shè)定圍壓為3 MPa，通氮?dú)猓⒂涗涍M(jìn)、出口壓力及出口流量。

(2)氣測0～15、30～45號巖樣時，設(shè)定加載多個圍壓點(diǎn):3、5、10、15、20、25、30、35、40 MPa，通氮?dú)?，并記錄在不同圍壓下的進(jìn)、出口壓力及出口流量。

(3)用式(1)計(jì)算各種情況下的滲透率值，再采用圖版法獲得克氏滲透率。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，刪除一些重復(fù)過多的點(diǎn)，繪制出裂縫克氏滲透率與裂縫平均寬度、圍壓、鋪砂濃度之間的關(guān)系曲線，見圖2～7。

圖2 克氏滲透率與裂縫平均寬度關(guān)系

(1)由圖2、3可以看出，克氏滲透率隨裂縫平均寬度的增加而增大。

圖2a顯示，對半切割法與徑向擠壓法相比，進(jìn)行同樣篩網(wǎng)充填時，前者的滲透率變化幅度更大。對半切割法制作的裂縫壁面平整光滑，流體在裂縫中的滲流基本是平行線，另外，隨裂縫寬度的增加，其滲流能力增大，滲透率也相應(yīng)增大;而通過徑向擠壓法制得的裂縫壁面粗糙且彎曲延展，滲流阻力大，因此變化相對較小。圖3a顯示，石英砂充填的滲透率比篩網(wǎng)充填的變化幅度大。因?yàn)槌涮钗锸⑸跋鄬鶆虻姆植荚诹芽p中，裂縫孔隙空間較大，滲流通道基本呈現(xiàn)大孔喉狀，故其裂縫滲透率相對更高。

通過繪制雙對數(shù)坐標(biāo)曲線，可定量得出滲透率與裂縫寬度之間的關(guān)系式。圖2b、3b中4組關(guān)系式的相關(guān)系數(shù)較大，可以看出，裂縫克氏滲透率與裂縫平均寬度的常用對數(shù)之間存在著明顯的線性關(guān)系?；貧w方程揭示了滲透率與裂縫寬度之間的內(nèi)在聯(lián)系。

圖3 克氏滲透率與裂縫平均寬度關(guān)系

(2)圖4顯示，裂縫克氏滲透率隨鋪砂濃度的增大而減小。在同一鋪砂濃度條件下，對半切割法測得的滲透率都比徑向擠壓法高，且滲透率變化幅度要小一些。對半切割法的裂縫壁面平整光滑，充填的石英砂能夠均勻平滑分布于裂縫通道中，而徑向擠壓法產(chǎn)生的裂縫壁面凹凸不平，充填物分布散亂，滲流能力大大減弱，滲透率相對較低;另外，隨著鋪砂濃度的增加，徑向擠壓法充填的石英砂分布愈加散亂，滲流能力降低更快，因此滲透率變化幅度更大。

(3)由圖5可以看出，未充填的裂縫克氏滲透率隨圍壓的增大而減小。在同一圍壓條件下，對半切割法制得的裂縫滲透率與徑向擠壓法相比變化幅度更大。因?yàn)榍罢弑诿嫫秸饣?，裂縫通道平行分布，滲流能力強(qiáng)，而且裂縫平均寬度較大，低圍壓下測得的滲透率較高;隨圍壓增加，前者裂縫寬度減小幅度大，滲透率也隨之出現(xiàn)較大幅度的降低。

圖5b中2組關(guān)系式的相關(guān)系數(shù)較大，可以看出，裂縫克氏滲透率與圍壓的常用對數(shù)之間存在著明顯的線性關(guān)系，這是由于圍壓與裂縫寬度之間相互影響?；貧w方程也間接揭示了滲透率與裂縫寬度之間的內(nèi)在聯(lián)系。

圖4 裂縫克氏滲透率與鋪砂濃度關(guān)系

圖5 克氏滲透率與圍壓關(guān)系

(4)圖6、7顯示，裂縫滲透率隨圍壓的增加而減小。其中篩網(wǎng)充填層數(shù)越多，滲透率變化幅度也越大。因?yàn)槌涮顚訑?shù)多，相應(yīng)的裂縫寬度大，隨著圍壓的增加，裂縫寬度減小幅度大，充填物因受壓變得更加緊密，經(jīng)壓實(shí)后滲流阻力增加，故充填層數(shù)多的滲透率變化大。當(dāng)圍壓大于30 MPa時，滲透率變化幅度不明顯，因裂縫寬度變化甚小，充填物基本壓實(shí)。通過圖6、7對比發(fā)現(xiàn)，同樣層數(shù)篩網(wǎng)充填，對半切割法制得的裂縫寬度更寬，滲流能力更大，因此其滲透率高，滲透率變化幅度也大。

5 結(jié)論及建議

(1)根據(jù)地層裂縫的發(fā)育特征，可采用不同的造縫及充填方法模擬實(shí)際裂縫性儲層中裂縫的狀況。

(2)計(jì)算裂縫滲透率時，建議考慮基質(zhì)參與及不參與滲流的情況，從而采用相應(yīng)的方法計(jì)算裂縫的有效滲透率。

(3)室內(nèi)物理模擬實(shí)驗(yàn)表明，裂縫的克氏滲透率隨裂縫平均寬度的增加而增大，隨圍壓的增大而減小，在雙對數(shù)坐標(biāo)中存在一定的線性關(guān)系，且與鋪砂濃度、造縫方法和充填類型密切相關(guān)。采用對半切割法及石英砂充填制作的裂縫，其滲透率變化幅度相對較大。

圖6 對半切割法克氏滲透率與圍壓關(guān)系

圖7 徑向擠壓法克氏滲透率與圍壓關(guān)系

(4)在物理模擬實(shí)驗(yàn)中，可能會因?yàn)槌涮畈痪鶆驅(qū)е乱粔K巖樣不同部位裂縫寬度相差較大，從而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果;另外還存在充填不均勻的巖樣，因圍壓過大受力不均而破裂，形成次生裂縫，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。建議盡可能地排除影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的因素，從而進(jìn)一步了解和加強(qiáng)對裂縫的研究。

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編輯 王 昱

TE135

A

1006－6535(2012)04－0117－05

10.3969/j.issn.1006－6535.2012.04.030

20120106;改回日期:20120410

國家科技重大專項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”之專題“碳酸鹽巖縫洞型油藏開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)完善與應(yīng)用”(2011ZX05049－004)

劉春志(1985－)，男，2009年畢業(yè)于西南石油大學(xué)石油工程專業(yè)，現(xiàn)為該校油氣田開發(fā)專業(yè)在讀碩士研究生，主要從事提高采收率方面的研究工作。