岩石变形及破坏过程中渗透率变化规律的实验研究

第19卷　增刊岩石力学与工程学报19(增):885～888 2000年6月Ch inese J ou rna l of R ock M echan ics and E ng ineering J une,2000

岩石变形及破坏过程中渗透率变化规律的实验研究张守良沈　琛邓金根(中国石油天然气集团公司　100724　北京)(胜利油田　东营　257000)(石油大学　北京　102249)

摘要　为流体所饱和的储层岩石或油砂受上覆压力,构造应力及流体压力的作用,钻井、完井、试井及油藏开采过程中,原有的应力状态受到扰动,在井眼或炮孔周围产生应力集中,岩石或油砂骨架有效应力随流体压力的衰竭而不断增大。通过不同应力状态下岩芯渗透率变化规律同步测试,分析了岩石渗透性与其应力状态及其力学参数间的相关关系,据此建立了渗透率与应力状态相关关系模型。为钻井及试采过程中防止储层损害的合理压差的确定提供了重要的科学依据。

关键词　渗透率,应力状态,相关式

分类号　TU452 文献标识码　A 文章编号　100026915(2000)增20885204

1　岩石渗透率测量方法

根据岩石材料致密程度的不同,渗透率的实验

室测量方法有两种,即瞬态法和稳态法。

1.1　瞬态法

在岩石的一端提供一个压力脉冲,通过测定压

差的衰减规律而间接测定渗透率,这种方法所需时

间短,一般用于测量低渗,特低渗岩石的渗透率。

低渗透率岩石瞬态测量方法,首先是由美国学

者W.F.B race等于1968年提出[1],后来又有许多学

者作了大量研究工作。他们根据D arcy定律,推出孔

隙压力P随距离x和时间t的变化的控制微分方程:

52P 5x2=Λ

k

C

5P

5t

初始条件:

P=P0　(t=0,0≤x≤L)

边界条件:

Q=0　(t>0,x=0)

P=0　(t>0,x=L)

式中:P为岩石中一点的压力,Q为流体的流量,Λ为流体的粘度,k为岩石的渗透率,C为岩石和流体的综合压缩系数。

实验时,在岩样上端面施加一个脉冲液压载荷,随后测出岩样上端面(x=0处)不同时刻的压力变化,代入上述方程求解,可求得岩样的渗透率。

1.2　稳态法

在岩石的两端提供稳定的压差(或流量),通过测量流量(或压差)从而获得岩石的渗透率。该实验需要的时间较长,但精度较高,适用于具有较大渗透率的岩石。根据稳定渗流D arcy定律:

Q=A

k∃p

L

式中:Q为流体流量;∃p为岩芯两端的压差;∃L为岩芯的长度;A为岩芯横截面积;k,Λ含义同上。

如果已知岩芯的长度∃L、横截面积A、岩芯两端压差∃p(或流量Q)及流体粘度Λ,只要测出单位时间内的流体流量,即可计算出岩芯的渗透率。

2　实验装置及步骤

试验装置为美国T erraT ek公司生产的高温高压岩石三轴试验仪,它是国际上目前同类产品中最先进的试验装置,全部采用电液伺服控制,能同时进行声学、渗透性、强度试验,其实验原理见图1。

试验在模拟井下压力的环境下进行,由于井温在55°C左右,对岩石性质影响不大,故在常温下(20°C)试验,试验步骤如下:

(1)将岩芯加工成的标准试样,放入高温室中烘干,然后用苯酚洗油将岩芯抽真空,饱和,建立束缚水饱和度;

(2)将泡油后的岩芯进行轴向密封,确保渗流只在轴向发生,将加工好的岩样用热塑橡胶套封裹,以便使试验围压与岩样隔离,然后将岩样装入高

2000年3月24日收到来稿。

作者张守良简介:男,39岁,1983年毕业于石油大学石油工程系钻井专业,现主要从事石油天然气开采工艺方面的研究和管理工作。

图1　地层渗透率测试装置示意图(模拟井下压力)

F ig .1　T est apparatus fo r per m eability m easurem ent

(si m ulating the dow nho le p ressure conditi ons )

压室内,调试好仪器

,准备试验;

(3)根据试验需要及现场岩芯所处应力环境,确定出试验围压,加好围压并使之恒定,并施加少量轴向接触载荷;

(4)加孔隙压力至设定值,测定渗透率;

(5)加0.5M Pa 左右的轴向载荷,改变孔隙压差进行速敏试验;

(6)围压:压差保持不变,施加轴向载荷,测出加载过程中岩石的轴向、横向应变及渗透率,直至岩石产生破坏。作出全应力2应变曲线和岩石变形过程中的渗透率变化曲线,实验结束。

试样取自胜利油田,包括弱胶结砂岩及中等强度砂岩。试样的物理力学性质见表1。

3　实验结果及分析

3.1　围压下油介质渗透率与气测渗透率的比较

试验岩样的气测渗透率及围压下油介质渗透率

的测试结果表示(表2):在模拟井下压力环境下油介质渗透率远小于气测渗透率,一般同一种岩石油介质渗透率仅为空气渗透率的1 10～1 15,且油介质渗透率受围压影响较大,414号岩芯在两种围压下测得的渗透率相差约1倍。因此,在根据压差计算产量或预测出砂时,应使用模拟井下压力环境下的油介质渗透率数据,这样才能得到较为可靠的结果。3.2　渗透率与压差(或流量)的关系——速敏试验

测试油介质渗透率是在模拟井下压力环境条件下,通过测出给定尺寸试样在给定压差下的流量而求得的。压差不同,流量也不同,当流量大到一定程度时,岩样中的散砂(自由砂)将产生移动而堵塞孔道使渗透率下降,此时的流量称为临界流量。7个岩样的试验结果见表3。从表中可以看出,对于疏松砂岩,流量对渗透率有明显影响,但规律性不明显。7个岩样中有2个岩样渗透率随流量增加而增大,另一个变化不大,另有4个则随流量增加渗透率降低。岩石渗透率一开始就降低的原因可是由于在围压作用下岩石压实所致,因而不能仅仅考虑是由于流量变化引起的。试验结果还表明:流量变化对渗透性影响的幅度也不一样。从表3中可以看出,渗透率大的速敏性大。这类试验结果表明,不能直接通过速敏试验确定临界流速,因为规律性不明显,且试样洗油后结构更加疏松,在围压作用下岩样压实造成渗透率的变化明显,且难以从速敏试验中分离出这种影响,因而造成难以直接应用。3.3　岩样渗透率随载荷的变化规律

加载过程中岩样内部结构发生变化,在加载初期由于岩样随载荷增加而压实,因而渗透性降低。当岩样产生屈服后,岩样孔隙结构发生破坏,也要造成渗透率降低。当载荷进一步增大到接近破坏时,由于岩石内部产生大量微裂隙,因而其渗透性将明显增大。炮孔周围岩石受力不同时将处于不同的变形状态,因而其渗透率也不能用单一的数据来表示,而应针对不同的变形破坏状态确定其渗透

表1　试验岩样的物理性质

Table 1　Physical properties of rock spec i m en

试样号

井深 m

岩性粘度中值孔隙度空气渗透率 M D

试验围压 M Pa

破坏载荷 M Pa

弹性模量 M Pa

泊松比

20

1142.8棕褐色砾状砂岩0.528.372515

32

0.05×104

0.151431156.3棕褐色砾状砂岩0.534.02.0×103

8240.03×1040.162001162.6棕褐色砾状砂岩0.3231.45121535

0.04×104

0.17

2251166.

6

棕褐色砾状砂岩0.4140.25.0×1035

41421414221197.9浅灰色粗砾岩1.034.

7

1.1×1041585429.50.11×1040.075×1040.230.262212221031.4含油粗砂岩0.2 4

2.1203660.894.40.80×1040.79×1040.270.11321992.9灰色砾状砂岩0.35 24.03091.31.22×1040.24421422

1039.0

中粒砂岩

0.1

15.9

1622

2857

0.37×1040.68×104

0.200.10

・688・岩石力学与工程学报2000年