浅谈油气开采中孔隙压力的波动

浅谈油气开采中孔隙压力的波动

1压力心力衰竭引起的储层变形孔压是油气藏的重要参数。在油气藏开采过程中,孔隙压力将随着开采方式不同、开发过程延续而变化。对采用降压方式开采的油气藏,孔隙压力必然会经历压力衰竭过程;对保压开采的油藏,地层压力也将随着注水方式、注水时间的改变而变化。孔隙压力对岩石强度及变形影响的重要性很早就为国内外相关领域研究人员所认识(如Terzaghi有效应力理论)。J.Geertsma认为孔隙流体下降会使岩石本身以及孔隙内的流体体积同时发生变化,并通过室内实验证明储层在压力衰竭过程中有体积收缩的趋势,但在围岩的影响下,产层的横向变形受到限制,体积收缩的趋势转化为应力减小,最终结果是导致水平向地应力减小。此外J.Laurent等也对油气藏压力下降带来的岩石变形问题进行了研究;R.R.Hillis认为在油田生产过程中,压力衰竭引起的应力改变可能导致裸眼井段坍塌、出砂、产生裂缝或断层等。张传进等分别通过不同的试验装置,模拟开采过程中不同地层条件下岩石的力学响应,得到了岩石力学参数与有效围压之间的关系,认为孔隙压力越大,抗压强度和弹性模量越小;J.W.Dudley等通过建立3D地质模型和岩心测试结果得出油气生产过程压力衰竭引起的储层压实与孔隙坍塌有很大的关系;许江等对砂岩等岩石类材料的三轴等围压循环加、卸载孔隙压力实验得到了岩石的弹性变形随循环次数的增加逐渐趋于稳定,而塑性变形随循环次数的增加而不断积累,残余应变随着循环次数的增加逐渐减小并趋于稳定。此外,国内外也围绕压力衰竭引起的储层孔隙度和渗透率变化开展了大量研究。在现有研究的基础上,本文以油气开采过程中上覆岩层重量不变的实际受力状态出发,恒定围压,研究了降压式开采过程中孔隙压力单向降低和周期性变化对岩石强度及变形的影响。2实验系统及实验方法选取3种不同类型的砂岩露头作为研究对象。将砂岩露头加工为直径约为25mm,长度约为50mm的圆柱形岩心。根据来源不同,将砂岩岩心分为3组:第一,二,三组干岩心平均密度分别为2.267,2.537,2.320g/cm3。本文实验在GCTSRTR–1000三轴岩石力学测试系统上进行。为了研究岩石孔隙内流体压力变化对岩石强度特性的影响,设计2类不同实验:(1)模拟油气藏降压式开采。首先将孔隙压力加载至初始值40MPa,然后在恒定围压46MPa的条件下,将岩心孔隙压力降至预定值,稳定15min后,开始实验;(2)模拟油气藏孔隙压力周期性变化。围压恒定46MPa,以图1路径给岩样施加孔隙压力。循环孔隙压力的上限设为40MPa、下限设为5MPa。孔隙压力的加、卸载速率为2.5MPa/min。3实验数据处理油气藏降压式开采过程中,地层的孔隙压力将单向下降,为了模拟这一过程,实验过程中岩心围压恒定46MPa,初始孔隙压力40MPa。为了模拟孔隙压力降落过程对岩石强度的影响,三轴实验前岩心已全部经过烘干、抽真空、饱和处理。针对3组15块岩心分别研究了孔隙压力降至30,20,10,5MPa时的岩石三轴抗压特性。从实验获得的应力–应变曲线可以看到,随着岩石孔隙内流体排出,孔隙压力降低,岩石塑性增强。通过实验数据处理得到以下认识:当围压恒定时,随着孔隙压力下降,岩石的三轴抗压强度、弹性模量、体积模量、剪切模量都表现出增大趋势,泊松比整体呈下降趋势(见图2)。说明随着油气开采进行,孔隙压力降低,岩石颗粒间接触应力增加,岩石自身刚度、抗剪切能力都有所增强,岩石更不容易被破坏;随着孔隙压力增加,体积压缩系数增大,岩石的可压缩性逐渐增强,体积压缩系数变化率随孔隙压力减小而逐渐减小(见图2(e));当孔隙压力降低到一定值后,3组岩石的体积压缩系数都同时表现出逐渐趋于稳定的现象。岩石体积压缩系数的这一现象表明在油气藏开发初期,孔隙压力的较小变化就能导致岩石内孔隙体积的较大变化。因此,对降压开发的油气藏,初期较小的孔隙压力变化引起的岩石体积变化可能给油气排出地层提供动力,但孔隙中流体流出引起的孔隙压力持续降低,则将导致岩石内部孔隙体积收缩,渗透率降低,孔道排驱压力增加,孔隙内的流体采出困难,采收率降低。不同岩石的三轴抗压强度增加幅度不同。第一,二,三组岩样的最大增幅分别为22.9%,29.8%,59.3%。岩石的各强度参数与岩石孔隙压力之间满足二项式关系,除个别相关度约70%外,其余均超过90%。具体二项式关系表达式如下:第一组岩样:第二组岩样:第三组岩样:式中:Co,E,Kb,G,ν分别为三轴抗压强度,弹性模量,体积模量,剪切模量,泊松比;Pp为孔隙压力。4块砂岩岩样在周期性注水开发油藏,储层流体压力将经历周期性变化。利用3组6块砂岩岩样(第一组岩样1–11,1–15;第二组岩样2–18,2–24;第三组岩样3–20,3–21),在图1所示周期性孔隙压力作用下,研究孔隙压力周期性变化对岩石强度及变形特性的影响。4.1残余应变量的动态岩样2–24,3–21轴向应变与孔隙压力关系曲线如图3所示。由图3可知:恒定围压作用下的岩样,第一循环加卸载的加载阶段,在低孔隙压力下,尽管孔隙压力在增加,但在应力–应变曲线上仍能观察到轴向变形有一明显增加过程,随孔隙压力继续增大并逐渐趋近于40MPa,轴向变形会有所恢复,但仍然会有一定的残余应变,残余应变量因岩样不同有所差异。孔隙压力增加过程中,岩样轴向变形不能完全恢复的现象表明,当孔隙性岩石轴向压缩后,岩石中可储集空间、可流动的通道也都会同样被压缩,通过增大孔隙内压的方式不能使其恢复到初始状态。在第一加、卸载循环的卸载阶段,随孔隙压力降低,轴向变形单向增加。此后,孔隙压力多次循环加、卸载过程中,岩样中可压缩空间越来越少,表现为从图3中左边第一个加、卸载循环到第五个加卸载循环两两卸载循环结束点之间的轴向变形增量越来越小;同时,岩样的轴向应变也在不断累计增大。图4为6块岩样轴向应变随时间的变化曲线。由图4可见,在周期性孔隙压力作用下,岩石的轴向压缩量逐渐增加并趋于稳定,轴向应变在多次加、卸载的过程中将逐渐累计,在图中表现为一随时间逐渐爬升的曲线。除岩样3–20外,其余岩样在实验结束后的轴向残余变形都很明显,岩样2–24变形累计尤其显著。由此,可以推测,在油气开采过程中由于流体采出而引起的压力衰竭和地层亏空必然也会带来储层孔隙空间的收缩以及储层垂向压实量的累积,并逐渐表现为地表沉降。4.2孔压环境下的径向变形循环初期,岩样在孔隙压力加、卸载过程中产生的径向变形都较大,如图5中加、卸载第一个循环产生的径向变形量明显高于其后4个循环产生的径向变形量。在孔隙压力第一加、卸载循环的加载阶段,低孔隙压力下,径向扩张明显,随着孔隙压力增高并趋近40MPa,径向变形基本稳定;孔隙压力卸载初期径向变形有不同程度的恢复。随着循环次数增多,加、卸载过程中引起的径向变形量将越来越小,加载起点和卸载结束点位移逐渐趋于相等,径向变形逐渐以弹性变形为主。图6为6块岩样在5次循环加、卸载过程中的径向应变随时间的变化曲线。由图6可见,除岩样3–20外,其余岩样的径向变形在孔压循环加卸载的过程中变化明显,尤其岩样3–21。总体看,在前3个循环加、卸载周期内,径向变形随时间逐渐累计,到第四,五两个周期,径向变形增速减小并逐渐趋于稳定。4.3储层岩石变形随时间的变化规律在周期性孔隙压力作用下,岩石的体积应变规律与径向应变规律相似,随循环加、卸载次数增加,加、卸载过程中的应变路径越来越接近。由图7可知,岩样2–24和3–21第五个加、卸载循环中,加载开始点应变与卸载结束点应变接近相等。由6块岩样体积应变随时间的变化规律(见图8)可知,体积应变总体表现为随时间逐渐累计的现象。除岩样3–20外,其余岩样在第五个循环末期,都产生了明显的体积应变,在前3个周期各岩样体积应变增加较快,第四、五2个周期增速减慢并趋于稳定。从实验研究结果看,在油气开采过程中,随着孔隙流体的采出和外来驱替流体的注入,地层孔隙压力的变化将导致储层岩石的变形累计并趋于稳定。开发初期大幅度的压力降落对储层物性的影响和损害大,在储层开发前期不采取有效措施稳定地层压力,到储层开发后期,若再通过注入流体来改变孔隙性地层的渗透率不会产生明显的效果,而且岩石变形的累计还可能诱发、诱导地层破坏甚至灾害性事件发生。5储层岩石压力(1)围压恒定,随孔隙压力下降,岩石的三轴抗压强度、弹性模量、体积模量、剪切模量都呈现增大趋势,泊松比则整体呈下降趋势。对降压式开发的油气藏,随着孔隙压力增加,体积压缩系数增大,岩石的可压缩性逐渐增强。(2)对降压开发的油气藏,初期较小的孔隙压力变化引起的岩石体积变化可能给油气排出地层提供动力,但孔隙中流体流出引起的孔隙压力持续降低,则将导致岩石内部孔隙体积收缩,渗透率降低,孔道排驱压力增加,孔隙内的流体采出困难,采