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页岩气藏应力敏感效应实验研究_郭为

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页岩 应力 敏感 效应 实验 研究
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收稿日期 : 20110511; 改回日期 : 20110928基金项目 : 国家重大科技专项 “页岩气开发机理及技术政策研究 ”( 2011005)作者简介 : 郭为 ( 1986 - ) , 男 , 2009 年毕业于中国石油大学 ( 北京 ) 石油工程专业 , 现为中国科学院渗流流体力学研究所在读硕士研究生 , 研究方向为油气田开发 。文章编号 : 1006 -6535( 2011) 06 -0095 -03页岩气藏应力敏感效应实验研究郭 为1, 2, 熊 伟1, 2, 高树生1, 2( 1. 中国科学院渗流流体力学研究所 , 河北 廊坊 065007;2. 中油勘探开发研究院廊坊分院 , 河北 廊坊 065007)摘要 : 页岩气藏降压开采过程中 , 地层压力和井底压力的变化导致气藏产生应力敏感效应 , 使气藏流体的流动动态和气藏产能受到影响 。为了明确开采压力的下降对气藏渗透率变化的影响 , 实验通过改变内压与围压这 2 种方式 , 对页岩气藏的应力敏感效应进行了研究 。研究结果表明 : 页岩的渗透率随着内压的降低而下降 , 随着上覆岩层压力的增加而下降 ; 页岩渗透率与内压的变化存在明显的指数关系 ; 页岩对外压的敏感效应远远大于对内压的敏感效应 。该研究对确定页岩气藏产能及制订气井合理生产制度具有一定意义 。关键词 : 页岩气藏 ; 降压开采 ; 渗透率 ; 内压 ; 外压 ; 应力敏感效应中图分类号 : 3 文献标识码 : 地层应力敏感效应[ 1 -4]是指油气层的渗透率随有效应力的变化而发生改变的现象 。有效应力通常定义为上覆岩层压力与流体压力之差 。在实验过程中 , 为了得到有效应力 , 通常采用增加围压测试方法 , 也可采用定围压变内压方式得到 。随着有效应力的改变 , 岩石的孔隙结构也会发生改变 ,从而影响岩石的渗透性 , 产生应力敏感 。国内的一些学者[ 5 -8]对砂岩 、致密砂岩 、火山岩和煤等岩心进行了应力敏感性实验 , 发现不同的岩心具有不同的应力敏感性 。1 实验内容1. 1 实验仪器及岩心由于页岩的渗透率非常低 , 实验室常规测量岩心渗透率的实验装置已经不能满足实验要求 , 本实验用渗流所新引进的 200 型孔渗仪 , 用脉冲方法进行渗透率测量 , 该仪器的渗透率测量精度可以精确到 1 × 10-9μ验用气体为氮气 。实验岩心的基本数据见表 1。表 1 实验岩心基础数据岩心号直径/岩心渗透率/10-8μ. 521 6. 726 1. 2 8. 822 2. 520 5. 801 1. 5 28. 591. 2 实验方法( 1) 内压变化下页岩敏感效应实验 。在围压为 8 条件下 , 通过改变实验的测试压力 ( 即内压 ) 来进行 。实验的初始内压为 5. 516 然后逐步降低测试压力 , 每个测量点压力降幅为0. 689 5 测量不同内压力下岩心的渗透率 。( 2) 围压变化下页岩敏感效应实验 。在内压稳定为 4. 83 况下 , 逐步增加围压 , 每次增加2 从初始的 8 到 16 然后再逐步减小围压 , 每次减小 2 直至围压回到 8 测定不同围压下岩心的渗透率 。2 实验结果与分析2. 1 内压变化下页岩敏感效应1、2 号岩心的实验结果见图 1、2。实验初期阶段 , 当内压从 5. 516 降到 3. 450 , 196 特 种 油 气 藏 第 19 卷号岩心的渗透率从初始的 8. 82 × 10-8μ67 ×10-8μ渗透率下降 6. 15 × 10-8μ渗透率损失率为 69. 7% ( 渗透率损失率指的是渗透率变化量与初始时候渗透率的比值 ) ; 2 号岩心的渗透率从初始的 28. 59 × 10-8μ4. 58 ×10-8μ渗透率下降 14. 01 ×10-8μ渗透率损失率为 49. 0%。在实验后期阶段 , 当内压从 3. 450降到 1. 379 , 1 号岩心的渗透率从2. 67 ×10-8μ. 13 ×10-8μ渗透率下降1. 54 ×10-8μ渗透率损失率为 17. 5%; 2 号岩心的渗透率从 14. 58 ×10-8μ1. 01 ×10-3μ渗透率下降 3. 57 × 10-8μ渗透率损失率为 12. 5%。图 1 1 号岩心内压变化下敏感性图 2 2 号岩心内压变化下敏感性由此可以看出 , 随着内压的降低 , 页岩的渗透率下降 , 在内压下降初期渗透率下降较快 , 在后期渗透率下降较慢 ; 页岩对内压有着很强的敏感性 ,页岩渗透率越低 , 对内压的敏感性就越强 。这是由于在围压不变的情况下 , 随着内压的降低 , 岩心的有效压力增加 , 岩心的孔隙受到压实作用而收缩 ,气体能够流通的通道变少 、变窄 , 从而使得岩心的渗透率下降 。内压刚开始下降时岩石的变形程度比较大 , 岩心的渗透率下降快 ; 当内压降到一定程度 , 岩石的孔隙收缩达到了一定的极限 , 此时岩心的渗透率下降变慢 。对 2 块岩心的实验数据进行拟合 , 可以发现岩心渗透率变化与内压存在着良好的指数关系 , 遵循以下的函数关系式 :K = 1)式中 : K 为岩心渗透率 , 10-8μa、b 为常数 ; Δ 2 条曲线的拟合公式中可以看到 , 1 号岩心的 b 值比 2 号岩心的 b 值大 , b 值越大的岩心敏感性越强 。2. 2 围压变化下页岩敏感效应图 3、4 分别为 1、2 号岩心围压变化下的敏感效应曲线 , 可以看到页岩的渗透率随着围压的升高而下降 。图 3 1 号岩心围压变化下敏感效应曲线图 4 2 号岩心围压变化下敏感效应曲线当围压增加到 16 , 页岩的渗透率几乎降至 0, 已经达到了测量仪器的测量极限 , 此时页岩的渗透率损失率为 100%, 表明页岩对围压的变第 1 期 郭 为等 : 页岩气藏应力敏感效应实验研究 97化有着很强的应力敏感效应 。渗透率变化巨大是因为页岩的孔喉半径非常小 , 随着围压的增加 , 孔喉半径在不断的缩小 , 使得原本能够通过的氮气分子不再能够通过 ; 页岩中发育着许多天然裂缝 , 随着围压的增加这些裂缝会发生闭合 , 使得页岩的渗透率急剧下将 。在围压下降的过程中可以看到 , 随着围压的下降 , 页岩的渗透率不能马上恢复 , 存在一定的滞后效应 , 当围压恢复到初始状态的时候 ,页岩的渗透率不能完全恢复到初始时候的渗透率 ,岩心围压上升过程中发生了非弹性形变 , 以至于在围压下降的过程中岩石的渗透率不能完全恢复到初始值 。初始时刻围压为 8 1 号岩心的渗透率为 8. 82 × 10-8μ经过升围压与降围压的过程后 , 此时岩心在 8 围压下所测渗透率为2. 95 × 10-8μ岩石渗透率下降了 5. 87 × 10-8μ岩心渗透率的损害率为 66. 6%, 此处渗透率损害率指的是岩心经过升围压与降围压一个过程后 , 在同样的初始围压下所测岩心渗透率之差与未升围压前的岩心初始渗透率的比值 ; 初始时刻围压为 8 2 号岩心的渗透率为 28. 59 × 10-8μ经过升围压与降围压的一个过程后 , 此时岩心在 8 围压下所测渗透率为 4. 28 × 10-8μ岩石渗透率下降了 24. 21 ×10-8μ岩心渗透率的损害率为 84. 8%。结果表明 , 页岩对围压有极强的敏感效应 , 在升围压的过程中 , 岩心的渗透率越高 , 渗透率损害率越大 ; 页岩对围压的敏感效应远远大于对内压的敏感效应 。对实验得到的数据进行拟合 , 发现不论是降围压还是升围压的过程 , 渗透率与压力不存在明显的指数关系 。这与常规油气藏岩心[ 9]和致密气藏岩心[ 10]的敏感效应不一样 。3 结 论( 1) 随着内压的降低 , 页岩的渗透率下降 , 在内压下降初期渗透率下降较快 , 在后期渗透率下降较慢 ; 页岩对内压有着很强的敏感效应 , 页岩渗透率越低 , 对内压的敏感效应就越强 ; 岩心渗透率变化与内压存在着良好的指数关系 。( 2) 随着围压的上升 , 岩心的渗透率下降 , 当围压增加至 16 岩心的渗透率几乎降至零 ;随着围压的下降 , 页岩的渗透率不能马上恢复 , 存在一定的滞后效应 , 当围压恢复到初始状态的时候 , 页岩的渗透率不能完全恢复到初始时候的渗透率 ; 页岩对围压有极强的敏感效应 ; 岩心的渗透率越高 , 渗透率损害率越大 ; 与常规油气藏与致密气藏岩心不一样 , 页岩渗透率对围压的变化不存在明显的指数关系 。( 3) 页岩对外压的敏感效应远远大于对内压的敏感效应 , 在页岩开发过程中应该重视这种应力敏感的特性 。参考文献 :[ 1] 李孟涛 , 姚尚林 , 单文文 . 低渗透气藏应力敏感效应实验研究 [ J] . 大庆石油地质与开发 , 2006, 25( 6) : 69 -72.[ 2] 张亚蒲 , 何应付 , 杨正明 , 等 . 煤层气藏应力敏感效应实验研究 [ J] . 天然气地球科学 , 2010, 21( 3) : 518 -521.[ 3] 王学武 , 黄延章 , 杨正明 . 致密储层应力敏感效应研究[ J] . 岩土力学 , 2010, 31( 1) : 182 -186[ 4] 杨满平 , 郭平 , 彭彩珍 , 等 . 火山岩储层的应力敏感效应分析 [ J] . 大庆石油地质与开发 , 2004, 23( 2) : 19 -20.[ 5] 郭平 , 张俊 , 杜建芬 , 等 . 采用两种实验方法进行气藏岩心应力敏感研究 [ J] . 西南石油大学学报 , 2007, 29( 2) : 7 -9.[ 6] 周道勇 , 郭平 , 杜建芬 , 等 . 地下储气库应力敏感效应实验研究 [ J] . 天然气工业 , 2006, 26( 4) : 122 -124.[ 7] 王厉强 , 刘慧卿 , 甄思广 , 等 . 低渗透储层应力敏感效应定量解释研究 [ J] . 石油学报 , 2009, 30( 1) : 96 -99.[ 8] 李传亮 . 低渗透的应力敏感效应分析方法 [ J] . 新疆石油地质 , 2006, 27( 3) : 348 -350.[ 9] 郑荣臣 , 王昔彬 , 刘传喜 . 致密低渗气藏储集层应力敏感效应试验 [ J] . 新疆石油地质 , 2006, 27( 3) : 345 -347.[ 10] 李传亮 . 储层岩石的应力敏感效应评价方法 [ J] . 大庆石油地质与开发 , 2006, 25( 1) : 40 -丹妮A of is on of of of of as of on to ey of in of 1. 02249, . 00083, To of T ( to in to to in a on of or in a ey on of 2, 2, 2( 1. 65007, . 65007, of to of To of on to of of of of of in of to to is to of ey on of 2, 2, 2( 1. 00027, . 00027, on of a in a of to in to is to of If is be of ey on 1. 63318, . 21209, . 24010, . 10200, a in to SP SP P to ey by
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