田 巍，朱維耀，朱華銀，和雅琴，信朝選

(1.北京科技大學(xué)，北京 100083；2.中油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北 廊坊 065007；3.華北油田公司，河北 任丘 062552）

引 言

啟動(dòng)壓力梯度的存在一直是一個(gè)具有爭議的問題[1-2]，已有文獻(xiàn)[3-5]證實(shí)啟動(dòng)壓力梯度的存在對油田的注水壓力界限、井網(wǎng)井距、開發(fā)指標(biāo)等都存在影響；實(shí)際上，由于實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段的不同，導(dǎo)致測定的啟動(dòng)壓力梯度的數(shù)值也有很大偏差。低滲透致密儲(chǔ)層具有較強(qiáng)的應(yīng)力敏感性，在不同的上覆壓力下，巖心滲透率傷害也不同，目前對于擬啟動(dòng)壓力梯度的研究幾乎所有文獻(xiàn)都沒有給出具體的實(shí)驗(yàn)條件，筆者經(jīng)過多年的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，對于不同的圍壓控制模式測得的巖心啟動(dòng)壓力大小相差迥異。利用吐哈油田低滲致密巖心開展了不同圍壓控制模式下啟動(dòng)壓力實(shí)驗(yàn)研究，優(yōu)選出了室內(nèi)測定啟動(dòng)壓力梯度的最佳方法，為以后的實(shí)驗(yàn)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

在實(shí)驗(yàn)過程中，由于圍壓控制模式的不同，導(dǎo)致巖心受到有效應(yīng)力的差異，從而引起巖石骨架本體變形程度不同，表現(xiàn)在宏觀上就是巖心滲透率數(shù)值發(fā)生變化，目前研究孔隙介質(zhì)變形方面的文獻(xiàn)[6-9]較多，但對于孔隙介質(zhì)變形引起室內(nèi)測試啟動(dòng)壓力數(shù)值變化的文獻(xiàn)還沒有。實(shí)驗(yàn)通過控制不同的圍壓模式來達(dá)到產(chǎn)生孔隙介質(zhì)變形程度的差異，即巖心受到不同的有效應(yīng)力，以此來測定不同圍壓控制模式下啟動(dòng)壓力的數(shù)值。

滲流實(shí)驗(yàn)分別按照恒定圍壓和恒定凈圍壓2種模式進(jìn)行。每種模式均以恒定注入壓力和恒定注入流量2種方式進(jìn)行，分別測定滲流穩(wěn)定時(shí)的壓力值，并將壓力值換算成壓力梯度，將上述測定的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以壓力梯度為橫坐標(biāo)，以流量為縱坐標(biāo)，繪制成壓力梯度—流量關(guān)系擬合直線，通過實(shí)驗(yàn)點(diǎn)回歸擬合得到直線方程，即常見非線性滲流方程（直線段）為：

式中：Q為流量，mL/min；Δp為進(jìn)出口壓力差，MPa；L為巖心長度，cm；a為擬合直線的斜率；b為擬合直線的截距。

式(1)中的b/a即為擬啟動(dòng)壓力梯度值。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及流程

滲流實(shí)驗(yàn)裝置選用美國巖心公司生產(chǎn)的Auto-floodTM(AFS300TM)驅(qū)替評價(jià)系統(tǒng)，注入驅(qū)替系統(tǒng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求可設(shè)置為恒速或恒壓驅(qū)替模式。數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)可完成對系統(tǒng)各部分壓力自動(dòng)采集，并完成相應(yīng)數(shù)據(jù)分析。為了模擬地層應(yīng)力特征，實(shí)驗(yàn)采用三軸巖心夾持器。圍壓系統(tǒng)使用高精度多級(jí)柱塞驅(qū)替泵，實(shí)驗(yàn)室采用高精度多級(jí)柱塞驅(qū)替泵控制回壓閥；為更精確采集到巖心兩端的壓力差，采用了高線性壓差傳感器。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 恒定圍壓實(shí)驗(yàn)方案

在恒定圍壓條件下，注入流體分別按照恒定注入壓力和恒定注入流量2種方法進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)設(shè)定恒定圍壓 30MPa，分別測定各設(shè)定注入壓力（或注入流量）下流體的穩(wěn)定流量（或壓力），恒定注入壓力實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)壓力點(diǎn)為1.0、0.8、0.6、0.4、0.3、0.2MPa，測定不同注入壓力下的流量；恒定注入流量實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)流量分別為 0.001、0.003、0.005、0.008、0.010、0.015mL/min，測定不同流量下的壓差。將各注入方式下實(shí)驗(yàn)點(diǎn)回歸擬合，按照回歸擬合直線求取擬啟動(dòng)壓力梯度。

實(shí)驗(yàn)步驟如下：①將巖心烘干48h，測定巖心的長度、直徑及克氏氣測滲透率；②將巖心抽真空12h飽和標(biāo)準(zhǔn)鹽水，而后稱重，計(jì)算巖心的有效孔隙度；③將巖心放入巖心夾持器，接通流程，對儀器初始值調(diào)零，然后加圍壓和回壓，在加圍壓的過程中，以2MPa為步長以0.5h為間隔緩慢施加，防止巖心受到的有效應(yīng)力過大而嚴(yán)重變形，最終加圍壓至 30MPa，而后恒定不變；④打開驅(qū)替泵，以恒定的壓力（流量）注入實(shí)驗(yàn)鹽水，待流量（壓力）穩(wěn)定后，記錄該壓力下的流量值（壓力），更換下一壓力點(diǎn)；⑤直至測定所有設(shè)定壓力（流量）點(diǎn)，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

1.3.2 恒定凈圍壓實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)開始前，設(shè)定凈圍壓為 2MPa，即保持圍壓始終比巖心入口壓力高 2MPa，實(shí)驗(yàn)分別按照恒定注入壓力和恒定注入流量2種方法進(jìn)行，恒定注入壓力實(shí)驗(yàn)設(shè)定注入壓力分別為1.0、0.8、0.6、0.4、0.3、0.2MPa，測定不同壓力下的穩(wěn)定流量，恒定注入流量實(shí)驗(yàn)設(shè)定的流量分別為0.001、0.003、0.005、0.008、0.010、0.015mL/min，測定不同流量下的壓差，依據(jù)測定的流量和壓差值回歸擬合求取啟動(dòng)壓力梯度的大小。

實(shí)驗(yàn)步驟如下：①將巖心烘干48h，測定巖心的長度、直徑和克氏氣測滲透率；②將巖心抽真空12h飽和標(biāo)準(zhǔn)鹽水，而后放入巖心夾持器，接通流程，對儀器初始值調(diào)零，設(shè)置凈圍壓為 2MPa；③緩慢施加初始圍壓 2MPa，打開驅(qū)替泵，以恒定的壓力（流量）注入實(shí)驗(yàn)鹽水；④待流量（壓力）穩(wěn)定后，記錄該壓力下的流量（壓力）值，更換下一壓力點(diǎn)；⑤直至測定所有設(shè)定壓力（流量）點(diǎn)，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

半剛性節(jié)點(diǎn)模型是對于碗扣式扣件或直角扣件的支架半剛性連接，由于其連接作用達(dá)不到剛性節(jié)點(diǎn)的連接作用，故要對線剛度比k1、k2進(jìn)行半剛性修正。采用修正之后的線剛度比按照剛節(jié)點(diǎn)模型的步驟進(jìn)行計(jì)算即可。需要注意的是修正只需在碗扣式連接處。除了文獻(xiàn)4中表D-2注明的梁遠(yuǎn)端鉸接和嵌固的調(diào)整系數(shù)不需要修正，其余地方也不必再修正。

1.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

1.4.1 恒定圍壓實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)過程中保持圍壓恒定30MPa，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。在恒定壓力注入實(shí)驗(yàn)流體的實(shí)驗(yàn)中，隨著壓力梯度的增加，采出流量逐漸增加，流量和壓力梯度符合直線關(guān)系，相關(guān)系數(shù)在0.9以上，根據(jù)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)回歸擬合，求得的擬啟動(dòng)壓力梯度為0.1839MPa/m，可見在較低的壓力梯度下，非線性不明顯，可以通過直線擬合的方法求取擬啟動(dòng)壓力梯度。對于恒定注入流量實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果的壓差折算成壓力梯度，按照線性回歸擬合，求得的擬啟動(dòng)壓力梯度為0.1888MPa/m；在恒定注入流量下，隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，壓力逐漸升高，壓力梯度逐漸增大，采出液體流量也逐漸增加，直至采出流量穩(wěn)定，壓力穩(wěn)定。但實(shí)驗(yàn)過程中壓力上升得較慢，上升到一定值后緩慢下降，而后又上升，起初振動(dòng)幅度較大，類似阻尼振動(dòng)的動(dòng)態(tài)變化過程，隨著注入時(shí)間的延長，振幅越來越小，直至最后趨于穩(wěn)定，整個(gè)過程耗時(shí)較長，極不經(jīng)濟(jì)。

在恒定圍壓模式下，流體無論以何種方式注入，都會(huì)由于注入?yún)?shù)的增加而引起相應(yīng)骨架變形程度的減小，一定的注入壓力對應(yīng)著一定的骨架形變量，注入壓力越大，巖心骨架應(yīng)力形變量越小，滲透率得到部分恢復(fù)，滲透效果變好，滲流能力變得相對大一些；在恒定注入流量過程中也出現(xiàn)上述類似的變化規(guī)律。在注入壓力梯度稍大的情況下，可能會(huì)出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)偏離直線而凹向流量軸，因此經(jīng)回歸擬合測得的擬啟動(dòng)壓力梯度往往數(shù)值偏大。

1.4.2 恒定凈圍壓實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)設(shè)定凈圍壓為2MPa，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。在恒定注入壓力方式下，圍壓恒定，整個(gè)巖心骨架受力處于靜態(tài)穩(wěn)定中，巖心滲流穩(wěn)定速度較快，從注入開始到滲流穩(wěn)定所需要的時(shí)間較短，將實(shí)驗(yàn)點(diǎn)線性回歸擬合求得擬啟動(dòng)壓力梯度為0.1660MPa/m。在恒定流量注入方式下，按照數(shù)據(jù)擬合求得擬啟動(dòng)壓力梯度為0.1655MPa/m。

表1 不同圍壓控制模式下實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在恒定注入壓力實(shí)驗(yàn)方式下，孔隙壓力的增加同樣導(dǎo)致圍壓的自動(dòng)調(diào)整，因此對于巖石本體，受力不變，巖心骨架變形程度也是恒定的，巖心的滲透率幾乎沒有變化，即使再增加注入壓力，流量也不會(huì)偏離直線太多，這樣在恒定滲透率條件下測得的啟動(dòng)壓力才和該塊巖心的實(shí)際啟動(dòng)壓力梯度值符合。

在一定注入流量下，隨著注入壓力的升高，圍壓一直變化，由于系統(tǒng)檢測壓力值是有間隔的，井口壓力的變化使巖心總是重復(fù)著變形和恢復(fù)2個(gè)過程，直至進(jìn)口壓力恒定。恒定凈圍壓，對于巖心本體來說，始終處于動(dòng)態(tài)平衡中，孔隙中的流體受力逐漸增加，巖心本體受力不變，總是從一個(gè)凈壓力差調(diào)整到下一個(gè)相同的凈壓力差，因此，從實(shí)驗(yàn)開始到穩(wěn)定所需的時(shí)間會(huì)很長。以注入流量為0.005mL/min壓力變化過程為例，在注入初期，壓力平穩(wěn)上升，直至最高點(diǎn)為0.621MPa，而后降低至0.572MPa，而后再上升，如此循環(huán)，類似阻尼振動(dòng)，產(chǎn)生了圍繞穩(wěn)定值 0.588MPa上下波動(dòng)的振蕩過程，振動(dòng)幅度越來越小，直至最后穩(wěn)定在0.588MPa。

2 評價(jià)與優(yōu)選

上述2種圍壓控制模式下，得到4組實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過對比發(fā)現(xiàn)，恒定圍壓模式下2種注入方式測定的啟動(dòng)壓力數(shù)值相差不大，但都偏高。考慮到低滲巖心不同于一般的中高滲巖心，在圍壓施加過程中，可能由于巖心變形發(fā)生應(yīng)力敏感，導(dǎo)致上覆壓力的增加，引起滲透率的大幅下降。因此室內(nèi)實(shí)驗(yàn)時(shí)，在恒定圍壓模式下注入?yún)?shù)增加的過程中，恒定流量和恒定壓力，都會(huì)由于凈圍壓的減小而使?jié)B流效果變好，使得實(shí)驗(yàn)點(diǎn)偏向流量軸，從而使回歸直線在壓力梯度軸的交點(diǎn)變大，即啟動(dòng)壓力梯度數(shù)值變大。

為了判斷2種圍壓控制方案中的應(yīng)力敏感性變化，參照有效應(yīng)力[10]理論，有效應(yīng)力σeff為上層總壓力和孔隙流體壓力p的差值，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)通常用圍壓Pc表示上層總壓力，則有效應(yīng)力的計(jì)算表達(dá)式為：

式中：α為有效應(yīng)力系數(shù)。

當(dāng)α=1時(shí)的表達(dá)式即為經(jīng)典的Terzaghi有效應(yīng)力表達(dá)式，孔隙壓力并非定值，而是一個(gè)等效值，一般來說，可以用進(jìn)口壓力近似代替孔隙壓力。

據(jù)文獻(xiàn)[11]評價(jià)方法表述可知，對于相同性質(zhì)的巖心，在相同的有效應(yīng)力下對應(yīng)的滲透率值應(yīng)相等，所測得啟動(dòng)壓力也應(yīng)相同或相近，應(yīng)力敏感指數(shù)也不應(yīng)該差異太大。

式中：K為有效應(yīng)力為σeff時(shí)的巖石滲透率，μ m2；K0為有效應(yīng)力為0時(shí)的巖石滲透率，μ m2；d為巖石應(yīng)力敏感常數(shù)，MPa-1；為巖石應(yīng)力敏感指數(shù)。

依據(jù)文獻(xiàn)[11]的算法，即按照式（3）、（4）將恒定圍壓模式下的2組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行回歸擬合和應(yīng)力敏感指數(shù)計(jì)算，擬合和計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 不同圍壓控制方式下的應(yīng)力敏感性評價(jià)

從表2可以看出，按照文獻(xiàn)[11]的方法計(jì)算恒定圍壓下應(yīng)力敏感指數(shù)分別為30.92%和37.50%，屬于“中等偏弱”應(yīng)力敏感，同樣按照國家經(jīng)貿(mào)委發(fā)布的“SY-T5358-2002儲(chǔ)層敏感性流動(dòng)實(shí)驗(yàn)評價(jià)方法”中圍壓應(yīng)力敏感方法計(jì)算的滲透率變化率分別為 4.42%和 13.99%（由于注入?yún)?shù)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)選取幅度較小，只能計(jì)算出滲透率變化率），已經(jīng)發(fā)生弱應(yīng)力敏感?？梢姡瑹o論依據(jù)哪種評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，恒定圍壓情況下，都會(huì)引起明顯的應(yīng)力敏感，對于恒定凈圍壓情況下，同樣按照國家經(jīng)貿(mào)委發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的滲透率變化率極小，可以認(rèn)為沒有發(fā)生應(yīng)力敏感。

文獻(xiàn)[11-12]對應(yīng)力敏感進(jìn)行了研究，一般認(rèn)為，圍壓會(huì)引起巖心骨架的變形，使大孔隙被壓縮、微裂縫閉合，滲透率大幅降低。研究表明，致密砂巖的特點(diǎn)之一是存在連通不好的大孔隙或微裂縫，本實(shí)驗(yàn)巖石中存在構(gòu)造微裂縫，因此其受壓應(yīng)力敏感變化分為2個(gè)階段：大孔隙壓縮裂縫閉合階段和彈性變形階段，2個(gè)階段以凈圍壓11MPa為分界點(diǎn)。在凈圍壓低于11MPa時(shí)，滲透率隨凈圍壓變化幅度較大；在凈圍壓高于11MPa時(shí)，滲透率隨凈圍壓變化幅度較小，因此在以恒定圍壓方式實(shí)驗(yàn)時(shí)，要盡量使巖心在彈性階段進(jìn)行，這樣測得的數(shù)值才有意義。

從經(jīng)濟(jì)可行性和設(shè)備要求的角度考慮，在恒定流量情況下，無論是哪種圍壓控制模式，所需的時(shí)間都較長，不適合室內(nèi)大批量測試，但對設(shè)備的要求較低，一般的平流泵皆可滿足要求；恒定凈圍壓模式下測試結(jié)果準(zhǔn)確，而在恒定圍壓模式下測定偏差較大；在恒定注入壓力情況下，2種圍壓模式開展?jié)B流實(shí)驗(yàn)所需時(shí)間都不太長，但在恒圍壓模式下測試結(jié)果偏差較大，而在恒定凈圍壓模式下測試結(jié)果準(zhǔn)確，適合室內(nèi)批量測試，一般的國產(chǎn)成套滲流設(shè)備和進(jìn)口注入設(shè)備皆可滿足要求。綜合以上2種控制方法綜合衡量可知：恒定注入壓力下以恒定凈圍壓模式開展實(shí)驗(yàn)方法比較可行。

在油田實(shí)際開發(fā)過程中，隨著油藏開發(fā)的進(jìn)行，地層壓力會(huì)有所下降，儲(chǔ)層受到的有效應(yīng)力增大，儲(chǔ)層的孔隙空間減小，滲流能力降低，特別是對于裂縫性儲(chǔ)層，有效應(yīng)力的影響更加明顯。二次采油中注水的目的就是補(bǔ)充地層損失能量，提高孔隙流體壓力，以此提高壓力梯度。在實(shí)際地層中啟動(dòng)壓力梯度是多種因素綜合作用下表現(xiàn)出來的結(jié)果，由于持續(xù)注水補(bǔ)充了地層壓力的損失，孔隙壓力梯度變化的幅度并不大，因此巖石本體受到的有效應(yīng)力變化并不明顯。在室內(nèi)測試啟動(dòng)壓力梯度時(shí)，采用恒定凈圍壓模式可以使巖石有效應(yīng)力恒定，恒定注入壓力可使巖石孔隙壓力不發(fā)生大的波動(dòng)，因此測試啟動(dòng)壓力耗時(shí)較短，且模擬地層的精度也較高，因此恒定凈圍壓模式下的恒定壓力注入實(shí)驗(yàn)是比較理想的實(shí)驗(yàn)方法。

3 結(jié) 論

（1）在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)計(jì)算擬啟動(dòng)壓力梯度時(shí)，可以按照實(shí)驗(yàn)點(diǎn)回歸擬合直線的方法求得。

（2）在恒定圍壓模式下所測得啟動(dòng)壓力梯度數(shù)值往往偏差較大，不能反映巖心實(shí)際情況， 為適當(dāng)降低實(shí)驗(yàn)誤差，可在凈圍壓高于11MPa下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測試結(jié)果有一定可信度。

（3）在恒定凈圍壓模式下，測試數(shù)據(jù)可靠，恒定流量注入時(shí)由于壓力動(dòng)態(tài)變化較大壓力穩(wěn)定較慢，恒定壓力注入時(shí)由于巖心骨架變形穩(wěn)定壓力穩(wěn)定較快。

（4）綜合分析認(rèn)為，室內(nèi)測定啟動(dòng)壓力梯度較為理想的圍壓控制模式是在恒定壓力注入方式下的恒定凈圍壓模式。

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