致密砂岩启动压力测试中围压模式的优选

田 巍，朱维耀，朱华银，和雅琴，信朝选

(1.北京科技大学，北京 100083；2.中油勘探开发研究院廊坊分院，河北 廊坊 065007；3.华北油田公司，河北 任丘 062552）

引 言

启动压力梯度的存在一直是一个具有争议的问题[1-2]，已有文献[3-5]证实启动压力梯度的存在对油田的注水压力界限、井网井距、开发指标等都存在影响；实际上，由于实验技术手段的不同，导致测定的启动压力梯度的数值也有很大偏差。低渗透致密储层具有较强的应力敏感性，在不同的上覆压力下，岩心渗透率伤害也不同，目前对于拟启动压力梯度的研究几乎所有文献都没有给出具体的实验条件，笔者经过多年的室内实验观察发现，在室内实验中，对于不同的围压控制模式测得的岩心启动压力大小相差迥异。利用吐哈油田低渗致密岩心开展了不同围压控制模式下启动压力实验研究，优选出了室内测定启动压力梯度的最佳方法，为以后的实验提供参考。

1 实验部分

1.1 实验原理

在实验过程中，由于围压控制模式的不同，导致岩心受到有效应力的差异，从而引起岩石骨架本体变形程度不同，表现在宏观上就是岩心渗透率数值发生变化，目前研究孔隙介质变形方面的文献[6-9]较多，但对于孔隙介质变形引起室内测试启动压力数值变化的文献还没有。实验通过控制不同的围压模式来达到产生孔隙介质变形程度的差异，即岩心受到不同的有效应力，以此来测定不同围压控制模式下启动压力的数值。

渗流实验分别按照恒定围压和恒定净围压2种模式进行。每种模式均以恒定注入压力和恒定注入流量2种方式进行，分别测定渗流稳定时的压力值，并将压力值换算成压力梯度，将上述测定的实验数据以压力梯度为横坐标，以流量为纵坐标，绘制成压力梯度—流量关系拟合直线，通过实验点回归拟合得到直线方程，即常见非线性渗流方程（直线段）为：

式中：Q为流量，mL/min；Δp为进出口压力差，MPa；L为岩心长度，cm；a为拟合直线的斜率；b为拟合直线的截距。

式(1)中的b/a即为拟启动压力梯度值。

1.2 实验设备及流程

渗流实验装置选用美国岩心公司生产的Auto-floodTM(AFS300TM)驱替评价系统，注入驱替系统根据实验要求可设置为恒速或恒压驱替模式。数据自动采集系统可完成对系统各部分压力自动采集，并完成相应数据分析。为了模拟地层应力特征，实验采用三轴岩心夹持器。围压系统使用高精度多级柱塞驱替泵，实验室采用高精度多级柱塞驱替泵控制回压阀；为更精确采集到岩心两端的压力差，采用了高线性压差传感器。

1.3 实验方法

1.3.1 恒定围压实验方案

在恒定围压条件下，注入流体分别按照恒定注入压力和恒定注入流量2种方法进行，实验设定恒定围压 30MPa，分别测定各设定注入压力（或注入流量）下流体的稳定流量（或压力），恒定注入压力实验设计压力点为1.0、0.8、0.6、0.4、0.3、0.2MPa，测定不同注入压力下的流量；恒定注入流量实验的设计流量分别为 0.001、0.003、0.005、0.008、0.010、0.015mL/min，测定不同流量下的压差。将各注入方式下实验点回归拟合，按照回归拟合直线求取拟启动压力梯度。

实验步骤如下：①将岩心烘干48h，测定岩心的长度、直径及克氏气测渗透率；②将岩心抽真空12h饱和标准盐水，而后称重，计算岩心的有效孔隙度；③将岩心放入岩心夹持器，接通流程，对仪器初始值调零，然后加围压和回压，在加围压的过程中，以2MPa为步长以0.5h为间隔缓慢施加，防止岩心受到的有效应力过大而严重变形，最终加围压至 30MPa，而后恒定不变；④打开驱替泵，以恒定的压力（流量）注入实验盐水，待流量（压力）稳定后，记录该压力下的流量值（压力），更换下一压力点；⑤直至测定所有设定压力（流量）点，结束实验。

1.3.2 恒定净围压实验方案

实验开始前，设定净围压为 2MPa，即保持围压始终比岩心入口压力高 2MPa，实验分别按照恒定注入压力和恒定注入流量2种方法进行，恒定注入压力实验设定注入压力分别为1.0、0.8、0.6、0.4、0.3、0.2MPa，测定不同压力下的稳定流量，恒定注入流量实验设定的流量分别为0.001、0.003、0.005、0.008、0.010、0.015mL/min，测定不同流量下的压差，依据测定的流量和压差值回归拟合求取启动压力梯度的大小。

实验步骤如下：①将岩心烘干48h，测定岩心的长度、直径和克氏气测渗透率；②将岩心抽真空12h饱和标准盐水，而后放入岩心夹持器，接通流程，对仪器初始值调零，设置净围压为 2MPa；③缓慢施加初始围压 2MPa，打开驱替泵，以恒定的压力（流量）注入实验盐水；④待流量（压力）稳定后，记录该压力下的流量（压力）值，更换下一压力点；⑤直至测定所有设定压力（流量）点，结束实验。

半刚性节点模型是对于碗扣式扣件或直角扣件的支架半刚性连接，由于其连接作用达不到刚性节点的连接作用，故要对线刚度比k1、k2进行半刚性修正。采用修正之后的线刚度比按照刚节点模型的步骤进行计算即可。需要注意的是修正只需在碗扣式连接处。除了文献4中表D-2注明的梁远端铰接和嵌固的调整系数不需要修正，其余地方也不必再修正。

1.4 实验结果与分析

1.4.1 恒定围压实验

实验过程中保持围压恒定30MPa，实验结果见表1。在恒定压力注入实验流体的实验中，随着压力梯度的增加，采出流量逐渐增加，流量和压力梯度符合直线关系，相关系数在0.9以上，根据实验点回归拟合，求得的拟启动压力梯度为0.1839MPa/m，可见在较低的压力梯度下，非线性不明显，可以通过直线拟合的方法求取拟启动压力梯度。对于恒定注入流量实验，将实验结果的压差折算成压力梯度，按照线性回归拟合，求得的拟启动压力梯度为0.1888MPa/m；在恒定注入流量下，随着实验的进行，压力逐渐升高，压力梯度逐渐增大，采出液体流量也逐渐增加，直至采出流量稳定，压力稳定。但实验过程中压力上升得较慢，上升到一定值后缓慢下降，而后又上升，起初振动幅度较大，类似阻尼振动的动态变化过程，随着注入时间的延长，振幅越来越小，直至最后趋于稳定，整个过程耗时较长，极不经济。

在恒定围压模式下，流体无论以何种方式注入，都会由于注入参数的增加而引起相应骨架变形程度的减小，一定的注入压力对应着一定的骨架形变量，注入压力越大，岩心骨架应力形变量越小，渗透率得到部分恢复，渗透效果变好，渗流能力变得相对大一些；在恒定注入流量过程中也出现上述类似的变化规律。在注入压力梯度稍大的情况下，可能会出现实验点偏离直线而凹向流量轴，因此经回归拟合测得的拟启动压力梯度往往数值偏大。

1.4.2 恒定净围压实验

实验设定净围压为2MPa，实验结果见表1。在恒定注入压力方式下，围压恒定，整个岩心骨架受力处于静态稳定中，岩心渗流稳定速度较快，从注入开始到渗流稳定所需要的时间较短，将实验点线性回归拟合求得拟启动压力梯度为0.1660MPa/m。在恒定流量注入方式下，按照数据拟合求得拟启动压力梯度为0.1655MPa/m。

表1 不同围压控制模式下实验结果

在恒定注入压力实验方式下，孔隙压力的增加同样导致围压的自动调整，因此对于岩石本体，受力不变，岩心骨架变形程度也是恒定的，岩心的渗透率几乎没有变化，即使再增加注入压力，流量也不会偏离直线太多，这样在恒定渗透率条件下测得的启动压力才和该块岩心的实际启动压力梯度值符合。

在一定注入流量下，随着注入压力的升高，围压一直变化，由于系统检测压力值是有间隔的，井口压力的变化使岩心总是重复着变形和恢复2个过程，直至进口压力恒定。恒定净围压，对于岩心本体来说，始终处于动态平衡中，孔隙中的流体受力逐渐增加，岩心本体受力不变，总是从一个净压力差调整到下一个相同的净压力差，因此，从实验开始到稳定所需的时间会很长。以注入流量为0.005mL/min压力变化过程为例，在注入初期，压力平稳上升，直至最高点为0.621MPa，而后降低至0.572MPa，而后再上升，如此循环，类似阻尼振动，产生了围绕稳定值 0.588MPa上下波动的振荡过程，振动幅度越来越小，直至最后稳定在0.588MPa。

2 评价与优选

上述2种围压控制模式下，得到4组实验结果，通过对比发现，恒定围压模式下2种注入方式测定的启动压力数值相差不大，但都偏高。考虑到低渗岩心不同于一般的中高渗岩心，在围压施加过程中，可能由于岩心变形发生应力敏感，导致上覆压力的增加，引起渗透率的大幅下降。因此室内实验时，在恒定围压模式下注入参数增加的过程中，恒定流量和恒定压力，都会由于净围压的减小而使渗流效果变好，使得实验点偏向流量轴，从而使回归直线在压力梯度轴的交点变大，即启动压力梯度数值变大。

为了判断2种围压控制方案中的应力敏感性变化，参照有效应力[10]理论，有效应力σeff为上层总压力和孔隙流体压力p的差值，在实验室内通常用围压Pc表示上层总压力，则有效应力的计算表达式为：

式中：α为有效应力系数。

当α=1时的表达式即为经典的Terzaghi有效应力表达式，孔隙压力并非定值，而是一个等效值，一般来说，可以用进口压力近似代替孔隙压力。

据文献[11]评价方法表述可知，对于相同性质的岩心，在相同的有效应力下对应的渗透率值应相等，所测得启动压力也应相同或相近，应力敏感指数也不应该差异太大。

式中：K为有效应力为σeff时的岩石渗透率，μ m2；K0为有效应力为0时的岩石渗透率，μ m2；d为岩石应力敏感常数，MPa-1；为岩石应力敏感指数。

依据文献[11]的算法，即按照式（3）、（4）将恒定围压模式下的2组实验数据分别进行回归拟合和应力敏感指数计算，拟合和计算结果见表2。

表2 不同围压控制方式下的应力敏感性评价

从表2可以看出，按照文献[11]的方法计算恒定围压下应力敏感指数分别为30.92%和37.50%，属于“中等偏弱”应力敏感，同样按照国家经贸委发布的“SY-T5358-2002储层敏感性流动实验评价方法”中围压应力敏感方法计算的渗透率变化率分别为 4.42%和 13.99%（由于注入参数实验点选取幅度较小，只能计算出渗透率变化率），已经发生弱应力敏感。可见，无论依据哪种评价标准，恒定围压情况下，都会引起明显的应力敏感，对于恒定净围压情况下，同样按照国家经贸委发布标准计算的渗透率变化率极小，可以认为没有发生应力敏感。

文献[11-12]对应力敏感进行了研究，一般认为，围压会引起岩心骨架的变形，使大孔隙被压缩、微裂缝闭合，渗透率大幅降低。研究表明，致密砂岩的特点之一是存在连通不好的大孔隙或微裂缝，本实验岩石中存在构造微裂缝，因此其受压应力敏感变化分为2个阶段：大孔隙压缩裂缝闭合阶段和弹性变形阶段，2个阶段以净围压11MPa为分界点。在净围压低于11MPa时，渗透率随净围压变化幅度较大；在净围压高于11MPa时，渗透率随净围压变化幅度较小，因此在以恒定围压方式实验时，要尽量使岩心在弹性阶段进行，这样测得的数值才有意义。

从经济可行性和设备要求的角度考虑，在恒定流量情况下，无论是哪种围压控制模式，所需的时间都较长，不适合室内大批量测试，但对设备的要求较低，一般的平流泵皆可满足要求；恒定净围压模式下测试结果准确，而在恒定围压模式下测定偏差较大；在恒定注入压力情况下，2种围压模式开展渗流实验所需时间都不太长，但在恒围压模式下测试结果偏差较大，而在恒定净围压模式下测试结果准确，适合室内批量测试，一般的国产成套渗流设备和进口注入设备皆可满足要求。综合以上2种控制方法综合衡量可知：恒定注入压力下以恒定净围压模式开展实验方法比较可行。

在油田实际开发过程中，随着油藏开发的进行，地层压力会有所下降，储层受到的有效应力增大，储层的孔隙空间减小，渗流能力降低，特别是对于裂缝性储层，有效应力的影响更加明显。二次采油中注水的目的就是补充地层损失能量，提高孔隙流体压力，以此提高压力梯度。在实际地层中启动压力梯度是多种因素综合作用下表现出来的结果，由于持续注水补充了地层压力的损失，孔隙压力梯度变化的幅度并不大，因此岩石本体受到的有效应力变化并不明显。在室内测试启动压力梯度时，采用恒定净围压模式可以使岩石有效应力恒定，恒定注入压力可使岩石孔隙压力不发生大的波动，因此测试启动压力耗时较短，且模拟地层的精度也较高，因此恒定净围压模式下的恒定压力注入实验是比较理想的实验方法。

3 结 论

（1）在室内实验计算拟启动压力梯度时，可以按照实验点回归拟合直线的方法求得。

（2）在恒定围压模式下所测得启动压力梯度数值往往偏差较大，不能反映岩心实际情况， 为适当降低实验误差，可在净围压高于11MPa下进行实验，测试结果有一定可信度。

（3）在恒定净围压模式下，测试数据可靠，恒定流量注入时由于压力动态变化较大压力稳定较慢，恒定压力注入时由于岩心骨架变形稳定压力稳定较快。

（4）综合分析认为，室内测定启动压力梯度较为理想的围压控制模式是在恒定压力注入方式下的恒定净围压模式。

[1]李传亮.启动压力梯度真的存在吗？[J].石油学报，2010，31（5）：867-870.

[2]窦宏恩.讨论《启动压力梯度真的存在吗？》一文[J].石油学报，2013，34（2）：412-416.

[3]吕成远，王建，孙志刚.低渗透砂岩油藏渗流启动压力梯度实验研究[J].石油勘探与开发，2002，29(2)：86-88.

[4]张永平.考虑启动压力梯度的特低渗透油藏压裂水平井产能预测模型[J].大庆石油地质与开发，2013，32(3)：57-61.

[5]宋付权，刘慈群.低渗透油藏启动压力梯度的简单测量[J].特种油气藏，2000，7(1)：23-25.

[6]秦积舜.变围压条件下低渗透砂岩储层渗透率变化规律研究[J].西安石油学院学报：自然科学版，2002，17（4）：28-31.

[7]于忠良， 熊伟， 高树生，等.低渗透储层应力敏感分析[J].天然气技术， 2008， 10(4)：26-29.

[8]刘丽.低渗透油藏启动压力梯度的应力敏感性实验研究[J].油气地质与采收率，2012，19（2）：81-83.

[9]郑玲丽，李闽，钟水清，等.变围压循环下低渗透致密砂岩有效应力方程研究[J].石油学报，2009，30(4)：588-592.

[10]李闽，肖文联.低渗砂岩储层渗透率有效应力定律实验研究[J].岩石力学与工程学报，2008，27（s1）：3536-3540.

[11]李传亮.储层岩石的应力敏感性评价方法[J].大庆石油地质与开发，2006，25（1）：40-42.

[12]任和爱，赵世旭，李成福，等.低渗砂岩的变围压应力敏感性实验评价[J].海洋地质前沿，2012，28(6)：60-64.