用CT扫描技术分析致密砂岩储层应力敏感性
时间：2022-12-04 10:45:02 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
王巧智， 江 安， 苏延辉， 张铜耀， 高 波， 齐玉民,2
1中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司 2数岩科技股份有限公司
围绕致密砂岩储层应力敏感性工作，国内外学者将研究重点集中在影响应力敏感性的内外因以及对油气藏生产动态的影响[1- 4]。而准确的评价方法是研究应力敏感性的前提，行业标准法作为评价应力敏感性的基本方法，关注的是渗透率等宏观物性参数变化，缺乏对微观损害机理的认识。近年来，陆续有少数学者探讨了微观尺度分析应力敏感性的新方法[5- 8]，但这部分学者的研究对象较为单一，通常为基质或者人工裂缝的任一种，而事实上从多尺度传质学角度来说，基质与人工裂缝是不可割裂的系统，应作为整体研究。此外，他们对渗流空间变化的细节关注不够，孔隙和裂缝随有效应力的形态变化缺乏精细化描述。
CT扫描技术具有描述致密砂岩储层的孔隙结构的能力[9]。本文以临兴致密砂岩为研究对象，岩样综合考虑基质与人工裂缝双因素，开展基于CT扫描仪实时扫描的岩样加压—卸压实验，多参数多角度分别描述了基质孔隙和人工裂缝的微观变化行为。
1.1 实验样品
选取山西临兴区块致密砂岩气藏岩样。为了获取清晰的孔隙及裂缝图像，满足高分辨率扫描的要求，需钻取8 mm直径微型的岩心柱样品，然后对微型岩心柱进行人工造缝处理，人工裂缝为沿岩样轴线的单条裂缝，岩样渗透率45.86 mD，孔隙度12.8%。
1.2 仪器方法
使用Xradia MicroXCT- 100型微米CT扫描仪作为原位加压卸压扫描设备。将该岩样放入8 mm定制岩心夹持器，施加0.1 MPa围压。调整CT扫描仪的分辨率至2.40 μm，以获得适当的图像精度。
CT扫描得到的初始图像为灰度图像(图1a)，对灰度图像进行锐化、降噪及分割处理即可获取三维可视化数字岩心[10](图1b)。利用Dong[11]提出的最大球算法，对数字岩心的孔隙网络模型进行精确提取，获取更为直观反映实验样品孔隙空间的拓扑结构，其中球状表征孔隙，束状表征喉道。提取数字岩心信息，利用AVIZO软件可以计算出岩样裂缝宽度、裂缝张开体积、基质孔喉数量及基质孔喉半径等参数信息。用一定空间的体素数与整个体积的体素总数之比表示孔隙度。
图1 0.1 MPa有效应力条件下岩样图像处理过程
应力敏感性评价的具体实验步骤如下：模拟加压、卸压过程，按顺序依次测量有效应力2 MPa、5 MPa、7 MPa、9 MPa、12 MPa、15 MPa、12 MPa、9 MPa、7 MPa、5 MPa、2 MPa条件下的岩样渗透率，并实时CT扫描获取不同有效应力环境的岩样形貌；
应用应力敏感系数法评价岩样的渗透率敏感性，如表1所示。
表1 应力敏感系数与敏感程度的关系
实验岩样的应力敏感系数为0.33，渗透率的应力敏感性为中等偏弱。如图2所示，在加压、卸压过程中，CT测算的总孔隙度对于有效应力的响应与气测渗透率相仿，孔隙结构同样表现出应力敏感性。为此，将岩样的孔隙结构分割为人工裂缝和基质孔隙，利用CT扫描技术分析孔隙结构的具体变化。如图3所示，加压过程中，人工裂缝与基质的孔隙度降低均主要发生在7 MPa以内，与加压初始值相比，人工裂缝与基质的孔隙度分别降低了3.8%和2.3%，7 MPa～15 MPa为孔隙度变化的平稳期。在卸压过程中，孔隙度恢复有限，卸压终点值与加压初始值相比，人工裂缝与基质孔隙度分别减小4.2%、2.1%，人工裂缝孔隙度下降幅度更大，人工裂缝对有效应力的敏感程度高于基质孔隙。
图2 渗透率与总孔隙度随有效应力变化曲线
图3 人工裂缝孔隙度与基质孔隙度随有效应力变化曲线
上文以孔隙度的方式量化了不同有效应力条件下人工裂缝及基质孔隙两种孔隙结构的具体变化，那么孔隙度从细微观角度是如何变化的？本文基于CT扫描图像(图4)，并利用AVIZO软件的统计运算功能，分析岩样的微观参数变化。
3.1 人工裂缝空间
如图4的二维图像所示，当有效应力增加至7 MPa时，裂缝宽度变小。有效应力继续增加，裂缝宽度无显著变化。当有效应力降至初始状态时，裂缝宽度恢复有限，不能达到初始水平。此外，如图5的三维可视化裂缝图像所示，初始状态下，两个裂缝面微凸体边界围成一个三维不规则体空间，将其定义为裂缝张开体积，此空间作为渗流的主要通道。随着有效应力的增加，渗流空间逐渐被压缩，表现为蓝色不规则体体形态减小。卸压后，不规则体体形态小幅度增加，渗流空间恢复有限。结合图3中人工裂缝孔隙度曲线，该岩样加压至15 MPa时孔隙度下降了约4.7%(从8.1%下降到3.4%)，卸压至0 MPa时，孔隙度恢复到3.9%。
图4 加—卸压过程中不同处理方式的数字岩心图像
为了精细化描述人工裂缝随有效应力的变化细节，应用AVIZO软件统计计算了人工裂缝系统的裂缝张开体积、裂缝宽度。如图5所示，岩样加压至7 MPa时，裂缝张开体积、裂缝宽度均发生了明显下降，其中裂缝张开体积减少约46.7%，裂缝宽度减少约39.8%。有效应力继续增加至15 MPa时，两种参数值下降幅度明显减缓。卸压后，均恢复不明显且无法恢复至初始状态。在加压和卸压循环后，裂缝张开体积、裂缝宽度两种参数终点值比初始值分别降低了51.2%、43.9%。结合实验结果，从以下两方面剖析裂缝的微观变化行为。
图5 人工裂缝形态表征参数随有效应力变化曲线
3.1.1 应力敏感性存在拐点压力
本文实验样品的应力敏感性拐点压力为7 MPa，拐点前裂缝渗流空间的下降幅度远大于拐点后，拐点压力的存在与裂缝表面的微凸体形态有关。初始有效应力条件下，两个裂缝面之间的微凸体轻微接触，裂缝渗流空间为最大值。随着有效应力的增加，两个裂缝面之间的微凸体的啮合数量增多，即各个微凸体全面接触，致使裂缝渗流空间急剧减少，有效应力升至拐点时，微凸体已充分接触，此时的裂缝渗流空间已趋近于稳定。在拐点处继续增压，裂缝继续变形要克服先前已接触的微凸体产生的巨大阻力，致使闭合愈加困难。卸压后裂缝渗流空间不能恢复至初始状态，原因在于微凸体发生永久性塑性变形，甚至会完全破碎产生不可逆转的形变，导致岩心内部整体裂缝渗流能力减弱，即是裂缝的应力敏感性损害。
3.1.2 裂缝宽度可反映应力敏感性特征
文献[5]使用可视化缝宽测量系统研究应力敏感性，指出裂缝宽度反映的是岩心端部二维平面的裂缝状态，无法像渗透率一样真实反映整个岩心内部流动情况。本文应用CT扫描技术测算到的裂缝宽度不是裂缝的机械视宽度，而是数百张二维切片堆叠计算的平均宽度。在相同有效应力下，CT扫描技术测算的裂缝平均宽度与行业标准法渗透率测试结果计算求得的裂缝宽度值接近(表2)，各有效应力条件下差值不超过14.4%，CT扫描技术测算的裂缝平均宽度可以真实反映岩心内部整体裂缝的有效渗流能力。
表2 CT扫描技术测算裂缝宽度与行业标准法气测渗透率测算裂缝宽度
3.2 基质孔隙空间
如图4所示，当有效应力升至7 MPa时，代表孔隙的像素点数量明显减少。卸压过程中，对比相同有效应力的前后两幅图像，像素点仅存在有限的恢复。此外，从三维基质孔隙图像可以观察到，初始状态下孔隙与喉道连通良好，而加压后孔隙喉道的数量减少，孔隙喉道的连通性变差。结合图3中基质孔隙度曲线，该岩样加压至15 MPa时孔隙度下降了约2.5%(从5.0%下降到2.5%)，卸压至0 MPa时，孔隙度恢复到2.9%。
如表3所示，有效应力增至15 MPa，孔隙、喉道的各参数均有所减小，喉道的减小幅度均大于孔隙，说明喉道对于有效应力更为敏感。这一结果符合孔隙与喉道变形理论，即有效应力增大时，喉道先于孔隙被压缩。究其原因，临兴区块储层以粒间孔为主，孔隙呈梯形、多边形等，有一定的抗压能力，受有效应力的影响相对不大。而喉道多呈片状、拱状结构，喉道表面局部位置有黏土矿物附着搭桥，结构很容易被压缩，受到有效应力作用极易闭合，导致渗透率大幅度降低。有效应力降至初始状态时，各参数均未能恢复至初始状态。这是因为在应力作用下孔隙喉道相继发生弹塑性变形，尤其是在高有效应力下可引起颗粒破碎或孔隙坍塌，极大降低孔隙连通性，致使渗透率大幅度下降，卸压后不能恢复至初始状态。
表3 实验岩样基质孔隙参数随有效应力变化
致密砂岩气藏潜在应力敏感损害，工艺上应以预防为主。钻完井过程中，应严格控制起下钻速度以及开关泵的频率，适当减小钻井液的稠度，降低因压力激动引起地应力改变，从而控制近井地带储层基质裂缝变形幅度，实现保护储层和安全钻井双赢。在开采过程中，应适当减少开关井次数，采用合理的生产压差及采气速率，以控制孔隙压力下降速度，防止渗流通道闭合，降低应力敏感损害。
利用CT扫描实时获取不同有效应力环境的岩样形貌，构建不同有效应力下的数字岩心，可实现精细化分析储层应力敏感性。临兴致密砂岩实验岩样的应力敏感损害程度为中等偏弱，渗透率及孔隙结构损害均不可逆。人工裂缝是影响应力敏感性的主要因素，裂缝宽度、裂缝张开体积等参数对有效应力的响应及时准确，可定量化描述裂缝应力敏感特征。基质孔隙是影响应力敏感性的次要因素，孔隙喉道的数量与半径可以反映基质渗流空间随有效应力的细节变化，喉道对于有效应力敏感程度高于孔隙。应力敏感影响低渗透致密砂岩储层渗流特征，在微观尺度研究应力敏感性是十分必要的。
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