气体钻井中致密砂岩流固耦合实验研究

辜思曼，孟英峰，李皋，罗成波，李盼

（西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川 成都610500）

0 引言

通常流固耦合的表现形式可归结为2 类： 一类是当岩石受较大应力作用发生变形破坏时，其渗透率大幅变化； 另一类是当岩石仅受较小应力作用孔隙微弱变形时，其渗透率变化缓慢［1-4］。笔者在对众多气体钻井的录井曲线和随钻监测曲线研究后发现，在采用气体钻井打开致密砂岩地层的时候，极易出现产量峰值，几分钟到几十分钟后却迅速下降接近0 值，也就是出现所谓的“一股气”现象。这种现象存在明显的流固耦合效应，渗透率、孔隙度等物性参数均随有效应力变化而发生明显改变［5-6］。针对气体钻井的瞬间产出特征，本文以川西地区须家河组致密砂岩为研究对象，对储层渗透率及波速与围压的关系展开室内实验研究［7-10］，利用压实规律论证渗透率变化。

1 室内实验研究

1.1 压敏实验

1.1.1 原理

变形介质气藏的渗流是一个动态流固耦合的过程：由于流体产出，引起了岩石孔隙压力的降低，从而导致了骨架变形； 岩石骨架变形导致储层孔隙体积的变化，引起物性参数特别是渗透率的改变，这些参数的变化又反作用于气藏的渗流。在气体钻井打开储层瞬间，由于极端压差的存在，孔隙瞬时大量产气，近井地带孔隙压力短时间内接近井筒压力值［11］，有效应力迅速增大，作用于基块并将其压缩；该状态下岩块受到的二次应力分布引起的渗透率改变，可以通过在实验室内快速增加围压（至1 个极值），来等效模拟围压对渗透率的影响。

1.1.2 实验方法与流程

实验仪器采用HKGP-3 型致密岩心气体高压孔渗仪（见图1）。

图1 实验装置示意

为了对比不同级别致密砂岩渗透率的应力敏感程度，从川西须家河组地层数个岩块中随机钻取60 块岩心进行实验分析，岩心的气测渗透率分布在（0.006～0.058）×10-3μm2，均在致密砂岩定义的渗透率区间里，本实验选取了10 块典型岩心，基本参数如表1所示。

表1 实验岩心基本参数

常规实验以低围压作为测试的初始值，但实际上，低围压的加压过程是对原始地层渗透率的恢复，而不是应力敏感对储层造成伤害：因此，用低净压力不能准确评价应力敏感对地层的影响。行业标准规定，初始测点（2.5～3.0 MPa）的渗透率为评价应力敏感的基准点，这夸大了有效应力对渗透率的损害； 故应使用原地应力下的渗透率作为参考点来计算其损害程度。为了满足矿场要求，需根据具体油气藏和实验设备能力适当扩大最大有效应力测点［12-14］。为了模拟气体钻井的真实过程，需要瞬间增加围压。本文以该区块地层实际情况设计实验条件，由地层压力梯度1.35 MPa/100 m、储层深度2 500 m 和平均上覆岩层密度2.50 g/cm3，可以算出原始地层有效应力约16 MPa。当气体钻井打开储层时，短时间内孔隙压力降至与井筒压力接近，取值2 MPa，则最大有效应力测试点约为60 MPa。保持进口压力值不变，缓慢增加围压，使有效应力依次为15，25，35，45，55 MPa，待每一测试点流量稳定后，测样品气体渗透率。

1.1.3 实验结果与分析

实验结果见表2，由表2可以看出，5 块致密砂岩岩样渗透率值均随有效围压增大而下降，由于岩样皆为致密砂岩，渗透率没有数量级的差别，所以其应力敏感程度差别不大。有效围压从3 MPa 增加到15 MPa时，渗透率下降很快，渗透率损害率很大。例如3#岩心，损害率达到了83%，伤害程度很深。但是研究真实的气体钻井钻开致密砂岩储层造成的压敏效应，需以原始储层有效应力作为有效围压的起点，本文选取有效围压以15 MPa 为基准。

表2 不同有效围压下的渗透率 10-3 μm2

不同围压条件下，5 块岩心K/K15与有效围压（pe）关系如图2所示。由图可以看出：初期随着有效围压的增加，渗透率下降较快；当有效围压达到35 MPa 左右时，渗透率的下降速度相对变缓。

气体钻井过程中，由于特殊的极端压差作用，压敏效应较强，最大的渗透率损害率可以达到87%，最低也有68%；而在气藏衰减开采过程中，储层渗透率随地层压力下降导致的渗透率损害相对较低，一般不超过50%［15］。

致密砂岩孔隙结构包括喉道体和孔隙体。前者为片状、反拱形薄层结构，并有绿泥石等黏土矿物桥连，承压能力特别弱，在有效应力下其极易变形，导致喉道半径急剧减小，甚至闭合；而后者为拱形结构，抗挤能力较强，变形不大［16］。影响渗流的主要是小喉道和微喉道，由于平均喉道半径非常小，有效应力的大幅增加易导致这些渗流通道闭合，从而使得储层渗透率下降较大，所以气体钻井对致密层渗透率的影响很明显。

对于孔隙度相近的岩心，渗透率与渗透率损害率呈负相关，例如2#和3#岩心孔隙度很接近，但渗透率更小的3#随有效应力的增加，渗透率伤害程度更大。这是由于当致密砂岩被压缩时，首先被压缩的是喉道，对于相同孔隙度的岩心，渗透率越小则平均喉道半径越小，相应的压敏效应越强，渗透率伤害越严重［17-19］。

图2 （K/K15）-pe 关系

1.2 声波时差实验

1.2.1 设备及流程

实验采用GCTSRTR-1000 三轴岩石力学测试仪，实验过程中，系统可同步采集纵、横波时差及波形。

从60 块岩心中，选取5 块和压敏实验岩心物性参数基本一致的6，7，8，9，10#岩心做声波时差实验，以保证两者结果的一致性，多方面论证气体钻井时产生的流固耦合特性。保持5 MPa 轴压，增加围压，使有效应力依次为15，25，35，45，55，65 MPa，待示波器上的波形图稳定后，读取纵、横波波速时差值。

1.2.2 结果与分析

岩石的纵波速度和横波速度都随着围压的增大而增大（见图3），在低于35 MPa 围压范围更敏感，即有效应力增加的初始阶段，岩石的纵波速度和横波速度随围压变化大，这反映了致密砂岩岩心微喉道逐渐闭合的过程；在围压高于35 MPa 以后，岩石的纵波时差和横波时差随围压变化不明显，这反映了微喉道几乎全部闭合后岩心本身的弹性性质：因此，声波速度（v）与围压的关系同孔喉结构、压实程度及岩石颗粒的胶结程度等成岩作用结果有关。

轴压5 MPa 条件下，对5 组岩心声波速度随围压变化的数据采用多项式回归建立回归方程，其对应的拟合方程式见表3。由表3可知，致密砂岩岩心的声波速度和围压之间呈多项式的函数关系为

式中：v0为围压15 MPa 时的原始声波速度，m/s；a，b，c为实验拟合出的多项式系数。

图3 波速与有效围压的关系

表3 不同渗透率砂岩声波速度随围压变化的拟合

通过对5 组数据的回归分析，相关系数最大为0.999 2，最小为0.978 5，平均为0.991 3，相关性良好，同一岩性规律一致。

压实效应越显著，岩层越致密，声波速度越大［20］。由图3可知，随围压的增加，岩心压实程度不断增大，波速增长速率逐渐变小至趋于0，随着岩石内部孔喉结构的压合，渗透率也相应降低。结合图2可知，渗透率及声波速度和围压都呈负相关。

2 流固耦合对储层评价的影响

气体钻井钻开地层时，由于压差极大，导致气体渗流速度极快，近井壁附近的大量气体很快进入井筒内，在录井和随钻监测曲线上形成峰值。由于致密砂岩有较强的压敏效应，近井地带基块的主要渗流通道——喉道被压合，距井筒较远处的流体还来不及进入补充，出气量在短时间内陡降至0； 因此，对于致密砂岩气藏，不能仅由曲线上出气量变化来判断储层具体情况，还要考虑气体钻井引起的压敏效应造成的渗透率损害，从而对储层进行综合评价。

3 结论

1）提出了模拟气体钻井打开致密砂岩储层的流固耦合实验论证方法。以原始储层有效应力作为有效围压基准点与实际储层的应力状态较接近，能准确反映气体钻井时储层孔隙压力降低而产生的应力敏感。

2）由于极端压差的因素，气体钻井造成的压敏效应比开发过程中更为明显，在随钻储层评价时必须考虑对储层产能的影响。

3）声波速度与围压的关系和孔喉结构、压实程度及岩石颗粒的胶结程度等成岩作用结果有关。岩石的纵、横波速度随着围压的增大而增大，其变化在相对低的围压范围内比高围压范围内更敏感。

4）在气体钻井过程中，声波速度和有效围压的关系服从多项式函数变化规律，进一步论证了应力的改变与岩石的各种物性参数及变形破坏密切相关。

［1］刘其声．岩石流-固耦合实验研究［J］．煤田地质与勘探，2009，37（2）：32-35．

［2］郭衍茹，练章华，魏臣兴，等.气井的流固耦合渗流场分析［J］.断块油气田，2012，19（4）：481-484.

［3］董光，邓金根，朱海燕，等.重复压裂前的地应力场分析［J］.断块油气田，2012，19（4）：485-488，492.

［4］贾善坡．Boom Clay 泥岩渗流应力损伤耦合流变模型、参数反演与工程应用［D］．武汉：中国科学院武汉岩土力学研究所，2009．

［5］黄远智，王恩志．低渗透岩石渗透率与有效围压关系的实验研究［J］．清华大学学报：自然科学版，2007，47（3）：340-343．

［6］贾善坡，王强，姚华彦．可变形储层注采过程中渗流场与应力场动态耦合分析［J］．长江大学学报：自然科学版（理工卷），2010，7（1）：104-107．

［7］孙可明，李凯，谈健．水平井流固耦合及井筒压降规律分析［J］．辽宁工程技术大学学报：自然科学版，2010，29（4）：582-585．

［8］熊伟，田根林，黄立信，等．变形介质多相流动流固耦合数学模型［J］．水动力学研究与进展，2002，17（6）：770-775．

［9］尹尚先，王尚旭．弹性模量、波速与应力的关系及其应用［J］．岩土力学，2003，24（增刊2）：597-601．

［10］王利娟，刘向君，韩林，等．基于声波时差的弹性模量、泊松比实验研究［J］．西南石油大学学报：自然科学版，2007，29（增刊1）：19-21．

［11］赵业荣，孟英峰，雷桐，等．气体钻井理论与实践［M］．北京：石油工业出版社，2009：53-57．

［12］兰林，康毅力，陈一健，等．储层应力敏感性评价实验方法与评价指标探讨［J］．钻井液与完井液，2005，22（3）：1-4．

［13］茹婷，刘易非，范耀，等.低渗砂岩气藏开发中的压敏效应问题［J］.断块油气田，2011，18（1）：94-96.

［14］Walsh J B.Effect of pore pressure and confining pressure on fracture permeability［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences&Geomechanics Abstracts，1981，18（5）：429-435.

［15］周克明，杨霞，曲林，等．包界地区须家河组低渗砂岩气藏储层压敏效应［J］．石油钻采工艺，2010，28（4）：33-35．

［16］于忠良，熊伟，高树生，等．致密储层压敏效应及其对油田开发的影响［J］．石油学报，2007，28（4）：96-98．

［17］孙晓旭，杨胜来，李武广.考虑启动压力梯度和压敏效应的超深层气藏产能方程的建立［J］.断块油气田，2011，18（3）：360-362.

［18］刘仁静，刘慧卿，张红玲，等．低渗透储层压敏效应及其对石油开发的影响［J］．岩石力学与工程学报，2011，30（1）：2699-2701．

［19］孙峰，李行船，熊廷松，等.低渗透油藏水力压裂井应力场转向定量评价［J］.断块油气田，2012，19（4）：489-492.

［20］赵金洲，李祖奎，孙君君，等．岩石三轴应力试验及其压实效应规律研究［J］．石油大学学报：自然科学版，2004，28（4）：56-58．