储层岩石变形特征对渗透率的影响实验研究
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作者: 李世杰
摘要： 储层岩石在地下受有效应力的作用，有效应力改变将使岩石发生变形，从而影响其渗流特性。本文利用从美国引进的三轴向岩石力学测试系统，从岩石的力学特性入手，研究了储层岩石在地层压力下降和压力回弹过程中的变形特征及渗透率变化规律。实验发现，储层岩石的受力变形不是完全弹性的，在地层流体压力回弹过程中，部分变形不可恢复，渗透性能无法恢复到原始状态。对于抗压强度较小的储层岩石，当有效上覆压力增大，超过其抗压强度后，会产生裂缝，从而改善其渗透性能。
关键词： 岩石变形； 渗透率； 压力回弹； 应力应变
中图分类号： P618.13 文献标识码： A 文章编号： 1009-8631（2010）08-0028-02
一、引言
储层岩石在地下处于一个复杂的温度场和应力场中，生产所造成的地层压力变化，以及各种增产措施（如注水、酸化压裂、热采等）所造成的瞬时局部应力改变，都会使岩石原有的应力状态发生变化[1]，导致岩石受力变形，从而改变其渗透性能。对多孔介质的渗流特性研究，许多学者已经做了大量工作，并且有了成熟的理论方法[2]-[6]，许多学者的研究，由于实验条件的限制，只能建立在改变有效围压的基础上[7]-[8]，但是，随着研究方法的改进和实验技术的发展，对储层岩石渗流机理的进一步研究和认识仍有一定的发展空间。本文利用先进的设备，从岩石的力学特性入手，对储层岩石在三轴应力条件下（既可改变有效围压，又可改变上覆压力）的变形特征对渗透率的影响做了初步的实验研究。研究结果为油藏开发提设计供了理论基础。
二、实验设备及工作原理
实验设备采用从美国引进的三轴向岩石力学测试系统（图1）。系统的主要技术参数：
轴向力：σ≤1.47×106牛顿
围压：Pc≤138MPa
孔隙压力：Pp≤103MPa
模拟温度：t≤200℃
将岩样置于高压舱中，通过施加轴向应力模拟储层岩石的上覆压力，用围压模拟水平地应力，用孔隙压力模拟地层流体压力，通过加温系统模拟地层温度。在环境条件模拟的同时，计算机自动记录应力应变，可同时进行渗透率的测试。
三、结果与分析
（一）地层压力下降过程
地层压力下降，将导致作用在岩石骨架上的有效水平应力和有效上覆压力的增加。在实验室内，可分别通过施加围压和轴向应力差来模拟这一过程。
1. 有效围压增压过程
有效围压对孔隙型砂岩渗透率的影响规律，部分学者已经做过一些研究[7]-[10]。低渗裂缝型储层岩石对有效围压的作用更为敏感[11]。图2是一组水平钻取的几种岩性的岩样，并已在三轴向岩石力学测试系统上人工造出近水平方向的裂缝，图例中岩性后面的数字是测试时的初始渗透率值，单位为10-3μm2。
从图2中可以看出，随着有效围压的增加，岩石的渗透率逐渐减小，有效围压增压初期，渗透率变化较快，当有效围压大于10MPa之后，渗透率变化缓慢。
从围压体应变数据分析，有效围压增压初期，体应变（εν）快速增大，即岩样体积（V=V0（1-εν））快速减小，有效围压大于10MPa之后，体应变增加缓慢。这说明，有效围压增压初期，岩样中易于变形的缝隙首先闭合，孔隙体积快速减小，故渗透率变化较快；随着有效围压的增加，难于变形的孔隙也被逐渐压缩，岩样变形缓慢，体积减小的速度变慢，故渗透率也缓慢减小。
有效围压的作用，只能使岩石变得更加致密，并不会引起岩石的破坏，故只能使渗透率减小。
2. 轴向应力差增压过程
随着轴向应力差的增加，渗透率逐渐减小，当轴向应力差达到岩石的屈服应力时，渗透率开始逐渐增大，达到岩石的抗压强度后，渗透率会急剧增大（图3）。
这是因为，在轴向加载初期，岩石中的裂纹和孔隙逐渐闭合，体应变增大，渗透率减小；即将达到屈服强度时(A点)，岩石体应变变化趋势变缓，达到屈服强度后(AB段)，岩石中开始出现微裂纹，产生塑性变形，岩石体积开始增大，渗透率增大。达到岩石的抗压强度后(BC段)，继续施加轴向应力差，裂纹逐渐扩展、连通、体应变减小为负值，体积膨胀，导致渗透率急剧增大(见B′C′段)。随着破裂面的相互错动，岩石的破裂面之间产生摩擦，随着轴压的施加，摩擦力增大，岩石又能够承受一定的压力而不完全破坏，即岩石的残余强度。这一过程中，渗透率逐渐减小(见C′之后段)。
图4是典型脆性岩石轴向压缩破坏后无载荷下的CT扫描图，图中显示，岩样破坏后产生了许多彼此连通的裂缝和微裂纹，大大增加了其渗透性能。
该类实验显示，对于有些脆性岩层，如果有效上覆压力增大，超过其抗压强度时，将导致裂缝产生。对于储层岩石来说，将大大提高其渗透性能，增加产量；对于盖层岩石来说，其封堵性能将大大降低，甚至失去封堵作用。
（二）地层压力回弹过程
地层压力回弹过程相当于有效上覆压力和有效围压减小的过程。从图5可以看出，随着有效围压和轴向应力差的增加，裂缝型岩石的渗透率减小，在压力回弹过程中，渗透率有所增加，但是，即使完全卸载回弹，也远不能恢复到原来的渗流水平。
表1是一组砂岩样品，施加10MPa围压后，模拟不同上覆压力卸载回弹的体应变变化数据表，图6是同种实验的一条应力应变曲线。
从图表中都可以看出，在加载过程的不同压力下卸载回弹，体应变都不能回到原点。表明岩样不是完全弹性体，都存在一定的塑性变形。在达到屈服强度之前，岩石的体应变是增大的，即岩石一直处于压密阶段，所以在屈服应力以前卸载，即使压力回弹到原始地层压力，由于塑性变形的存在，渗透率也无法恢复到原来的水平。抗压强度之后卸载，此阶段属于岩石破裂体积膨胀阶段，渗透率增大，渗透性能会大大改善。
四、结论
1. 有效应力的改变导致体应变发生变化，使储层岩石的渗透性能发生改变，当有效围压大于10MPa以后，体应变增加缓慢，渗透率减小的趋势变缓。
2. 对某些抗压强度较小的储层岩石，当有效上覆压力增大，超过其抗压强度后，将产生裂缝，从而改善储层的渗透性能。
3. 岩石不是完全弹性体，在受力过程中产生部分塑性变形，即使地层压力回弹，其渗透性能也无法恢复到原始状态。尤其是裂缝发育的储层，如果开采速度过快，能量不能得到及时补充，作用在岩石骨架上的有效应力增加，裂缝将被压缩，开度下降甚至闭合，造成产量急剧下降。过度开采之后，即使注液使压力回弹，也无法达到原来的开采水平。因此开采过程中一定把握好注水时机，及时补充地层压力。
参考文献：
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