深层致密砂岩扩容增注机理研究——以南海东部X油田为例

任 杨，付云川，刘成林，匡腊梅，周文超，孙 君

(1.中海石油(中国)有限公司深圳分公司，广东深圳 518064；
2.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452)

南海东部X油田储层具有渗透率低、埋藏深、温度高等特点，储层为致密砂岩，物性较差。一些注水井存在储层污染堵塞，注入困难，注入强度会进一步降低，配注指标难以实现，造成地层能量亏空，影响了油田的产量。

针对目标油田物性特点及开发过程中存在的问题，提出岩石力学扩容强化注水技术，采用岩石力学实验测试、破坏理论拟合参数并结合真三轴物理模拟实验，研究目标储层岩石力学强度、变形参数和扩容参数，扩容机理，通过真三轴地应力物理模拟实验验证扩容效果，优选工艺条件，确定水力扩容在该油田的适用性，为现场施工提供指导[1-2]。

1.1 单轴强度测试实验

为分析目标油田储层岩石力学性质，钻取直径25 mm的天然岩心，通过单轴抗压实验得到储层强度参数，通过三轴实验得到储层岩石力学参数。

使用岩石力学测试系统在不加围压条件下测试岩心的单轴抗压强度。在单轴压缩条件下，随着单轴应力增加，试样呈现出脆性破坏。岩心在单轴压缩条件下的应力-应变曲线反映出轴向应力随轴向应变的增加，经历了上凹阶段、线性阶段和下凹阶段，应力达到峰值后迅速下降，测试得到单轴抗压强度为69 MPa，直线段的弹性模量为8.4 GPa。

1.2 三轴强度测试实验

取目标储层岩心，分别测量在围压5，10，15 MPa条件下的三轴抗压强度。围压加载到目标值后，在岩心破坏强度的30%之前采取轴向负荷控制，后转为径向变形控制直到试样破坏，控制程序采集应力、应变等数值，实验应变率为1%/min。

对本次实验单轴、三轴抗压强度数据结合油藏资料数据，用Mohr-Coulomb,线性Drucker-Prager, Hoek-Brown强度以及抛物线性Drucker-Prager准则进行拟合。

岩石滑移面上剪应力与主应力的关系为：

τ=σtanφ+C

(1)

式中：τ为剪应力，MPa；
σ为主应力,MPa；
φ为内摩擦角，(°)；
C为粘聚力，MPa。

在σ-τ坐标系中，利用实验数据，以各组实验破坏时的轴向压力σ1和围压σ3为直径两端点画出莫尔圆，并画出强度包线，得到Mohr-Coulomb准则拟合曲线[3]，如图1所示。计算得φ=49.2°，C=12.69 MPa。

图1 Mohr-Coulomb准则拟合曲线

利用Drucker-Prager强度准则进行拟合，在三轴实验中平均主应力与广义剪应力的关系为：

(2)

(3)

q=σ1-σ3

(4)

式中：p为平均主应力，MPa；
q为广义剪应力，MPa；
σ1为最大主应力，MPa；
σ2为中间主应力，MPa；
σ3为最小主应力，MPa；
α、κ为与岩石内摩擦角和粘聚力有关的常数，可用于计算目标储层岩石的屈服位置和屈服面[4-5]。

通过实验数据拟合得到Drucker-Prager准则拟合曲线，如图2所示。拟合得到q=1.835p+24.58，得出α=0.353，κ=14.191。

图2 Drucker-Prager准则拟合曲线

利用Hoek-Brown强度准则进行拟合：

(5)

式中：σc为岩石单轴抗压强度，MPa；
m为反映岩石软硬程度的常数；
s为反映岩石破碎程度常数。

单轴强度实验已测得σc=69 MPa，可用(σ1-σ3)2与σ3进行线性拟合。通过实验数据得到Hoek-Brown准则拟合曲线，如图3所示。

图3 Hoek-Brown准则拟合曲线

拟合结果得到：(σ1-σ3)2=1 249σ3+2 748，得出m=18.1，s=0.58。通过分析可知目标储层岩石为较硬岩石，预测岩石受到破坏时的破裂程度为较完整岩体，呈块状结构[6-7]。

利用抛物线型D-P模型拟合岩石屈服面模拟目标储层岩石的的弹塑性变形：

(6)

根据抛物线型D-P模型拟合结果作出岩石屈服面曲线，用于建立岩石力学破坏理论模型，进行扩容技术研究。

2.1 岩石力学破坏模型建立

根据单轴实验、三轴实验测试数据所拟合的抛物线型D-P模型拟合曲线，在不同扩容压力条件下拟合cook岩石力学破坏模型，分析不同扩容压力条件下井壁岩石应力路径与破坏面的关系[10]。拟合结果见图4。

图4 井壁岩石应力路径与岩石屈服面关系

井口扩容压力26 MPa时，井壁周围储层岩石的应力路径不能碰到岩石屈服面，井周不能产生扩容区；
井口扩容压力28 MPa时，井壁周围储层岩石的应力路径刚刚触碰到屈服面，此压力为扩容区产生的最小压力，但低压力下扩容液向地层漏失比例高，扩容效率较低；
井口扩容压力32 MPa时，井壁周围储层应力路径与屈服面有较大段触碰，井周能产生高效率扩容区，满足扩容实施需求。

2.2 耦合孔隙介质弹性力学模型建立

以井口扩容压力32 MPa为施工条件，采用耦合孔隙介质弹性力学模型预测施工过程中井周储层的扩容应力状态，得到井周1 m半径范围内储层平均有效主应力分布，分析扩容区发展趋势。模拟结果见表1。

表1 井周1 m半径内平均有效主应力分布 MPa

井周平均有效主应力越小，该区域越容易产生剪切扩容区[11-12]。以井筒为原点，垂直于井筒的水平方向为0°方向，模拟结果可直观看出，井周沿水平方向165°和345°方向平均有效主应力最小，75°和255°方向平均有效主应力最大。井口扩容压力为32 MPa时，能产生有效的扩容区，扩容区在井周的扩展方向为165°和345°，沿储层水平最大主应力方向，垂直于水平最小主应力方向。

通过岩石力学测试目标储层岩心的强度，进行破坏理论拟合，获取目标储层的岩石力学强度参数和变形参数，得到岩石破坏面曲线；
建立的岩石力学破坏模型，能够真实反映目标储层物性。分析不同扩容压力条件下井壁岩石应力路径与岩石破坏面的关系曲线，可以计算出目标储层的有效扩容压力。采用耦合孔隙介质弹性力学模型能够直观地反映扩容施工过程中井周扩容区的发展趋势，验证拟合计算结果。

为进一步优化扩容施工工艺，更直观地模拟扩容施工效果，设计了真三轴水力扩容物理模拟实验，使用大型物理模拟设备模拟储层，探索并优化工艺参数，为工艺方案设计提供指导。

3.1 方案设计

为模拟目标储层岩石物性，实验使用砂岩露头岩心满足孔隙度12%、抗压强度60 MPa，抗张强度3 MPa，与目标储层岩心物性接近。将岩心切割为100 mm×100 mm×100 mm的立方体试样，并经过打磨保证立方体对立面平行且相邻面垂直。

根据目标储层深度及地应力梯度计算地应力，三轴有效应力为：Sv=33 MPa,Shmin=15 MPa,Shmax=21 MPa。实验方法采用：①恒定压力的阶梯扩容；
②恒定流量的低流速扩容；
③长时间预处理+小排量扩容。

3.2 流程设计

为模拟扩容施工注水井，保证在实验过程中流体能够顺利进入试样内部，在切割打磨好的立方体中间钻去2 cm左右的孔，并安装压裂管，压裂管与岩心之间使用高强度树脂密封，每组实验分别制作1套岩心试样，共制作3套。使用CT扫描仪对实验前的岩心试样进行扫描，扫描图片见图5。

图5 扩容前岩心试样CT照片

通过CT扫描照片观察实验前岩心内部完整，无裂缝产生。使用真三轴岩石力学测试仪器，将制备好的试样放置在下压头上，接着在表面安装一层热缩管以防止流体进入三轴压力室。最后安装上压头、位移传感器和流体通道。岩心CT照片与安装后的试样如图6所示。

图6 水力扩容试样安装示意图

按照真实地应力环境，通过真三轴六个方向的压头施加荷载。保持地应力不变，通过流体注入系统注入流体压力。理论起裂压力预测根据以下公式计算：

Pb=3σh-σH+T0-T

(7)

式中：Pb为理论起裂压力，MPa；
σh为水平最小主应力，MPa；
σH为水平最大主应力，MPa；
T0为抗张强度，MPa。

实验条件为σh=15 MPa，σH=21 MPa，P=0，T0=3 MPa，计算得Pb=27.0 MPa。

3.3 恒定压力的阶梯扩容模拟

恒定压力的阶梯扩容模拟实验流体采用阶梯压力注入方式，即流体压力呈阶梯式逐步上升，并且在每个压力阶段保持一段时间，使流体充分进入试样内部，改变孔隙压力。用增压泵注入加压流体，先以较快的升压速度压力加至5.0 MPa，稳定约30 min，观察实验压力变化。待液体压力稳定后逐渐升高压力。实验过程中，可通过位移传感器判断岩心是否发生变形。当流体压力出现明显下降时表明试样已破裂，这时关闭流体压力注入系统，结束实验，记录实验压力曲线。进行阶梯式恒定压力扩容直至样品开裂时，测得实际扩容压力Pb=25.0 MPa，与理论起裂压力相接近。对实验后的岩心试样进行CT扫描，对比实验前后试样内部孔隙结构的变化以验证水力扩容的效果，实验压力曲线与CT扫描结果见图7。

图7 阶梯压力扩容压力曲线(上)与实验后岩心CT照片(下)

通过CT扫描照片可以看出，实验后岩心形成了一条单一张裂缝，不满足扩容实施效果[13-14]。实验表明，恒定压力的阶梯扩容条件下孔压预处理时间较短，扩容开启压力较高，接近地层起裂压力，并且形成单一张裂缝，扩容效果不明显。恒定压力的阶梯扩容工艺不能满足储层改造和解堵的需求。

3.4 阶梯恒定流量的低流速扩容模拟

恒定流量的低流速扩容模拟实验流体采用阶梯增加扩容流量的注入方式，即流体流量呈阶梯式逐步上升，并且在每个流量阶段保持一段时间，直至岩心开裂。实验过程中，通过位移传感器判断岩心是否发生变形。当流体压力出现明显下降时表明试样已破裂，这时关闭流体压力注入系统，结束实验，记录实验流量、压力曲线。进行阶梯式恒定排量扩容直至样品开裂时，测得实际扩容压力Pb=27.5 MPa，约等于理论起裂压力。对实验后的岩心试样进行CT扫描，实验压力、流量曲线与CT扫描结果见图8。

图8 液体压力、流量曲线(上)与实验后岩心CT照片(下)

通过CT扫描照片可以看出，实验后岩心形成了一条单一张裂缝，裂缝产生后沿着岩心的弱面发展，不满足扩容实施效果。说明恒定流量的低流速扩容条件下没有孔压预处理，扩容开启压力较高，约等于地层起裂压力，形成沿岩心弱面发展的单一张裂缝，扩容效果不明显。恒定流量的低流速扩容工艺不能满足储层改造和解堵的需求。

3.5 长时间预处理+小排量扩容模拟

长时间预处理+小排量扩容模拟实验，在低排量水力扩容前对岩心试样进行孔压预处理，注入实验流体至压力升高至地层最小主应力的80%，并维持18 h。然后采用低排量注入的方式进行扩容，直至岩心开裂破坏，记录实验流量、压力曲线。岩石试样开裂时，测得实际扩容压力Pb=17.8 MPa，远小于理论起裂压力。对实验后的岩心试样进行CT扫描，对比实验前后试样内部孔隙结构的变化，以验证水力扩容的效果。实验压力曲线与CT扫描结果见图9。

图9 长时间预处理+小排量扩容液体压力曲线(上)与实验后岩心CT照片(下)

通过CT扫描照片可以看出实验后岩心在近井地带附近形成复杂的扩容带，扩容带为大体积的缝网，能大幅度提高扩容改造区的孔隙度和渗透率，满足扩容实施效果。实验说明，长时间预处理+小排量扩容条件下，扩容开启压力远低于地层起裂压力，并且在近井地带形成了复杂扩容带。这种工艺有利于大体积扩容区的形成和发展，降低施工压力，增强扩容效果。

致密砂岩储层孔隙度和渗透率均比较小，孔隙压力传递较慢。若不加孔压预处理，则注水扩容过程中近井地带储层应力比较集中，当局部应力达到起裂压力时，容易沿着岩心弱面形成单一裂缝。使用长时间孔压预处理时，流体压力均匀分布在井周孔隙中，近井地带储层一直处于特定孔隙压力状态，此时孔隙压力增大会使储层平均有效主应力减小。结合图1结论可知，平均有效主应力的减小能使岩心在较小剪应力作用下即达到屈服位置并产生裂缝，从而达到大幅度降低扩容压力的效果。经过预处理后的岩心近井地带处于均匀应力状态时，再用小排量扩容时易形成均匀复杂的扩容缝网区。因此，不经过孔压预处理的扩容容易形成单一裂缝，采用长时间孔压预处理+小排量扩容的方式实施扩容，有利于大体积扩容区的形成和发展。

(1)基于储层岩心力学参数测试数据建立孔隙介质弹性力学模型，分析得出目标储层实施扩容的井口最小压力不低于28 MPa，在扩容压力32 MPa时，井周能产生有效的扩容区，扩容区在井周沿储层水平最大主应力方向扩展。

(2)深层致密砂岩扩容实施过程中，未经过孔压预处理的扩容容易形成单一张裂缝，通过小排量扩容前的孔压预处理来增加近井地带的孔压，能大幅度降低扩容所需压力。通过不同扩容实施工艺条件下的物理模拟实验效果对比，长时间预处理+小排量扩容的工艺条件可以在近井地带形成大体积的扩容区。