一種基于孔隙壓縮實驗確定巖石有效應力系數的方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于孔隙壓縮實驗確定巖石有效應力系數的方法，在同一巖石的同一方向上選取物性相近的巖心，抽真空飽和流體，在維持孔隙壓力為室壓的情況下，逐漸增加三軸圍壓，測定加壓過程中孔隙排出的流體體積，確定巖石孔隙壓縮系數，擬合有效應力與孔隙壓縮系數的擬合函數，測量飽和巖心的孔隙壓力恒定值和增加圍壓后的孔隙壓力值，確定巖心孔隙體積減小量，根據巖石骨架承受的有效應力和巖石孔隙壓縮系數的計算公式，最終確定巖石有效應力系數值。本發明的方法，適用于低滲透、超低滲透儲層應力的研究，測試設備簡單，原理清晰，方法簡潔、測量結果準確。
【專利說明】一種基于孔隙壓縮實驗確定巖石有效應力系數的方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于油田鉆井【技術領域】，涉及巖石力學系數的確定方法，尤其涉及一種基 于孔隙壓縮實驗確定巖石有效應力系數的方法。
【背景技術】
[0002] 在各類工程設計、施工、采礦、石油鉆井等領域中，巖石力學參數的確定是制定鉆 井、完井與油氣開發和施工措施的重要依據。尤其在石油鉆井領域中，砂巖油藏儲層多孔介 質巖石有效應力系數的確定更為重要，它直接影響著多孔介質巖石骨架承受的有效應力的 合理預測。巖石力學參數的合理確定最終影響著油田整體方案的設計，進而影響油田的開 米量。
[0003] 多孔介質巖石有效應力系數是巖土力學、滲流力學領域中的重要計算參數，用來 確定多孔介質巖石骨架承受的有效應力。近百年來，眾多研究學者提出了多種確定多孔介 質巖石有效應力系數的計算方法和經驗公式。1928年，Hoffman在論文中將有效應力系數 簡單地取作多孔介質的孔隙度；1954年，Skempton和Bishop提出了與膠結程度有關的有效 應力的計算公式；1957年，Geertsma提出的有效應力系數考慮了固體材料與多孔介質之間 的差別并通過骨架顆粒和多孔介質的壓縮系數進行表述；1969年，Suklje提出了考慮到有 骨架顆粒材料、多孔介質的壓縮系數及孔隙度影響的有效應力的計算公式。2000年，國內 一些學者通過對有效應力進行研究，提出了多孔介質的本體有效應力和結構有效應力的概 念，在此基礎上給出了計算雙重有效應力的計算公式；另有一些學者通過引入多項巖石力 學參數推導有效應力系數的計算公式；還有一些學者根據Warpinski模型，應用最大似然 函數法確定有效應力系數。
[0004] 在現有技術中，根據三軸應力巖心在"封套"、"無封套"情況下的彈性模量參數的 計算方法，推導出多孔介質有效應力系數的計算公式為7 = 1-^，式中，Kft-巖石骨架的 體積模量，單位為Mpa4 固體材料的體積模量，單位為Mpa4 ; η -多孔介質巖石的有效 應力系數。應用此公式計算多孔介質巖石的有效應力系數需要采用迭代的方法計算得到， 計算過程比較復雜。
[0005] 在現有技術中，用Warpinski模型描述滲透率與圍壓和內壓的關系，推導出有效 . Gk , ok α? +α,ρι +2α,ρ 應力系數的計算公式為-=-一^~公式中的系數％可以用最大 op,, 〇P, + 2αΜ'λ + chPp 似然函數法擬合計算得到。應用最大似然函數法確定多孔介質的有效應力系數，首先需要 根據確定的轉換系數對滲透率進行轉換，再擬合轉換后的滲透率，計算精度比較差。
[0006] 對于砂巖油藏儲層多孔介質巖石來說，能夠利用現有的測定巖心滲透率的實驗條 件，快速、精確地開展有效應力系數的測定是眾多實驗人員非常關心的問題。現有的有效應 力系數的計算測定方法，大多適用于地表巖土力學的研究領域，計算結果可能造成的誤差 較大，其計算公式復雜且需要開展大量的實驗及計算工作，不能滿足快速、精確地確定砂巖 油藏儲層多孔介質巖石的有效應力系數的需要。
【發明內容】
[0007] 為解決現有技術存在的問題，本發明提供一種基于孔隙壓縮實驗確定巖石有效應 力系數的方法，尤其適用于確定砂巖油藏儲層多孔介質巖石有效應力系數。其目的是：在一 定儲層流體壓力的條件下，應用流體（既可以是儲層流體，也可以是室內配置的性質穩定 的實驗流體）確定砂巖油藏儲層多孔介質巖石有效應力系數的方法，實現對一定儲層流體 壓力下巖石有效應力系數的精確測量。該方法可以結合現有滲流力學領域的實驗設備，克 服目前有效應力系數實驗計算方法繁瑣、復雜、誤差較大的缺點，實現儲層有效應力系數的 快速、精確測量。
[0008] 為實現上述目的，本發明采用的技術方案是：一種基于孔隙壓縮實驗確定巖石有 效應力系數的方法，其按照先后順序包括以下步驟：
[0009] (1)在同一巖石的同一方向上選取巖心，并測定巖心的物理性質參數；
[0010] 巖心的形狀為圓柱體，選取的巖心的物理性質相似，需要測定的基本物理性質參 數包括滲透率、孔隙度等。
[0011] (2)將巖心抽真空飽和流體，留取其中一個飽和巖心備用，剩余的飽和巖心在維持 孔隙壓力為室壓的情況下，逐漸增加三軸圍壓，測定加壓過程中由于孔隙體積減小而排出 的流體體積，確定巖石孔隙壓縮系數c p;
[0012] 利用真空系統對巖心進行抽真空飽和處理，首先對巖心進行抽真空處理，去除巖 心樣塊內部的雜氣，然后在真空狀態下加入一定規格的流體進行浸泡，讓巖心充分吸收，為 了加快吸收速率，在浸泡過程中，對巖心和流體施加一定的外壓，其外壓根據巖心疏松和致 密程度而定。
[0013] 所述流體為標準鹽水。對巖心施加的三軸圍壓越大，巖心的孔隙體積減小越多，從 而排出的流體體積也越大。
[0014] (3)根據巖石骨架承受的有效應力的計算公式，當孔隙壓力為室壓時，巖心的有效 應力為巖心的圍壓，整理步驟（2)中確定的不同圍壓下巖石孔隙壓縮系數(；的數據， 確定巖心有效應力σ rff與巖石孔隙壓縮系數Cp的擬合函數；
[0015] 當孔隙壓力為室壓時，巖心的有效應力〇rff為巖心的圍壓，巖心的圍壓即巖石的 上覆應力。
[0016] (4)利用覆壓孔隙度測試裝置測量步驟（2)中留取備用的一個飽和巖心的孔隙壓 力恒定值P。和增加圍壓后的孔隙壓力值p。-^;
[0017] (5)根據步驟（4)中測量的巖心孔隙壓力的增量確定巖石骨架壓縮后巖心孔隙體 積的減小量AV add ;
[0018] (6)根據巖石骨架承受的有效應力的計算公式，假設不同的有效應力系數Ili，則 對應不同的有效應力，再根據步驟（3)的擬合函數確定巖石孔隙壓縮系數C pi，其中i =(0, 1，2…η);
[0019] (7)根據巖石孔隙壓縮系數的計算公式，確定不同的孔隙壓縮系數Cpi對應的孔隙 體積的減小量Λ \，其中i = (0, 1，2…η);
[0020] (8)比較步驟（5)與步驟（7)中巖心孔隙體積的減小量，確定二者之間的誤差δ i =AV.-AVi，其中 i = (0, 1，2…η);
[0021] (9)設置有效應力系數迭代增量Λ η，執行i = i+1和Iii+1 = Iii+Λ η操作，其 中 i = (0, 1，2…n);
[0022] (10)重復步驟（6)-(9)，判斷當31+1\61<〇，1=(〇，1，2?"11)，則終止計算，確 定巖石有效應力系數為nn。
[0023] 本發明通過對比與測試多孔介質巖石的巖性物性、巖性特征相近的巖石，擬合巖 石有效應力與巖石孔隙壓縮系數曲線，將實驗與計算耦合起來，最終確定巖石的有效應力 系數。其原理是：對于力學性質相近的油藏儲層巖石而言，巖石的孔隙壓縮系數與其所受的 有效應力呈相似關系，對比不同孔隙壓力下的巖石孔隙壓縮系數，計算相應的有效應力的 大小，并最終確定有效應力系數的取值范圍或具體值。
[0024] 優選的是，所述步驟（1)中，選取的巖心數量至少為兩個。
[0025] 在上述任一方案中優選的是，所述步驟（1)中，選取的巖心的物理性質相近，所述 物理性質參數包括滲透率和孔隙度。
[0026] 在上述任一方案中優選的是，所述步驟（2)中，巖石孔隙壓縮系數的計算公式為 Γ _( 1 Αν)
[0027] 式中，Cp-巖石孔隙壓縮系數，MPa-1 ;
[0028] Vp-巖石孔隙體積，cm3 ;
[0029] Λ V-圍壓變化時骨架變形排出的孔隙流體體積，cm3 ;
[0030] Λ P -圍壓變化量，MPa。
[0031] 在上述任一方案中優選的是，所述步驟（2)中，三軸圍壓增加的次數至少為三次。
[0032] 在上述任一方案中優選的是，所述步驟（3)和步驟（6)中，巖石骨架承受的有效應 力的計算公式為〇 = σε--+Γ?Ρ，
[0033] 式中，〇-多孔介質巖石的上覆應力，Mpa;
[0034] 〇 eff-多孔介質巖石骨架承受的有效應力，Mpa ;
[0035] P-多孔介質巖石的孔隙流體壓力，Mpa ;
[0036] n一多孔介質巖石的有效應力系數。
[0037] 在上述任一方案中優選的是，所述步驟（3)中，巖心有效應力與巖石孔隙壓縮系 數的擬合函數為c p = f ( σ rff)。
[0038] 在上述任一方案中優選的是，所述步驟（4)中，覆壓孔隙度測試裝置包括巖心夾 持器、恒壓泵、圍壓泵、上游閥門、下游閥門、上游壓力傳感器、下游壓力傳感器、壓差傳感 器。
[0039] 在上述任一方案中優選的是，所述飽和巖心的孔隙壓力恒定值和增加圍壓后的孔 隙壓力值的測量方法為，將飽和巖心放入巖心夾持器中，打開恒壓泵，將巖心和管線中充滿 流體；先將下游閥門關閉，再將上游閥門關閉，測量飽和巖心的孔隙壓力恒定值為P。；打開 圍壓泵，增加飽和巖心的圍壓，待相應的孔隙壓力上升穩定后，測量增加圍壓后的孔隙壓力 值為 Pc^add。
[0040] 先關閉下游閥門，使巖心和管線中充滿流體，一般充滿壓力不超過50Mpa的流體 較為適宜，再關閉上游閥門，保持巖心孔隙內的流體壓力恒定。
[0041] 在上述任一方案中優選的是，所述步驟（5)中，巖心孔隙體積減小量的計算公式 為 AVadd = V· (Pc_add_Pc) .CL，
[0042] 式中，V-下游閥門和上游閥門之間封閉的總體積，m3 ;
[0043] Q-巖心內流體的壓縮系數。
[0044] 在計算巖心孔隙體積減小量時，將巖心夾持器的兩端封閉，巖心內流體的壓縮系 數是已知的。
[0045] 在上述任一方案中優選的是，所述下游閥門和上游閥門之間封閉的總體積為巖心 的孔隙體積V p與下游閥門和上游閥門之間管線的體積VD之和。
[0046] 在上述任一方案中優選的是，所述步驟￠)中，有效應力系數L的變化范圍為 0_1 〇
[0047] 在上述任一方案中優選的是，所述步驟（9)中，有效應力系數迭代增量Λ η = 0. 001ο
[0048] 在上述任一方案中優選的是，所述巖石為砂巖油藏儲層多孔介質巖石。
[0049] 本發明的通過實驗測定計算多孔介質巖石有效應力系數的方法，適用于低滲透、 超低滲透儲層應力敏感研究領域。應用有效應力系數可以確定在真實儲層上覆壓力、孔隙 壓力、真實流體參數的條件下，實現對巖石的應力敏感程度的研究。該方法要求的測試設備 簡單，測試原理清晰，其中在缺乏儲層流體參數的情況下，可以采用室內實驗室配置的性質 穩定的測試流體。與現有的實驗測算有效應力系數的方法相比，本發明的技術方案更為方 便、快速。本發明在模擬油藏儲層的真實壓力條件下，利用常規測試巖石滲透率的設備測試 估算多孔介質巖石的有效應力系數，其測試方法簡潔、精確。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0050] 圖1為按照本發明的一種基于孔隙壓縮實驗確定巖石有效應力系數的方法的工 藝流程圖；
[0051] 圖2為按照本發明的一種基于孔隙壓縮實驗確定巖石有效應力系數的方法的覆 壓孔隙度測試裝置的示意圖。
[0052] 圖中標注說明：1-巖心夾持器，2-恒壓泵，3-圍壓泵，4-下游閥門，5-上游閥門， 6-下游壓力傳感器，7-上游壓力傳感器，8-壓差傳感器。
【具體實施方式】
[0053] 為了更進一步了解本發明的
【發明內容】
，下面將結合具體實施例詳細闡述本發明。
[0054] 實施例一：
[0055] 如圖1所示，一種基于孔隙壓縮實驗確定巖石有效應力系數的方法，其按照先后 順序包括以下步驟：
[0056] (1)選取某低滲透砂巖油藏儲層多孔介質巖石，在巖石的同一方向上選取兩個物 理性質相近巖心，并測試巖心的基本物性參數，如表一所不。
[0057] 表一：巖心的基本物性參數
[0058]
【權利要求】
1. 一種基于孔隙壓縮實驗確定巖石有效應力系數的方法，其按照先后順序包括以下步 驟： (1) 在同一巖石的同一方向上選取巖心，并測定巖心的物理性質參數； (2) 將巖心抽真空飽和流體，留取其中一個飽和巖心備用，剩余的飽和巖心在維持孔隙 壓力為室壓的情況下，逐漸增加三軸圍壓，測定加壓過程中由于孔隙體積減小而排出的流 體體積，確定巖石孔隙壓縮系數C p ; (3) 根據巖石骨架承受的有效應力的計算公式，當孔隙壓力為室壓時，巖心的有效應力 〇eff為巖心的圍壓，整理步驟（2)中確定的不同圍壓下巖石孔隙壓縮系數C p的數據，確定 巖心有效應力σ rff與巖石孔隙壓縮系數Cp的擬合函數； (4) 利用覆壓孔隙度測試裝置測量步驟（2)中留取備用的一個飽和巖心的孔隙壓力恒 定值P。和增加圍壓后的孔隙壓力值P。-^ ; (5) 根據步驟（4)中測量的巖心孔隙壓力的增量確定巖石骨架壓縮后巖心孔隙體積的 減小量AVadd ; (6) 根據巖石骨架承受的有效應力的計算公式，假設不同的有效應力系數L，則對應 不同的有效應力，再根據步驟（3)的擬合函數確定巖石孔隙壓縮系數C pi，其中i = (〇, 1，2... η); (7) 根據巖石孔隙壓縮系數的計算公式，確定不同的孔隙壓縮系數Cpi對應的孔隙體積 的減小量Λ Vi，其中i = (0, 1，2…η); (8) 比較步驟（5)與步驟（7)中巖心孔隙體積的減小量，確定二者之間的誤差= 八乂--八乂1，其中1=(〇，1，2?11); (9) 設置有效應力系數迭代增量Λ η，執行i = i+Ι和iii+1 = iii+Λ η操作，其中i =(0, 1，2…n); (10) 重復步驟（6)-(9)，判斷當δ i+1X δ i < 〇, i = (〇, 1，2…n)，則終止計算，確定巖 石有效應力系數為nn。
2. 如權利要求1所述的基于孔隙壓縮實驗確定巖石有效應力系數的方法，其特征在 于：所述步驟（1)中，選取的巖心數量至少為兩個。
3. 如權利要求2所述的基于孔隙壓縮實驗確定巖石有效應力系數的方法，其特征在 于：所述步驟（1)中，選取的巖心的物理性質相近，所述物理性質參數包括滲透率和孔隙 度。
4. 如權利要求1所述的基于孔隙壓縮實驗確定巖石有效應力系數的方法，其特征在 (1 δγ? 于：所述步驟（2)中，巖石孔隙壓縮系數的計算公式為q = ， 式中，(；一巖石孔隙壓縮系數，MPa4 ; Vp-巖石孔隙體積，cm3 ; Λ V-圍壓變化時骨架變形排出的孔隙流體體積，cm3 ; Λ P-圍壓變化量，MPa。
5. 如權利要求4所述的基于孔隙壓縮實驗確定巖石有效應力系數的方法，其特征在 于：所述步驟（2)中，三軸圍壓增加的次數至少為三次。
6. 如權利要求1所述的基于孔隙壓縮實驗確定巖石有效應力系數的方法，其特征在 于：所述步驟（3)和步驟（6)中，巖石骨架承受的有效應力的計算公式為 〇 = 〇rff+ηP， 式中，σ-多孔介質巖石的上覆應力，Mpa; σ eff一多孔介質巖石骨架承受的有效應力，Mpa ; P-多孔介質巖石的孔隙流體壓力，Mpa ; η-多孔介質巖石的有效應力系數。
7. 如權利要求6所述的基于孔隙壓縮實驗確定巖石有效應力系數的方法，其特征在 于：所述步驟（3)中，巖心有效應力與巖石孔隙壓縮系數的擬合函數為C p = f( 〇 eff)。
8. 如權利要求1所述的基于孔隙壓縮實驗確定巖石有效應力系數的方法，其特征在 于：所述步驟（4)中，覆壓孔隙度測試裝置包括巖心夾持器、恒壓泵、圍壓泵、上游閥門、下 游閥門、上游壓力傳感器、下游壓力傳感器、壓差傳感器。
9. 如權利要求1所述的基于孔隙壓縮實驗確定巖石有效應力系數的方法，其特征在 于：所述飽和巖心的孔隙壓力恒定值和增加圍壓后的孔隙壓力值的測量方法為，將飽和巖 心放入巖心夾持器中，打開恒壓泵，將巖心和管線中充滿流體；先將下游閥門關閉，再將上 游閥門關閉，測量飽和巖心的孔隙壓力恒定值為P。；打開圍壓泵，增加飽和巖心的圍壓，待 相應的孔隙壓力上升穩定后，測量增加圍壓后的孔隙壓力值為Pu dd。
10. 如權利要求1所述的基于孔隙壓縮實驗確定巖石有效應力系數的方法，其特征在 于：所述步驟（5)中，巖心孔隙體積減小量的計算公式為AV add = V · (Ρ_ω-Ρ。）· Q， 式中，V-下游閥門和上游閥門之間封閉的總體積，m3 ; Q-巖心內流體的壓縮系數。
【文檔編號】G01N3/12GK104089823SQ201410320028
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月7日 優先權日:2014年7月7日
【發明者】申潁浩, 葛洪魁, 欒國華, 王小瓊, 楊柳, 李曹雄, 任凱, 陳浩 申請人:中國石油大學(北京)