讨论储层岩石应力敏感性问题

smartdou

关于有效应力问题（简化版）.pdf (616.95 KB, 下载次数: 8)

2013-11-24 23:11 上传

点击文件名下载附件

    本人将Cllipe提到的11个问题，归纳为4个问题进行回答：（1）岩石压缩性问题；（2）有效应力及应力敏感性问题；（3）启动压力梯度问题；（4）其它问题。
          在昨天的讨论中，相关岩石压缩性问题进行了较系统的回答，供广大同行讨论。下面就第二个问题有效应力及应力敏感性问题进行讨论。
      说明：本人2012年在《新疆石油地质》第5期发表了文章《油田开发中岩石压缩系数和孔隙度相关问题探讨》（下文称《探讨》[1]），李传亮 在2013年第4期发表的《油藏工程中的若干问题——再与窦宏恩先生商榷》（下文称“《李文》[2]）。（续）

二、有效应力问题

储层岩石的应力敏感性研究一直与储层有效应力的概念相联系。但究竟什么是储层岩石的应力敏感性？通常指埋藏在地下的储层岩石中的流体被开采出来后，储层岩石中的孔隙流体压力发生了变化，作用在储层岩石上的上覆岩石压力，致使储层岩石的孔隙结构发生了变化，引起储层内原有流体渗流通道的改变或破坏，最终导致多孔介质储层岩石渗透率发生改变的这种性质称为应力敏感性。因此，研究储层岩石应力敏感性必须从上覆岩石压力、储层孔隙流体压力和岩石骨架应力的关系开始。在一定的储层条件下，有效应力变化，储层的孔隙度、渗透率，流体性质密度和粘度都会发生改变。下面主要讨论储层孔隙度、渗透率随压力变化而变化的相关问题。

2.1 “本体变形”和“结构变形”本质是“弹性变形”和“塑性变形”

        1925年Terzaghi假设储层岩石是各向同性，提出了储层岩石有效应力的概念。储层岩石中的孔隙流体压力有助于抵消由岩石粒间接触带来的机械应力，储层岩石有效应力为上覆岩石压力与孔隙流体压力之差（也称“差应力”）。1959年Hubbert 和Rubey研究指出：岩石总的垂直压力（上覆岩石压力）是有效应力与孔隙流体压力之和。其实，比较Terzaghi与Hubbert的定义，其实，他们的定义是一致的，储层岩石有效应力可表示为

于天然岩石中存在的许多微裂纹在应力作用下闭合而造成的。

AB段——线弹性阶段，AB段变形为弹性变化阶段，AB的斜率为岩石的有效弹性模量，由岩石固态物质的弹性常数和包含的孔隙情况所确定。B点就进入塑性区府区，B点称为塑性屈服点。

BC段——塑性强化阶段，该阶段岩石变形为弹塑性或塑性变形，曲线又一次呈现非线性，B点为岩石从弹性变为弹塑性或塑性的转折点，其值约为峰值强度的2/3，通常称为“屈服点”，此点的应力称为屈服应力，屈服极限或弹性极限。这时岩石明显开始出现非弹性变形，非弹性体积应变增加，即出现岩石的膨胀(dilatancy)现象。随应力增加，应变增长速率亦加快，仿佛岩石变软了似的，所以BC段也称为应变“软化阶段”。 C点对应的峰值应力叫做岩石的强度“峰值强度”或强度极限（破坏应力）。一旦岩石受力达到了此强度，岩石就会发生破坏。

CD段——残余承载阶段，岩石承载能力达到峰值强度以后，岩石内部结构被破坏，从C点开始，曲线斜率出现负值， CD段反映岩石承载能力随变形的增加而减小的性质，通常将此性质称为“脆性”。岩石在CD段的发展过程称为“破坏过程”。岩石破坏从C点开始，到D点后岩石彻底破坏。

DE段——岩石的宏观破裂阶段，此阶段岩石断裂断面已经形成，断裂面已经形成，DE曲线表示岩石应力—应变是沿断裂面两侧岩石的摩擦滑动。

从图1看出：应力-应变曲线全面的描述了岩石在不同的受压过程中的变形状况。岩石在开始变形阶段OA段，其岩石体积变化随着载荷增加，而体积缩小。近年来，AB段虽然是弹性变形段，但靠着目前的科学仪器及实验技术的提高，由于岩石不断的受到载荷变化的作用，不断出现裂缝扩展，将产生了一些不可逆的变形。就是在此段，弹性模量也不都是一个常量。

       李传亮文章《油藏工程中的若干问题——再与窦宏恩先生商榷[J]. 新疆石油地质,2013:34(4):477-482》（下称《李文》）认为：“当岩石受力后，排列方式没有变化，仅仅是颗粒被压缩了，这就是所谓的压缩变形（本体变形），这个过程中岩石的孔隙度并不发生变化，而是保持为常数，压缩变形是一个可逆过程，属于弹性变形的范畴。当岩石受力后，骨架颗粒自身的体积没有变化，而是排列方式发生了变化（颗粒重排），这就是所谓的压实变形（结构变形），这个过程中孔隙度也跟着发生变化。压实变形是一个不可逆变形，属于塑性变形的范畴”。将上图岩石受力后关系图中显示的状态与《李文》的分析对比，不难看出：《李文》将岩石的弹性变形，做了一个名词创新，称为“本体变形”，并认为岩石孔隙度是一个常数。不仅没有必要做这样的创新，而且认识是偏悖的。储层岩石受压即是在弹性范围，地层储层岩石长期处于地下弹性压缩状态，岩石变形，孔隙体积发生变化，孔隙度也将发生变化。这就好像受压缩的弹簧一样一直不释放，但这个变形一致存在，材料的性质也发生变化。在长时间的有效应力作用下，即是弹性变形，岩石也会发生蠕变（蠕变是岩石永久变形不断增加的一种现象）。该文将岩石的“塑性变形”同样进行了一个名词创新，称为“结构变形”，从上述岩石本构曲线分析可知，当岩石进入塑性范围，储层岩石孔隙已经破裂，岩石原有的孔隙结构已经被破坏，而不是变形，但这种变形只有当油田注水压力超过破裂压力，储层大型压裂过程才会出现。一般情况，油田开发中不会这种现象出现，如果出现了这种现象，也就不是《李文》所言的“这个过程中孔隙度也跟着发生变化”，而是储层岩石结构的孔隙结构被破坏。可见，从另一侧面证明《李文》所言的“岩石本体变形过程中的孔隙度不变性原则”是非常荒谬的。



人要校正它，也是因为一些系统总在变化，有时系统处于封闭系统，有时处于开放系统。用经验系数Biot系数修正也不奇怪。何况，在工程计算或处理工程问题时，经验公式和经验常数有时被一个纯理论公式更实用和更可靠。因为在科学研究中，纯粹的理论公式都有其存在的条件和前提，无法全面揭示事物发展的规律和有效处理工程中遇到的难题，而实验测量手段就提供了一种研究实际问题的有效途径，有实验就会有实验常数，经验公式。李传亮在文中（多孔介质的应力关系方程，新疆石油地质，2002:23（2）：163-164）提到：“多孔介质的双重有效应力是笔者经过多年的探索，最终完成于中国科技大学的一项科研成果”。这些所谓的成果就是由马克西莫夫公式（2）及其“本体结构应力”等。但《李文》中又说：“窦先生还说（13）式（本文（2）式）是苏联学者提出的，这就属于张冠李戴了，（13）式只是在苏联学者的书中出现了一下”。《李文》这样强调就是强词夺理，上世纪80年代， “苏联学者的书中出现了一下”，这在科技大学还可称得上是“重大成果”？不言而喻，究竟是笔者张冠李戴，还是《李文》不尊重事实。《李文》又改称“（2）式”是他推导出来的，苏联学者早期只是写出的该式，既然已经给出了，该式的著作权也恐怕不能属于《李文》吧！？经过笔者进一步查核，马克西莫夫书中出现公式（2）前的描述：“岩石、介质骨架中的压力和液压力平衡，且和这些压力在断面中的面积成正比”，在这段文字后，马克西莫夫才给出了（2）式，这就是说（2）式并不是像《李文》所言的只是“出现了一下”。作为世界杰出科学家，没有写出其它的繁琐过程，难道就不属于马克西莫夫的研究结果了吗？难道《李文》还能再次宣称该式是自己推导的吗？

2.3储层岩石应力敏感性评价

       由上述描述可知，多孔介质岩石渗透率变化与储层岩石有效应力变化有关，受压储层渗透率压缩性可用式（13）表示

（18）式成立。孔隙度不是常数，所以（17）式是一个不正确的表达式。

根据储层岩石渗透率应力敏感计算方程推导可知，受压条件不同，其计算方法和结果略有差异。从导出（15-16）式可以看出，随着开发时间的延长，储层孔隙压力降低，有效应力增加，渗透率值降低幅度较大，低渗透储层岩石应力敏感性呈强应力敏感性，这个结论与李传亮（油藏工程原理[M]. 北京,石油工业出版社,2005,70-71,89-92）导出的（17）式所得出弱应力敏感性结论恰巧相反。

     《李文》及其类似文献无法证明用式（17）能真正反映了油藏本身的特征，用来评价多孔介质岩石渗透率变化是正确的。再从岩石应力敏感性的定义看，（ 17）式也与应力敏感性定义相差甚远。《李文》仅靠一些现象的类比来证明“低渗透储层不存在强的应力敏感性”显然是不够的，靠直觉的类比是靠不住的，最好的证明是采用理论及实验相结合的方法来证明结论能否成立。

（此部分内容与“有效应力”附件内容略有修改，其余两部分内容后续）

benbiao

很荣幸能看到这么有深度的探讨，窦老师对学术问题严谨的态度真的让我们后生晚辈钦佩！

smartdou

benbiao 发表于 2013-11-25 12:39
很荣幸能看到这么有深度的探讨，窦老师对学术问题严谨的态度真的让我们后生晚辈钦佩！

谢谢您的阅读和评价。望大家充分发表学术范畴的探讨意见。

smartdou

      本人将Cllipe提到的11个问题，归纳为4个问题进行回答：（1）岩石压缩性问题；（2）有效应力及应力敏感性问题；（3）启动压力梯度问题；（4）其它问题。
       在前面的讨论中，对相关岩石压缩性和有关有效应力等问题进行了较系统的回答，供广大同行讨论。下面就第三个问题“启动压力梯度”问题进行讨论。
       注：本人2012年在《新疆石油地质》第5期发表了文章《油田开发中岩石压缩系数和孔隙度相关问题探讨》（下文称《探讨》[1]），李传亮 在2013年第4期发表的《油藏工程中的若干问题——再与窦宏恩先生商榷》（下文称“《李文》[2]）。

三、关于启动压力梯度问题

    启动压力梯度指流体在储层中不具备流动条件，需要外加一种压力流体才可能流动（通过注水或注气等补充能量，增加储层孔隙流体的流动压力），将这个外加的使流体流动的压力，通常称“启动压力”，如果是平面线性流动，将其折算到单位长度的压力，通常称其为“启动压力梯度”。

    油藏压力系数低于1，储层属于低压储藏。举例：当测试地层压力为20.0MPa，埋深2800m时。压力系数=地层压力/静水压力=20/（0.0098×2800×1.0）=0.73。此油藏就属于压力系数低于1的低压油藏，较低的孔隙压力不足以使原油流到井筒，处于这种渗流条件的地层原油，需要外部补充能量，以达到正常开采的目的。

    低压成藏的低渗透储层即是有油，由于储层能量不足，且储层孔隙度小，渗透率低，属于致密储层，要实施储层压裂和注水等能量补充结合便可开发。

    如果储层虽然属于低渗透，但成藏压力较高，压力系数超过大于1或超过2时，这样的低渗透致密储层流体渗流根本不需要外加压力流体，所以就不存在“启动压力梯度”。从美国威利斯顿盆地巴肯区带致密油藏开发的实践可知：巴肯低渗透致密储层，渗透率在0.1~0.1×10-8mD，储层埋深2800~3100m，原始地层压力在28~45MPa，孔隙度在1.8~7.3%之间。98%以上的井采用水平井裸眼多段压裂完井（OHMS），单井初期平均产量超过200t/d，2011年致密油产量已超过2000×104t。虽然储层非常致密，但储层压力较高，不用外部提供任何驱动压力，储层原油就能正常流动到井筒。但是，巴肯区带的储层如此致密，如果取芯，在实验室测试，一定能测到“启动压力梯度”，可能会测试出巨高的启动压力梯度值，但它具有什么样的意义？需要外界补充能量建立驱动压力体系吗？当然不需要。不到10年的开发，只要采用重复压裂就可维持水平井正常生产。

    低渗透储层其渗透率也有大有小，渗透率较高的岩心，在进行驱替实验时，几乎就不存在启动压力梯度。启动压力梯度是一些低渗透或特低渗透储层岩石在多相驱替时表现出来的一种自然属性。《李文》还指出：“窦先生多次撰文反对笔者的观点，但他在2012年第5期的《石油勘探与开发》上发表文章突然改变了观点，也否定了启动压力梯度的存在，而在《新疆石油地质》上的这篇文章却还坚持认为存在启动压力梯度，估计是这篇文章投稿时间较早，刊物接受后不好意思再修改了”。这个指责也与笔者在2012年在《石油勘探与开发》第5期发表论文的主要观点[27]不符，在该文中笔者指出：实验室与实际储层条件相差甚远，实验测得的数据均偏高。并没有否定启动压力梯度的存在，只是认为实验室测得的启动压力梯度不能代表储层岩石介质在超前注水、整体压裂后流动的真实渗流特征，不能应用于储层实际渗流。该文中提出的“实验数据”是考虑如何在实验得到实际渗流条件的数据，主要强调了实验室实验结果不符合储层实际渗流，但并没有否认这些实验值的正确性。笔者也不是像《李文》所言的所谓“刊物接受后不好意思再修改了”的臆想，是本身就不能改。如果是错误的东西，笔者会勇敢的去面对和接受。笔者的研究认为：低渗透储层流体流动需要启动压力，存在启动压力梯度[25-27]，没有像《李文》所言，笔者近年发表的几篇相关论文没有出现过“否定了启动压力梯度的存在”的字样。

    目前有人在进行低渗透岩石的驱替实验时，在将压力憋到一定值，在开启出口端阀门，进行测量，测不到压力梯度，模拟了一个非常高的孔隙流体压力，类似储层压力大于1的成藏储层渗流。这时，即是没有启动压力梯度，但折算的驱替压力梯度也高的可怕。同样，这个测试得到的驱替压力也没有什么实际意义，也与实际储层补充能量，又进行储层改造后的实际渗流相差甚远。

    高压成藏的低渗透储层只要有油，对储层压裂造成储层多条渗流通道，便可实施开发，则不需要进行补充能量（如注水、注气等）。所以，对于低渗透储层研究，即要研究如何进行储层补充能量，又要研究储层改造。当储层补充能量后，压力系数近于1，研究储层改造后的储层渗流的意义要比研究低渗透储层的启动压力梯度意义要大。

        低压成藏的低渗透或特低渗透储层的多相渗流存在启动压力梯度是毫无疑问的。但目前地面测试值是正确的，可无法应用到储层实际渗流，这就是低渗透和低渗透储层油层物理实验目前研究的重点。
    （第三个问题答复完毕，第四部分后续）

smartdou

（续）
四、其它问题

（1）关于如何定义新名词

    笔者在《探讨》一文中已经指出：“科学概念和科学术语的定义所具有的基本特征不仅要具有一定的外延和内涵、没有歧异、不含糊而且不能循环，也不应采用否定判断”。此文中笔者分析了《李文》类似文献[24-26]定义的所谓“本体有效应力”，“本体有效应力定义为作用在整个多孔介质上并能使多孔介质产生本体变形的应力”，《探讨》一文认为：该定义存在两个问题，一是没有其外延，全句描述含糊；二是什么叫“本体”？什么叫“整个多孔介质”？它们都是新名词，对于定义来说，一般不允许使用目前没有的新名词做进一步解释，一般用现有人们熟知的术语和概念进行解释其外延和内涵。像“本体有效应力”这类所谓定义就不能称之为科学术语的定义。本体有效应力概念没有其外延。但《李文》强调：“这些新名词在论文中都有定义，而且也都是使用已有的概念进行定义的。像本体有效应力就是用多孔介质、变形、应力等已有概念进行定义的”。分析这段话，同样是有问题的。论文中出现的定义不允许一个解释一个，这样就违反了定义“不能循环”这一原则。再说，经过笔者核查《李文》早期研究 “多孔介质的双重有效应力”的论文 [24]，其中也未发现有解释所谓的“本体”和“整个多孔介质”的相关内容。

    《探讨》一文提到的 “‘触点处孔隙面积’在多孔介质中每个截面上的触点值都不会相等，文中并未讨论如何处理这个问题”。《李文》强调：“这里的触点孔隙面积、触点孔隙度和孔隙度概念一样都具有统计性质，这属于连续性假设，油层物理和渗流力学课程中都介绍过相关内容”。经过查阅该文提及的葛家理及何更生编著的书籍相关章节[28-29]，两部书籍都未涉及所谓的“触点处孔隙面积”和“触点孔隙度”等，只有孔祥言的著作[30]中提到：“可定义体孔隙度和面孔隙度和线孔隙度，并且证明三者相等，因此，定义一个就足够了”。其余定义和处理方法都未看到。也不知道《李文》所言这些书籍中“都介绍过相关内容”，这些内容是什么样的内容？

（2）几个错误的说明

    笔者在文章《探讨》中的引文[8]确实标注有误，正确的应该是引文[7]；最大孔隙压缩系数Cpm量纲标注有误，量纲为MPa-1；感谢《李文》的指正。其次，文中在压缩系数计算实例（来自文献[31]）中，笔者给出的原油压缩系数数值及考虑压缩系数时的综合压缩系数数值换算时有误，正确的原油压缩系数Co=15.22×10-4MPa-1，综合压缩系数Ce=2.54×10-3MPa-1，但《探讨》一文中所给算例的最后结果是正确的。其它关于笔者定义的符合意义，就按其定义理解，不存在什么符号与解释不符的问题。
（答完）

toudianle

非常好啊，这种学术讨论，让晚辈大受启发啊！