高温高压岩石压缩系数实验装置研制

闫传梁, 程远方, 袁忠超, 刘钰文, 韩忠英, 王 伟

(1. 中国石油大学(华东) 石油工程学院, 山东 青岛 266580；2. 中海油研究总院 海洋石油高效开发国家重点实验室, 北京 100028)

高温高压岩石压缩系数实验装置研制

闫传梁1, 程远方1, 袁忠超2, 刘钰文1, 韩忠英1, 王 伟1

(1. 中国石油大学(华东) 石油工程学院, 山东 青岛 266580；2. 中海油研究总院 海洋石油高效开发国家重点实验室, 北京 100028)

研制了高温高压岩石压缩系数教学实验装置,基于该装置测试了温度对岩石压缩系数的影响。结果表明：岩石压缩系数与岩石所处的应力状态和温度密切相关,压缩系数随温度的升高而增大,随净有效覆盖压力的增大而降低；在进行温度和孔隙压力循环后,岩石的压缩系数大幅降低；在进行第2次循环时压缩系数降低幅度最大,随后压缩系数降低的幅度逐渐减小。对衰竭式开采的油气藏进行产能预测时需要充分考虑温度对储层压缩系数的影响。

实验装置； 压缩系数； 稠油油藏； 高温高压

由于稠油密度大、黏度高、流动性差的特点,在开采过程中需要采用热采的方式来提高油藏的采收率,目前常用的稠油热采方式主要有蒸汽驱、蒸汽吞吐和火烧油层等[1]。热采时储层温度可达300 ℃以上,温度的升高会对储层岩石自身性质产生影响,其中包括对岩石压缩系数的影响。岩石压缩系数是一个反映油藏岩石所能提供的弹性能量大小的一个重要参数,较大岩石压缩系数表明油藏的弹性驱动能量非常充足,油藏较容易开采，因此岩石压缩系数对油藏产能预测影响很大。

目前确定岩石压缩系数的方法主要有经验公式法和实验测量法。经验公式法主要包括Hall图版法和Newman经验公式法2种。但Hall图版法错误地显示出岩石压缩系数随孔隙度的增大而减小的逻辑关系,而且掩盖了不同岩性之间的差异[2]；Newman法只考虑了岩石压缩系数与单因素之间的关系,使用误差大[3]。实验法主要是通过测量岩石在一定的围压和孔隙压力下,因孔隙体积的变化而流出的液体体积来测量岩石的压缩系数[4]。肖文联、徐轩等[5-6]人发明并改进了岩石压缩系数的实验装置。王新海等[7]对多组岩样的试验结果进行了回归分析,得到了岩石压缩系数的变化规律。刘荣和等[8]从岩石压缩过程与压缩系数的概念出发,分析了实验过程中岩石压缩系数变化规律,研究了影响岩石压缩系数变化的因素。Sadeghazad等[9]通过实验的方式研究了应力变化与岩石压缩系数之间的关系。此外，丁克文、李海鹏等[10,3]对于岩石压缩系数也进行了大量的理论研究。但目前关于岩石压缩系数的研究都是在室温下进行的,而储层温度要远高于室温,温度变化对岩石压缩系数是否存在影响,影响规律是什么，至今未见相关研究报道。为研究温度对岩石压缩系数的影响,本文设计了高温高压岩石压缩系数测试装置,并开展了温度对岩石压缩系数的影响规律研究,为稠油热采相关的教学和科研工作提供实验支撑。

1 岩石压缩系数定义

在油气开采的过程中,由于孔隙流体被逐渐采出,储层孔隙压力降低,有效应力增大,使得储层被逐渐压缩。在储层压缩过程中孔隙体积的减少会使孔隙中的流体被挤出,增加原油产量。因此,在石油工程中只关心孔隙体积随孔隙压力的变化,所以习惯上把岩石孔隙体积的压缩系数称为岩石的压缩系数。岩石的孔隙体积压缩系数为改变单位孔隙压力时单位孔隙体积的变化值[8],即

(1)

式中,Cp为岩石孔隙体积压缩系数(以下称岩石压缩系数),MPa-1；p为孔隙压力,MPa；Vp为孔隙体积,cm3。

2 高温高压岩石压缩系数实验装置

高温高压岩石压缩系数实验装置主要由高温高压岩心夹持器、围压系统、孔压系统，以及各温度、压力传感器组成。实验装置简图见图1。高温高压岩心夹持器技术参数：最高工作压力为50 MPa,最高使用温度为400 ℃，适用岩心φ25.0 mm×50 mm，进出接口为DW3。

测量时将岩心放入夹持器的封套中,在岩心中和封套外分别施加孔隙压力和围压,使其在围压和孔隙压力的作用下保持平衡,之后保持围压不变,降低孔隙压力,使岩心孔隙体积压缩减小,孔隙中的流体排出,通过式(1)计算其岩石压缩系数。

图1 岩石压缩系数实验装置简图

实现高温下储层压缩系数的测试,需要解决2个关键问题,一个是岩心夹持器在高温下的密封问题；另一个是岩心的密封问题。传统的岩石压缩系数测试主要采用橡胶材料进行密封,无法满足高温下实验的要求。

本研究研制的高温高压岩心夹持器采用法兰密封结构,上下游柱塞整体位于围压腔内,岩心端面与夹持器柱塞可有效贴合,采用柔性石墨环对夹持器内的围压进行密封(夹持器结构图见图2),克服了传统设备采用橡胶密封无法在高温下进行实验的弊端。

岩心两端与中间带孔的压头相连,岩心和压头都包裹在铜套中进行密封,使岩心所有表面都与围压隔绝开,有效传递围压的同时还可耐受高温、高压而持续工作。采用的铜套壁厚为0.1 mm,由紫铜棒车削加工成型后,经真空热处理制成,在保证轻薄柔软的前提下还能有一定的韧度,不会在岩心变形时发生破裂。

岩心密封方式如图3所示。岩心、压头和小石墨环都装入铜套中,与小石墨环接触的压头端面是一个锥形面,然后在安装支架上向下用力压紧压帽,使小石墨环向下与压头紧密贴合,同时小石墨环受压向侧向膨胀,与密封钢套一起将铜套压紧,实现岩心与围压流体的隔绝。

孔压和围压采用EDC伺服控制系统进行加载,可实现压力和流量的自动控制和计量,当孔压或围压发生变化时伺服控制系统会自动进行补偿,使压力保持在一个定值,不会因温度或其他条件的改变而发生变化,相对于传统的手摇泵,精度大大提高。

图2 高温高压岩心夹持器结构图

图3 岩心密封示意图

3 温度对岩石压缩系数的影响

本实验采用人造岩心,取自渤海湾某稠油储层,埋深1 540 m,岩心孔隙度在44%左右。

图4为不同温度下岩石压缩系数随净有效覆盖压力(为围压和孔隙压力的差值)的变化曲线。从图中可以看出,岩石压缩系数随温度的增加而逐渐增大,随净有效覆盖压力的增大而逐渐减小,尤其在净有效覆盖压力较小时变化更为明显,说明岩心在逐渐被压密。

图5为净有效覆盖压力为9 MPa时,岩石压缩系数随温度的变化曲线。由图可知，岩石的压缩系数在不同温度范围内增幅有差异,温度由25 ℃升高到100 ℃时,岩石的压缩系数增加了341%；而当温度由50 ℃升高到100 ℃时,岩石压缩系数增加了37%。

图4 不同温度下的岩石压缩系数 随净有效覆盖压力变化曲线

图5 岩石压缩系数随温度变化曲线

岩石由不同的矿物颗粒组成,不同矿物颗粒之间的热膨胀率不同,岩石在高温环境下,会由于矿物颗粒组分的热膨胀率的差异,导致内部裂缝的扩展及诱导裂缝的产生传播[11]；同时温度的升高也使岩石胶结物的刚度降低,颗粒间的滑移增大[12-13],最终岩石的抗变形能力减弱,岩石压缩系数增大。

4 温度循环对岩石压缩系数的影响

在进行稠油油藏开采时,会进行多轮次的蒸汽吞吐,储层温度会经历多次升温、降温和升压、降压的循环过程,为研究多轮次蒸汽吞吐过程中储层压缩特性的变化,测试了300 ℃循环温度对岩石压缩系数的影响。结果见图6。每一次压缩系数测试结束后将温度降低到储层原始温度,稳定一段时间后再进行加温和升高孔隙压力,进行下一个循环的测试。如此进行5次循环,模拟多轮次蒸汽吞吐过程中储层特性的改变。

通过对300 ℃循环温度下储层压缩系数的测试,发现在进行温度和孔压加载循环后,岩石的压缩系数大幅降低，尤其在进行第2次循环后压缩系数降低幅度最大,随后压缩系数降低的幅度逐渐减小,第5次循环后的压缩系数趋于平稳。

图6 温度循环对岩石压缩系数的影响 (净有效覆盖压力9 MPa)

5 结论

(1) 岩石的压缩系数随净有效覆盖压力的增大而逐渐降低,且降低的幅度随净有效覆盖压力的增大而减小。

(2) 温度越高,岩石的压缩系数越大,但在不同温度范围内变化幅度存在差异。

(3) 温度和孔隙压力循环后,岩石的压缩系数大幅降低；尤其在进行第2次循环后压缩系数降低幅度最大,随后压缩系数降低的幅度逐渐减小,第5次循环后的压缩系数趋于平稳。

(4) 温度升高使稠油油藏岩石压缩系数增大,在进行蒸汽吞吐开采效果预测的时候应当考虑压缩系数的变化；同时由于油气藏的储层温度都要高于地面,对于其他衰竭式开采的油气藏在进行产能预测的时候也应当考虑温度对压缩系数的影响；高温高压岩石压缩系数实验装置的研制对稠油热采相关的教学和科研工作具有重要意义。

References)

[1] 张关龙,陈世悦,王海方. 稠油热采过程储层中粘土矿物转化研究进展[J].矿物学报,2009,29(1):113-118.

[2] 李传亮. 再谈岩石的压缩系数：回应高有瑞博士[J]. 中国海上油气,2013,25(4):85-87.

[3] 李海鹏,王道串,李蒋军,等. 储层岩石压缩系数的一种预测方法[J]. 断块油气田,2009,16(1):45-47.

[4] 孙良田. 油层物理实验[M].北京:石油工业出版社,1992.

[5] 肖文联,周万东,李闽,等. 一种岩石渗透率、孔隙度及压缩系数的实时测量装置及测量方法和计算方法:中国,CN104713814A[P]. 2015-06-17.

[6] 徐轩,胡勇,焦春艳,等. 一种岩心孔隙压缩系数测试装置及其测试方法：中国,CN104374683A[P].2015.

[7] 王新海,宋岩,方海飞,等. 岩石压缩系数变化规律研究[J]. 石油天然气学报,2007,29(1):42-44.

[8] 刘荣和,冯文光,龙玲,等. 岩石孔隙体积压缩系数实验研究[J]. 石油钻采工艺,2009,31(4):79-82.

[9] Ayoub Sadeghazad,Bijan Beiranvand. Unusual Carbonate Rocks Showing Increasing Trends for Rock Compressibility as the Applied Net Stress Increases[C]//SPE Asia Pacific Oil and Gas Conference and Exhibition.Society of Petroleum Engineers,2003.

[10] 丁克文,马时刚. 一种快速确定储层岩石压缩系数的方法[J]. 特种油气藏,2012,19(6):65-67.

[11] 张元中,楚泽涵,陈颙. 岩石热开裂研究现状及其应用前景[J].特种油气藏,1991,16(2):1-5.

[12] 尹土兵,李夕兵,殷志强,等. 高温后砂岩静动态力学特性研究与比较[C]// 中南地区mts材料试验学术会议. 2014.

[13] 李存宝,谢凌志,陈森,等. 油砂力学及热学性质的试验研究[J]. 岩土力学,2015,36(8):2298-2306.

Development of experimental device for rock coefficient of compressibility under high temperature and high pressure

Yan Chuanliang1, Cheng Yuanfang1, Yuan Zhongchao2, Liu Yuwen1, Han Zhongying1, Wang Wei1

(1. School of Petroleum Engineering,China University of Petroleum,Qingdao 266580， China;2. State Key Laboratory of Offshore Oil Exploitation,CNOOC Research Institute,Beijing 100028, China)

A teaching experimental device for rock coefficient of compressibility under high temperature and high pressure is developed and the effect of temperature on rock coefficient of compressibility is tested by this device. The results show that the rock coefficient of compressibility is closely related to the stress state and the rock temperature,and the coefficient of compressibility increases with the increase of temperature,and decreases with the increase of net effective overburden pressure. When the temperature and pore pressure are circulated,the rock compressibility decreases greatly,and when the second circulation is carried out,the compressibility decreases in maximum,and subsequently,the magnitude of the compressibility factor decreases gradually. Therefore,in the production prediction of depleted oil and gas reservoirs,the influence of temperature on the reservoir coefficient of compressibility should be taken into full consideration.

experimental device; coefficient of compressibility; heavy oil reservoir; high temperature and high pressure

10.16791/j.cnki.sjg.2017.07.026

2016-12-09

2017-02-27

国家重点基础研究发展计划(973)项目(2015CB251201)；国家自然科学基金项目(51574270)；青岛市科技计划项目(15-9-1-55-jch)；海洋石油高效开发国家重点实验室开放基金

闫传梁(1987—),男,山东泰安,博士,讲师,主要从事石油工程岩石力学方面的教学和研究工作.

E-mail：yanchuanliang@163.com

P618.13

A

1002-4956(2017)07-0099-04