CN107884261A - 一种页岩储层的强度敏感性评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种页岩储层的敏感性评价方法，包括：在执行标准工艺后，测定岩心的抗压强度，得到第一抗压强度；在执行特定工艺后，测定岩心的抗压强度，得到第二抗压强度；通过第一抗压强度和第二抗压强度得出岩心的强度敏感指数，并利用所述强度敏感指数来评价页岩储层的敏感性。本发明的敏感性评价方法，克服了现有敏感性评价的局限性，能够从力学性质的角度对页岩储层的水敏性、酸敏性、碱敏性、应力敏感性及温度敏感性等敏感性能进行评价，有利于避免水力压裂、挤酸、挤水吞吐、注水驱油等作业造成储层伤害、跨塌，并能够为这些施工工艺参数优化提供依据。

Description

一种页岩储层的强度敏感性评价方法
技术领域
本发明涉及油气开采领域，具体涉及一种页岩储层的敏感性评价方法。
背景技术
随着世界各国对能源需求的不断增长，常规能源供给形势日益严峻。进入21世纪后，美国页岩油气的成功开发，特别是2005年以后，美国页岩油气产量大幅度增加，人们把更多的关注转移到非常规油气资源，非常规油气资源将成为后石油时代常规油气资源的战略性补充能源。
油页岩又称油母页岩，是一种高灰分(>40％)的固体可燃有机矿产，作为非常规能源之一，全球油页岩资源非常丰富。据不完全统计，其蕴藏资源量约有10万亿吨，将它折算成油页岩油，世界油页岩油资源量4110亿吨，比常规石油资源量还要高30％以上。中国油页岩油资源量476亿吨，居世界第二，仅次于美国，约为常规石油资源量的62％，主要分布在松辽盆地、鄂尔多斯盆地、准噶尔盆地、柴达木盆地等。
油页岩开采有地面干馏和地下原位开采(地下干馏)两种方式。地面干馏技术比较成熟，地下原位开采尚处于试验阶段。地面干馏，是将油页岩采取挖掘的方式开采运送到地面，经地面破碎设备破碎筛分，然后在油页岩干馏炉中进行干馏生产页岩油。这种工艺的优点是技术成熟，加热周期短，但存在着很大的局限性：1)生态及水质破坏严重。无论是露天采矿还是井下采矿，都需要把地下水位降低到含油页岩层的层位以下，开采1立方米油页岩，一般需要抽出25立方米的地下水。油页岩采矿长期破坏着矿山及其附近的生态平衡和水位水质的稳定。2)灰渣污染严重。通过挖掘开采得到的油页岩用于提炼页岩油或直接燃烧，产生大量灰渣，如果不回收利用则不仅会造成空气污染，且废弃灰渣占地面积大，其中金属元素和微量元素渗入地下水体，危害人们生产生活。3)直接开采占地较多，一旦开垦就无法完全修复。4)干馏后排渣需要用大量的水冷却，消耗大量的水资源的同时，产生大量的废水污染环境，而且含热残渣的热能没有利用，造成热能浪费。5)对于中深层油页岩的开发由于开采成本提高，变得没有经济效益。
油页岩原位开采减少了开采过程中对环境和生态的破坏，占地少、无尾渣废料、无空气污染、少地下水污染及最大限度地减少了有害副产品的产生，代表了未来油页岩利用的发展方向。
目前研究较多的原位开采技术是原位电加热技术和流体加热技术，把热量直接引入地下，加热油页岩层，使油页岩中固态有机质受热裂解形成油气，同时油页岩岩层孔隙、裂缝不断产生，高温作用下，岩石矿物成分、结构可能变化，从而导致岩石力学性质发生变化。
此外，页岩油气储层黏土含量高，还混杂有石英、长石、云母、方解石、白云石、黄铁矿、磷灰石等矿物，有些储层含有不同程度的盐夹层，基质孔隙度、渗透率极低(孔隙度变化范围一般为1-5％，渗透率一般小于0.001×10-3μm2)，开采过程中需要采取大规模水力压裂、挤酸溶解部分矿物、挤水溶盐等措施，对储层岩石力学性质影响较大，若措施不当，会造成储层伤害，甚至造成储层垮塌。
发明内容
鉴于上述现有技术中存在的问题，发明提供了一种页岩储层的敏感性评价方法，通过对页岩储层在不同地质条件和驱替工艺下抗压强度的变化进行测定和评价，有助于避免水力压裂、挤酸、挤水吞吐、注水驱油、加热开采等作业造成储层伤害、跨塌，从而提高页岩储层的稳定性，并且能够进一步为各种施工作业的工艺参数优化提供依据。
本发明的一个实施方式在于提供一种页岩储层的强度敏感性评价方法，包括：
在执行标准工艺后，测定岩心的抗压强度，得到第一抗压强度；
在执行特定工艺后，测定岩心的抗压强度，得到第二抗压强度；
通过第一抗压强度和第二抗压强度得出岩心的强度敏感指数，并利用所述强度敏感指数来评价页岩储层的强度敏感性。
根据本发明，所述强度敏感指数可通过式(1)得出：
式(1)中，P1为第一抗压强度，Pi为第二抗压强度，I为强度敏感指数。
已有的储层敏感性评价方法，多是以渗透率作为检测指标，来评价储层的敏感性。依据该评价结果来选择适宜的驱替流体，调整注入量、注入速度等驱替工艺，能够实现渗透率的最大化，从而有利于提高驱油效率。但是，由于页岩油气储层具有特殊的地质性质(黏土含量高，还混杂有石英、长石、云母、方解石、白云石、黄铁矿、磷灰石等矿物，有些储层含有不同程度的盐夹层，基质孔隙度、渗透率极低)，使得页岩储层与其他储层相比，更易于发生因力学性质剧烈变化而发生的储层伤害、垮塌，因此，本申请的发明人通过比较经标准工艺和特定工艺的岩心抗压强度变化，得到强度敏感指数，进而从力学性质的角度对页岩储层的敏感性作出评价。依据该评价结果，能够得出页岩储层在各种地质条件和驱替工艺下力学性质的变化规律，并且为在保证储层稳定性的前提下进行的驱替作业的工艺优化提供理论依据和数据支持。
在本发明的一个优选的实施方式中，所述强度敏感指数I≤0.05表示页岩储层不敏感；所述强度敏感指数I在0.06至0.20之间表示页岩储层具有弱敏感性；所述强度敏感指数I在0.21至0.60之间表示页岩储层具有中敏感性；所述强度敏感指数I在0.60以上表示页岩储层具有强敏感性。
根据本发明，当所述强度敏感指数I≤0.05时，说明岩心在执行特定工艺后抗压强度变化不大，即页岩储层对特定工艺不敏感，因而在进行工艺优化时可以不考虑特定工艺对页岩储层的稳定性带来的影响；随着强度敏感指数的增加，意味着岩心的抗压强度的变化幅度增加，即特定工艺对岩心的抗压强度的影响趋于明显；当所述强度敏感指数I在0.60以上时，说明在执行特定工艺后岩心的抗压强度大幅降低，在实际施工作业中会严重影响页岩储层的稳定性，因此应当尽量避免使用该特定工艺进行作业。
在本发明的一个更优选的实施方式中，所述强度敏感指数I在0.21至0.40之间表示页岩储层具有中等偏弱敏感性；所述强度敏感指数I在0.21至0.40之间表示页岩储层具有中等偏强敏感性。
根据本发明，所述强度敏感指数I在0.21至0.40之间时，说明岩心在执行特定工艺后抗压强度有一定幅度的降低，即页岩储层对特定工艺存在偏弱的敏感性，因而在进行工艺优化时可以适当考虑该工艺对页岩储层的稳定性带来的影响；所述敏感指数I在0.41至0.60之间时，说明岩心在执行特定工艺后抗压强度有较大幅度的降低，即页岩储层对特定工艺存在偏强的敏感性，因而在进行工艺优化时必须考虑特定工艺对页岩储层的稳定性带来的影响，可以通过降低工艺措施强度或添加增强稳定性的产品来削弱这种稳定性影响。由此，基于抗压强度对页岩储层的敏感性评价可如表1中所示。
表1基于抗压强度对页岩储层的敏感性评价表
敏感性评价 强度敏感指数
无敏感性 ≤0.05
弱敏感性 0.06-0.20
中等偏弱敏感性 0.21-0.40
中等偏强敏感性 0.41-0.60
强敏感性 >0.60
在本发明的另一个优选的实施方式中，所述岩心的直径为2.5cm-5.0cm，高度为4-12cm。
在本发明的另一个优选的实施方式中，所述标准工艺包括用模拟地层水对岩心进行驱替作业；所述特定工艺包括用蒸馏水对岩心进行驱替作业。优选地，在驱替作业过程中，驱替流体的注入量为10-15倍孔隙体积，驱替完成后停泵，使岩心在驱替流体中浸泡2-12小时。
在本发明的另一个优选的实施方式中，所述标准工艺包括用模拟地层水对岩心进行驱替作业；所述特定工艺包括用酸液对岩心进行驱替作业。优选地，所述酸液为盐酸、氢氟酸、磷酸、甲酸、乙酸、氟硼酸，更优选为盐酸和/或氢氟酸，进一步的，所述盐酸的浓度为10-20％，所述氢氟酸的浓度为1-5％。优选地，在驱替作业过程中，驱替流体的注入量为1-5倍孔隙体积，驱替完成后停泵，使岩心在驱替流体中浸泡2-5小时。
在本发明的另一个优选的实施方式中，所述标准工艺包括用模拟地层水对岩心进行驱替作业；所述特定工艺包括用碱液对岩心进行驱替作业。优选地，所述碱液为使用pH调节剂将pH调节到8-13的氯化钾溶液，所述pH调节剂可使用氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸氢钠等，优选为氢氧化钠。优选地，在驱替作业过程中，驱替流体的注入量为10-15倍孔隙体积，驱替完成后停泵，使岩心在驱替流体中浸泡2-12小时。
在本发明的另一个优选的实施方式中，所述标准工艺包括将岩心的温度设定为室温(20-25℃)，所述特定工艺包括将岩心加热至150-500℃，再冷却至室温。优选地，加热时间为1-48小时。
优选地，在上述实施方式中，以岩心的单轴抗压强度作为第一抗压强度和第二抗压强度。
在本发明的另一个优选的实施方式中，所述标准工艺包括将岩心的围压设定为原始地层压力；所述特定工艺包括将岩心的围压设定为低于所述原始地层压力，优选为所述原始地层压力的50-70％。优选地，在本实施方式中，以岩心的三轴抗压强度作为第一抗压强度和第二抗压强度。
根据本发明的敏感性评价方法，克服了现有敏感性评价的局限性，能够从力学性质的角度对页岩储层的水敏性、酸敏性、碱敏性、应力敏感性及温度敏感性等敏感性能进行评价，有利于避免水力压裂、挤酸、挤水吞吐、注水驱油等作业造成储层伤害、跨塌，并能够为这些施工工艺参数优化提供依据。
例如，利用该方法对页岩储层(尤其是页岩油储层和油页岩)进行温度敏感性评价，就能够避免过度的加热开采作业(如注入温度过高的热流体使页岩油降粘或使油页岩干酪根裂解)造成储层伤害、跨塌，因而能够为加热开采工艺参数优化提供依据。
此外，该评价方法计算简单，使用方便，能较好地反映页岩储层的固有特征，及其在各种地质条件和驱替工艺下力学性质的变化规律，为进一步的机理研究和工艺优化提供了依据。
具体实施方式
下述实施例仅用于对本发明进行详细说明，但应理解的是本发明的范围并不限于下述实施例。
在下述实施例中，
单轴抗压强度采用材料压力试验机进行测定，测定方法参照地质矿产行业标准DZ/T 0276.18-2015。
三轴抗压强度采用岩石三轴试验机和电液伺服三轴试验机进行测定，测定方法参照地质矿产行业标准DZ/T 0276.20-2015。
驱替作业参照石油天然气行业标准SY/T 5358-2010来进行。
实施例1
取相邻位置处性质接近的盐间页岩油储层岩心两块(命名为C-1和C-2)，其直径均为2.5cm，高度均为5cm。按以下步骤进行水敏性评价：
1)将岩心C-1放入岩心夹持器中，在中间容器中装入模拟地层水(对于不含水的盐间页岩油储层来说，模拟地层水为组分与储层匹配的饱和盐水)；
2)开泵，将岩心夹持器进液一端管线中的气体排出，使管线全部被液体充满，然后将平流泵流量调至小于临界流速流量(0.3ml/min)，打开阀门，使模拟地层水流过岩心C-1进行驱替作业，注入量为10倍孔隙体积，注入流速为0.2ml/min；
3)停泵，使岩心C-1在模拟地层水中浸泡12h后取出，用滤纸吸干其表面的水分，测定岩心C-1的单轴抗压强度P1，为42MPa；
4)将岩心C-2放入岩心夹持器中，在中间容器中装入蒸馏水，然后按照与步骤3)和4)相同的方式，测定岩心C-2的单轴抗压强度Pw，为16MPa；
5)根据式(1)得到的注水强度敏感指数Iw为0.62。由此可知，该盐间页岩油储层具有强注水强度敏感性，表明不宜大量注水驱油。
实施例2
取相邻位置处性质接近的页岩气储层岩心两块(命名为C-3和C-4)，其直径均为2.5cm，高度均为4cm。按以下步骤进行酸敏性评价：
1)将岩心C-3放入岩心夹持器中，在中间容器中装入模拟地层水；
2)开泵，将岩心夹持器进液一端管线中的气体排出，使管线全部被液体充满，然后将平流泵流量调至小于临界流速流量，打开阀门，让模拟地层水流过岩心C-3进行驱替作业，注入量为1倍孔隙体积，注入流速为0.1ml/min；
3)停泵，使岩心C-3在模拟地层水中浸泡2h后取出，用滤纸吸干其-表面的水分，测定岩心C-3的单轴抗压强度P1，为68MPa；
4)将岩心C-4放入岩心夹持器中，在中间容器中装入3％的HF溶液，然后按照与步骤3)和4)相同的方式，测定岩心C-4的单轴抗压强度Pa，为46MPa；
5)根据式(1)得到的注酸强度敏感指数Ia为0.32。由此可知，该页岩气储层具有中等偏弱注酸强度敏感性，表明在必要时可以适当采取酸化措施，但要注意酸浓度和注入量。
实施例3
取相邻位置处性质接近的页岩气储层岩心两块(命名为C-5和C-6)，其直径均为2.5cm，高度均为6cm。按以下步骤进行碱敏性评价：
1)将岩心C-5放入岩心夹持器中，在中间容器中装入模拟地层水(测得其pH值为7)；
2)开泵，将岩心夹持器进液一端管线中的气体排出，使管线全部被液体充满，然后将平流泵流量调至小于临界流速流量，打开阀门，让模拟地层水流过岩心C-5进行驱替作业，注入量为15倍孔隙体积，注入流速为0.1ml/min；
3)停泵，使岩心C-5在模拟地层水中浸泡12h后取出，用滤纸吸干其-表面的水分，测定岩心C-5的单轴抗压强度P1，为66MPa；
4)将岩心C-6放入岩心夹持器中，在中间容器中装入碱液(NaOH溶液与KCl溶液的混合液，其pH值为10)，然后按照与步骤3)和4)相同的方式，测定岩心C-6的单轴抗压强度Pk，为61MPa；
5)根据式(1)得到的注碱强度敏感指数Ik为0.08。由此可知，该页岩气储层具有弱注碱强度敏感性，表明可采用pH值大于7的流体作为措施工作液。
实施例4
取相邻位置处性质接近的页岩油储层岩心两块(命名为C-7和C-8)，其直径均为2.5cm，高度均为5厘米。按以下步骤进行应力敏感性评价：
1)已知储层的原始地层压力为62MPa，将岩心C-7放入岩石三轴试验机压力室的岩心夹持器中，并施以与原始地层压力相等的围压，测定岩心C-7的三轴抗压强度P1，为176MPa；
2)将岩心C-8放入岩石三轴试验机压力室的岩心夹持器中，并施以原始地层压力一半的围压(即31MPa)，测定岩心C-8的三轴抗压强度Pp，为121MPa；
5)根据式(1)得到的应力强度敏感指数Ip为0.31。由此可知，该页岩油储层具有中等偏弱应力敏感性，表明地层孔隙压力降低对地层抗压强度有一定的影响，生产时最好保持地层压力或地层压力小幅变化。
实施例5
取相邻位置处性质接近的油页岩岩心两块(命名为C-9和C-10)，其直径均为2.5cm，高度均为5cm。按以下步骤进行温度敏感性评价：
1)直接测定未加热的岩心C-9的单轴抗压强度P1，为31MPa；
2)将岩心C-10放入氮气保护反应釜中，以20℃/min的升温速度加热至400℃后恒温2小时，然后再冷却至室温，测定岩心C-10的单轴抗压强度PT，为11MPa；
5)根据式(1)得到的温度强度敏感指数IT为0.3165。由此可知，该页岩油储层具有强温度敏感性，表明升温速度为20℃/min的快速加热方式，会导致油页岩抗压强度大幅降低，应避免采用此类快速加热工艺。
应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。

Claims (10)

1.一种页岩储层的强度敏感性评价方法，包括：
在执行标准工艺后，测定岩心的抗压强度，得到第一抗压强度；
在执行特定工艺后，测定岩心的抗压强度，得到第二抗压强度；
通过第一抗压强度和第二抗压强度得出岩心的强度敏感指数，并利用所述强度敏感指数来评价页岩储层的强度敏感性。
2.根据权利要求1所述的强度敏感性评价方法，其特征在于，所述强度敏感指数I≤0.05表示页岩储层不敏感；所述强度敏感指数I在0.06至0.20之间表示页岩储层具有弱敏感性；所述强度敏感指数I在0.21至0.60之间表示页岩储层具有中敏感性；所述强度敏感指数I在0.60以上表示页岩储层具有强敏感性。
3.根据权利要求1或2所述的强度敏感性评价方法，其特征在于，所述岩心的直径为2.5cm-5.0cm，高度为4-12cm。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的强度敏感性评价方法，其特征在于，所述标准工艺包括用模拟地层水对岩心进行驱替作业；所述特定工艺包括用蒸馏水对岩心进行驱替作业。
5.根据权利要求1-3中任意一项所述的强度敏感性评价方法，其特征在于，所述标准工艺包括用模拟地层水对岩心进行驱替作业；所述特定工艺包括用酸液对岩心进行驱替作业。
6.根据权利要求1-3中任意一项所述的强度敏感性评价方法，其特征在于，所述标准工艺包括用模拟地层水对岩心进行驱替作业；所述特定工艺包括用碱液对岩心进行驱替作业。
7.根据权利要求1-3中任意一项所述的强度敏感性评价方法，其特征在于，所述标准工艺包括将岩心的温度设定为20-25℃，所述特定工艺包括将岩心加热至150-500℃，再冷却至20-25℃。
8.根据权利要求4-7中任意一项所述的强度敏感性评价方法，其特征在于，以岩心的单轴抗压强度作为第一抗压强度和第二抗压强度。
9.根据权利要求1-3中任意一项所述的强度敏感性评价方法，其特征在于，所述标准工艺包括将岩心的围压设定为原始地层压力；所述特定工艺包括将岩心的围压设定为低于所述原始地层压力，优选为所述原始地层压力的50-70％。
10.根据权利要求9所述的强度敏感性评价方法，其特征在于，以岩心的三轴抗压强度作为第一抗压强度和第二抗压强度。
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