深层致密双重介质气藏应力敏感研究及应用

王海洋 杨胜来 李武广 杨健坤 黄 伟

中国石油大学（北京）石油工程教育部重点实验室，北京 102249

0 前言

应力敏感是影响深层致密双重介质气藏开发的一个重要因素，目前对于应力敏感的研究很多，但对于双重介质气藏应力敏感的研究却很少，同时对致密砂岩气藏储层是否存在较强的应力敏感有很大的争议。通过定内压变围压的实验得出低渗砂岩岩样存在很强的应力敏感，但通过定内压变围压来改变有效应力不符合气藏开发过程中储层内的压力变化情况。由于在衰竭式开采过程中，储层内孔隙压力不断降低，而不是上覆压力，因此，设计出合理的实验方法再现气藏开发过程中的有效应力变化过程，并采用合理的有效应力概念来研究低渗砂岩气藏储层应力敏感至关重要。通过对定围压变内压和定内压变围压两种方式的应力敏感实验研究，评价储层岩心渗透率的应力敏感大小，并通过建立考虑应力敏感和压缩系数变化的新方程，来研究应力敏感对气井产能和动态储量的影响［1-5］。

1 实验设计

1.1 实验材料

实验所用岩心为新疆某气藏储层岩心，共选出12块岩心进行实验，岩心的基础数据见表1。N2与CH4具有较相似的性质，因此，可用N2作为模拟天然气的实验气体。根据地层水矿化度及离子含量配置实验用地层水。

表1 应力敏感实验岩心基础数据

1.2 实验装置

采用能承受高压和高温的实验装置，建立实验流程。实验采用美国产CFS-100多功能驱替装置，由特殊的高压岩心夹持器、CFS主泵、围压泵、精密压力传感器、恒温箱、气瓶、六通阀、出口计量装置等组成，实验装置流程见图1。岩心夹持器能承受150MPa高压和200℃高温，同时能保证高温、高压条件下整体的密封性；采用特殊的岩心套筒，解决了高温、高压条件下套筒中气体的吸渗问题；渗透率随围压的增加而减小，所以实验过程中要将储层压力换算成拟三轴条件下的压力，据此设定围压，减小测试误差；岩心出口流量采用高压精密计量泵计量，保证实时准确计量。

图1 应力敏感实验装置流程

1.3 实验步骤

实验方法借鉴应力敏感测定行业标准，开展高压应力敏感实验研究，最高实验压力80MPa，实验温度90℃。因致密气藏岩心存在滑脱效应，使得在实验过程中气测渗透率偏大，必须最大限度降低气体滑脱效应，因此在实验中设置了最低8MPa的回压。岩心中的孔隙压力增大，气体滑脱效应就相应减小。实验采用定围压变内压和定内压变围压两种方法，具体步骤：a）洗岩心，烘干，测定干重、直径和长度，采用N2测定岩心孔隙度和渗透率；b）抽真空，饱和地层水；c）测定岩心湿重，计算岩心孔隙体积；d）对仪器进行调零，前6块岩心进行定围压实验，同时加围压至63 MPa和回压至8MPa，同时改变上游压力和回压以保持岩心两端的压差不变；对后6块岩心进行变围压实验，同时加载上游压力至8.5MPa和回压至8MPa，保持不变，每次压力增加≤5MPa，直到80MPa，防止一次加压过大使岩心发生受损；e）打开气源，保持围压不变，通过改变上游压力和回压大小来改变岩石有效应力，先增加上游压力和回压至最大然后再降至最小；f）用出口计量装置记下气体和水流量，计算不同上游压力下的岩心渗透率；g）用不同岩心重复步骤a）～f）；h）用出口计量装置记录气体和水流量，计算不同围压下的岩心渗透率；i）整理实验数据，得出结论。

2 实验结果与分析

2.1 定围压变内压实验的应力敏感分析

定围压变内压实验结果见图2。由图2可知岩心的无因次渗透率随有效应力的增加而减小，可以分为急剧下降、平缓下降和水平直线三个阶段。第一阶段下降速度最快，下降幅度高达25%～50%；当有效应力增加到20～50MPa时，渗透率下降的速度变慢，为10%～30%；当有效应力超过50MPa时，渗透率几乎保持不变。当岩心受到的有效应力降低时，岩心渗透率值的恢复曲线也可分为水平直线、平缓上升和急剧上升三个阶段，这与有效应力增加时的变化趋势正好相反。但是渗透率只能恢复到初始值的50%～80%。分析认为，双重介质岩心中裂缝和微裂缝比较发育，且裂缝对双重介质岩心渗透率的贡献非常大。当有效应力增加时，岩心受到压缩使裂缝闭合，导致岩心渗透率大幅下降；随着有效应力继续增加，裂缝继续闭合甚至可能被破坏，渗透率下降速度变缓；当有效应力继续增加，裂缝不能继续被压缩，由于岩石非常致密，基质中的小吼道很难受到压缩，因此渗透率下降的速度非常缓慢，进入水平直线阶段。

图2 定围压变内压下岩心无因次渗透率随有效应力变化

从图2可以看出，各种级别渗透率的岩心都存在一定的应力敏感，但应力敏感程度不同。当渗透率>1 mD时，岩石的应力敏感较强；当渗透率为0.1～1mD时，岩石的应力敏感变弱；当渗透率<0.1mD时，岩石的应力敏感非常弱，即渗透率越大，岩石的应力敏感越严重。随着有效应力的增大，岩心的渗透率越大，其渗透率下降得越厉害，且当有效应力降低时，其恢复的程度也越低，表明双重介质岩石的应力敏感主要由裂缝造成，基质的应力敏感非常微弱。

当气藏的生产压差增加时，岩石受到的有效应力增大，使得地层中的裂缝闭合，渗透率大幅下降，对地层造成严重伤害。因此，控制双重介质气藏的生产压差可以有效减小储层的应力敏感。

2.2 定内压变围压实验的应力敏感分析

定内压变围压实验结果见图3。由图3可知，岩心的渗透率变化趋势与定围压变内压实验得到的规律基本相同，无因次渗透率曲线也分为急剧下降、平缓下降和水平直线三个阶段。有效应力在25MPa以内的下降速度最快，渗透率下降了25%～60%；当有效应力在25～50MPa之间时，渗透率下降5%～20%；当有效应力超过50MPa时，渗透率几乎保持不变。同时，定内压变围压与定围压变内压实验得到的实验数据较相似，说明实验结果可靠。

图3 定内压变围压下岩心无因次渗透率随有效应力变化

当有效应力下降时，渗透率的恢复曲线也可分为水平直线、平缓上升和急剧上升三个阶段，渗透率同样只能恢复到初始值的50%～80%左右，同时定内压变围压实验岩心的渗透率变化趋势要比定围压变内压实验大5%～10%左右，这与不同的实验条件有关。

3 储层岩石物性应力敏感的应用与分析

3.1 应力敏感对气井产能的影响

3.1.1 产能方程的推导

气体在多孔介质中的高速非达西渗流的数学描述［6-7］：

应力敏感气藏渗透率与有效应力之间的关系：

辅助方程：

定义应力敏感拟压力：

推导出气井的产能公式［8］：

进一步可以求出：

3.1.2 气井流入动态曲线

图4 不考虑应力敏感的气井流入动态曲线

图5 考虑应力敏感的气井流入动态曲线

不考虑和考虑应力敏感的气井流入动态曲线见图4～5。从图4～5可以看出，渗透率越大的气井，考虑应力敏感时气井的产能下降越厉害。随着气藏渗透率的降低，考虑应力敏感气井的无阻流量分别降低了76%、67%、49%、46%、35%和 10%。当气藏的渗透率>1mD时，应力敏感使气井的无阻流量下降幅度超过60%；当气藏的渗透率为0.1～1mD时，气井的无阻流量将下降30%～60%；气藏的渗透率<0.1mD时，气井的无阻流量下降幅度小于30%，说明深层致密双重介质气藏的渗透率越大，应力敏感对气井产能的影响就越严重。

3.2 应力敏感对动态储量的影响

应用物质平衡法计算深层致密双重介质气藏的动态储量，由于气藏的地层压力较高，要同时考虑地层水的压缩性和岩石的形变，忽略水侵的影响，因此，深层致密双重介质气藏物质平衡方程可以写成［9］：

式中：G为气藏原始地质储量，m3；Gp为压力由pi降到 p 时的累计产气量，m3； Bgi、Bg为压力是 pi和 p 时天然气的体积系数；ΔVw为气藏束缚水体积膨胀量，m3；ΔVr为气藏岩石骨架体积膨胀量，m3。根据岩石压缩系数的定义可得：

两边同时对压力积分，可得：

故气藏在开发过程中岩石骨架体积的膨胀量为：

在气藏开发过程中岩石中束缚水体积的膨胀量为：

将式（12）带入物质平衡方程可得：

根据文献可知，岩石压缩系数与应力敏感指数和压差之间的关系为［10］：

采用新的物质平衡方程发现Y与累计产量呈直线关系，当气藏的压力达到废弃压力时，通过线性回归得到单井的动态储量；然后，假设岩石的压缩系数为0，可以得到常压物质平衡方程，也可以计算出单井的动态储量［11］，计算结果见表 2。

表2 不同的物质平衡方程计算得到的动态储量

新的深层致密双重介质气藏物质平衡方程，考虑岩石的压缩系数［12］随着压力而变化，采用积分的方法计算得到气藏单井动态储量；新方法计算得到的动态储量与常压物质平衡方法得到的动态储量的偏差为71.6%～94.34%，并且岩石的初始渗透率越大，岩石的应力敏感系数越大，说明岩石的应力敏感越严重，对岩石压缩系数的影响就越大，则动态储量的计算偏差越大［13-16］。因此，应力敏感对深层双重介质气藏的动态储量的计算结果影响很大，同时，岩石的压缩系数在气藏开发的过程中变化的幅度也较大，不能忽略岩石压缩系数对气藏动态储量的影响，这会对动态储量的计算结果造成很大误差［17-18］，也会对气藏的开发决策造成不利的影响。

4 结论

a）使用能够承受高温高压的实验装置，准确测定不同压力下气体的流量，采用无因次渗透率随有效应力变化的方法，可以更准确地评价深层致密双重介质气藏的应力敏感。

b）深层致密双重介质气藏的储层存在严重的应力敏感现象，储层的渗透率随着有效应力的增大而降低。渗透率越大，其应力敏感越严重，且双重介质储层中裂缝比基质岩石对压力更敏感。

c）通过建立应力敏感新产能方程，发现应力敏感对气井产能的影响非常大。渗透率越大，应力敏感造成的气井产能下降越严重。在物质平衡方程的基础上建立计算深层致密双重介质气藏动态储量的新方程，其计算结果与常压物质平衡方法的计算结果相比偏差很大，这与岩石压缩系数有较大关系，说明考虑应力敏感计算的动态储量更精确。

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