储层在高温条件下的应力敏感性研究

王 磊，单钰铭，尹 帅，陆俊华

(成都理工大学 油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川 成都 610059)

0 引言

储层岩石在井下受到上覆岩层压力和地层岩石孔隙压力的共同作用，随着油气的开采地层压力发生改变，从而引起储层岩石物性发生相应的变化的现象称为储层岩石的应力敏感性.对世界上许多含油气盆地的地质综合研究表明，高温高压领域是大中型气田形成的有利场所，但莺琼盆地多年的勘探探索，多以失败告终，说明高温高压环境下的天然气高效排运及聚集成藏机理尚不清楚，严重制约了天然气勘探.［1-3］本文依据前人的实验研究方法，对该地区砂岩岩样在高温条件下进行了变围压的液测渗透率实验，研究了加载和卸载过程储层渗透率应力敏感性，为该地区大中型天然气田的勘探成功提供实验依据.

1 实验方法

有效围压为围压与岩石中流体压力的差值.实验所选取岩样为若干莺琼盆地某砂岩储层岩样，在高温(150℃)条件下通过围压的改变测取岩样的渗透率，实验所用液体为模拟地层水所配制的同矿化度盐液.

实验步骤如下:①给待测岩样一个固定的进口压力值，对岩样加温至150℃并保持不变，初始有效围压设为5MPa，待压力稳定一段时间后，测取样品的液测渗透率;②加载过程:保持温度和进口压力值不变，缓慢增加有效围压，依次为15MPa、25MPa、35MPa、45MPa，待每个压力点稳定一段时间后，测取样品的液测渗透率;③卸载过程:保持温度和进口压力值不变，有效围压缓慢降低，依次为 45MPa、35MPa、25MPa、15MPa、5MPa，待每个压力点稳定一段时间后，测取样品的液体渗透率.

2 实验结果分析

按照上述实验方法和步骤，测得了该地区岩样在高温条件下应力加载和卸载过程中的液测渗透率，这里选取了其中比较典型的三块岩样，在高温条件下的液测渗透率与有效围压的关系曲线(图1).

图1 加载和卸载过程渗透率随有效围压变化曲线

为了减少实验误差，尽量维持岩样的地层条件，本实验所使用的液体是模拟地层水所配制的盐液，在保持温度和进口压力值不变的情况下逐渐增加围压，然后在围压达到最大值后再逐步减小围压情况下完成的.从图1中的加载过程渗透率与有效围压的关系曲线可以看出，随着有效围压的增加，3个岩样的液测渗透率都是逐渐降低的趋势，降低的程度与岩样所受到的有效围压的大小有关，即在实验条件下，有效围压越大渗透率越低.这说明岩样在高温条件下的液测渗透率对有效围压都有敏感性.砂岩储集层的孔隙空间最主要的构成是孔隙和喉道，在没有应力作用在岩石上时，岩石孔隙空间中的孔隙和喉道是同时存在的，当岩石受到应力作用后，岩石孔隙空间中的孔隙和喉道会逐渐闭合，也就是说，随着有效应力的增加，岩石颗粒之间的接触逐渐被压实，所以实验测得的岩样液测渗透率会随着有效围压的增加而降低.从图1中加载和卸载过程岩心渗透率应力敏感曲线中可以明显看出，加载过程中岩心在某一有效应力下的液测渗透率与卸载过程中所测得的同一有效应力下的液测渗透率值不等，这就是石油地质工作者通过类似实验得到的渗透率滞后现象.岩石变形理论可以很好地解释这一现象:岩石在地应力发生改变的情况下，会发生物理变形和破坏现象.岩石在外力持续作用下，会经历弹性变形、塑性变形和断裂变形3个阶段.加载过程中岩石在有效应力的作用下，孔隙中的喉道会慢慢开始闭合.随着有效应力的继续增加，变形继续增大，岩石的孔隙空间在有效应力的作用下逐渐缩小，这就使得岩石的渗透率随着有效应力的增加而逐渐减小.随着卸载过程有效应力的逐渐降低，发生弹性变形的孔喉能够完全恢复到变形前的大小，而经过塑性变形或断裂变形的孔喉，由于有效应力超过了岩石的弹性极限使得孔喉产生了不可恢复的永久变形.这种滞后现象对储层造成了不可恢复的伤害.［4］在高温高压油气田开发过程中，随着天然气的不断采出，地层压力也在不断降低，从而使储层岩石骨架承受的有效应力不断发生改变，因此我们研究岩石在高温条件下的液测渗透率随有效应力的变化规律，从而为莺琼盆地天然气的成功高效开发提供准确的基础数据.

3 渗透率应力敏感性评价

根据“储层敏感性流动实验评价方法(SY/T5358-2002)”的中华人民共和国石油天然气行业标准我们引入渗透率损害率Dk的概念，［5］Dk定义如下公式(1):

式中:Dk为渗透率损害率，是应力加载后渗透率降低的百分数;K0为升压过程第一压力点所测岩样渗透率，10-3um2;Kmin为应力加载时围压达到设定最高值时的渗透率，10-3um2.

另外，为了详细的解释渗透率在整个实验过程中的应力敏感变化，引入了另外一个应力敏感评价参数RK——渗透率相对损害率，具体定义见公式(2):

RK为渗透率相对损害率，%，是应力卸载后渗透率相对于K0的渗透率损害百分数;Kmax为卸载过程中最后一个压力点所测岩样渗透率，10-3um2.

岩样在加载和卸载实验所测得的渗透率数据和评价结果如表1所示.

表1 岩样渗透率实验数据和评价结果

从表1中我们可以看出，3号岩样的渗透率损害最大，为32%;2号岩样渗透率损害最小，为15%;1号岩样渗透率损害较2号岩样稍大一些，为16%.也就是说，1号和2号岩样在高温条件下渗透率的应力敏感性都属于弱敏感，3号岩样在高温条件下渗透率的应力敏感性都属于中等偏弱敏感.而对于渗透率相对损害率来讲，3号岩样渗透率相对损害率最大为25%;其次为2号岩样，为11%;1号岩样渗透率相对损害率最小，为5%.李传亮认为:储层岩石的应力敏感程度只与岩石的硬度有关，岩石越硬，应力敏感程度就越低;岩石越疏松，其硬度就越低，应力敏感程度也就越强.［6］根据实验岩样的岩性，我们不难看出1号岩样为含云质极细粒石英砂岩，其岩石硬度最大，当岩样受到应力作用时发生的变形程度最小，应力敏感程度最低;2号岩样为含泥粉砂岩，岩石硬度较1号岩样小，从实验测得的岩样的渗透率损害率和渗透率相对损害率，很好的验证了2号岩样应力敏感程度强于1号岩样;3号岩样应力敏感程度最强，其为粉砂质泥岩，岩样的泥质含量最高，岩样的硬度最低，长时间的应力作用造成岩样塑性变形或断裂变形的程度最大，正恢是这种不可复的永久变形现象造成岩样在加载和卸载过程后的渗透率损害.因此，在生产作业过程中应充分考虑岩样在高温条件下的应力敏感性，同时还要注意渗透率的滞后现象，从而使储层的产能更高效的开采.

4 渗透率与有效应力的关系

为了更好的分析渗透率和有效应力之间的关系，参考前人的经验和结论对三块岩样的加载卸载曲线分别运用指数关系、线性关系、对数关系、多项式关系和乘幂关系对所测得的实验数据进行拟合，结果发现多项式关系式拟合效果最好，如表2所示.

表2 样品的加载卸载过程多项式关系式

从表2中可以看出三块岩样加载和卸载实验所测得的渗透率跟有效应力的关系能很好的满足多项式关系，该拟合函数能够很好地反应渗透率的应力敏感变化规律，亦即能很好的反映该地区砂岩储层的渗透率和围压的变化关系.

5 结论

(1)莺琼盆地砂岩储层岩样在高温(150℃)条件下具有弱到中等偏弱的应力敏感性，随着有效应力的增加，岩样的液测渗透率逐渐降低，降低的程度与所受的有效围压有关.在高温条件下岩样的液测渗透率随有效围压的变化可以用多项式来描述.

(2)储层砂岩孔隙变形具有弹塑性变形的特征，当有效围压增加时，岩样的液测渗透率都会有不同程度的下降，当有效围压降低后，岩样的液测渗透率会有所恢复，但不能恢复到初始值.

(3)储层渗透率损害主要取决于储层所受到的有效围压的变化，同时跟岩样的岩性有关.储层一旦受到损害，即使很微弱的损害，也不可能恢复到原先的状态.所以说在莺琼盆地天然气田的勘探开发过程中应充分考虑渗透率随有效应力的变化规律，从而为大中型天然气田的成功勘探开发提供准确的基础数据.

［1］孙玉学，孔翠龙，王瑛琪.低渗透砂岩储层应力敏感性研究［J］.科学技术与工程，2009(9):53-55.

［2］张 浩，康毅力，陈一健，等.致密砂岩油气储层岩石变形理论与应力敏感性［J］.天然气地球科学，2004(5):482-485.

［3］朱新春.焉耆盆地宝浪区储层夹隔层特征研究［J］.四川文理学院学报，2011(5):64-66.

［4］卢家亭，李 闽.低渗砂岩渗透率应力敏感性实验研究［J］.天然气地球科学，2007(3):27-29.

［5］SY/T5358-2002，中华人民共和国石油天然气行业标准［S］.

［6］李传亮.储层岩石应力敏感性认识上的误区［J］.特种油气藏，2008(3):26-28.