超低渗岩心渗透率应力敏感性评价指标对比

罗 超，顾岱鸿，周晓峰，闫子旺，赵 超

(中国石油大学·石油工程教育部重点实验室，北京 102249)

超低渗岩心渗透率应力敏感性评价指标对比

罗 超，顾岱鸿，周晓峰，闫子旺，赵 超

(中国石油大学·石油工程教育部重点实验室，北京 102249)

利用变围压的实验方法对长庆油田的6块岩样进行实验，实验结果表明，低渗透储层具有较为明显的应力敏感性，岩心渗透率与有效覆压呈乘幂函数关系。用应力敏感性系数法对实验结果数据进行拟合，渗透率比值的立方根与对应的有效覆压比值的对数显示出很好的线性相关性；对比不同应力敏感评价指标表明，应力敏感性系数法和油藏评价法在储层应力损害等级评价上表现出很好的一致性，推荐使用应力敏感性系数来度量储层的应力敏感程度。

低渗透储层；渗透率；有效覆压；应力敏感性评价

渗透率应力敏感效应在低渗透储层中表现突出[1-3]，具体表现在应力敏感性对井网部署、开采压差、油气井配产以及最终采收率等方面的影响。国内外学者进行大量实验，确立有效覆压是影响储层渗透率的主要因子，并用指数式[4-6]、乘幂式[7-8]和多项式[9-12]等关系描述了渗透率与有效覆压之间的函数关系，然后对储层渗透率应力敏感性进行量化评价。目前，常用的应力敏感性评价指标主要有3种：实验室室内评价、油气藏评价及应力敏感性系数法。室内评价从实验实测数据出发，其评价指标主要采用行业标准法“储层敏感性流动实验评价方法(SY/T5358-2010)”[13]。油气藏评价是根据实验数据，结合油气藏实际应力状态进行评价。应力敏感性系数法则是先将渗透率和有效覆压无因次化，再拟合其函数关系式，以拟合得到的应力敏感系数来评价渗透率应力敏感程度。但是，由于应力敏感性的特殊性，目前关于应力敏感性的数据处理及评价标准仍存在较大争议。笔者根据长庆油田6块岩样的应力敏感性实验数据，比较这3种评价方法计算的渗透率损害率程度，并探讨不同评价方法的优缺点。

1 储层岩石应力敏感性实验

1.1 实验方法

选取6块长庆油田岩心，岩样气测渗透率平均值为1.89×10-3μm2,属于特低渗透储层。实验方法参照行业标准“储层敏感性流动实验评价方法(SY/T5358-2010)”。本实验通过改变岩样的围压来改变岩心所受的有效覆压，共设定了12个围压上升点和围压下降点，每个围压上升点的稳定时间为45 min，每个围压下降点稳定时间为1 h。当围压稳定时间到达后，利用气测渗透率仪测试该围压下的气测渗透率，采用Terzaghi有效覆压方程计算有效覆压。

1.2 渗透率与有效覆压的关系

对6块岩心进行应力敏感实验得到气测渗透率与有效覆压的特征曲线，回归分析后发现，所有关系式中以乘幂的相关系数最高，绝大部分相关系数在0.98以上，二次多项式次之，而指数式的相关系数最低。因此选取乘幂式[7-8]来回归拟合渗透率与有效覆压的关系：

k=m×σ-n

(1)

式中：k——气测渗透率，10-3μm2；m——拟合系数；n——拟合指数；σ——净上覆压力，MPa。

6块岩心的基本参数及m、n回归结果和相关系数R2见表1。

2 储层岩石渗透率应力敏感性评价

2.1 行业标准法

在考察围压对岩心气测渗透率的影响时，行业标准以升围压时第一个围压点(2.5 MPa)的气测渗透率作为最大渗透率值k1,以最大围压点(50 MPa)的气测渗透率值为最小渗透率值k50；以降围压恢复过程的最后一个围压点(2.5 MPa)的气测渗透率为最大渗透率值k1dl，该值为研究过程最大渗透率恢复值。利用k1，k50，k1dl计算该过程最大渗透率损害程度Dk和渗透率不可恢复度Dkir。

表1 实验岩心基本参数及渗透率与有效覆压的拟合结果

(2)

(3)

2.2 油藏评价法

行业标准综合利用升围压和降围压过程气测渗透率的变化趋势、最大渗透率伤害程度Dk和渗透率不可恢复度Dkir，评价围压对岩心气测渗透率的影响。但是渗透率损害率的大小与实验中选择的初始有效覆压有关。因此，需要考虑真实储层应力状态对储层的应力敏感性做出合理的评价。鉴于上述原因，油藏评价方法使用原地有效覆压作为初始计算点，来计算最大渗透率损害程度和渗透率不可恢复度，则式(2)、(3)可改写为：

(4)

(5)

式中：Rk——有效覆压为iMPa时的渗透率损害率；kri——原地有效覆压对应的岩心渗透率，10-3μm2；ki——各有效覆压测点的岩心渗透率，10-3μm2；Rkir和kridl——有效覆压恢复到原地有效覆压时的渗透率不可恢复度和渗透率。

6块岩心所在区块平均上覆岩层密度为2.50 g/cm3,地层压力梯度为0.8 MPa/100 m，可以求取这6块岩心的原始地层有效覆压。利用渗透率与有效覆压的乘幂关系，求取不同有效覆压下的渗透率，然后以原始地层有效覆压为初始点，进行最大渗透率损害程度和渗透率不可恢复度计算。

2.3 应力敏感性系数法

根据张浩，康毅力，兰林等人的研究[14-16]，渗透率比值的立方根与对应有效覆压比值的对数具有很好的线性相关性，即(6)式。

(6)

式中：a=1；Ss——应力敏感性系数；σ——有效覆压，MPa；k—— 对应的渗透率，10-3μm2；σ0、k0——初始测点的有效覆压和渗透率，MPa，10-3μm2。表2为应力敏感性评价标准。

表2 应力敏感性系数评价标准

6块岩心的线性拟合结果如表3所示。由于实验存在一定的误差，所以表3中各个拟合式的a值并不是严格等于1。

表3 应力敏感性系数拟合结果

2.3.1 应力敏感性系数与初始渗透率的关系

从表3可看出，岩石渗透率越小，对应的应力敏感性系数越大。对6块岩心的应力敏感性系数与岩心初始渗透率k1进行曲线拟合，回归分析发现其关系曲线以乘幂式的相关系数最高，如图1所示。其回归式为：

(7)

从图1可看出，当岩心渗透率小于1×10-3μm2以后，应力敏感系数急剧增加。由此可见，应力敏感效应对特低、超低渗油气储层岩心渗透率的影响显著增强。

图1 应力敏感性系数与初始渗透率的关系

3 评价指标对比

表4是根据不同评价指标评价实验所选6块岩样渗透率损害结果，可以看出，岩心渗透率越低，其渗透率应力敏感性越强。行业评价方法的评价结果为：该储层岩石的应力敏感性评价结果为中等偏强。油藏评价方法评价结果为：该储层岩石的应力敏感性评价结果为弱。所以按行业标准得到的评价结果夸大了有效覆压对储层渗透率的损害。应力敏感性系数法和油藏评价法得到的损害等级一致。

表4 不同指标的渗透率损害评价结果

图2是应力敏感性系数和油藏评价法算得的渗透率损害率的线性拟合图，也表现为较好的相关性。而且，与油藏评价法相比，应力敏感性系数法可以在既不知道油藏原始地应力，也不需要多个应力敏感测试点的情况下得到比较切实的油藏应力敏感评价。因此，应力敏感性系数法使用起来更加简单方便。但是，应力敏感性系数是由实验得到的全部数据进行拟合得到，每一岩样对应一个应力敏感性系数，该系数的物理意义不如渗透率损害率直观，而且不能反映出油气藏开发过程中每个阶段的应力敏感状态，不利于工程应用。虽然如此，应力敏感性系数法仍得到广泛应用。

图2 应力敏感性系数与渗透率损害率(以原始有效覆压为初始点)的线性关系

4 结论

(1)用乘幂函数关系可以表征岩心的渗透率与有效覆压的关系。

(2)行业标准选用2.5 MPa围压下的渗透率为初始点计算渗透率损害率将夸大实际油藏有效覆压对渗透率的损害，应以原地有效覆压下的渗透率作为参考点来计算渗透率损害率。

(3)应力敏感性系数与初始渗透率呈乘幂关系，初始渗透率小于1×10-3μm2以后，应力敏感系数急剧增加，特低渗岩心渗透率应力敏感性显著。

(4)应力敏感性系数和油藏评价法算得的渗透率损害率有较好的一致性，建议使用应力敏感性系数法来评价储层的应力敏感性。

[1] 石玉江，孙小平.长庆致密碎屑岩储集层应力敏感性分析[J].石油勘探与开发，2001,28(5):85-87.

[2] 阮敏，王连刚.低渗透油田开发与压敏效应[J].石油学报，2002,23(3):73-76.

[3] 王秀娟，赵永胜，文武，等.低渗透储层应力敏感性与产能物性下限[J].石油与天然气地质，2003,24(2):162-166.

[4] Pedrosa.Pressure transient response in stress-sensitive formation[C].SPE15115, 1986: 1631-1640.

[5] Soedder D J.Porosity，permeability and pore pressure of tight mesaverde sandstone，Piceance Basin,Colorado[C].SPE 13134, 1987:129-137.

[6] 蒋海军，鄢捷年，李荣.裂缝性储层应力敏感性实验研究[J].石油钻探技术，2000,28(6)：32-33.

[7] Bernabe Y.An effective pressure law for permeability in Chelmsford granite and Barre granite[J].Rock Mache.Sci.Geomech.Abstr, 1986, 23(3):267-275.

[8] 石玉江，孙小平.长庆致密碎屑岩储集层应力敏感性分析[J].石油勘探与开发，2001,28(5)：85-87.

[9] 范学平，徐向荣.地应力对岩心渗透率伤害实验及机理分析[J].石油勘探与开发，2002,29(2)：117-119.

[10] 于忠良，熊伟，高树生，等.致密储层应力敏感性及其对油田开发的影响[J].石油学报，2007,28(4)：95-98.

[11] 张守良，沈琛，邓金根.岩石变形及破坏过程中渗透率变化规律的实验研究[J].岩石力学与工程学报，2000,19(增刊)：885-888.

[12] 薛永超，程林松.微裂缝低渗透岩石渗透率随围压变化实验研究[J].石油实验地质，2007,29(1)：108-110.

[13] 中华人民共和国石油天然气行业标准编写组.SY/T5358-2010储层敏感性流动实验评价方法[S].北京：石油工业出版社，2010.

[14] 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，2004,15(5)：482-486.

[15] 兰林，康毅力，陈一健，等.储层应力敏感性评价实验方法与评价指标探讨[J].钻井液与完井液，2005,22(3):1-4.

[16] 张浩，康毅力，陈一健，等.岩石组分和裂缝对致密砂岩应力敏感性的影响[J].天然气工业，2004,24(7)：55-57.

编辑：李金华

1673-8217(2015)05-0094-04

2015-03-10

罗超，1989年生，2011年毕业于中国石油大学(北京)石油工程专业，在读硕士生，研究方向：渗流理论与油气藏数值模拟技术。

TE125

A