基于时间尺度的致密储层应力敏感实验研究

聂向荣，王成龙，刘　姣

[1.陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院，陕西西安 710075；2.延长油田股份有限公司，陕西延安 716000]



基于时间尺度的致密储层应力敏感实验研究

聂向荣1，王成龙2，刘姣2

[1.陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院，陕西西安 710075；2.延长油田股份有限公司，陕西延安 716000]

采用长时间加载围压的方法，模拟了致密储层长时间承压的应力敏感效应。研究表明，围压加载时间越长，致密储层的应力敏感越严重。建立了基于时间尺度的致密储层应力敏感评价方法，将致密储层的应力敏感在时间尺度上划分为两个阶段，即瞬时应力敏感段和延时应力敏感段，致密储层常规应力敏感评价方法只考虑了瞬时应力敏感，而忽略了延时应力敏感。实验结果显示，两者的差值最高可达30%，说明在长时间的开发过程中，延时应力敏感不容忽视。在致密储层应力敏感评价时，有效应力加载时间应达到延时应力敏感段中的延时衰减敏感段，直到拟合出指数衰减方程为止，依据指数衰减方程和实际生产情况计算矿场生产时间尺度的延时应力敏感。新建立的评价方法能够更准确地模拟致密储层的实际应力敏感特征，对致密储层的合理开发具有重要指导意义。

致密储层；应力敏感；有效应力；渗透率

随着地层流体的开采，岩石骨架承受的有效应力增大，会导致储层发生变形，降低储层的孔隙度和渗透率，对油气田的开发产生不利影响[1-4]。对此，许多学者研究了致密储层的应力敏感问题。Jose[5]通过室内物理模拟发现，围压较大时，致密岩心的渗透率损失程度达到90%，说明致密储层的应力敏感问题十分严重，致密储层开发过程中应力敏感问题不容忽视。Lei通过实验定量分析了致密储层有效应力和渗透率之间的定量关系，结果表明，致密储层渗透率和有效应力呈二项式关系，扫描电镜结果显示，有效应力增大对孔隙度的影响不大，但对喉道影响很大，严重影响渗透率[6]。向阳通过全直径岩心研究了致密砂岩气藏的应力敏感特征，结果表明，致密砂岩气藏高速开发时，储层的渗透率会形成严重损害[7]。康毅力[8]研究发现，岩屑、温度和含水饱和度都会明显影响致密储层的应力敏感。杨朝蓬[9]认为，渗透率越小，致密储层的应力敏感越严重。

致密储层的开采是一个大时间尺度的过程，储层承压时间跨度长，常规的应力敏感评价方法只模拟了短时间的过程，未能反映出大时间尺度应力敏感特征。本文从时间尺度研究了致密储层应力敏感变化特征，反映致密储层在开采过程中持续的应力敏感特征[10]。

1 时间尺度应力敏感效应

储层应力敏感指储层渗透率等参数随着应力条件变化而变化。岩石骨架同时承受上覆岩层的压力和孔隙内流体压力，随着储层流体被采出，孔隙内流体压力减小，岩石骨架的有效应力增大，岩石骨架和孔隙均被压缩，其渗透率也降低。在时间尺度上，致密储层的应力敏感分为瞬时应力敏感和延时应力敏感。

1.1 瞬时应力敏感效应

常规应力敏感评价方法认为，储层受压变形是在很短的时间内完成的，因此石油与天然气行业标准将评价应力敏感时的承压时间定为30min[11]。随着流体的采出，储层有效应力增大，储层在很短时间内产生变形，发生应力敏感，本文将这种短时间内产生的应力敏感现象命名为瞬时应力敏感效应。

1.2 延时应力敏感效应

在一定的上覆岩层压力和孔隙压力下，储层承受的有效应力恒定；但是随着时间的延长，储层孔隙持续被压缩，渗透率持续降低，本文将这种持续的应力敏感现象命名为延时应力敏感效应。本文将通过实验，证明这种延时应力敏感效应的存在。

2 实验部分

2.1 实验准备

实验采用美国Temco公司制造的OPP-1型高压孔渗仪，该仪器具有高精度、自动测量和记录的功能。岩心取自新疆某致密油田，实验采用的3块岩心(Z1、Z2和Z3)基本物性参数见表1。

表1　岩心物性参数表

将准备好的岩心放入岩心夹持器中，在2MPa围压下测量初始渗透率，然后将围压增大到预设值，每隔一段时间测量一次渗透率值。

2.2 实验结果

Z1、Z2和Z3岩心的有效应力分别为23.7MPa、36.4MPa、44.1MPa。在不同的有效应力下，这3块岩心测量的渗透率随时间变化曲线见图1。在0.5小时时，3块岩心的渗透率都急剧减小；在0.5小时以后，随着时间的延长，渗透率下降速率越来越小，最后趋于平缓。

3 实验结果分析

以Z1岩心为例进行详细分析，加压0.5小时时，渗透率出现了急速下降，由0.0154mD减小到0.0122mD，损失率达到20.78%；当由0.5小时加压到126小时时，渗透率由0.0122mD减小到0.0105mD，渗透率损失率为13.93%。基于前文的分析，将前0.5小时之前应力敏感称为瞬时应力敏感段，将0.5小时之后的应力敏感称为延时应力敏感段。

延时应力敏感段渗透率的损失速率也不同，从0.5小时到10小时渗透率快速下降，从10小时到126小时渗透率平缓下降，对这两段的数据分别进行拟合，结果见图2。由此可知，0.5～10小时渗透率下降速度较快，称之为延时过渡应力敏感段；10～126小时，渗透率下降速度逐渐趋于平缓，称之为延时衰减应力敏感段。

对Z1岩心的时间尺度渗透率应力敏感拟合结果进行归纳，其渗透率K随着时间t变化，可以用K(t)表示。

(1)

由式(1)可以看出，当储层承压时间超过10小时后，渗透率符合指数衰减方程。一般致密储层的开发都采用衰竭式开采，储层流体压力连续降低，储层有效应力持续增大，但在较短的时间内可认为储层有效应力变化不大。本文取30天进行模拟计算，得到随时间变化的渗透率应力敏感损失率D(t)。

(2)

Z1岩心的计算结果见图3，模拟30天后渗透率应力敏感损失率达到52.78%，而常规方法测量得到的渗透率应力敏感损失率只有20.78%，显然常规方法低估了致密储层应力敏感。采用相同方法对Z2岩心和Z3岩心进行拟合，拟合结果见图4，模拟计算公式见表2。

注：t1—延时过渡应力敏感段起始时刻；t2—延时衰减应力敏感段起始时刻。

根据表2中的公式对Z2岩心和Z3岩心进行30天渗透率应力敏感计算，得到随时间变化的渗透率应力敏感损失率结果(图5、表3)。由图5可见，随着承压时间的延长，3块岩心的渗透率损失程度逐渐增大。将30天后的渗透率应力敏感损失率D30d和0.5小时的渗透率应力敏感损失率D0.5h进行对比，常规方法评价的瞬时渗透率应力敏感损失率和本文评价的延时渗透率应力敏感损失率相差较大，说明行业标准只评价0.5小时渗透率应力敏感损失率的方法不能准确反映储层长时间真实应力敏感。

注：D0.5h—0.5h的渗透率应力敏感损失率；D30d—30d后的渗透率应力敏感损失率。

4 结束语

(1)地层能量的亏空导致储层有效应力加大，孔喉闭合，但孔喉闭合是一个随时间逐渐发展的过程，因而渗透率伤害是随着时间逐渐加重的。

(2)提出了基于时间尺度的致密储层应力敏感评价方法，将储层应力敏感在时间尺度上划分为两个阶段，分别为瞬时应力敏感段和延时应力敏感段。

(3)致密储层应力敏感评价时，有效应力加载时间应达到延时应力敏感段中的延时衰减敏感段，直到拟合出指数衰减方程为止，然后根据拟合出的指数衰减方程，结合实际生产情况，计算矿场生产时间尺度的延时应力敏感。

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Experimental Study on Stress Sensitivity for Tight Reservoirs Based on Time Scale

Nie Xiangrong1，Wang Chenglong2，Liu Jiao2

[1.ResearchInstituteofShannxiYanchangPetroleum(Group)Co.，Ltd.，Xi′an，Shaanxi710075，China；2.YanchangOilfieldCo.,Ltd.Yan′an,Shaanxi716000,China]

Experiments about tight reservoirs are performed by confining pressure to simulate tight reservoirs under pressure for a long time during production process. The results show that the stress sensitivity is increasing with compression time extended. Evaluation method for stress sensitivity about tight reservoirs was established based on time scale. The stress sensitivity for tight reservoirs was divided into two feature segments from time scale, which were named instantaneous stress sensitivity and delayed stress sensitivity. The conventional evaluation method for stress sensitivity about tight reservoirs has only considered the instantaneous stress sensitivity, and the delayed stress sensitivity has been ignored. The difference of the two is up to 30%, which shows that the delayed stress sensitivity can not be neglected. When evaluated stress sensitivity for tight reservoir level, the load time of stress effective should continue until delayed attenuation stress sensitivity comes, and the exponential decay equation shouled be got. The exponential decay equation and the actual production conditions will leverage to caculate the dalayed stress senstitivity under in-site production time scale. The new method can more accurately simulate the stress sensitivity for tight reservoir, which has great guiding significance in rational development for tight reservoir.

Tight reservoirs; stress sensitivity; effective stress; permeability

聂向荣(1986年生)，博士，工程师，现从事油气田开发方向研究工作。邮箱：nxrcup@163.com。

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