温度与有效应力对页岩储层应力敏感影响研究

董文强

(中国石油长庆油田分公司第三输油处，宁夏银川 750006)

国内外对于储层的应力敏感性研究，主要集中于储层物性参数如渗透率、孔隙度及孔隙压缩系数随有效应力变化的规律，且多数研究采用在常温条件下恒围压变内压，恒内压变围压方法得到[1-8]。有效应力通常定义为上覆岩层压力与流体压力之差。针对温度对储层影响问题，刘泉声，许锡昌等[9]提出了损害存在门阈值问题，岩石中不同矿物颗粒因热膨胀系数不同及各向异性的晶粒不同的结晶方位导致的热弹性性能不同，导致岩石微裂缝形成，并形成网状，进一步解释岩石热损伤机理。郝振良，马捷等[10]将热应力理论运用到温度对岩石作用中，提出热应力可以导致岩石有效应力的变化，最终影响了岩石渗透系数。我国的页岩气开发处于初级探索5段，以往针对应力敏感性的研究主要集中低渗透储层，而对页岩储层应力敏感研究相对较少。2012年黄玲等[11]对页岩储层敏感性做出大量的试验，研究得出页岩水敏程度为中等偏弱，应力敏感性极强。2012年郭为等[12]为了明确开采压力的下降对气藏渗透率变化的影响，试验采用改变内压与围压2种方式，对页岩气藏的应力敏感效应进行了研究，研究结果表明：页岩对外压的敏感效应远远大于对内压的敏感效应。2013年赵立翠等[13]选用带裂缝页岩岩样进行变围压应力敏感试验，并对影响页岩气储层应力敏感性的因素进行分析。

通过大量文献调研可知，目前针对温度与有效应力对页岩储层应力敏感性影响的研究相对较少。因此，本文选用页岩为研究对象，分析温度与有效应力对页岩渗透率应力敏感性的影响规律。

1 试验

1.1 试验装置与试验岩样

该试验仪器主要由三部分构成(见图1)：第一部分驱替流体及加压装置(保证高压驱替条件，最高工作压力100 MPa)；第二部分是高温烘箱(最高温度150℃)，岩心夹持器，环压追踪高压泵(模拟地层条件)；第三部分是回压装置(维持岩心夹持器两端压力稳定)，皂膜流量计与计算机控制装置。试验选用页岩岩心，恒温箱精度(±0.1℃)，皂膜流量计精度(±0.01 mL)，压力计精度(±0.001 MPa)。

1.2 试验方法

图1 应力敏感试验流程图

表1 试验岩样基础参数

该试验采用恒内压变围压方法，以高纯氮气作为驱替介质，对岩样烘干处理，烘干时间24 h。初始温度设为20℃，围压设为13 MPa，稳定后测定岩样的渗透率，逐渐加载围压，依次取 15 MPa，17 MPa，19 MPa，21 MPa，每个围压点稳定一段时间，测定岩样渗透率。试验过程中，驱替内压始终保持0.2 MPa，驱替压差0.5 MPa恒定不变。逐渐升高温度25℃，30℃，35℃，40℃，45℃，50℃，55℃，60℃，65℃，70℃，75℃，80℃，重复上述过程，测定气测渗透率。由于温度对驱替介质氮气的黏度有影响，所以测定过程必须考虑温度的影响(见表1)。

2 试验结果与分析

2.1 页岩渗透率随温度的变化规律

由图2可见，页岩渗透率K与温度T具有较好的指数关系。随着温度从20℃升高到70℃时，两块岩样的渗透率呈现快速下降，渗透率分别平均下降41.7%，34.1%，当温度从70℃上升到80℃时，两块岩样的渗透率反而缓慢下降，渗透率分别平均下降1.2%，3.4%。这主要是随温度升高，矿物颗粒的膨胀，岩石颗粒之间产生热应力作用[10]，等同于岩样的有效应力增大。从图2分析可以看出，初始渗透率越高，则应力敏感性越强，温度对应力敏感性影响越大。

2.2 页岩渗透率随有效应力的变化规律

为了研究页岩气井衰竭式开发过程中，有效应力变化对页岩储层渗透率的影响(见图3)。通过对两块岩样进行变围压恒内压试验，即有效应力逐渐增大过程，观测岩样渗透率的变化情况。测试结果表明：渗透率K与有效应力P具有较好的指函数关系。这与低渗透、特低渗透油气藏应力敏感性呈现相同的规律。当有效应力由小增大时，储层渗透率由大变小，其下降幅度由大到小。有效应力从13 MPa增大到17 MPa时，不同温度下两块岩样渗透率平均分别下降28.9%，24.9%，当有效应力从17 MPa增大到21 MPa时，渗透率平均下降8.4%，8.6%。针对LS1-12-3岩样测试结果分析，温度从20℃升到80℃，有效应力从13 MPa升到21 MPa过程中，不同温度下渗透率分别降低45.1%，36.7%，34.9%，32.6%，表明随温度的升高，储层对有效应力的敏感程度由高到低。这主要是页岩中不同矿物颗粒因不同的热膨胀系数以及各向异性晶粒不同的结晶方位的热弹性性质不同[9]，引起各种矿物不同程度的热膨胀，致使页岩中纳米级的孔喉半径的孔隙、孔道不断的缩小，使得原本能够通过的氮气分子不再通过，页岩在有效应力作用下，微观孔隙发生变形量减少，因此会出现储层对有效应力敏感程度逐渐降低的现象。

图2 不同页岩岩样渗透率与温度的关系

图3 页岩渗透率随有效应力变化关系图

3 渗透率应力敏感评价

3.1 应力敏感损害率Dk评价[14]

石油行业标准中，计算渗透率损害率公式为：

式中：Dk-应力敏感程度，无因次；K0-初始应力点对应的岩样渗透率，mD；Kmin-不同温度条件下达到最大应力后的岩样渗透率的最小值，mD。

3.2 罗瑞兰等[4]提出应力敏感系数

计算应力敏感评价指标SP公式为：

式中：SP-应力敏感评价指标；Ko-初始应力点对应的岩样渗透率，mD；Ki-不同温度条件下达到不同应力点对应的岩样渗透率，mD。

基于上述2种评价方法，对1号页岩岩样进行了应力敏感评价，结果(见表2、表3)。表2中2种方法的计算结果具有较好的一致性，即页岩岩样渗透率的应力敏感程度中等，行业标准评价得到的不同温度下渗透率损害率Dk均大于0.3，且随温度的升高，渗透率损害率由0.45降低到0.33。以13 MPa作为初始应力点算得应力敏感损害率等级为中等，而以17 MPa作为初始应力点算得应力敏感损害率等级为弱，说明有效应力变化不同5段对储层的应力敏感性影响不同，此结论为现场油气开发工程中控制储层应力敏感性提供指导作用。第二种评价方法求得的应力敏感系数Sp均大于0.8，且随温度变化规律同Dk相似。

4 结论

针对页岩储层物性的应力敏感试验与分析，得出如下主要结论：

(1)初始渗透率越高，则应力敏感性越强，温度对应力敏感性影响越大。不同有效应力下，温度从20℃升高到80℃时，2块岩样的渗透率分别下降42.9%，37.5%，页岩渗透率与温度具有较好的指数关系。

表2 页岩岩样应力敏感评价

表3 页岩岩样应力敏感评价

(2)当有效应力由小增大时，储层渗透率由大变小，其下降幅度由大到小。有效应力从13 MPa增大到17 MPa时，不同温度下两块岩样渗透率平均分别下降28.9%，24.9%，当有效应力从17 MPa增大到21 MPa时，渗透率平均下降8.4%，8.6%，渗透率与有效应力同样呈现较好的指函数关系，这与低渗透、特低渗透油气藏应力敏感性呈现相同的规律。

(3)通过2种应力敏感评价方法得出：页岩渗透率的应力敏感程度为中等，且随温度的升高，渗透率损害率由0.45降低到0.33。有效应力从13 MPa增加到17 MPa，应力敏感程度为中等，而有效应力从17 MPa增加到21 MPa时，应力敏感程度却为弱，有效应力不同变化5段对储层应力敏感损害程度影响不同。

(4)温度及有效应力对储层应力敏感性影响的规律性研究成果，对页岩储层现场大型水力压裂施工及制定合理的开采制度有着关键性指导作用，避免现场不合理的施工破坏页岩气储层的渗透性。

参考文献：

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