低渗透气藏应力敏感性实验研究

张小龙，杨志兴，鹿克峰，简 洁，郑 颖

（中海石油（中国）有限公司上海分公司研究院，上海 200335）

低渗透气藏开发过程中，随着储层流体的采出，孔隙压力逐渐下降，有效应力随之增加，储层岩石发生弹塑性变形或压实，储层岩石产生压敏效应，应力敏感性是低渗透气藏开发过程中的一个重要特征。国内外很多学者对低渗透储层应力敏感性的形成机理[1-3]、影响因素[4-6]、渗流特征[7-8]及对开发的影响[9-12]等问题开展了大量的理论和实验研究。研究认为，低渗透气藏高速开采时，地层压力的下降引起压敏效应，对储层的渗透率产生不能完全恢复的伤害；同时众多实验研究表明，低渗储层的应力敏感性强于中高渗储层，渗透率越低，应力敏感性越强。但这些结论是在常规应力敏感实验的基础上得到的，往往与矿场实际反映的结果不相符。因此，为了更全面地认识地层压力变化对储层渗透率和孔隙度的影响程度，本文分别开展了常规应力敏感性实验和模拟气藏开发过程中随地层压力下降引起的应力敏感性实验，从而为低渗透气藏应力敏感特征认识及合理有效开发提供依据及技术支持。

1 常规应力敏感性实验

常规应力敏感性实验的基本原理是在保持驱替压差不变的条件下，首先逐渐升高围压，测定样品孔隙度和渗透率随有效上覆压力升高而降低的情况，然后再逐渐降低围压，测定孔隙度和渗透率随有效上覆压力降低而恢复的情况，该实验是在CMS—300孔渗测定仪上完成覆压孔隙度和覆压渗透率的测定。

1.1 覆压孔隙度测定及分析

利用某低渗气藏G1井4个样品，在实验室净有效上覆压力2.5～35.0 MPa条件下分别进行覆压孔隙度实验，实验测定结果见图1及表1。实验结果表明，尽管在实验室完成测定后对样品造成了一定的伤害，但通过一定时间后，样品的孔隙度有较大程度的恢复。在35.0 MPa的净有效上覆压力下，孔隙度的损害率为11.7%～13.8%，实验结果与大量的文献资料比较吻合。储层样品的孔隙度与有效上覆压力的变化关系表现为乘幂形式。原始孔隙度高的储层受应力敏感影响之后，其孔隙度仍保持在相对较高水平；而原始孔隙度低的储层受应力敏感影响之后，孔隙度值进一步降低，保持在更低的水平。

图1 G1井不同样品储层孔隙度应力敏感性分析

表1 G1井不同样品孔隙度应力敏感性分析

1.2 覆压渗透率测定及分析

与覆压孔隙度测定相同，采用低渗气藏G1井相同的4个样品，在实验室净有效上覆压力为2.5～35.0 MPa条件下分别进行渗透率的应力敏感性实验，实验结果见图2及表2。实验结果表明，尽管在实验室完成测定后对样品造成一定的伤害，但通过较长一段时间后，样品的渗透率有较大程度的恢复，不同样品在不同上覆压力下的渗透率变化曲线形态比较接近。在35.0 MPa的最高上覆压力下，渗透率下降最小达86.4%，最高可达97.6%，样品的渗透率与有效上覆压力的变化关系表现为乘幂形式。原始渗透率高的储层受应力敏感影响之后，其渗透率仍保持在相对较高水平；而原始渗透率低的低渗储层受应力敏感影响之后，渗透率值进一步降低，保持在更低的水平。与孔隙度的应力敏感性相比，渗透率的应力敏感性更强。

图2 G1井不同样品储层渗透率应力敏感性分析

表2 G1井不同样品渗透率应力敏感性分析

1.3 孔隙度与渗透率的关系

根据上述覆压孔隙度与覆压渗透率的测定结果，做出同一样品在有效上覆压力变化范围内（2.5～35.0 MPa）的孔隙度与渗透率的关系曲线，见图3。覆压渗透率与孔隙度实验结果表明，同一样品在有效上覆压力变化范围内，孔隙度与渗透率的变化关系表现为二阶多项式形式，二者具有较好的相关性。孔隙度与渗透率的应力敏感性存在差异，随着有效上覆压力的增加，孔隙度减小，渗透率降低，相对于孔隙度的减小而言，渗透率降低更为剧烈。不同有效上覆压力条件下，孔隙度与渗透率的关系曲线存在差异，渗透率随孔隙度的降低以乘幂的形式降低。

图3 G1井不同样品孔渗关系

2 模拟开发过程应力敏感性实验

常规的渗透率应力敏感实验是在样品两端建立一个固定的驱替压差，逐渐升高围压，从而得到不同有效应力下的气相有效渗透率。实验过程与气藏的开发过程不一致，应力的升高实际上模拟了气藏的沉积过程。由于以常规渗透率为基准，这种实验方法得到的渗透率损害率往往在70%以上，甚至达到99%，应力敏感性表现为强到极强。然而气藏衰竭开发过程，实际上是地层孔隙压力逐渐下降的过程，即储层净有效上覆压力逐渐升高的过程，根据这个原理，建立了模拟气藏开发过程中的应力敏感性实验方法。

2.1 实验步骤

（1）将已测定物性参数的样品抽真空饱和地层水，然后采用湿气驱替法建立样品的束缚水饱和度（第一个点采用干岩心）；

（2）按实验要求将样品装入岩心夹持器，并接好实验流程；

（3）保持围压与孔隙压力之差为定值，缓慢并同步给样品施加围压和孔隙压力，直到样品中孔隙流体压力达到20.0 MPa左右，然后再将围压升高到30.0 MPa。关闭岩心夹持器进出口，将样品在应力作用下老化12 h以上；

（4）样品老化结束后，调节岩心夹持器进口压力或回压以得到实验需要的孔隙压力，然后开始实验；

（5）保持围压不变，利用岩心夹持器出口端回压阀调节出口压力，当流动稳定时，记录流动压差、流量和时间，计算样品的渗透率；

（6）保持围压不变，继续利用岩心夹持器出口端回压阀降低出口压力，但必须保持流动压差不变，此时样品实际承受的有效净应力增加。当流动稳定时，记录流动压差、流量和时间，计算样品的渗透率；

（7）重复第⑥步，直到出口压力降到实验要求的废弃压力为止，从而得到不同有效应力下的气体有效渗透率。整个实验过程与气藏衰竭式开采过程一致。实验结束后，取出样品称重，并计算含水饱和度的变化。

2.2 实验结果及分析

根据上述模拟气藏开发过程中的渗透率应力敏感性实验方法，结合现场实际的取样资料（X1井样品、X2井样品、X3井样品），在实验室测定可获得各样品在不同含水饱和度 Sw及有效应力下的气相渗透率，同时可获得各样品在不同含水饱和度下的气相有效渗透率损失率，实验结果见表3～表4、图4～图 6。

表3 不同含水饱和度下的气相有效渗透率损失率统计

表4 不同样品渗透率应力敏感性分析

图4 X1井样品不同含水饱和度下渗透率应力敏感分析

图5 X2井样品不同含水饱和度下渗透率应力敏感分析

图6 X3井样品不同含水饱和度下渗透率应力敏感分析

模拟开发过程应力敏感性实验表明，储层样品的气相渗透率与净应力的变化关系表现为乘幂形式。在相同的净应力条件下，随着储层含水饱和度的增加，气相渗透率降低，渗透率应力敏感性增强。储层样品的渗透率敏感性较强，随着净应力的增加，各储层样品的渗透率均有较大幅度的降低。原始渗透率存在差异的样品，渗透率应力敏感性存在差异。随着含水饱和度的增加，各样品的气相渗透率损失率均有不同程度的增加。与常规覆压渗透率应力敏感性研究相比，模拟气藏开发过程中的渗透率应力敏感研究更加符合衰竭式气藏开发的实际情况。

3 结论

（1）低渗储层存在较强的应力敏感性，实验样品有效应力与孔隙度、渗透率的变化关系均表现为乘幂形式，其中渗透率的应力敏感性强于孔隙度的应力敏感性。

（2）含水饱和度对渗透率的应力敏感性具有很大的影响，在相同的净应力条件下，随着储层含水饱和度的增加，气相渗透率降低，渗透率应力敏感性增强。

（3）低渗气藏渗透率应力敏感性对开发的影响不容忽视，开发过程中应确定合理的生产压差，密切关注地层压力下降情况，减少储层应力敏感伤害，提高开发效果。