页岩应力敏感性分析研究

任世杰，刘大鹏

(延长油田股份有限公司吴起采油厂，陕西延安 717600)

页岩是一种致密的岩石，其孔隙度和渗透率等物性很差，所以页岩一般被认为是储集层良好的盖层之一。虽然页岩的物性很差，但是在构造作用下，页岩内部往往会生成错综复杂的微裂缝结构，这些微裂缝改变了页岩的渗透率和储集性能。页岩中发育的微裂缝在页岩作为储集层存在的过程中起着重要的作用，这些微裂缝一方面增大了页岩储集天然气的性能，天然气以游离态和吸附态存在于页岩发育的网状微裂缝之中；另一方面，微裂缝为天然气的运移提供了良好的通道，天然气以游离和吸附状态存在于微裂缝及孔隙当中。虽然页岩储层的孔隙度只有不到10%，而且含油气有效孔隙度为1%～5%，而页岩的渗透率更是低至0.001 mD，但是页岩储层仍能成为大量天然气的存储空间之一[1]。

应力敏感性对于页岩开发有着重要的意义，而渗透率的应力敏感性要比孔隙度的应力敏感性强得多，所以，在研究方面主要是研究渗透率的应力敏感性，然后对其进行评价，得到页岩的应力敏感性指标。

1 应力敏感性评价及分析方法

应力敏感性评价的方法大致分为2种。

1.1 行业标准法

渗透率损害率为行业标准法评价应力敏感性的主要指标，定义为有效应力改变导致的渗透率的改变率[2]。其计算公式为式(1)：

DK=K1-Kmin/K1×100%

(1)

式中DK——渗透率损害率，%；

K1——第1个有效应力点所对应的岩心渗透率，mD；

Kmin——达到临界应力后岩样渗透率的最小值，mD。

渗透率损害率有效地将应力敏感的计算评价与五敏(速敏、水敏、碱敏、酸敏、盐敏)的计算评价结合起来，将一般情况下的岩心渗透率转化为原地有效应力作用下的渗透率。最大有效应力的选择与外界因素有很大的关联，导致对于一块岩心测得的渗透率损害率产生不同的结果。所以需用原始地层有效应力作为初始的计算点，根据实际生产情况估计一个最大的有效应力测点。

评价标准：DK≤0.3，弱；0.30.7，强。

1.2 应力敏感性系数法

通过应力敏感系数理论公式的推导公式(2)处理试验所得数据，然后确定应力敏感性系数[3]。

(2)

式中SS——应力敏感性系数，无量纲；

σ——有效应力，MPa；

K——对应有效应力作用下的渗透率，mD；

σ0——初始测点的有效应力，MPa；

K0——初始测点的渗透率，即有效应力在2～3 MPa情况下的渗透率，mD。

评价标准：Ss≤0.3，弱；0.31，极强[4]。

其中，只要从试验中得到不同的有效应力所对应的渗透率，即可得到K/K0的数值，然后算出K/K0的三分之一次方的结果，再通过有效应力的计算即可得到一系列的对应值。理论上以10为底的有效应力与原始应力的比值和测得有效应力对应的渗透率与原始渗透率比值的三分之一次方为线性关系，而且在线性关系中斜率的相反数与我们所要求得的应力敏感性系数一致。

通过分析我们可以很容易地看出其应力敏感性系数是一个唯一的数值，也就是说在理论情况下它与渗透率和所作用给的有效应力没有关系，在岩心产生后其在试验中不考虑误差的情况下多次测量是一致的[5]。可以看出，其与岩心中天然微裂缝的发育程度有关，在有效应力增大的过程中，天然微裂缝越发育，应力敏感性系数则越大，反之亦然。

2 应力敏感性与渗透率的关联

各类岩石的渗透率都会随着有效围压的增大而减小，即产生了应力敏感性，但是各类岩石的应力敏感程度截然不同。对于渗透率较高的岩石，有效应力增加，渗透率值下降会较大，但是相对于原始渗透率损失比值比较小，所以“应力敏感性较弱”[1]。对于渗透率很低的岩石，有效应力增加后，渗透率下降较小，但是相对于原始渗透率损失比值很大，即“应力敏感性较强”[5]。影响应力敏感性强弱的主要因素是渗透率，渗透率随着有效应力变化的主要原因和岩石的孔隙结构相关。渗透率较低的储层，主要的流动通道是微吼和小吼，有效应力的增加造成微吼和小吼迅速闭合，从而影响渗透率值下降较大，所以储层的应力敏感性会较强。

对于渗透率损失绝对值，有效应力不断增大后，高渗透率储层的渗透率损失绝对值很大，即为“应力敏感性较强”。如从渗透率损失比值方面分析，随着有效应力的增大，中高渗储层的损失比值较小，即“应力敏感性较弱”。

3 应力敏感模式

应力敏感模式大致分为2种：①平缓型是随着有效应力的增加，渗透率损失比值逐渐平缓变小；②先陡后缓型是渗透率损失比值在有效应力增加初期会十分大，增大到一定范围后，逐渐平缓变化。

裂缝发育较差的页岩储层属于“先陡后缓型”应力敏感模式，原因是随着有效应力的不断增加，其原生裂缝会大量闭合，导致渗流通道关闭，渗透率严重损失；原生裂缝闭合后，随着有效应力的继续增加，虽然吼道会成为压缩受力的主要部分，但在这一阶段渗透率的损失比值很小[1]。页岩的渗透率及影响渗透率的因素正好符合先陡后缓型，一方面，页岩裂缝比较发育，在有效应力增大的过程中，发育的天然裂缝先于闭合，导致渗透率严重损失；另一方面，泥页岩在渗透率损失后即使有效应力降低，渗透率恢复量也很小，甚至是不恢复，这是由于页岩的天然裂缝在有效应力降低后不会在自然状态下从闭合状态变为张开状态。但对于裂缝不太发育的泥页岩，其有效应力不断增大，页岩的渗透率下降比率会为比较平滑，则该泥页岩的应力敏感模式为平缓型，而且在有效应力降低的过程中，会产生较大的渗透率恢复过程，最终撤去作用在泥页岩上的有效应力，其渗透率与初始状态下的渗透率接近。

随着有效应力增大，虽然中高渗储层的渗透率损失绝对值较大，但是其应力敏感对油田开发影响较小。页岩的渗透率低，应力敏感模式属于“先陡后缓型”，其应力敏感性对于油田开发影响较大。

4 应力敏感性试验

4.1 试验原理

在实验室情况下，利用深水孔隙压力伺服仪对岩样进行加载，利用轴向压力或者拉力使岩心产生轴向的应力，利用液体压力给岩心产生周向压力，也就是与利用深水孔隙压力伺服仪做岩心真三轴应力试验一样。在不同的轴向应力和周向应力的情况下，利用氮气测量岩心中氮气的流量与注入—排出压力差之间的关系，得到一系列的数据，可得到岩心的气测渗透率。在得到岩心的一系列气测渗透率之后，利用计算机技术将其围压与渗透率之间的关系绘制成图表，利用岩心应力敏感性评价方法对试验数据进行分析，可得到岩心的应力敏感性强弱结论。

(3)

式中K——页岩渗透率，mD；

p0——大气压，MPa；

q——流率，mL/s；

L——岩心长度，cm；

μ——氮气的黏度，mPa·s；

A——页岩横截面积，cm2；

p1——流入压力，MPa；

p2——流出压力，MPa；

4.2 试验结果及分析

通过对岩心进行试验，得到以下试验结果。

由图1、图3可以看出，Y-1和Y-3岩心在围压增大的初始阶段，渗透率下降速率很快。这是由于在初始阶段增大围压，页岩中的裂缝开始闭合，因此渗透率下降较快。而到了10 MPa以后渗透率下降速率降低，是由于裂缝已经完全闭合后，再增大围压对岩心的渗透率没有太大影响。在压力下降的过程中，页岩岩心渗透率上升极其不明显，也可以说基本没有上升，分析可知是由于裂缝闭合后无法在降压后打开，导致渗透率无法恢复。Y-1和Y-3岩心所对应的应力敏感模式为先陡后缓型。

图1 Y-1岩心围压与渗透率关系Fig.1 Relationship between confining pressure and permeability of Y-1 core

图2 Y-2岩心围压与渗透率关系Fig.2 Relationship between confining pressure and permeability of Y-2 core

图3 Y-3岩心围压与渗透率关系图Fig.3 Relationship between confining pressure and permeability of Y-3 core

由图2可以看出，岩心Y-2在围压增大过程中没有出现突然降低的情况，而且在原始压力条件下，渗透率很低，由此可以得出该岩心的裂缝发育比较低，也就是说裂缝不发育。在压力降低后，渗透率回到了相对较高的水平。由此可以看出在该岩心增大围压的过程中主要是由于孔隙的压缩及岩石基质压缩所造成的渗透率下降，而这些压缩量具有弹性，则在压力降低后会产生孔隙恢复的过程，使渗透率也随着恢复。Y-2岩心所对应的应力敏感模式为平缓型。

5 应力敏感性评价

5.1 行业标准法应力敏感性评价

行业标准法应力敏感性评价(表1)。

表1 行业标准法应力敏感性评价结果Table 1 Stress sensitivity assessment results of industry standard method

5.2 应力敏感性系数法

图4 Y-1、Y-2、Y-3岩心应力敏感性系数法拟合曲线Fig.4 Fitting curves of Y-1, Y-2 and Y-3 core stress sensitivity coefficient method

通过线性拟合得出3块岩心应力敏感性系数(表2)。

表2 应力敏感性系数法应力敏感性评价结果Table 2 Stress sensitivity evaluation results by stress sensitivity coefficient method

综合行业标准法和应力敏感性系数法，得出Y-1岩心应力敏感性强，Y-2岩心应力敏感性中等偏弱，Y-3岩心应力敏感性中等偏强。

根据经验以及计算结果，总结出行业标准法的3点不足：

(1)选择有效应力的范围方面，一般情况下为实验室的选择，与实际工程应用过程中的选择有一定的差异，导致结果不太符合实际工程应用，在实际工程应用过程中没有太大意义。

(2)储层的实际有效应力远远大于临界有效应力的范围，使得临界有效应力只有数学上的意义，没有实际的工程意义。

(3)行业标准法测得的应力敏感性评价等级结果夸大了有效应力作用下的应力敏感性。

应力敏感系数法通过线性的拟合可以完成在大于原始地应力条件下的拟合，并由此推算在大于原始地应力条件下的有效应力作用下的渗透率情况，这一点弥补了行业标准法的不足，使得应力敏感的评价整体化；但是在直观性和物理意义方面，其没有行业标准法看得清晰且易于理解。应力敏感性系数法和行业标准法在确定结果上却有线性相关性。

6 结论

(1)页岩油气的开发过程中，渗透率是开发的关键控制因素，而页岩储层的渗透率主控因素是页岩储层中发育的裂缝和微裂缝，有效应力增加会导致裂缝和微裂缝闭合，从而产生应力敏感性。页岩的应力敏感性系数法得到的应力敏感系数在0.3以上，属于中等偏强应力敏感性；行业标准法得到的渗透率损害率在0.5以上，同样也属于中等偏强应力敏感性，与应力敏感性系数法获得的结果基本一致。

(2)在应力不断增大的过程中，页岩中的裂缝会闭合，从而影响到页岩的渗透率，而且在应力降低后裂缝不会恢复，导致页岩渗透率大幅降低，产生不可恢复的损害。

(3)裂缝发育的页岩具有更好的裂缝发育情况，受到应力敏感的损害会更大，但是由于其较高的渗透率，在实际生产过程中不会有太大的影响。然而，裂缝发育较差的页岩本身的渗透率很低，在应力敏感损害后，会导致渗透率几乎为零，很不利于生产开发。