页岩储层应力敏感性实验研究

＊王广东

（中油国际（土库曼斯坦）阿姆河天然气公司 北京 100028）

在储层应力敏感研究初期，室内岩心实验是主要的研究手段。通过应力敏感实验研究有效应力对渗透率和孔隙度的影响。戈尔布诺夫[1]指出，在地层压力的变化过程中，储层岩石渗透率的变化幅度远大于孔隙度，约为孔隙度的5～15倍。

吉玉林等[2]提出利用有效毛细管半径分数可以对低渗透储层的应力敏感程度进行定量表征；郭为等[3]分别采用煤样与页岩岩心进行应力敏感实验，结果显示煤样与页岩岩心的渗透率均随有效应力增大而呈指数递减；高博禹等[4]对比页岩和砂岩岩样孔渗联测结果后发现，页岩的应力敏感性强于砂岩；Wang等[5]运用脉冲衰减法分别研究了孔隙压力和围压的变化对页岩应力敏感程度的影响，结果表明页岩对围压的敏感程度远大于孔隙压力。

在明确川南地区页岩气开发特征与生产需求的前提下，需要对研究区页岩储层的应力敏感程度进行表征。张睿[6]研究了基质渗透率随有效应力的变化，张琰[7]与张睿[8]进行了裂缝渗透率应力敏感实验研究，结果显示基质和裂缝渗透率均随有效应力的增加呈指数式递减。以上研究均以页岩基质和裂缝渗透率为研究对象，未对近缝带基质改造区进行专门研究，而近缝带基质改造区会对气井产能产生显著影响。从机理上厘清页岩储层产生应力敏感现象的原因，针对近缝带基质改造区开展应力敏感实验，以深刻认识页岩储层应力敏感性的渗流力学意义，为数学模型的建立提供物理假设依据。

1.页岩应力敏感实验研究

页岩储层自身的渗透率极低，因此如何在超低渗透率的数量级下准确测得页岩储层渗透率随有效应力的变化成为开展应力敏感实验的难点。本节将通过页岩应力敏感实验对其应力敏感程度进行定量化表征。

(1)实验方法及原理

①实验方法。本实验采用定围压降内压的实验方法，即使在整个实验过程中围压保持恒定，通过改变孔隙压力来研究页岩储层有效应力对渗透率的影响。此外，同时在出口端连接回压控制系统，从而有利于保证气体沿单向流动。

页岩储层的渗透率极低，而利用脉冲衰减法测量页岩岩心渗透率既在测量过程上快速便捷而且测定结果也更加精确。因此，实验采用PoroPDP-200型覆压孔隙度渗透率测量仪（如图1所示）对不同有效应力条件下岩心样品的孔隙度与渗透率进行测定。

图1 PoroPDP-200型覆压孔隙度渗透率测量仪

该仪器采用的是非稳态法的压力脉冲衰减测量技术。其中，孔隙度的测量范围为0.01%～40%，渗透率的测量范围为10-5～10mD，测定孔隙度和渗透率所用的实验气体分别为氦气与氮气。

②实验原理。脉冲衰减法测定岩心渗透率的实验原理：控制模块首先给岩心施加一个孔隙压力，然后通过岩心传递一个压差脉冲，随着压力瞬间传递通过岩心，计算机数据采集系统记录岩心两端的压力差、下游压力和时间，并在计算机软件屏幕上绘制出压差和平均圧力与时间的对数曲线，计算机软件通过对压力和时间数据的线性回归计算出渗透率。

实验过程中使用较小的压差可以减少非达西流态的影响，改变孔隙压力进行多点测量，即可采取常规方法计算克氏渗透率。

(2)页岩应力敏感实验流程

页岩应力敏感实验在室温常压条件下进行，实验选取的岩石有效应力分别为3MPa、5MPa、7MPa、10MPa、15MPa、20MPa、30MPa、40MPa和50MPa。此外，实验设置回压为2.5MPa、进口压力为3.5MPa，且保持不变。

①将岩样装入岩心夹持器内部，把孔渗测试仪的初始值归零，逐渐加围压至60MPa，并把回压加至2.5MPa，保持围压和回压恒定；

②在整个实验流程中，保持注入压力为3.5MPa不变，做气体单相渗流实验；

③当气体的渗流达到稳定状态时，记录下岩心在初始有效应力下的孔隙度φi与渗透率ki，根据预先设定的有效应力值大小调整内压（即孔隙压力），记录下在内压降低过程中不同的岩心孔隙度φ与渗透率k（如表1与表2所示）；

表1 页岩岩心样品孔隙度测试结果

表2 页岩岩心样品渗透率测试结果（降低内压）

④当达到最大有效应力后，根据实验设计的有效应力点逐步升高内压使有效应力降低，记录下在内压升高过程中不同的渗透率（如表3所示），实验结束。

(3)页岩应力敏感实验结果分析

研究储层应力敏感的实质即为研究有效应力与孔隙度和渗透率之间的关系，在半对数坐标系中绘制实验测定的岩心孔隙度与渗透率随有效应力的变化关图。从图2中可以看出，随着有效应力的增加，页岩孔隙度与渗透率均表现为指数式下降。

图2 有效应力与孔隙度和渗透率关系曲线图

从表1与表2中可以看出，随着有效应力的增加，3块页岩岩心样品孔隙度和渗透率的变化幅度基本一致，这说明3块页岩岩样的物性相近，但是整个实验过程中页岩岩心渗透率的变化幅度明显大于孔隙度。当有效应力增至20MPa时，有效渗透率只剩下初始状态时的3.19%，当有效应力大于20MPa之后，有效渗透率趋于平稳；当有效应力增加至50MPa时，3块岩心样品的平均渗透率从初始的0.22631mD降为0.00059mD，渗透率下降幅度为0.22572mD，渗透率平均损失率为99.74%，几乎达到100%。

岩石的塑性形变阶段体现在有效应力—渗透率关系曲线上，具体表现为渗透率随着有效应力的增加而大幅度下降，而且卸载后渗透率恢复率低，根据表3与表4中的数据可以求出岩心渗透率恢复率（如图3所示）。

从图3中可以看出，在卸载有效应力的过程中，页岩的渗透率恢复率仅为16.82%，由此可知页岩岩样的应力敏感是由结构形变所导致。实验结果显示，岩石的形变特征会显著影响其应力敏感程度，而且岩石在有效应力增加的早期阶段产生的塑性形变越强，其应力敏感程度越高。表4与图4显示了岩心渗透率比值和有效应力之间的关系。

图3 页岩岩样渗透率比值与有效应力关系图

表4 页岩岩心样品渗透率比值

图4 有效应力与渗透率关系曲线图

从表4中可以看出，QL2-19号岩心的应力敏感程度相对最高，QL2-25号岩心次之，而QL2-24号岩心的应力敏感程度相对最低。由图4可知，ln(k/ki)与有效应力σeff之间成线性关系，即岩心渗透率k与有效应力σeff之间成指数关系，关于有效应力的渗透率模量bk为常数。根据川南页岩岩样的应力敏感曲线可以得到渗透率应力敏感系数γ与孔隙压力变化量△p之间的关系式：

应力敏感系数γ是关于孔隙压力变化量△p的函数。从公式中可以分析，当生产压差较大时，应力敏感系数将更大，相同压降程度情况下渗透率衰减幅度更大，增加流体渗流阻力可以计算出川南地区页岩储层应力敏感系数的变化范围为5.0×10-3～0.16MPa-1（如图5所示），该值较致密砂岩储层要高出一个数量级；将岩心归位到地层条件，即有效应力从20MPa增至50MPa时，渗透率损失率在90%以上。由此可以看出，龙马溪组页岩储层具有强应力敏感性特征。

图5 川南地区页岩储层应力敏感系数的变化范围

3.结论

综上所述，文章分析了页岩应力敏感机理，并采用脉冲衰减法开展了川南地区龙马溪组页岩岩心应力敏感实验，取得了以下认识：（1）经体积压裂后在裂缝表面附近形成的“毛刺化”区域（近缝带基质改造区）具有强应力敏感性，会对气井产能产生显著影响，页岩相对较小的杨氏模量和泊松比也是导致其应力敏感性强的内在原因；（2）由于页岩储层中应力场和压力场的耦合作用，有效应力变化量与孔隙压力变化量之间并非线性关系，渗透率应力敏感系数是关于孔隙压力的函数，需要通过将有效应力等效转化为孔隙压力来表示其与渗透率之间的关系；（3）页岩应力敏感实验结果表明，在岩心尺度下，页岩由于在有效应力的作用下发生了大规模结构变形而表现出较强的应力敏感性，且页岩储层渗透率的应力敏感性远强于孔隙度，其应力敏感系数变化范围为5.0×10-3～0.16MPa-1。