致密储层应力敏感性与力学特性关系实验研究

袁胜斌，毛 敏，杨 毅，张立刚，李大冬，李 浩，苗振华

(1.中法地质渤海服务有限公司，天津 300457；2.提高油气采收率教育部重点实验室<东北石油大学>，黑龙江 大庆 163318)

在油气藏的开采过程中，随着储层流体的产出，地层压力不断降低，岩石骨架上的应力会逐渐增大，造成储层岩石发生弹性或塑性变形，引发岩石孔隙结构和体积发生变化，如孔隙体积的缩小、孔隙喉道和裂缝的闭合等，这种变化会造成渗透率损害，被称之为储层应力敏感性，会影响油气井的产量[1-4]。致密储层的应力敏感性是近几年研究的热点问题，国内外很多学者开展了相关研究，认识到储层原始渗透率值、力学特性、孔隙结构特征、泥质含量和含水饱和度等是影响储层应力敏感性的重要因素[5-8]。但不同学者对各因素的影响规律也存在较多争议，部分学者认为低渗透储层比中、高渗透储层有更强的应力敏感性，也有学者认为，低渗透储层应力敏感性较弱[9-10]。本论文开展了致密储层岩石力学特性实验，煤油、KCl溶液下的应力敏感性实验，探讨了应力敏感性和岩石力学特性关系，进一步揭示了致密储层的应力敏感性机理。

1 致密储层孔隙结构特性

岩石样品取自大庆油田外围致密储层，首先开展了铸体薄片实验，测定了岩石的孔隙结构特征参数，如图1所示。

图1 岩石样品的微观结构特征

致密储层具有砂质、粉砂质结构，颗粒排列较紧密，大小颗粒杂乱分布，泥质具重结晶呈薄膜状、团块状，或呈条带状分布。碳酸盐呈团块状充填孔隙，并见溶蚀交代碎屑颗粒现象。岩石孔隙发育差，主要为粒内溶孔、铸模孔，偶见粒间溶孔。孔隙零星分布不均，连通性差。

2 致密储层应力敏感性实验

参照行业标准（SY/T5358-2002)，开展岩芯流动实验，考察致密储层在不同应力条件下，与外来流体接触后所发生的各种物理化学作用对储层渗透率的影响程度，用渗透率损害率来表示：

式中：D K——岩样渗透率损害率；

K1——初始应力下岩芯的水测渗透率，mD；

K m——某一应力水平下岩芯水测渗透率，mD；

DK——岩样渗透率损害率，%。

流动介质选择煤油和8%的KCl水溶液。测试过程，将岩芯进行洗油，烘干24h，抽真空饱和流动介质，将饱和后的岩芯放入三轴岩芯夹持器中，利用智能岩芯流动仪，开始注入溶液，注入速度0.01mL/min，围压随着注入压力的升高而逐步加大，直至出口端流出液体。利用移液管和秒表记录出口端流出液体的流速，当流速稳定时，记录注入压力，并计算出岩芯初始渗透率K1。然后测定有效应力13.25MPa下的岩芯渗透率Km。4种岩芯的在不同流动介质下的渗透率测试结果， 如表1所示。

表1 不同流动介质下渗透率损害程度数据

实验流体的选择对储层渗透率测试结果影响很大，浓度8%的KCl水溶液比煤油对岩石的渗透率伤害更大，煤油测渗透率损害率为弱到中等偏弱，浓度8%的KCl水溶液测渗透率损害率为中等偏弱到中等偏强。

3 致密储层岩石力学特性

采用RAW-2000微机控制电液伺服三轴试验机，如图2所示，进行三轴压缩试验，岩石样品经过钻取、切割和打磨几道工序，制备成直径25mm的圆柱形件，高径比分布在2～2.5之间，保证端面平整光滑，加工好的试件，安装轴向和径向引伸计，安装好的试件，如图3所示。

图2 三轴应力实验机图

图3 试件安装

取芯平均深度为1100m，地层压力系数为1.02MPa/100m，上覆岩层压力梯度2.26MPa/1000m，计算有效应力约为13.25MPa，将该压力统一设置为实验围压，然后按300N/s的加载速度增加轴向力，获得全应力—应变关系曲线，并计算了岩石弹性模量和抗压强度，如表2所示。

表2 三轴压缩实验结果

4 致密储层渗透率损害与岩石力学特性的关系

在研究致密储层渗透率损害与岩石力学特性的关系时，为了避免流动介质的影响，选择煤油测试结果进行分析，致密储层岩石样品初始渗透率和渗透率损害率与岩石弹性模量和抗压强度关系，如图4和图5所示。

图4 初始渗透率、渗透率损害率与弹性模量的关系

图5 初始渗透率、渗透率损害率与抗压强度的关系

岩石的抗压强度和弹性模量越低，储层原始渗透率越高，有效应力作用下变形量越大，渗透率损害值越高，但渗透率损害率越低，表现出的敏感性损害程度就越低。对储层初始渗透率、渗透率损害率与岩石的弹性模量和抗压强度关系进行线性、乘幂、对数函数和指数函数关系拟合，初始渗透率与弹性模量对数函数相关性最高，与抗压强度乘幂相关性最高，R2分别为0.9869和0.9818；渗透率损害率与弹性模量乘幂相关性最高，与抗压强度对数函数相关性最高，R2分别为0.9925和0.9834；致密储层应力敏感性与岩石力学性质关系密切。

5 结论

（1）区域致密油储层含有粘土矿物，KCl水溶液在一定程度上能够抑制粘土膨胀，但并不能完全抑制，造成渗透率损害程度远高于煤油。

（2）岩石抗压强度和弹性模量越低，初始渗透率越高，渗透率损害值越高，渗透率损害率越低，表现出的应力敏感性越弱。

（3）致密储层初始渗透率与弹性模量对数函数相关性最高，与抗压强度乘幂相关性最高；渗透率损害率与弹性模量乘幂相关性最高，与抗压强度对数函数相关性最高。