页岩气藏应力敏感效应实验研究

郭 为，熊 伟，高树生

(1.中国科学院渗流流体力学研究所，河北 廊坊 065007;2.中油勘探开发研究院廊坊分院，河北 廊坊 065007)

页岩气藏应力敏感效应实验研究

郭 为1，2，熊 伟1，2，高树生1，2

(1.中国科学院渗流流体力学研究所，河北 廊坊 065007;2.中油勘探开发研究院廊坊分院，河北 廊坊 065007)

页岩气藏降压开采过程中，地层压力和井底压力的变化导致气藏产生应力敏感效应，使气藏流体的流动动态和气藏产能受到影响。为了明确开采压力的下降对气藏渗透率变化的影响，实验通过改变内压与围压这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:页岩的渗透率随着内压的降低而下降，随着上覆岩层压力的增加而下降;页岩渗透率与内压的变化存在明显的指数关系;页岩对外压的敏感效应远远大于对内压的敏感效应。该研究对确定页岩气藏产能及制订气井合理生产制度具有一定意义。

页岩气藏;降压开采;渗透率;内压;外压;应力敏感效应

引 言

地层应力敏感效应［1－4］是指油气层的渗透率随有效应力的变化而发生改变的现象。有效应力通常定义为上覆岩层压力与流体压力之差。在实验过程中，为了得到有效应力，通常采用增加围压测试方法，也可采用定围压变内压方式得到。随着有效应力的改变，岩石的孔隙结构也会发生改变，从而影响岩石的渗透性，产生应力敏感。国内的一些学者［5－8］对砂岩、致密砂岩、火山岩和煤等岩心进行了应力敏感性实验，发现不同的岩心具有不同的应力敏感性。

1 实验内容

1.1 实验仪器及岩心

由于页岩的渗透率非常低，实验室常规测量岩心渗透率的实验装置已经不能满足实验要求，本实验用渗流所新引进的PoroPerm－200型孔渗仪，用脉冲方法进行渗透率测量，该仪器的渗透率测量精度可以精确到1×10－9μm2。实验用气体为氮气。实验岩心的基本数据见表1。

表1 实验岩心基础数据

1.2 实验方法

(1)内压变化下页岩敏感效应实验。在围压为8 MPa的条件下，通过改变实验的测试压力(即内压)来进行。实验的初始内压为5.516 MPa，然后逐步降低测试压力，每个测量点压力降幅为0.689 5 MPa，测量不同内压力下岩心的渗透率。

(2)围压变化下页岩敏感效应实验。在内压稳定为4.83 MPa情况下，逐步增加围压，每次增加2 MPa，从初始的8 MPa直到16 MPa，然后再逐步减小围压，每次减小2 MPa，直至围压回到8 MPa的初始状态，测定不同围压下岩心的渗透率。

2 实验结果与分析

2.1 内压变化下页岩敏感效应

1、2号岩心的实验结果见图1、2。实验初期阶段，当内压从5.516 MPa下降到3.450 MPa时，1号岩心的渗透率从初始的8.82×10－8μm2变为2.67 ×10－8μm2，渗透率下降 6.15 ×10－8μm2，渗透率损失率为69.7%(渗透率损失率指的是渗透率变化量与初始时候渗透率的比值);2号岩心的渗透率从初始的28.59×10－8μm2变为14.58×10－8μm2，渗透率下降 14.01 ×10－8μm2，渗透率损失率为49.0%。在实验后期阶段，当内压从3.450 MPa下降到1.379 MPa时，1号岩心的渗透率从2.67 ×10－8μm2变为1.13 ×10－8μm2，渗透率下降1.54×10－8μm2，渗透率损失率为 17.5%;2 号岩心的渗透率从14.58×10－8μm2变为11.01×10－3μm2，渗透率下降 3.57 ×10－8μm2，渗透率损失率为12.5%。

图1 1号岩心内压变化下敏感性

图2 2号岩心内压变化下敏感性

由此可以看出，随着内压的降低，页岩的渗透率下降，在内压下降初期渗透率下降较快，在后期渗透率下降较慢;页岩对内压有着很强的敏感性，页岩渗透率越低，对内压的敏感性就越强。这是由于在围压不变的情况下，随着内压的降低，岩心的有效压力增加，岩心的孔隙受到压实作用而收缩，气体能够流通的通道变少、变窄，从而使得岩心的渗透率下降。内压刚开始下降时岩石的变形程度比较大，岩心的渗透率下降快;当内压降到一定程度，岩石的孔隙收缩达到了一定的极限，此时岩心的渗透率下降变慢。

对2块岩心的实验数据进行拟合，可以发现岩心渗透率变化与内压存在着良好的指数关系，遵循以下的函数关系式:

式中:K 为岩心渗透率，10－8μm2;a、b为常数;Δp为内压，MPa。

从2条曲线的拟合公式中可以看到，1号岩心的b值比2号岩心的b值大，b值越大的岩心敏感性越强。

2.2 围压变化下页岩敏感效应

图3、4分别为1、2号岩心围压变化下的敏感效应曲线，可以看到页岩的渗透率随着围压的升高而下降。

图3 1号岩心围压变化下敏感效应曲线

图4 2号岩心围压变化下敏感效应曲线

当围压增加到16 MPa时，页岩的渗透率几乎降至0，已经达到了测量仪器的测量极限，此时页岩的渗透率损失率为100%，表明页岩对围压的变化有着很强的应力敏感效应。渗透率变化巨大是因为页岩的孔喉半径非常小，随着围压的增加，孔喉半径在不断的缩小，使得原本能够通过的氮气分子不再能够通过;页岩中发育着许多天然裂缝，随着围压的增加这些裂缝会发生闭合，使得页岩的渗透率急剧下将。在围压下降的过程中可以看到，随着围压的下降，页岩的渗透率不能马上恢复，存在一定的滞后效应，当围压恢复到初始状态的时候，页岩的渗透率不能完全恢复到初始时候的渗透率，岩心围压上升过程中发生了非弹性形变，以至于在围压下降的过程中岩石的渗透率不能完全恢复到初始值。

初始时刻围压为8 MPa时1号岩心的渗透率为8.82×10－8μm2，经过升围压与降围压的过程后，此时岩心在8 MPa的围压下所测渗透率为2.95×10－8μm2，岩石渗透率下降了 5.87 ×10－8μm2，岩心渗透率的损害率为66.6%，此处渗透率损害率指的是岩心经过升围压与降围压一个过程后，在同样的初始围压下所测岩心渗透率之差与未升围压前的岩心初始渗透率的比值;初始时刻围压为8 MPa时2号岩心的渗透率为28.59×10－8μm2，经过升围压与降围压的一个过程后，此时岩心在8 MPa的围压下所测渗透率为4.28×10－8μm2，岩石渗透率下降了 24.21 ×10－8μm2，岩心渗透率的损害率为84.8%。结果表明，页岩对围压有极强的敏感效应，在升围压的过程中，岩心的渗透率越高，渗透率损害率越大;页岩对围压的敏感效应远远大于对内压的敏感效应。

对实验得到的数据进行拟合，发现不论是降围压还是升围压的过程，渗透率与压力不存在明显的指数关系。这与常规油气藏岩心［9］和致密气藏岩心［10］的敏感效应不一样。

3 结论

(1)随着内压的降低，页岩的渗透率下降，在内压下降初期渗透率下降较快，在后期渗透率下降较慢;页岩对内压有着很强的敏感效应，页岩渗透率越低，对内压的敏感效应就越强;岩心渗透率变化与内压存在着良好的指数关系。

(2)随着围压的上升，岩心的渗透率下降，当围压增加至16 MPa时岩心的渗透率几乎降至零;随着围压的下降，页岩的渗透率不能马上恢复，存在一定的滞后效应，当围压恢复到初始状态的时候，页岩的渗透率不能完全恢复到初始时候的渗透率;页岩对围压有极强的敏感效应;岩心的渗透率越高，渗透率损害率越大;与常规油气藏与致密气藏岩心不一样，页岩渗透率对围压的变化不存在明显的指数关系。

(3)页岩对外压的敏感效应远远大于对内压的敏感效应，在页岩开发过程中应该重视这种应力敏感的特性。

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Experimental study on stress sensitivity of shale gas reservoirs

GUO Wei1，2，XIONG Wei1，2，GAO Shu － sheng1，2
(1．Institute of Porous Flow and Fluid Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Langfang，Hebei065007，China;
2．Langfang Branch，Research Institute of Petroleum Exploration and Development，PetroChina，Langfang，Hebei065007，China)

The change of formation pressure and bottomhole pressure leads to stress sensitivity during the blowdown recovery of shale gas reservoirs，affecting the flow performance and productivity．To study the effects of pressure decrease on the permeability changes of gas reservoirs during recovery，experiments were conducted to study the change of internal pressure and overburden pressure on the stress sensitivity of shale gas reservoirs．Study results indicated that shale permeability decreased with the drop of internal pressure and the increase of the overburden pressure．The permeability of shale was in obvious exponential relationship with the change of internal pressure．The sensitivity of shale to overburden pressure was far greater than that to internal pressure．The study is of some significance to determining the productivity of shale gas reservoirs and reasonable production systems for gas wells．

shale gas reservoir;blowdown recovery;permeability;internal pressure;overburden pressure;stress sensitivity

TE122.3

A

1006－6535(2011)06－0095－03

20110511;改回日期20110928

国家重大科技专项“页岩气开发机理及技术政策研究”(2011ZX05018－005)

郭为(1986－)，男，2009年毕业于中国石油大学(北京)石油工程专业，现为中国科学院渗流流体力学研究所在读硕士研究生，研究方向为油气田开发。

编辑 周丹妮