异常高压碳酸盐岩油藏应力敏感实验评价——以滨里海盆地肯基亚克裂缝-孔隙型低渗透碳酸盐岩油藏为例

赵伦，陈烨菲，宁正福，范子菲，吴学林，刘丽芳,3，陈希

（1. 中国石油勘探开发研究院；2. 中国石油大学（北京）石油天然气工程学院；3. 中国石油勘探开发研究院廊坊分院）

0 引言

滨里海盆地是世界主要含油气盆地之一，肯基亚克盐下、田吉兹、卡拉恰甘纳克等大型异常高压碳酸盐岩油气藏为该盆地主要的油气田。这类油气藏原始地层压力高，地层压力系数高，在衰竭式开采过程中，随油气藏压力下降，岩石骨架承受的有效应力会大幅度增加，从而使岩石发生显著的弹塑性形变[1]，储集层孔隙度、渗透率等物性参数减小，明显影响油气藏的开发效果。

肯基亚克盐下油藏位于滨里海盆地东缘，为异常高压碳酸盐岩油藏，油层埋深4 100～4 200 m，地层压力高达80 MPa，压力系数1.84[1]，属于低孔（11.5%）、特低渗（0.82×10-3μm2）储集层，油藏裂缝发育不均，储集层类型主要有孔隙型[2-3]和裂缝-孔隙型。裂缝充填程度差异大，早期形成的裂缝多为全充填，后期形成裂缝多为半充填或无充填。油藏采用衰竭式开发，随地层压力的下降，油井产能快速下降，油藏表现为较强的应力敏感性[4-5]，并且，不同裂缝发育区应力敏感差异大。在油田实际岩心数量有限的情况下，本文利用人造岩心模拟实际岩心随围压的变化，分析不同裂缝发育程度和裂缝充填程度下岩石应力敏感变化规律，对异常高压裂缝-孔隙型碳酸盐岩储集层应力敏感性进行评价。

1 实验

采用围压升降法评价基质孔隙型储集层及不同裂缝充填程度的裂缝-孔隙型储集层的应力敏感性。

1.1 人造岩心制备

首先测得部分实际岩心的孔渗资料，作为人造岩心孔渗范围参考值。实际岩心样品取自肯基亚克盐下油藏 3口取心井碳酸盐岩储集层，具有低孔、特低渗的特征（见表 1）。平均孔隙度 6.99%，平均气测渗透率 0.67×10-3μm2。

表1 肯基亚克盐下油藏部分岩心孔隙度和渗透率

将不同粒径石英砂和天然碳酸盐岩石子粉末按一定比例混合，以碳酸钙为胶结物，在10～25 MPa压力下压实，而后在90 ℃恒温箱中烘干，冷却后形成具有一定孔隙结构的人造岩心，代表没有裂缝的孔隙型储集层基质岩心。然后根据裂缝产状统计结果，对人造岩心造缝，并进行不同程度充填，以模拟不充填、半充填和全充填的情况[6-7]。人造岩心孔、渗参数见表2。

表2 人造岩心基础数据

1.2 实验流程

实验采取气测法，用氮气作为测试流体。考虑到目前油藏地层压力下降了40～45 MPa，岩石有效应力最高增大到45 MPa，因此在施加围压时最高设定为45 MPa[8]。实验中首先将人造岩心样品围压（p）由3 MPa逐级增加至 10 MPa、20 MPa、30 MPa、40 MPa、45 MPa，然后逐级降低至40 MPa、30 MPa、20 MPa、10 MPa、3 MPa，初始状态下（围压为3 MPa）的孔隙度为φ0，渗透率为 K0，稳定后测定每个压力点的孔隙度（φ）和渗透率（K）。

对每个样品，首先测量基质岩心的渗透率和孔隙度应力敏感性，然后对岩心侧面施加外力，使之沿纵向裂开，形成贯通缝，测量含裂缝岩心的渗透率和孔隙度应力敏感性；接着向裂缝中填入大量粗砂，模拟半充填裂缝性岩心，测量渗透率和孔隙度应力敏感性；最后向裂缝中填入微细石英砂和碳酸钙粉末，降低裂缝渗透率，模拟全充填裂缝性岩心，测量渗透率和孔隙度应力敏感性，实验过程见图1。

2 裂缝发育及充填程度对储集层应力敏感性的影响

对11块人造岩心（见表2）及676号实际岩心进行了应力敏感性分析实验，12组岩心实验结果类似，本文以样品3-8为例说明应力敏感特征。

2.1 基质岩心应力敏感特征

图1 实验过程示意图

图2 基质岩心孔隙度、渗透率变化曲线（3-8号样品）

对于基质岩心，随围压升高，孔隙度整体下降幅度较小（仅下降2%左右），围压加至10 MPa时下降稍快，之后下降缓慢；渗透率在围压增至30 MPa前下降稍快，之后平稳（见图2）。压力达到45 MPa时，孔隙度应力敏感指数（1-φ/φ0）、渗透率应力敏感指数（1-K/K0）分别为0.029、0.137，渗透率应力敏感指数是孔隙度应力敏感指数的4.7倍，渗透率应力敏感性大于孔隙度应力敏感性。降压后，恢复程度较高，孔隙度、渗透率恢复程度分别为99.0%、95.7%，都不能完全恢复，表现出弹塑性特征。

2.2 不充填裂缝性岩心应力敏感特征

对于不充填裂缝性岩心，裂缝内不含充填物质，围压加至10 MPa之前孔隙度和渗透率下降幅度较快，分别为3%和62%，具有很强的应力敏感性，表现为裂缝应力敏感特征；围压继续增大，岩心孔隙度和渗透率下降幅度减小（见图3），应力敏感性减弱，表现出基质的应力敏感特征。围压达到45 MPa时，孔隙度、渗透率应力敏感指数分别为0.063、0.729，渗透率应力敏感指数是孔隙度应力敏感指数的11.6倍，说明渗透率应力敏感性远大于孔隙度敏感性。降压后渗透率恢复程度小，仅31.4%，表现出塑性特征。由图1可见，不充填裂缝性岩心实验后裂缝宽度明显比实验前窄。

图3 不充填裂缝性岩心孔隙度、渗透率变化曲线（3-8号样品）

2.3 半充填裂缝性岩心应力敏感特征

对于半充填裂缝性岩心，由于裂缝内含有支撑物，在施加围压后裂缝不能完全闭合，渗透率下降幅度比不充填裂缝性岩心小。围压加至45 MPa时，孔隙度、渗透率应力敏感指数分别为0.055、0.624，渗透率应力敏感指数是孔隙度应力敏感指数的11.3倍，同样说明渗透率应力敏感性远大于孔隙度应力敏感性。降压时，由于支撑物的作用，渗透率恢复程度相对较小，其恢复程度为48.5%（见图4）。

2.4 全充填裂缝性岩心应力敏感特征

全充填裂缝性岩心裂缝充填程度高，升压过程中，孔隙度和渗透率在压力小于20 MPa时应力敏感性强。围压增至45 MPa时，孔隙度、渗透率应力敏感指数分别为0.038 6、0.133 0，渗透率应力敏感指数是孔隙度应力敏感指数的3.37倍。降压后，孔隙度和渗透率恢复程度高，分别为98.5%、93.0%（见图5）。

图4 半充填裂缝性岩心孔隙度、渗透率变化曲线（3-8号样品）

图5 全充填裂缝性岩心孔隙度、渗透率变化曲线（3-8号样品）

2.5 不同岩样应力敏感性对比

以上实验说明：不同岩样均存在应力敏感现象，但敏感程度和恢复率不尽相同，这主要取决于岩石的内部结构。随着有效应力增大，裂缝的微凸体发生压缩、错动和啮合等，微粒被挤碎、压实，充填于裂缝间隙，孔隙结构发生变化，导致储集层的渗透率和孔隙度发生变化。

不充填裂缝性岩心与基质岩心对比，初始阶段岩心由于具有较大的初始开裂度且裂缝两表面间几乎不接触，裂缝有较大的变形空间，容易闭合，因而渗透率降低明显。随围压增加，裂缝两表面间的接触面积增大，裂缝的闭合趋势逐渐减缓，当载荷增至某一临界值时，裂缝两表面间的接触面积也增至某一极限，裂缝很难被继续压缩，基本呈现基质的应力敏感性，因此渗透率降幅较小[9]。

由升压时不同充填程度岩心孔隙度和渗透率变化规律（见图6a和6b）可以看出：①岩心应力敏感性强弱顺序为：不充填、半充填、全充填、基质，压力升至45 MPa时，充填程度越高，渗透率下降幅度越小，不充填裂缝性岩心渗透率下降幅度72.9%，半充填裂缝性岩心下降幅度 62.4%，全充填裂缝性岩心下降幅度13.3%，不充填裂缝性岩心渗透率下降幅度是全充填裂缝性岩心的5.5倍。造成这种现象的主要原因是充填物对裂缝具有支撑作用，可以抑制压力上升引起的裂缝闭合。②渗透率的变化幅度比孔隙度大得多，裂缝渗透率的应力敏感性更强[10-11]。③孔隙度和渗透率在升压初期变化幅度较大，后期逐渐变平缓，特别是对半充填和不充填裂缝性岩心，前后期应力敏感性差异更大，前期表现为裂缝的应力敏感特征，后期表现为基质的应力敏感特征。

图6 升压过程中不同充填程度岩心孔渗变化对比曲线（3-8号样品）

对不充填和半充填裂缝性岩心，由于应力敏感性强，特别是渗透率敏感性强，在有效应力较小时，渗透率急剧降低，主要体现出裂缝的应力敏感性，随着有效围压增大，裂缝闭合，基质部分的渗透率应力敏感性逐渐体现出来[12-14]。但渗透率随围压的增大，下降幅度明显减缓。上述实验表明，在较高的围压（有效应力）作用下，裂缝发生闭合且卸载后几乎不可恢复，孔隙则可在卸载后恢复原状，有利于渗流通道的恢复。因此，岩样卸载后，在闭合裂缝难以恢复时，裂缝面上的孔隙越发育，孔隙的恢复程度就越大，相应的渗透率的恢复程度也就越高，在裂缝不充填和半充填情况下，随样品孔隙度的增加，渗透率恢复程度也随之增加（见图7）。通过实验得出不同岩样渗透率恢复程度由大到小依次为：基质岩心、全充填裂缝性岩心、半充填裂缝性岩心、不充填裂缝性岩心。

图7 不同孔隙度不充填和半充填样品渗透率恢复程度对比

3 不同孔渗级别下储集层应力敏感模式

3.1 不同充填程度岩心孔隙度与渗透率应力敏感模式

按多项式、指数、幂函数等不同形式对岩心孔隙度和渗透率进行拟合，比较发现指数形式相关系数较高[15-17]，分别以指数形式对 4种应力敏感模式进行拟合（见图 8、图 9）。由于不充填裂缝性岩心的孔隙度和渗透率应力敏感曲线以及半填充裂缝性岩心的渗透率应力敏感曲线整体呈现先陡后缓型应力敏感模式，因此采用分段拟合的方式，前段主要反映裂缝的应力敏感性，后段主要反映基质的应力敏感性[18-19]。基质岩心中不存在裂缝，全充填裂缝性岩心随围压增大裂缝应力敏感性表现不明显，因而这两种岩心整体表现为平缓型应力敏感模式。可见，裂缝的发育程度与充填程度影响低渗透储集层的应力敏感模式。裂缝发育且充填程度不高时表现先陡后缓型应力敏感模式；不发育裂缝或者裂缝充填程度较高时，储集层表现为平缓型应力敏感模式。

图8 不同充填程度岩心孔隙度应力敏感曲线拟合

图9 不同充填程度岩心渗透率应力敏感曲线拟合

3.2 不同渗透率级别岩心应力敏感模式

岩心的渗透率不同，其应力敏感性也不同，按渗透率大小划分渗透率级别（见表3）。拟合后得到不同渗透率级别的岩心应力敏感公式（见表4）。由拟合公式可以看出渗透率级别和裂缝发育程度对应力敏感性的影响。

表3 不同渗透率级别岩心数目

表4 不同类型岩心不同渗透率级别指数拟合公式

在裂缝发育程度相同的情况下，初始渗透率越小应力敏感性越强：当样品初始渗透率较高时，随围压的增加，渗透率下降相对较小，应力敏感相对较弱；当样品初始渗透率较低时，随围压增加，渗透率下降幅度增大，应力敏感相对较强。造成这种现象的原因是渗透率越低的样品孔喉半径越小，围压的增大更容易造成孔喉的闭合，从而使得渗透率下降较快[20]。以基质类样品为例，对于渗透率为（0.01～0.1）×10-3μm2的样品，在围压为 10 MPa时，平均应力敏感指数为0.23，随样品渗透率的增大，样品应力敏感指数逐渐降低，样品渗透率大于10×10-3μm2时，平均应力敏感指数为0.029，前者是后者的7.9倍。

在相同的渗透率级别情况下，应力敏感性由强到弱排序为：不充填裂缝性岩心、半充填裂缝性岩心、全充填裂缝性岩心、基质岩心，应力敏感性的强弱明显受裂缝发育程度控制。例如，对于渗透率大于10×10-3μm2样品，在围压为10 MPa时，基质样品的应力敏感指数为0.029，随样品裂缝发育程度增加，应力敏感指数增大，当存在不充填裂缝时，应力敏感指数平均为0.522，不充填裂缝性岩心应力敏感指数是基质岩心的18倍。

根据应力敏感特征，异常高压裂缝-孔隙型碳酸盐岩油藏开发中必须合理控制生产压差，减少应力敏感对储集层的伤害，从而减缓产量递减。

3.3 不同孔隙度级别岩心应力敏感模式

对不同类型的岩心按孔隙度级别进行分类，各个孔隙度级别岩心数目见表5，各孔隙度级别的拟合公式见表6。可以看出，孔隙度应力敏感性明显小于渗透率；初始孔隙度越小，应力敏感性越强；充填程度越小，应力敏感性越强。

表5 不同孔隙度级别岩心数目

表6 不同类型岩心不同孔隙度级别指数拟合公式

4 结论

低渗透率碳酸盐岩储集层应力敏感性普遍较大，孔隙度的应力敏感性明显低于渗透率的应力敏感性。随着岩心渗透率和孔隙度的增大，应力敏感性减弱。

由于裂缝的存在，储集层应力敏感性增强。裂缝充填程度对储集层应力敏感性影响较大，随着裂缝充填程度的降低，岩石应力敏感性增强。随围压的增加，孔隙度、渗透率变化呈现较好的指数变化规律。

基质岩心和全充填裂缝性岩心应力敏感性相对较弱，表现为平缓型应力敏感模式。随着压力的恢复，孔隙度和渗透率恢复程度较高，表现为弹塑性特征。

对于不充填和半充填裂缝性岩心，早期由于裂缝的闭合，应力敏感性较强，主要表现为裂缝的应力敏感，后期应力敏感性减弱，主要为基质的应力敏感，整体表现为先陡后缓的应力敏感模式。半充填和不充填裂缝性岩心孔隙度和渗透率恢复程度较低，表现为塑性特征。

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