含微裂缝低渗储层应力敏感性及其对产能影响

2015-02-17徐新丽

特种油气藏 2015年1期

关键词：岩心渗透率敏感性

徐新丽

(中石化胜利油田分公司，山东东营 257001)

含微裂缝低渗储层应力敏感性及其对产能影响

徐新丽

(中石化胜利油田分公司，山东东营 257001)

为研究裂缝岩心应力敏感性，通过改变围压的大小来实现岩石受到的有效应力变化，并分别计算不同有效应力下渗透率的变化来评价储层应力敏感性，同时分析了其对产能的影响。研究表明：含微裂缝岩心的应力敏感程度很弱，渗透率变化率低于30%，敏感曲线分为2个阶段：第Ⅰ阶段渗透率下降幅度超过20%，主要是以发生微裂缝受压闭合的拟塑性变形为主；第Ⅱ阶段渗透率下降幅度低于10%，该阶段主要以岩石骨架颗粒本体被压缩的弹性形变为主，实际储层的净应力多处于该阶段。因此，应用第Ⅱ阶段来评价含裂缝储层的应力敏感性更符合实际，含微裂缝岩心的应力敏感性均高于基质岩心。经计算可知含微裂缝岩心应力敏感对产能影响较小，由提高生产压差造成的应力敏感不会导致产能的大幅变化。

微裂缝；应力敏感；有效应力；闭合；产能

引言

近年来低渗透储层应力敏感性一直是个热点问题[1-13]，也一直存在争议[5]。目前对于低渗透裂缝性储层的研究逐步展开，一般认为裂缝的存在使储层连通性变好，油井投产后，孔隙压力的降低使多孔介质颗粒原有的受力平衡状态被打破，新建立的压力平衡状态使孔隙空间被压缩变形，裂缝发生闭合，储层的渗透率大幅降低，渗流效果发生改变，而这种改变是岩石变形和流体渗流相互作用和影响的结果。笔者以实验为基本手段研究了含裂缝岩心的应力敏感性，并结合文献[6-8]详细分析了这种敏感性对产能的影响。

1 实验部分

1.1 造缝与选样

选取吐哈油田某储层的砂岩岩心开展实验，岩心直径为3.80 cm，长度约为6.00 cm，造缝前基质渗透率约为1×10-3μm2。应用三轴应力压裂设备对岩心进行施压造缝，从岩心应力—应变曲线判断岩心被破坏程度，应用BIR ACTIS250工业CT扫描系统对压裂后的岩心进行CT扫描，选取压裂后存在明显微裂缝的2块岩心，同时选取1块不含微裂缝的岩心，对比岩心压裂前后的CT值。CT值越大代表岩石的密度越大，压裂后岩心由于存在裂缝，密度变小，岩心压裂前CT值高于压裂后的CT值。

1.2 实验原理

裂缝岩心的应力敏感是由于储层受的应力发生变化，导致裂缝闭合或张开，进而导致渗透率发生变化所致。因此，研究储层应力敏感性主要是研究岩心渗透率与有效应力的关系。在油气藏开采过程中，地层压力降低导致有效应力变化，通过改变围压的大小来实现岩石受到的这种变化，通过分别计算不同有效应力下渗透率的变化来评价储层应力敏感性。

1.3 实验流程与步骤

渗流实验装置选用美国岩心公司生产的Auto-floodTM(AFS300TM)驱替评价系统，数据自动采集系统在对系统各部分压力自动采集的同时能自动实现恒流速和恒压驱替模式，并完成相应数据分析。泵流量为0.01～50.00 mL/min(压力不大于70 MPa)，流速精度为±0.3%(最大密封泄漏为0.25 μL/min)。流速显示最小值为0.01 μL/min，恒压模式下能达到1.00 μL/min。围压系统使用高精度多级柱塞驱替泵(Teledyne isco100-DX)。回压控制系统采用美国岩心公司生产的BP-100空气弹簧回压阀，并采用高精度多级柱塞驱替泵控制。实验采用DXD高精度数字压力传感器，在30～100℃条件下，测试精度为±0.02%；在0～50℃条件下，测试精度为±0.04%。

实验设计步骤：①将岩心造缝处理后，在60℃下恒温烘干48 h，测定长度、直径、孔隙度以及渗透率等基础数据；②将岩心抽真空12 h，充分饱和标准盐水，而后称重计算其有效孔隙度；③将岩心装填入岩心夹持器，接通流程，对仪器初始值调零，加围压6 MPa，并加回压至3 MPa恒定；④打开驱替泵，排出管线内的空气，实验过程中，注入压力为4 MPa，进行水单相渗流实验；⑤按照设计的净应力值调整围压值，分别记录渗流稳定时不同围压下的压差和流量，直至测定所有设定净应力值，结束实验。

2 实验结果与讨论

实验注入流体选用标准盐水，矿化度为80 000 mg/L，采用常规的“压差—流量法”，实验分别选定净应力为2、4、7、10、12、15、20、25、30、35、40 MPa，实验设定注入压力和回压分别为4、3 MPa，并保持不变。

实验采用回压阀控制岩心出口端压力，通过改变围压来实现岩石有效应力[14]的变化，并进行岩石应力敏感性[15-16]分析。图1为3块岩心的应力敏感曲线。由图1可知，渗透率比值随着有效应力的增加先急剧降低，而后降低的速度放缓，并逐渐趋于稳定，渗透率比值的变化反映了不同应力下渗透率的变化趋势。以15 MPa为拐点将曲线分为2个阶段，第Ⅰ阶段渗透率比值下降较快，近乎线性急速降低，渗透率的降幅均超过了20%，原始渗透率为1.18×10-3、1.27×10-3μm2的2块含微裂缝岩心YM-2、YM-3的渗透率降幅分别为22.28%和20.47%，而不含微裂缝的岩心YM-1在第Ⅰ阶段的渗透率变化率仅为12.98%，含微裂缝的岩心在第Ⅰ阶段渗透率变化率较大，当净应力达到并超过15 MPa后，进入应力敏感曲线第Ⅱ阶段，该阶段渗透率变化幅度较小，含微裂缝的2块岩心渗透率降幅均低于8%(表1)。

图1 应力敏感性曲线

岩心编号渗透率/10-3μm2全阶段渗透率变化率/%Ⅰ阶段变化率/%Ⅱ阶段变化率/%备注YM-113116411298345无裂缝YM-211829662288678含微裂缝YM-312728352047787含微裂缝

由上述分析可知，渗透率损害主要发生在较低应力范围内，在较高应力条件下，渗透率变化率不大。应力敏感曲线第Ⅰ阶段为拟塑性变形阶段，岩石的受力变形以微裂缝的闭合和大孔隙的压缩为主，渗透率下降的幅度较大，渗透率损害主要发生在该阶段；敏感曲线第Ⅱ阶段为弹性形变阶段，容易闭合的裂缝在第Ⅰ阶段已经闭合，剩余裂缝闭合的难度较大，随着净应力的增加，仍会发生岩石骨架颗粒向孔隙中心移动的压缩变形和岩石本体向岩石中心轴的压缩移动，但由于储层较致密，形变量较小，渗透率下降幅度很平缓。

对于实际储层，有效应力是储层上覆压力与流体孔隙压力之差，由于埋深较深，上覆压力一般较大，有效应力也较大，即室内测试所得的应力敏感曲线第Ⅰ阶段在实际储层是不存在的，按照整个岩心的敏感曲线数据来评价储层的应力敏感性将会导致偏差较大，实际储层净应力的起点是上覆压力和原始孔隙压力的差值。因此，评价储层敏感性要以原始净应力为起点，逐渐增加净应力，根据不同净应力下渗透率变化率来评价。岩石中即使含有微裂缝，在没有任何支撑条件下其在实际地层中也基本处于闭合状态，第Ⅱ阶段的初始值反映了岩心在地层原始条件下的实际状态，应用该阶段应力敏感实验结果对储层进行评价，可真实地反映油藏条件下岩石的应力敏感性。因此，采用室内测定应力敏感曲线的阶段来评价储层更为合理。

将不含微裂缝岩心与含微裂缝岩心应力敏感性对比可知，2种岩心应力敏感性均属于弱应力敏感，且应力敏感指数都在同一数量级上，微裂缝岩心的应力敏感指数均大于不含微裂缝岩心；2种应力敏感在第Ⅰ阶段的变形机制是不同的，不含微裂缝岩心属于大孔隙的压缩，是近似弹性形变的过程，而含微裂缝岩心是裂缝闭合的过程，属于拟塑性变形，渗透率变化幅度较大。在第Ⅱ阶段，不含微裂缝岩心处于弹性形变阶段，而含微裂缝岩心从微弱的拟塑性变形过渡到弹性形变阶段，该阶段开始时，裂缝对渗透率的变化仍有贡献，因此，微裂缝岩心2个阶段应力敏感指数均大于无裂缝岩心。

3 应力敏感对产能的影响

根据文献[6]的方法，将实验点有效渗透率和净应力进行回归拟合得到两者的指数函数关系式，式中对应指数项的系数即为应力敏感常数值b，拟合结果见表2。由表2可知，含微裂缝岩心全部实验点拟合求得敏感常数为0.009 MPa-1，Ⅰ阶段敏感常数为0.018～0.020 MPa-1，Ⅱ阶段敏感常数为0.004 MPa-1，含微裂缝岩心的敏感常数稍大。

表2 有效渗透率与净应力的拟合关系

裂缝性低渗透储层，孔隙中流体流动的过程属于基质—裂缝耦合渗流的过程，若不考虑微裂缝窜流对产量的影响，可将微裂缝等效成孔隙进行计算。根据平面径向流公式，结合文献[8]对储层应力敏感性评价方法，推导出考虑应力敏感性的产能计算公式[7-8]：

(1)

实验选取吐哈油田某低渗储层的具体数据为例分析应力敏感性对产能的影响。该储层原始地层压力为26 MPa，渗透率为1.2×10-3μm2，油层的有效厚度为10 m，孔隙度约为9%，在地层温度60℃下的黏度为1.5 mPa·s，体积系数为1.2 ，注采井距为130 m，井筒直径为0.12 m，井底压力为16～26 MPa，分别计算无敏感性(b0=0MPa-1)、第Ⅰ阶段敏感常数(bⅠ=0.020 MPa-1)、第Ⅱ阶段敏感常数(bⅡ=0.004 MPa-1)、全阶段敏感常数(b=0.009 MPa-1)下的产能，计算结果见表3。

表3 取不同阶段敏感常数下的产能变化

表3可知，应力敏感常数变大，产量降低幅度并不明显。用第Ⅰ阶段的应力敏感指数来评价储层会夸大储层的应力敏感性，实际计算的产量最大降幅为0.90%，应用第Ⅱ阶段敏感指数计算的产能降幅为0.18%，对产量的影响很小，相比于第Ⅰ阶段其影响可以忽略，按照整个曲线计算的产能下降幅度为0.40%。可见，加大压差造成的压敏效应不会导致产量大幅度变化，应用第Ⅱ阶段计算的产能变化和实际相符，实际储层应力敏感性对产量造成的影响并不明显。

4 结论

(1) 含微裂缝岩心应力敏感程度很弱，且应力敏感指数高于无裂缝岩心，敏感曲线分为2个阶段：第Ⅰ阶段以裂缝受压闭合为主，渗透率下降幅度较大；第Ⅱ阶段以岩石本体压缩为主，渗透率下降幅度较小。无裂缝岩心在2个阶段均以弹性形变为主。

(2) 通过分析实际储层应力条件可知敏感曲线第Ⅱ阶段和实际储层相符，可以应用该阶段应力敏感性来评价含裂缝储层敏感性。

(3) 在不考虑微裂缝串流情况下，含微裂缝岩心应力敏感对产能影响较小，提高生产压差导致的应力敏感不会造成产能的大幅变化。

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