微裂缝超低渗储层的应力敏感实验研究

张海勇，何顺利，栾国华，门成全，莫邵元，刘 浩

(1.中国石油大学(北京) 石油工程教育部重点实验室，北京 102249； 2.中国石油 安全环保技术研究院，北京 102200)

微裂缝超低渗储层的应力敏感实验研究

张海勇1，何顺利1，栾国华2，门成全1，莫邵元1，刘 浩1

(1.中国石油大学(北京) 石油工程教育部重点实验室，北京 102249； 2.中国石油 安全环保技术研究院，北京 102200)

为了评价应力敏感对微裂缝超低渗透储层渗流的影响，采用微波炉加热方法，制备热应力微裂缝超低渗岩心(钻井取心很难取到微裂缝岩心)，近似模拟实际成岩、沉积过程中形成的微裂缝；通过微裂缝岩心的应力敏感性室内实验，进行应力敏感性评价。结果表明：制造的微裂缝能够近似地模拟地层在成岩、沉积过程中形成的微裂缝；微裂缝岩心的渗透率应力敏感滞后程度不明显，应力卸载后渗透率恢复程度高，不存在强应力敏感；对岩石进行应力敏感性评价时，应以地层压力条件下的渗透率为初值，否则会夸大岩石的应力敏感性；在微裂缝低渗透岩心中，随着微裂缝所占导流能力的增加，微裂缝岩心的渗透率滞后恢复程度越高；应力敏感性对微裂缝超低渗储层的产能影响很小。

微裂缝超低渗透储层；应力敏感性；实验研究；渗透率恢复程度

超低渗透岩石致密，脆性大，发育有微裂缝。微裂缝结构简单，壁面光滑，与孔喉尺寸相当，在外应力的作用下容易产生变形，导致微裂缝储层单相渗流出现非线性特征。钻井取心一般很难取到带微裂缝的岩心。前人在低渗透储层应力敏感性方面作了很多实验研究，得出了渗透率随应力变化的关系，但很少涉及超低渗透储层，还缺少对不同成因类型的微裂缝岩心的应力敏感实验研究。一些学者[1-6]认为，微裂缝岩心受应力影响比纯基质岩心要明显。对于高渗透岩心，渗透率越高，应力变化对储层渗透率的影响越强；而对于较致密的低渗透岩心，渗透率越低，应力变化对渗透率影响越大。但部分学者[7]持相反意见：存在裂缝的储层不存在强的应力敏感。为了弄清楚微裂缝超低渗透岩心的应力敏感特征，本文首先采用长庆油田的超低渗露头岩心，应用微波炉加热的方法制备热应力微裂缝岩心，近似地模拟地层在成岩、沉积过程中形成的微裂缝，然后进行微裂缝岩心应力敏感室内实验，对实验结果进行分析评价。最后分析了微裂缝岩心的应力敏感对产能的影响。

1 微裂缝岩心的制备

一般情况下，钻井取心很难得到微裂缝岩心，即使所取的岩心内包含微裂缝，也会因为微裂缝的开度很小而观测不到，因此要模拟地层微裂缝产生的过程，需要制造符合储层微裂缝特点的岩心，为研究微裂缝储层的应力敏感特征提供实验材料。

本文采用长庆油田长6储层超低渗透露头岩心，应用微波炉加热的方法制备微裂缝岩心，近似地模拟低渗透储层中成岩、沉积成因的微裂缝。

微波加热方法在砂岩中产生微裂缝的机理主要有：矿物失水收缩、颗粒间开裂和颗粒内部开裂，低渗透致密砂岩为刚性颗粒内的开裂作用。

如图1所示，通过场发射扫描电镜观察的微波炉加热前后岩心内部形成的微裂缝。

定义参数χ、w来衡量岩心中微裂缝的导流能力和孔隙存储能力，即

图1 微波炉加热前后岩心内部形成的微裂缝

χ=(k-k0)/k×100%；w=(φ-φ0)/φ×100%。

(1)

式中：k0、φ0分别为岩心初始状态下的渗透率和孔隙度；k、φ分别为制造微裂缝后的岩心渗透率和孔隙度。

热应力微裂缝岩心有关参数见表1。对比制造微裂缝前后的岩心物性，发现微裂缝大幅增加了低渗透岩心的渗透率，但对低渗透岩心的孔隙度影响较小，符合微裂缝储层介质具有高导流能力、低储存能力的物性特点，说明应用微波炉加热方法能够制造近似的制造成岩、沉积成因的微裂缝。

表1 热应力微裂缝岩心有关系数

如表1所示，热应力裂缝岩心中，微裂缝的导流能力在18.76%～63.53%，孔隙度均小于3.34%。岩心内的热应力裂缝显著地增加了其导流能力，但对岩心的储集能力影响很小。

2 热应力微裂缝岩心应力敏感性实验

储层渗透率应力敏感性主要是研究岩心渗透率变化与有效应力的关系。本次实验通过改变围压进行微裂缝岩心应力敏感实验，揭示其渗透率的应力敏感特征。

2.1 实验设备及其性能

本次实验采用Core-Lab公司的AFS-300驱替系统(图2)。该系统由恒速/恒压注入单元、围压单元、三轴岩心夹持器单元、回压单元、数据传感器/显示存储单元、运行控制单元6部分组成。

AFS-300驱替系统内各传感器的测量精度见表2。需要特别指出的是，由于系统传感器的精度较高，在实验过程中受温度、噪音等因素的影响较大，要求在实验过程中尽量排除这2种因素的影响。

表2 AFS300岩心驱替系统传感器精度

图2 AFS300岩心驱替系统

2.2 实验原理

实验基于单相渗流规律符合达西定律。改变岩心的围压，在稳定条件下测定岩心两端的压差与流量的关系，然后根据达西公式计算渗透率的大小。在岩心出口端压力为大气压(岩心两端压差较小)的条件下，上覆应力(即围压)等于有效应力。最后通过处理得到有效应力与渗透率变化率的关系曲线。

2.3 实验结果及分析

(1)渗透率应力敏感评价方法

储层岩石的应力敏感程度用应力敏感指数[8]来衡量，它是指在条件参数变化一定数值时，岩石物性参数减小的百分数。储层岩石的渗透率应力敏感指数可表示为

IP=(ki-k)/ki。

(2)

式中：IP是渗透率应力敏感指数，小数；k是任意地层压力p条件下的渗透率，10-3μm2；ki是原始地层压力pi条件下的渗透率，10-3μm2。

将式(2)简化为压力下降10 MPa时的应力敏感指数，即

IP=1-e-10bφ。

(3)

式中：b为应力敏感常数。通过对应力敏感曲线的拟合，就可以得到2个阶段的应力敏感指数。

(2)结果分析

实验结果见图3。可见：基质岩心和微裂缝岩心的渗透率都随有效应力的增加而降低，但基质岩心的渗透率降低幅度小于微裂缝岩心的渗透率降低幅度，原因在于微裂缝的闭合造成其渗透率应力敏感程度大。微裂缝岩心的渗透率应力敏感曲线以地层压力为拐点分为2个阶段：第Ⅰ阶段渗透率下降快；应力达到地层应力时，进入第Ⅱ阶段，渗透率下降缓慢。原因在于前一阶段微裂缝容易闭合，导致渗透率大幅下降；后一阶段不容易闭合的裂缝仅有很小程度的闭合，使渗透率下降幅度很小。由此可知对实际储层进行应力敏感性评价时，应以地层压力下的渗透率作为初始值进行储层应力敏感性评价，否则会夸大储层的应力敏感性。地层条件下，微裂缝岩心的应力敏感性弱。对比发现，在相同有效应力下，卸载时岩样的渗透率小于加载时的渗透率，渗透率并不能恢复到原始状态。

图3 岩心渗透率应力敏感曲线

在油藏开发过程中，随孔隙流体消失，有效应力增加，储层渗透率下降；油藏注水后，储层有效应力逐渐恢复至原始状态，然而其渗透率并不能恢复至原始状态，即存在“渗透率应力敏感滞后”现象[9]。定义渗透率应力敏感恢复程度系数ξ，评价“渗透率应力敏感滞后”造成的渗透率损失，即

ξ=kup/kdown。

(4)

其中：kup是卸载过程中有效应力为3.44 MPa时的渗透率，kdown是有效应力为3.44 MPa时的渗透率初值。

分析微裂缝低渗透岩心、基质岩心的渗透率应力敏感恢复程度分别在33.1%～61.3%和36.3%～59.3%，平均值为54.7%和46.5%，说明微裂缝低渗透岩心应力敏感滞后程度较弱，渗透率的可恢复性较强。如图4所示，含微裂缝的低渗透岩心中，随着微裂缝导流能力的增加，微裂缝岩心的渗透率滞后恢复程度越高。

图4 微裂缝导流能力与渗透率恢复程度的关系

3 实例分析

下面评价微裂缝岩心应力敏感对油藏产能的影响。由于本文实验岩心为制备的微裂缝岩心，可忽略裂缝窜流对油井产量的影响(微裂缝相当于孔隙尺度)。根据文献[7]和达西定律，推导可得考虑应力敏感影响的平面径向流稳定渗流产量计算公式

(5)

取长庆油田某井区的数据进行实例分析：原始地层压力下的渗透率ki为0.823×10-3μm2；油层的有效厚度h为8.5 m；原油的黏度μ为1 mPa·s；单井泄流半径re为218 m；应力敏感系数b取值：无应力敏感为0 MPa-1，第Ⅰ阶段0.012 5 MPa-1，第Ⅱ阶段0.005 6 MPa-1；井半径rw为0.1 m；孔隙度φ为7.5 %；井底压力pw为10～20 MPa；原油体积系数Bo为1.3 m3/m3；外边界压力pe为30 MPa。

式(5)表明：应力敏感系数b越大，产量下降越多。应用第Ⅰ阶段的应力敏感指数会夸大实际储层的应力敏感性，使计算的产量偏小。图5表明：产量最多下降5%，岩心中微裂缝的存在不会导致储层存在强的应力敏感，加大生产压差不会造成产能大幅下降。

图5 应力敏感性对油井产量的影响

4 结 论

(1)采用微波炉加热方法制造的微裂缝具有高导流能力、低储存能力的特点，可用来近似地模拟成岩、沉积成因的微裂缝，用于微裂缝低渗透岩石的应力敏感实验研究。

(2)微裂缝超低渗岩心应力敏感实验表明，微裂缝低渗透岩心的渗透率应力敏感滞后程度比基质岩心弱，渗透率的可恢复性较强；应选取地层应力下的渗透率作为初始值进行储层应力敏感性评价；在微裂缝低渗透岩心中，随着微裂缝所占导流能力的增加，微裂缝岩心的渗透率滞后恢复程度增高。

(3)微裂缝低渗储层应力敏感性对油井产量的影响很小，增大压差生产对产量影响不大。

[1] Vairogs J,Hearn C,Dareing D,et al.Effect of rock stress on gas production from low-permeability reservoirs[J].Journal of Petroleum Technology,1971,23(9):1161-1167.

[2] 马收,杨其彬,隋文,等.低渗透裂缝性储层应力敏感性评价[J].油气地质与采收率,2006,13(5):88-90. MA Shou,YANG Qi-bin,SUI Wen,et al.Evaluation on stress sensitivity of the low-permeability fractured reservoirs[J].Petroleum Geology and Recovery Efficiency,2006,13(5):88-90.

[3] Nelson,Ronald A.An experimental study of fracture permeability in porous rock[C].The 17th US Symposium on Rock Mechanics(USRMS),1976.

[4] 向阳,向丹,黄大志.裂缝-孔隙型双重介质应力敏感模拟试验研究[J].石油实验地质,2003,25(5):498-500. XIANG Yang,XIANG Dan,HUANG Da-zhi.Study on the stress sensitivity of permeability in fracture-pore dual media by the full simulation experiment[J].Petroleum Geology & Experiment,2003,25(5):498-500.

[5] 蒋海军,鄢捷年.裂缝性储集层应力敏感性实验研究[J].特种油气藏,2000,7(3):39-41. JIANG Hai-jun,YAN Jie-nian.Experimental study on stress sensibility of fractured reservoir[J].Special Oil & Gas Reservoirs,2000,7(3):39-41.

[6] 李传亮.裂缝性油藏的应力敏感性及产能特征[J].新疆石油地质,2008,29(1):72-75. LI Chuan-liang.Stress sensitivity and productivity of fractured reservoirs[J].Xinjiang Petroleum Geology,2008,29(1):72-75.

[7] 李传亮.应力敏感对油井产能的影响[J].西南石油大学学报：自然科学版,2009,31(1):170-172. LI Chuan-liang.Stress sensitivity influence on oil well productivity[J].Journal of Southwest Petroleum University:Science & Technology Edition,2009,31(1):170-172.

[8] 李传亮.储层岩石的应力敏感性评价方法[J].大庆石油地质与开发,2006,25(1):40-42. LI Chuan-liang.Evaluation method for stress sensitivity of reservoir rock[J].Petroleum Geology & Oilfield Development in Daqing,2006,25(1):40-42.

[9] Warpinski N R,Teufel L W.Determination of the effective-stress law for permeability and deformation in low-permeability rocks[J].SPE formation evaluation,1992,7(2):123-131.

责任编辑：贺元旦

2014-11-10

国家自然科学基金“超低渗透岩石非饱和流体运移机理与相对渗透率数学表征”(编号：51204193)

张海勇(1988-)，男，博士研究生，主要从事油气田开发方面的研究。E-mail:zhanghaiyong2010@sina.cn

1673-064X(2015)01-0030-04

TE122.2+3

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