基于应力敏感常数的致密砂岩储层应力敏感性评价研究

窦晶晶 修乃岭 严玉忠 李聚恒 骆 禹

(1.中国石油勘探开发研究院廊坊分院，河北 廊坊 065007;2.中国石油天然气集团公司油气藏改造重点实验室，河北 廊坊 065007)

储层岩石应力敏感性是致密气藏的重要特征之一，随着低渗致密储层的深入开发，储层岩石的应力敏感性逐渐成为近年来的研究热点之一［1-4］。储层岩石应力敏感性，指的是在钻井、完井及开采过程中，储层受到地层压力变化导致岩石颗粒上的有效应力发生变化，从而引起渗透率等物性参数发生变化的性质。

对于低渗致密储层是否具有较强的应力敏感性这一问题，目前仍存在不同意见。大多数研究者认为低渗致密储层存在强应力敏感性［5-9］，不宜采用衰竭方式进行开发，但也有研究者认为低渗致密储层不存在强应力敏感性［10-12］。为了对比分析不同渗透率砂岩的应力敏感性，我们在尽可能降低系统误差的情况下，通过实验手段对华北、青海等区块取得的34块天然砂岩岩心进行了应力敏感性测试。本次研究运用李传亮教授提出的渗透率应力敏感评价方法［13］，对岩石应力敏感常数和相同围压下的渗透率进行回归处理，旨在揭示岩石应力敏感常数与渗透率之间的变化关系。

1 砂岩应力敏感性实验设计与实施

1.1 实验设备与样品制备

采用Terra Tek公司生产的渗流应力耦合拟三轴实验系统，对岩心在加载不同围压(有效应力)下的渗透率变化情况进行测试。实验用导流气体为高纯N2，采用高精度皂泡流量计测量出口端气体流量。图1所示为Terra Tek渗流应力耦合拟三轴实验系统工作示意图。

图1 Terra Tek渗流应力耦合拟三轴实验系统工作示意图

从华北、青海区块取得34块天然砂岩岩心，取心深度为1 900—4 600 m，通过钻、切、磨等工序制成高5 cm、直径2.5 cm的标准岩样。为了尽可能保证封套的密封性，防止岩心与封套之间孔隙对实验结果造成较大系统误差［10］，研究中采用生胶带均匀包裹岩心外围置于两端帽之间，在生胶带外围再均匀涂抹玻璃胶，待玻璃胶微干后用聚四氟乙烯热收缩管使岩心与端帽进一步靠紧。

1.2 实验步骤

在室温条件下，将装载好的岩样置于拟三轴实验机内，连接好入口和出口导流管线，依次在围压保持 2，5，8，12，15，20，25，30，35，40，50 MPa 的条件下采用高纯N2对岩样进行稳态渗透率测试，在每个测试点持续30 min左右以保证进出口压力不变。在每个围压测试点下，利用皂沫流量计记录气体测试所用的时间，重复测定2至3次，取平均值并计算得到出口气体流量;同时记录入口压力p，按照公式(1)求得对应点的渗透率:

式中:K— 渗透率，10-3μm2;

Q0— 出口气体流量，cm3/s;

p—入口压力，MPa;

p0— 大气压力，MPa;

μ — 气体黏度，mPa·s;

L— 岩心长度，cm;

A— 岩心横截面积，cm2。

典型砂岩岩心渗透率随围压变化的曲线如图2所示。

图2 典型砂岩岩心渗透率K随围压σ变化曲线

2 砂岩渗透率应力敏感性结果评价

2.1 砂岩应力敏感性评价方法

目前，关于岩石应力敏感性的评价标准仍存在较大争议。我国石油天然气行业标准“储层敏感性流动实验评价方法”(SY/T5358—2010)将渗透率的损害率作为应力敏感性的评价指标［13-14］，大多研究者遵循此标准。一般选用初始测点，即2.5～3.0 MPa下的渗透率作为计算渗透率损害率的基准点，实际上夸大了有效应力对渗透率的损害而忽略了应力敏感的特殊性。

李传亮教授分析了油气藏岩石对外应力与对内应力敏感程度的区别，指出应力敏感常数b是决定应力敏感指数的关键参数［10，13］。图2所示典型砂岩岩心渗透率随围压变化曲线显示，随着围压的增大，岩石渗透率基本呈指数趋势降低，可用式(2)描述渗透率随有效应力变化的情况［10］:

式中:σ — 围压，MPa;

K— 外应力为σ时的渗透率，10-3μm2;

K0— 初始外应力对应的渗透率，10-3μm2;

b—岩石应力敏感常数，MPa-1。

岩石的应力敏感常数b反映了其渗透率随有效应力的变化程度，b值越大则岩石的渗透率随有效应力的变化速率越高。在此可以将岩石的应力敏感常数b作为其渗透率应力敏感性的评价参数，b值越大则表示岩石应力敏感性越强。

2.2 实验结果分析

对34块天然砂岩岩心的应力敏感性测试结果进行拟合统计，得到应力敏感常数b。为了便于对比不同渗透率砂岩岩心的应力敏感常数b，在此统一取各岩心围压为15 MPa时的渗透率。各岩心围压为15 MPa时的渗透率K15、回归拟合b值及相关系数如表1所示。

b值越大则表示岩石的渗透率应力敏感性越强。通过数据拟合可获得砂岩应力敏感常数b值与岩心渗透率的关系，如图3所示。岩石渗透率越小，其应力敏感常数b值越大;岩石渗透率越大，其相应的应力敏感常数b值越小。由此可知，渗透率应力敏感性随渗透率的增加而减小。

图3 砂岩应力敏感常数b与渗透率K15关系曲线

表1 砂岩岩心b值及相关系数

3 结语

砂岩储层岩心渗透率存在应力敏感性，渗透率的应力敏感特性可以用其应力敏感常数b进行表征，b值越大，反映出岩心渗透率应力敏感性越强。

砂岩应力敏感常数b随岩心渗透率的增加而减小:即岩心渗透率越大，其应力敏感性越弱;反之，砂岩岩心渗透率越小，其应力敏感性越强。

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