致密储集层应力敏感性分类评价

张志强，师永民，李　鹤（北京大学地球与空间科学学院，北京100871）



致密储集层应力敏感性分类评价

张志强，师永民，李鹤
（北京大学地球与空间科学学院，北京100871）

摘要：致密储集层应力敏感性分析，对准确认识油气开发过程中储集层伤害及合理评价油气井产能具有重要的意义。鉴于注水开发过程中有效应力场的非稳态变化导致储集层渗流能力变化的实际情况，选取了鄂尔多斯盆地安塞油田延长组3类典型岩样（泥质粉砂岩、粉砂岩和中细粒砂岩）进行储集层渗透率应力敏感性测定，通过线性方程拟合，对比分析3类岩石应力敏感性特征，并从岩石成分和微观结构对应力敏感性的影响进行综合分析。结果表明，随着有效应力的增加，泥质粉砂岩渗透率下降快，敏感性强；粉砂岩渗透率下降中等，敏感性中等偏强；中细粒砂岩渗透率下降慢，敏感性最弱。通过岩心、岩石薄片、扫描电镜、全岩X射线衍射分析及压汞实验可知，储集层应力敏感性特征主要受到岩石中矿物成分和孔隙结构2个因素的影响，而微裂缝的发育使储集层应力敏感性增强。

关键词：鄂尔多斯盆地；致密储集层；应力敏感性；矿物成分；孔隙结构；油田开发

近十年来，致密油、致密气等非常规油气资源在美国、加拿大等国家成功得到了商业开发，目前已在全球能源结构中占据重要地位[1-2]。中国的致密油、致密气开发处于起步阶段，在鄂尔多斯、准噶尔、松辽和四川等盆地已形成规模性开发[3]。在低渗储集层有效开发过程中，渗透率是影响油气田开发的重要岩石物性参数之一[4]。随着有效应力逐渐增加，储集层的孔隙空间不断减小，渗透率也随之减小，这一现象被称为储集层应力敏感性。室内实验和油田现场数据已证实，低渗透砂岩应力敏感性损害能导致渗透率降低，进而影响油气井产量[5-7]，但对不同渗透率储集层应力敏感性程度的认识，尚存在较大争议。部分学者认为，低渗储集层应力敏感性强于中、高渗储集层，低渗、特低渗储集层存在较强的应力敏感性[8-11]；也有学者认为，低渗、特低渗储集层都表现出较弱的应力敏感性[12-15]。

关于致密储集层应力敏感性的控制因素，文献［16］认为岩石应力敏感指数与岩石压缩系数之间存在正相关关系；文献［17］对岩石组分和裂缝的应力敏感影响进行了分析；文献［18］认为，天然裂缝和含水饱和度对致密砂岩应力敏感性有重要影响，但针对其内在机制的系统研究分析较为匮乏。本文借助岩心、岩石薄片、扫描电镜、全岩X射线衍射分析及压汞实验等资料，分别对不同应力敏感性特征的储集层岩石进行岩石成分、微观结构等特征的研究，揭示致密储集层应力敏感性不同变化特征的内在机制，以期对开发过程中出现的诸多实际问题有所帮助[19]。

1　应力敏感实验

1.1实验原理及实验岩心参数

油田开发过程中，由于有效应力发生变化，储集层渗透率也在发生变化。本文通过改变围压的方法来改变岩石的有效应力，继而分析岩石应力敏感性。有效应力公式如下：式中peff——有效应力，MPa；

pc——围压，MPa；

pp——孔隙压力，MPa.

气体在岩样中流动时，由气体一维稳定渗滤达西定律可得渗透率计算公式：2式中A——样品截面积，cm2；

L——样品长度，cm；

Ka——岩心气体渗透率，mD；

Qo——出口气体流量，mL/s；

pa——大气压力，MPa；

p1——入口压力，MPa；

p2——出口压力，MPa；

μ——液体的黏度，mPa·s.

实验装置采用TAW1000岩石三轴伺服实验系统（图1）。全套装置由高温高压三轴室和温压控制系统等几大部分组成，可以进行应力-渗流耦合等岩石力学实验，通过这些装置（图2）可以将实验控制在所需要的地层原位条件下进行，实验过程应力以0.02 MPa/min的速度进行加载，均在计算机控制系统的精准控制下完成。实验流体为氮气，在不同有效应力条件下，实验流体以一定流速流过岩心，同时数据采集与处理终端实时获取岩心渗透率的变化情况，测量分辨率高达1/200 000.

图1　TAW1000岩石三轴孔隙压力伺服实验系统

图2　地层条件下应力敏感性评价实验装置示意

样品选自鄂尔多斯盆地安塞油田延长组，按照岩性分为泥质粉砂岩、粉砂岩和中细粒砂岩3类（表1）。在实验测试之前，对岩样进行了预处理，主要包括岩样的洗油（酒精和苯的混合物）和烘干，烘干温度控制在45℃，连续烘干36 h.

表1　鄂尔多斯盆地安塞油田延长组实验岩心参数

由于取心深度相差不大，在地层条件下，3类岩样的围压都为20 MPa，孔隙压力为10 MPa.实验中孔隙压力保持10 MPa不变，通过控制围压的变化来实现有效应力的变化，并逐步测量单相流体渗透率，模拟地层条件下随着有效应力的变化，储集层岩心渗透率变化的实验数据。考虑到研究区储集层实际情况，地层条件下的有效应力一般不会超过40 MPa，因此实验测试的有效应力从2 MPa增加到40 MPa即可。

1.2实验结果分析

通过以上实验步骤得到储集层应力敏感性结果，3类岩样的岩心渗透率随有效应力的增加而降低（图3），当有效应力增加到40 MPa时，泥质粉砂岩、粉砂岩和中细粒砂岩渗透率绝对损害值分别为0.0394 mD，0.103 9 mD和0.270 2 mD，相对损害率分别为92.32%，71.37%和33.14%，即3类储集层岩心应力敏感性差异较大，其中泥质粉砂岩和粉砂岩损害严重。压力卸载后，3类岩样储集层岩心渗透率恢复程度相差较大，泥质粉砂岩和粉砂岩分别可以恢复到原来渗透率的45.97%和67.09%，而中细粒砂岩则恢复到原来渗透率的90.54%.分析原因，随着有效应力增加，相对渗透率损害程度均比较大，在测试过程中封套的塑性变形使得应力敏感性增加，也使得加载曲线与卸载曲线产生了较大的差异［20］。岩心从地下取出后应力已被释放，而实验有效应力从2 MPa开始加载，2～10 MPa是储集层应力恢复阶段，因此应力释放开启的微裂缝闭合阶段，应力敏感性较强［21］。

图3　鄂尔多斯盆地安塞油田延长组3类典型岩样有效应力敏感性曲线

通过实验得到致密砂岩样品的渗透率随有效应力变化关系，可用幂指数方程表示为

式中A

k

——拟合得到的应力敏感指数；

K（peff）——有效应力为peff时样品的渗透率；

K0——有效应力为0时样品的渗透率。

如表2所示，致密砂岩储集层的应力敏感性存在明显差异，实验结果的相关系数为0.872～0.984，表明实验结果与拟合曲线吻合较好。结合文献［22］和文献［23］对砂岩储集层应力敏感性的评价标准分析认为，泥质粉砂岩的应力敏感指数为0.902～0.952，平均0.926，为强应力敏感程度；粉砂岩应力敏感指数为0.453～0.712，平均0.614，为中等偏强应力敏感程度；中细粒砂岩应力敏感指数为0.101～0.348，平均0.170，为弱应力敏感程度。鄂尔多斯盆地安塞油田延长组3种典型岩石渗透率与应力敏感指数反映了不同岩性岩石的应力敏感性差异，结果表明，泥质粉砂岩的应力敏感性最强，粉砂岩中等，中细粒砂岩最弱。

表2　鄂尔多斯盆地安塞油田延长组3类典型岩样的应力敏感指数

2　应力敏感性影响因素分析

在有效应力作用下，岩石产生结构变形和本体变形，这两种变形是导致岩石出现应力敏感的主要因素，结构变形主要是岩石发生不可逆的塑性形变，而本体变形主要是岩石发生了弹性形变[24]。通过分析致密砂岩应力—应变关系认为，应力增大的初始阶段（小于50 MPa），岩石有一定弹性和塑性变形，随着轴向应力增大，逐渐过渡到稳定的弹性变形阶段，超过弹性极限后岩石进入塑性变形阶段，原始岩石结构被破坏[25]。地下岩石在弹性变形为主阶段，其有效应力与渗透率的关系表现为渗透率下降幅度小，卸载后渗透率恢复程度高；而塑性变形阶段，有效应力与渗透率关系表现为渗透率下降幅度大，卸载后渗透率恢复率低。因此，岩石发生弹性和塑性变形的程度对渗透率影响起着至关重要的作用，低渗透岩石的变形特征主要受储集层岩石成分和微观结构的控制。

2.1岩石成分对应力敏感性的影响

（1）骨架矿物岩石矿物成分对其力学性质具有明显的影响，因此不同成分的储集层应力敏感性变化较大[17]。岩石受到压缩变形，骨架矿物承受主要应力，因此岩石骨架矿物的力学性质影响了岩石应力敏感性[26]。岩石骨架通常由一种或多种矿物组成，不同矿物具有不同的硬度，外力作用下，硬度大的矿物不易变形，渗透率变化程度较小。通过全岩X射线衍射实验测定岩样的骨架矿物由石英、长石、碳酸盐矿物等组成（图4）。

不同岩石的应力敏感性损害程度与骨架矿物含量有关，石英和长石颗粒较岩屑力学性质稳定，碳酸盐矿物次之，随着砂岩中石英、长石含量的增加，岩石抗压强度显示增加的趋势，其岩石应力敏感性损害程度越小。中细粒砂岩的骨架矿物含量高达88.20%，虽然泥质粉砂岩和粉砂岩的骨架矿物含量相当，但泥质粉砂岩经受破碎、溶蚀的粒内孔缝会破坏骨架矿物的强度，造成骨架矿物稳定性变差，储集层应力敏感性增强。因此泥质粉砂岩的应力敏感程度最强，中细粒砂岩应力敏感性最弱。

图4　鄂尔多斯盆地安塞油田延长组3类典型岩样的矿物成分及含量统计

（2）黏土矿物黏土矿物的类型、含量及特殊的产状对于研究储集层损害机理有着重要意义[27]。鄂尔多斯盆地安塞油田延长组储集层中，伊利石、高岭石、绿泥石等黏土矿物[28]在颗粒表面及孔隙中广泛分布，且形态特征各异，因此造成了储集层渗流力学性质的变化。

伊利石在储集层中多呈发丝状、片状集合体贴附于颗粒表面或充填于粒间孔隙内（图5a，图5b）。孔隙空间内发丝状的伊利石容易被水冲移，堵塞孔隙和喉道，降低孔隙度和渗透率；颗粒表面的片状微晶把孔隙分割成许多小孔隙，增加了流体渗流的迂回度，且随着有效应力增加占据更多的渗流通道，减小储集空间。绿泥石包覆在颗粒表面时，形成一层“铠甲”，其形貌多为叶片状（图5c，图5d）。随着有效应力增加，孔隙空间减小，颗粒表面的绿泥石未被破坏，占据孔隙空间的比率将更大。高岭石在砂岩中多呈六方板状单个晶体充填在粒间孔隙中，聚合体为书状和蠕虫状（图5e，图5f）。随着有效应力增大，孔隙空间逐渐减小，高岭石因具有稳定的结构，不易发生变形，充填在孔喉中，使得渗透率快速下降。

分析可知，黏土矿物含量越高，应力敏感性越强。安塞油田延长组储集层3种典型岩样中，泥质粉砂岩黏土矿物含量最高，粉砂岩中等，中细粒砂岩最低。因此，泥质粉砂岩应力敏感性最强，粉砂岩中等，中细粒砂岩最弱。产状越复杂，应力敏感性越强。泥质粉砂岩中的几种黏土矿物交错分布在岩石孔隙中，产状的复杂程度远大于粉砂岩和中细粒砂岩，具有明显的“互相穿插”特征，因此泥质粉砂岩的应力敏感性最强。

2.2微观结构对应力敏感性的影响

图5　鄂尔多斯盆地安塞油田延长组黏土矿物的结构特征

（1）孔隙结构孔隙结构主要包括孔隙、喉道及二者之间的相互关系，岩石孔隙为主要储集空间，喉道为主要渗流通道[29]。致密储集层孔隙结构特征复杂，岩石受有效应力作用使其喉道变窄，渗流空间减小，易发生应力敏感性损害。泥质粉砂岩的原生粒间孔隙发育一般，伴有大量的长石族矿物溶蚀、破碎形成的次生孔隙（图6a），并存在一定量的粒缘缝、粒内缝及穿粒缝，这与定向流体有关，而矿物缝也与周围所受应力相关，会有一定的连通性，形成孔隙的主要连接通道，在受压过程中粒间孔隙及微裂缝先闭合造成渗透率下降，随着有效应力不断增加，经受破碎溶蚀的粒内孔缝会被大量压实闭合，因此储集层应力敏感性较强；粉砂岩较致密，孔隙度较小，喉道细小，孔隙之间连通性差，且孔隙周围的喉道主要呈片状、弯片状（图6b），在压缩状态下容易闭合，储集层应力敏感性偏大；中细粒砂岩的喉道主要是孔隙缩小所致，喉道较粗，孔隙之间渗透性好，且孔隙周围的喉道主要呈管状、柱状（图6c），压缩状态下闭合程度不高，因此在一定应力范围内，储集层渗透率伤害较小。

图6　鄂尔多斯盆地安塞油田延长组3类典型岩样岩心扫描电镜分析

3类岩样基本结构参数见表3.由表3看出，泥质粉砂岩、粉砂岩、中细粒砂岩的排驱压力和中值压力依次降低，平均喉道半径分别为0.04 μm，0.22 μm，0.77 μm，最大喉道半径依次增大。因此，3类岩样随着有效应力增加，喉道缩小、闭合的概率依次减小，渗透率降低程度逐渐减小，应力敏感程度逐渐下降。

表3　鄂尔多斯盆地安塞油田延长组3类典型岩样孔隙基本结构参数统计

（2）微裂缝裂缝对储集层的应力敏感性影响最大，在相同应力作用下，裂缝的变形相对于基质中的孔隙和喉道要容易得多[18]。低渗透砂岩裂缝比较发育，有构造缝、成岩缝，是油气的主要渗流通道[30-31]。从岩心、岩石薄片及扫描电镜分析可知，鄂尔多斯盆地安塞油田致密砂岩储集层发育的裂缝包括两种类型（图7）：①高角度的垂向破裂构造缝，此类裂缝角度一般大于70°，主要由盆地内部区域构造应力场控制；②成岩缝，主要为粒内缝、粒缘缝及穿粒缝，角度一般小于20°，此类裂缝主要平行于塑性矿物排列展布方向，泥质粉砂岩中脆性矿物破裂形成微裂缝，粉砂岩在成岩过程中形成一定量的微裂缝。这些裂缝缺乏有效支撑，在有效应力作用下容易闭合，使渗透率大幅度降低，且难以恢复原状，以结构变形为主，3类岩样中，泥质粉砂岩的应力敏感性最强，粉砂岩中等，中细粒砂岩最弱。因此，在裂缝性储集层开发过程中，应保持合理的生产压差，以避免裂缝闭合引起产量下降。

图7　鄂尔多斯盆地安塞油田延长组岩心微裂缝形态观察

（3）矿物形态与接触方式岩石矿物颗粒的粒径、分选和磨圆度，对岩石结构均会产生影响，进而影响岩石的应力敏感性。通过3类岩样铸体薄片（图8）鉴定分析可知：泥质粉砂岩颗粒分选磨圆差—中等，原生粒间孔隙较少，大颗粒之间被小颗粒和黏土矿物充填，由于矿物溶蚀破碎严重，颗粒之间点接触为主，随着应力增加，岩样塑性变形程度较大，且恢复程度小；粉砂岩中斜长石含量高，颗粒分选磨圆中等，且无定向排列，颗粒之间主要是线接触为主，因此受压过程中受摩擦较大，应力敏感性较泥质粉砂岩低；中细粒砂岩颗粒分选磨圆好，颗粒半定向排列，孔喉连通性好，颗粒之间主要呈线接触，受压过程本体变形较泥质粉砂岩和粉砂岩小，因此应力敏感性最弱。

图8　鄂尔多斯盆地安塞油田延长组3类典型岩样铸体薄片对比分析

3　结　论

（1）选取了鄂尔多斯盆地安塞油田延长组3类典型岩样进行储集层渗透率应力敏感性测定，通过实验数据的线性方程拟合，得到3类岩样的应力敏感性具有不同的变化特征。随着有效应力增加，泥质粉砂岩渗透率下降快，平均应力敏感指数0.926，应力敏感性最强；粉砂岩渗透率降速中等，平均应力敏感指数0.614，应力敏感性中等偏强；中细粒砂岩渗透率下降慢，平均应力敏感指数0.170，应力敏感性最弱。

（2）通过岩心、岩石薄片、扫描电镜、全岩X射线衍射及压汞实验综合分析可知，储集层岩石应力敏感性特征主要受到岩石成分和微观结构的影响。其中矿物成分和孔隙结构特征是控制储集层应力敏感性的关键因素，而微裂缝的发育使储集层应力敏感性增强较大。

（3）通过对致密储集层不同物性的岩石应力敏感性定量化分类评价，并对其微观机制进行系统分析后认为：致密储集层应力敏感性评价不能一概而论，应结合具体的储集层物性进行分类评价，对其内在机制进行系统分析，这对于不同类型致密储集层开发过程中渗透率变化规律的研究，及时采取合理的开发措施，确保油田持续增产和长期稳产具有重要的实际意义。

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（编辑杨新玲）

Classified Evaluation of Stress Sensitivity in Tight Reservoir Rocks

ZHANG Zhiqiang, SHI Yongmin, LI He
(School of Earth and Space Science, Peking University, Beijing 100871)

Abstract:Analysis on stress sensitivity of tight reservoir rocks is of an important significance in accurate understanding of formation dam⁃age during oil⁃gas development and reasonable evaluation of oil⁃gas well productivity.In view of real situation of tight reservoir rock’s per⁃colation changes resulted from stress field unsteady state change by waterflooding process, three types of typical rock samples (argillaceous siltstone, siltstone and medium⁃fine grained sandstone) of Yanchang formation in Ordos basin are used to make a measurement of the stress sensitivities of the tight reservoir permeability, and conduct correlation of the features of stress sensitivity from the three types of rock sam⁃ples by means of linear fitting equation.Meanwhile, the influences of the rock constituents and microstructures on the stress sensitivity are analyzed comprehensively.Results show that with effective stress increasing, the argillaceous siltstone’s permeability decreases quickly, and its stress sensitivity is strong; the siltstone’s permeability decreases in medium range, and its stress sensitivity is medium to strong; and the medium⁃fine grained sandstone’s permeability decrease slowly, its stress sensitivity is weak.Through core, thin⁃section, SEM, whole rock X⁃ray diffraction analyses and mercury injection experiment, it is suggested that the stress sensitivity features of the tight reser⁃voir rocks are mainly influenced by two key factors of the mineral constituent and pore structure, while micro⁃cracks in the reservoir rocks are of the largest effect on the stress sensitivity.

Keywords:Ordos basin; tight reservoir rock; stress sensitivity; mineral composition; pore structure; oilfield development

作者简介：张志强（1990-），男，陕西渭南人，硕士研究生，油田开发，（Tel）18511547699（E-mail）zhiqiangzhang@pku.edu.cn.

基金项目：国家973项目（2009CB219302）

收稿日期：2015-07-29

修订日期：2015-10-22

文章编号：1001-3873（2016）01-0062-07

DOI：10.7657/XJPG20160112

中图分类号：TE112.23

文献标识码：A