鄂尔多斯盆地东部上古生界储层应力敏感性及主控因素

罗腾文，屈红军，王 斌，罗腾发.

(西北大学大陆动力学国家重点实验室/西北大学地质学系，陕西西安 710069)

20世纪90年代我国学者陆续提出应力敏感性对储层的影响，应力敏感性在储层保护及油气勘探开发领域一直是研究热点之一[1-3]。到目前为止，储层应力敏感性的存在与否还没有明确的定论。国外学者Basan对油气藏类型及损害原因等方面提出了经验性指数——地层损害指数(FDI)；CT及计算机模拟使得国外学者深化有关微观结构中一系列流体运动的研究。我国先后制定了一系列砂岩储层流动性及敏感性等相关评价标注，国内学者普遍认为储层应力敏感性是存在的，且普遍存在于低孔低渗储层中，根据储层渗透率的不同，应力敏感性在低渗透储层中更为明显。国内部分学者[4-6]认为致密储层应力敏感性评价应以原始储层有效应力为起点，这样得出的应力敏感伤害程度更符合储层的真实情况；阮敏等[7-8]认为低渗透油藏应力敏感性的存在是由于微小孔道闭合引起渗透率降低所致；徐艳梅[9-11]认为应力敏感性对低渗透储层渗透率的伤害具有永久性；王厉强等[12-13]通过对低渗透岩心微裂缝的应力敏感性试验认为渗透率是应力敏感性的主要表现；但也有部分学者[14-17]提出低孔低渗储层实际强应力敏感现象不存在，储层开发过程中可以不考虑应力敏感的影响，强应力敏感现象是试验系统误差导致的结果，而非岩样自身的性质[18-19]。对于应力敏感性的分歧主要是试验规范性不足、评价指标不一所致，我们只有通过油田现场试验和统一评价方法与指标，才能够把握住低渗透储层应力敏感性的机理和影响因素。

鄂尔多斯盆地位于华北地台西缘，是华北地台的二级构造单元，古生代时期经历与华北地台同样的构造演化以及沉积充填，主要受北侧的兴蒙海槽、南和西南缘的秦祁海槽的洋底扩张以及大洋板块的俯冲、消减作用控制[20]。大体经历了两个过程：早古生代时期是陆表海，晚古生代为陆盆阶段。从印支期—燕山期—喜山期，盆地东部地区始终处于构造斜坡的上倾方位上，是天然气运移的有利指向区。

在油气田的勘探与开发历程中，勘探开发逐渐转向低渗透储层，储层物性特征和孔隙流体性质的变化都会引起不同程度的储层敏感性，进而会对储层造成损害，增加开采难度，储层敏感性的存在是制约低渗透储层高效开发的关键因素之一[19-22]。通过对鄂尔多斯盆地东部上古生界储层的研究发现，应力敏感性是研究区特低孔特低渗储层伤害的主要形式[23]。为了探究应力敏感的机理和主控因素，笔者按照行业规范进行应力敏感性试验和压汞试验分析研究区储层的损害程度，证实鄂尔多斯盆地东部上古生界储层存在应力敏感现象，且对储层的损害不可忽略。

1 储层基本特征

砂岩储集性能的好坏直接受其物质组分和组构的影响，它不仅影响砂岩储集层原始孔隙的发育，在很大程度上也影响着成岩变化[21-23]。因此，砂岩储集层的岩石学特征是研究成岩变化及孔隙结构因素的主要依据，砂岩的岩石学特征是控制砂岩成岩作用的内在因素，其作用不仅表现在砂岩的水岩反应上，而且体现在砂岩的压实作用上。在一定的成岩背景下，它决定着砂岩成岩作用的速率和规模，从而影响了砂岩的孔隙演化[24-26]。这种控制作用是通过砂岩的碎屑组分和结构的物理、化学性质不同而表现出来的。本文对研究区山西组、太原组、本溪组储层进行了岩心采集，综合利用多种室内分析测试资料和分析方法，对储层进行全面的综合评价。

1.1 储层岩石学特征

1.1.1 储层骨架颗粒特征

研究区山西组、太原组、本溪组储层岩石学类型均以石英砂岩、岩屑石英砂岩及岩屑砂岩为主(图1)。根据石英、长石、岩屑的相对含量可以看出，研究区山西组及太原组岩屑含量较高，本溪组的石英含量较高；研究区云母和重矿物不太发育，整体上小于2%。

图1 研究区储层砂岩成分三角图Fig.1 Reservoir sandstone composition triangle Ⅰ.石英砂岩；Ⅱ.长石石英砂岩；Ⅲ.岩屑石英砂岩；Ⅳ.长石砂岩；Ⅴ.岩屑长石砂岩；Ⅵ.长石岩屑砂岩；Ⅶ.岩屑砂岩

1.1.2 储层填隙物特征

盆地东部储层填隙物以伊利石、高岭石、硅质、碳酸盐为主，还有少量的泥铁质、绿泥石及菱铁矿等(图2)。

图2 研究区各层位胶结物组分直方图Fig. 2 The histogram of cement component of each layers

由图2可以看出，太原组填隙物含量最高，为16.3%；山1段及山2段填隙物含量分别为14.2%和15.6%；本溪组填隙物含量为14%。研究区填隙物以孔隙式充填为主，含量与孔隙度具有负相关性。

通过大量铸体薄片鉴定资料统计各井填隙物含量得出，主河道填隙物含量较低，河道边部填隙物含量较高。

1.2 储层物性特征

通过对研究区山西组、太原组和本溪组孔隙度和渗透率的统计分析得出：山1段孔隙度分布在0.15%～16.29%区间，渗透率分布在0.002～26.16 mD内；山2段孔隙度分布在0.27%～14.99%区间，渗透率分布在0.001～58.82 mD内；山西组孔隙度平均值为5.11%，渗透率平均值为0.47 mD。太原组孔隙度分布在0.08%～13.26%区间，其平均值为6.24%；渗透率分布在0.002～14.31 mD内，其平均值为0.36 mD。本溪组孔隙度分布在0.12%～14.98%区间，其平均值为5.13%；渗透率分布在0.003～12.68 mD内，其平均值为0.405 mD。

根据《石油天然气储量计算规范》中的碎屑岩储层划分标准[27](表1)得出，研究区储层为特低孔特低渗储层。

表1 碎屑岩储层孔隙度、渗透率评价分类标准Table 1 Classification criterion for porosity and permeability of clastic reservoir

2 储层敏感性分析

应力敏感是指岩石渗透率随有效应力(或称净围压)的增加而下降的现象，微观机制是骨架颗粒的结构随岩石有效应力的增加发生变形或破坏，使得粒间孔隙空间被填隙物充填，进而渗透率逐渐降低[28-29]。应力敏感有两种形式：一种是常规条件下储层物性与原地条件下物性测定值之间的差异，另一种是物性随有效应力的变化特性。

2.1 应力敏感产生机理

2.1.1 孔喉缩减

在成岩作用过程中，经历固结、压实作用使得储层岩石结构处于稳定状态，岩石骨架颗粒对外应力的作用形变量微弱，因此孔隙体积也保持较小的变化[23]；由于孔喉间或骨架颗粒接触面含有胶结物，在外应力的作用下容易发生变形，比如泥质胶结物。研究发现外应力的增加与胶结物的形变量成正比，这也正是岩石孔喉半径在外应力作用下缩小的原因，试验所得的结果就是渗透率随应力的增加逐渐减小，使得岩样表现出较强的应力敏感性。

2.1.2 微粒在孔隙内运聚

在孔隙内流体的作用下，微粒从孔隙或微裂缝的缝壁被流体动力剥落，随孔隙流体发生运移，在孔喉处由于空间的窄小或流速的降低而发生会聚堵塞孔隙或喉道，进而渗透率逐渐降低[26]，表现出较强的应力敏感性。

2.2 储层应力敏感性实验室研究方法

2.2.1 试验方法

试验过程中保持进口压力值不变，缓慢增加围压，使净围压依次为5 MPa、7 MPa、9 MPa、11 MPa、15 MPa、20 MPa，每一压力点持续稳定时间为30 min，测定不同压力下的岩心渗透率。再缓慢减小围压，使净围压依次为20 MPa、15 MPa、11 MPa、9 MPa、7 MPa、5 MPa，每个压力点稳定1 h，测定渗透率的恢复值，并通过绘制相关性图件对试验结果进行印证，确定应力敏感性主控因素。

2.2.2 应力敏感性评价指标及试验结果

依据石油天然气行业标准，按下式计算应力敏感性引起的渗透率损害率Dk[28-29]：

(1)

式中Dk——应力恢复到第一个应力点后产生的渗透率损害率，%；

k1r——应力恢复至第一个应力点后的岩样渗透率，mD。

应力敏感性评价指标见表2，试验结果如表3、图3所示。

表2 应力敏感性评价指标[30-32]Table 2 The evaluation index of stress sensitivity

表3 储层应力敏感性试验数据表Table 3 The sheet of stress sensitivity test data

续表

图3 储层应力敏感性试验结果Fig. 3 Reservoir stress sensitivity experiment results

通过对上述试验数据整理分析得出，研究区的平均应力敏感伤害率为56.75%，山西组应力敏感性突出，应力敏感伤害程度整体表现为中等偏强(表2、图3)。

为了确定研究区应力敏感性的空间分布特征，对3个层位分别进行统计分析得出：本溪组储层应力敏感伤害率为44.60%，太原组储层应力敏感伤害率为53.19%，山西组储层应力敏感伤害率为54.72%(图3)。根据储层应力敏感性评价指标，研究区储层应力敏感性整体表现为中等偏强。

2.3 研究区应力敏感平面分布特征

通过对研究区山西组填隙物含量的统计，绘制出填隙物含量平面分布图(图6)。填隙物含量平面分布呈南北分异，北部填隙物含量高于南部，因此北部应力敏感伤害程度高于南部，结合山西组应力敏感伤害程度平面分布图(图4)可以得出：填隙物含量与应力敏感伤害程度呈正相关。

为了揭示应力敏感性平面分布特征，选取研究区主力储层山西组进行研究，结合平面分布图及伤害程度类型图，可以得出研究区山西组应力敏感伤害程度分布规律为：以横山—佳县—绥德为界，北部平均伤害程度为61.35%，南部平均伤害程度为48.09%，北部的应力敏感伤害程度大于南部(图4)。

3 储层应力敏感伤害程度影响因素分析

3.1 骨架颗粒与应力敏感性的关系

石英含量与应力敏感伤害程度呈负相关，相关系数为0.5471(图5a)；岩屑含量与应力敏感伤害程度呈正相关，相关系数为0.507(图5b)。岩石受挤压发生形变时，岩石组分中的骨架颗粒承受了绝大部分应力。因此，石英作为主要的骨架颗粒，其含量越高，储层抗压作用越强，应力敏感性越弱。

由试验结果得出研究区应力敏感性强弱为：山西组>太原组>本溪组。岩矿分析得出石英含量本溪组最高，太原组次之，山西组最低；岩屑含量山西组最高，太原组次之，本溪组最低(图1)，与应力敏感性试验结果相一致，即研究区山西组高岩屑含量使得应力敏感性增强(图5b)。

图4 山西组应力敏感伤害程度平面分布Fig. 4 The distribution of stress sensitivity damage in Shanxi formation

3.2 孔喉半径与应力敏感性的关系

通过压汞试验得出平均孔喉半径与应力敏感伤害程度呈负相关，相关系数为0.5912(图5c)。由此可以得出，当平均孔喉半径越小时，应力敏感性对储层的损害越明显，研究区属特低孔特低渗储层，开采过程中应力敏感性对储层的损害不能忽视。

图5 储层应力敏感性主控因素分析Fig. 5 The main control factors of reservoir stress sensitivity

3.3 填隙物含量与应力敏感性的关系

填隙物在低渗透储层中分布较广，通过大量铸体薄片鉴定资料统计采样井的填隙物含量，结合应力敏感性试验数据得出：填隙物含量与渗透率呈指数负相关，相关系数为0.8238(图5d)。研究区填隙物含量的关系为：太原组>山西组>本溪组(图2)，应力敏感性伤害程度的关系为：山西组>太原组>本溪组，忽略骨架颗粒的影响，填隙物含量越高，储层应力敏感性伤害越大。

通过对研究区山西组填隙物含量的统计，绘制出填隙物含量平面分布图(图6)。填隙物含量平面分布呈南北分异，北部填隙物含量高于南部，因此北部应力敏感伤害程度高于南部，结合山西组应力敏感伤害程度平面分布图(图4)可以得出：填隙物含量与应力敏感伤害程度呈正相关。

图6 山西组填隙物含量平面分布Fig.6 The distribution of filler content in Shanxi formation

4 结论

(1)研究区储层岩石学类型均以石英砂岩、岩屑石英砂岩以及岩屑砂岩为主，孔隙度平均值为5.44%，渗透率平均值为0.47 mD，储层类型为特低孔特低渗—致密型。

(2)通过应力敏感性评价试验，采用渗透率损害率Dk来评价研究区储层的应力敏感性，得出研究区储层具有中等偏强的应力敏感性，主力层山西组应力敏感性分布以横山—佳县—绥德为界，北部的应力敏感伤害程度大于南部，越往南应力敏感伤害程度越弱。

(3)研究得出应力敏感性主要受骨架颗粒分布、孔喉半径和填隙物含量这3种因素控制。其中应力敏感伤害程度与石英颗粒含量和平均孔喉半径呈负相关，与填隙物含量和岩屑含量呈正相关。在储层开发过程中，建议针对不同储层制定合理的生产压差以减小储层的应力敏感性和维持储层渗流条件的稳定，使得该区储层高效开发。

[1] 陈金辉,康毅力,游利军,等.低渗透储层应力敏感性研究进展及展望[J].天然气地球科学,2011,22(1):182-189.

[2] 胡勇,李熙喆,陆家亮,等.关于砂岩气藏储层应力敏感性研究与探讨[J].天然气地球科学,2013,24(4):189-193.

[3] 马世英,窦宏恩,于立君,等.低渗透储集层应力敏感性研究现状与展望[J].重庆科技学院学报(自然科学版),2013,15(2):14-17.

[4] 于忠良,熊伟,高树生,等.致密储层应力敏感性及其对油田开发的影响[J].石油学报,2007,28(4):95-98.

[5] 石玉江,孙小平.长庆致密碎屑岩储集层应力敏感性分析[J].石油勘探与开发,2001,28(5):85-87.

[6] 沈英,韩小琴,程玉群,等.延长探区上古生界储层孔隙特征与成岩作用研究[J].非常规油气,2015,2(4):12-18.

[7] 张志强,师永民,李鹤.致密油气藏储层应力敏感各向异性及其微观机制——以鄂尔多斯盆地安塞油田长6油层为例[J].石油与天然气地质,2016,37(1):117-124.

[8] 阮敏,王连刚.低渗透油田开发与压敏效应[J].石油学报,2002,23(3):73-76.

[9] 徐艳梅,郭平,黄伟岗,等.大牛地气田储集层应力敏感性研究[J].特种油气藏,2007,14(6):72-74.

[10] 袁浩伟,陈昉,刘梦云.致密气藏应力敏感性研究[J].非常规油气,2016,3(4):115-122.

[11] 窦宏恩,白喜俊.低渗透和高渗透储层都存在应力敏感性[J].石油钻采工艺,2009,31(2):121-124.

[12] 王厉强,刘慧卿,甄思广,等.低渗透储层应力敏感性定量解释研究[J].石油学报,2009,30(1):96-99,103.

[13] 曾联波,史成恩,王永康,等.鄂尔多斯盆地特低渗透砂岩储层裂缝压力敏感性及其开发意义[J].中国工程科学,2007,9(11):35-38.

[14] 向阳,向丹,杜文博.致密砂岩气藏应力敏感的全模拟试验研究[J].成都理工学院院报,2002,29(6):617-619.

[15] ZHU S Y. Experiment Research of tight sandstone gas reservoir stress sensitivity based on the capillary bundle mode[A].SPE-167638-STU,2013.

[16] 王瑞飞,段雨安,吕新华,等.深层高压低渗砂岩油藏应力敏感性实验[J].地质科技情报,2014,33(1):90-94.

[17] 李传亮.低渗透储层不存在强应力敏感[J].石油钻采工艺,2005,27(4):61-63.

[18] 李传亮.孔隙度校正缺乏理论依据[J].新疆石油地质,2003,24(3):254-256.

[19] 焦春艳,何顺利,谢全,等.超低渗透砂岩储层应力敏感性实验[J].石油学报,2011,32(3):489-494.

[20] 杨俊杰.鄂尔多斯盆地构造演化与油气分布规律[M].北京:石油工业出版社,2002:87-93.

[21] HATCHER G B, CHEN H, RAHMAN S S, et al. Evaluating formation damage risks in a glauconitic sandstone reservoir:A case history from the offshore north west shelf of Australia[A]. SPE-37014-MS,1996:461-475.

[22] 樊怀才,李晓平,窦天财,等.应力敏感效应的气井流量动态特征研究[J].岩性油气藏,2010,22(4):130-134.

[23] 曾大乾,李淑贞.中国低渗透砂岩储层类型及地质特征[J].石油学报,1994,15(1):38-45.

[24] 杨华,刘显阳,张才利,等.鄂尔多斯盆地二叠系延长组低渗透岩性汕藏主控因素及其分布规律[J].岩性油气藏,2007,19(3):1-6.

[25] 张妮妮,刘洛夫,苏天喜,等.库车坳陷东部下侏罗统致密砂岩储层特征及主控因素[J].沉积学报,2015,33(1):160-169.

[26] 刘振旺,郑锡,钟张起,等.姬源地区长6油层组储层特征及形成机理[J].岩性油气藏,2016,28(3):20-26.

[27] 赵靖舟,吴少波,武福礼.论低渗透储层的分类与评价标准——以鄂尔多斯盆地为例[J].岩性油气藏,2007,19(3):28-31.

[28] 高博禹,周涌沂,彭仕宓.储层孔隙度应力敏感性研究[J].石油实验地质,2005,27(2):197-202.

[29] 李飞飞.应力敏感性的实验室研究[J].技术研究,2015(7):141-142.

[30] 赵澄林,胡爱梅,陈碧珏,等.中华人民共和国石油天然气行业标准——油气储层评价方法(SY/T 6285—1997)[S].北京:石油工业出版社,1998:16.

[31] 朱斌,罗蔓莉,张建国,等.中华人民共和国石油天然气行业标准——储层敏感性流动实验评价方法(SY/T 5358—2002)[S].北京:石油工业出版社,2002:21.

[32] 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.