低渗致密砂岩气藏储层应力敏感性试验研究

2018-07-19朱秀兰

石油化工应用 2018年6期

朱秀兰

（陇东学院能源工程学院，甘肃庆阳 745000）

我国低渗致密砂岩气藏主要分布于长庆、西南和塔里木三大气区，远景资源量超过10×1012m3，占国内天然气总资源量的1/5。据预测，2020年低渗透砂岩气藏天然气年产量将占中石油天然气年总产量的30%[1]。但低渗致密砂岩气藏储层物性差，孔隙喉道细小狭窄、连通性差、渗透性差，在开发过程中更容易出现储层应力敏感性效应。对于低渗致密砂岩气藏，由于流体采出、储层压力下降，孔隙空间受到压缩，孔隙、裂缝和喉道的体积缩小，微孔隙、裂缝和喉道甚至有可能闭合，这些极其微小的变化，也会使储层的孔隙度、渗透率明显下降[2-4]，最终气水渗流能力降低。应力敏感性的存在对低渗透气藏储层造成伤害、开发造成巨大的影响，整体呈现出低产低效状态、开发难度大。

张琰、崔迎春[5，6]对砂砾性低渗透气藏应力敏感性方面分析，认为低渗气层的压敏效应明显，有效应力、加压次数等因素对低渗砂岩渗透率具有一定影响，且较早地提出了低渗透气藏应力敏感性室内评价实验方法以及相应的评价指标。李传亮，朱苏阳[7]认为应力敏感试验测试方法，即定内压变外压和定外压变内压2种测试方法的评价结果相同，都比较接近储层岩石的真实应力状态，而定外压变内压测试则较为复杂且操作困难，并不具有任何优势，可以直接采用定内压变外压测试得到的外应力敏感曲线进行评价。于忠良等[8，9]提出岩石的弹塑性变形使得压敏伤害是一种永久的、不可逆的伤害，岩石的喉道决定了岩石的应力敏感程度；在实际生产中井底存在渗透率漏斗，压敏效应对油井产量有不利影响。宋传真等[10]通过室内试验建立了大牛地致密低渗气藏应力敏感性的幂函数关系式，在考虑储层应力敏感性的条件下气藏单井产能降低明显。许多机理试验研究已经证实，低渗砂岩气藏储层岩石具有明显的渗透率应力敏感性，直接影响此类气藏的产能及开采效果。

本文通过模拟气藏实际开发过程中的应力变化过程，即室内定内压变外压试验方法，研究储层应力敏感性，进而分析储层应力敏感性对低渗致密砂岩气藏开发的影响。

1 试验准备

1.1 试验原理及流程

依据Terzaghi与多孔介质双重有效应力理论，根据石油天然气行业标准“SY/T5358-2010储层敏感性流动试验评价方法”，开展储层应力敏感性试验。

试验中对岩样所加环压模拟储层岩样所承受的上覆岩石的覆盖压力，内压则模拟气藏储层流体压力。根据有效应力Terzaghi定义，即有效应力等于岩样外部环压与岩样内压的差值（上覆压力与孔隙压力之差）[11]。孔隙度应力敏感试验方法采用保持内压不变，改变环压的方式来模拟气藏开采过程中有效应力的变化过程，通过测量每个测试压力点下稳定后的岩样孔隙体积，计算并分析不同有效应力（升围压）下岩石的孔隙度变化规律。具体试验测试步骤：有效应力从 2.5 MPa、5 MPa、10 MPa、15 MPa、20 MPa、25 MPa、30 MPa、40 MPa逐渐增加，分别记录每一测试有效应力点条件下的流量。试验流程图（见图1）。

图1 孔隙度应力敏感试验流程图

渗透率应力敏感试验原理及流程与孔隙度应力敏感试验相类似，但渗透率应力敏感试验分两个过程：升围压和降围压过程。当进行渗透率应力敏感试验时，升围压有效应力达到最高有效应力测试值40 MPa时，稳定后有效应力逐渐缓慢减小，然后开展降围压时渗透率恢复情况测试试验。在试验过程中将图1的孔隙体积测试仪替换为皂沫流量计（连接岩心夹持器出口端），记录所得气量，根据达西公式计算岩心渗透率。

1.2 试验岩样

试验所选岩样为大牛地气田某区块低渗砂岩气藏储层的5块岩样，5块岩样渗透率均小于1×10-3μm2（见表1）。选取岩样岩性主要为中粗粒岩屑砂岩，含有少量中-粗粒岩屑石英砂岩，岩石之间颗粒支撑；孔隙类型为粒间孔，胶结类型主要为孔隙式胶结，其次为薄膜-孔隙式胶结；颗粒之间点-线接触；填隙物为胶结物和杂基且平均含量9.96%，其中杂基主要为长英质、泥质和泥晶灰质等[12]。由于氮气黏度比较低，节省试验时间且与岩石不会发生任何物理化学反应。

表1 储层应力敏感性试验岩样

2 储层应力敏感性试验结果

2.1 孔隙度应力敏感试验

分析孔隙度应力敏感性结果可知，5块岩样的孔隙度都是随着有效应力的升高而降低（见图2）。随着有效应力的增加，孔隙体积逐渐被压缩，孔隙度逐渐减小，孔隙度降低趋势初期比后期要明显，但总体上，孔隙度降幅并不明显。孔隙度表征储层岩石孔隙体积大小，孔隙体积随有效应力的变化规律与孔隙度的变化规律是一致的。在有效应力增加的过程中，孔隙体积缩小说明岩石发生变形。

储层岩石中泥质及胶结物含量相对较高，岩石颗粒分选性差，孔喉细小狭窄。有效应力增大过程中，首先挤压较软的泥质填充物，使得喉道及微裂隙变小或被堵塞，其次挤压胶结物，最后挤压强度最大的岩石颗粒，而储层岩石颗粒在地下承受了巨大的上覆岩层压力，致使其压实程度较强，因此，与孔隙体积的减小量相比，岩石骨架受压缩减小量更小，可以忽略不计。所以，低渗储层岩石的变形更多属于弹塑性变形，而非线弹性变形。除此之外，当储层岩石孔隙结构发生变形时，附着在岩石孔隙表面的松散颗粒脱落，在孔隙空间中运移且易在狭窄孔隙或喉道处堆集堵塞，导致储层岩石渗透率下降。

图2 岩样的孔隙度变化

孔隙度应力敏感性可以通过孔隙度应力损害率进行定量及定性分析。根据图3得出5块岩心的孔隙度应力损害率随着有效应力的增加而增加，但基本都比较低（＜6.5%），说明岩心孔隙度随有效应力增大下降幅度并不是很明显。

图3岩样的孔隙度应力损害率

2.2 渗透率应力敏感试验

2.2.1 试验结果分析根据渗透率应力敏感试验结果分析发现，随着有效应力的增大，初期渗透率的降低幅度明显，后期渗透率的降低幅度减小，逐渐趋于平缓。主要是因为储层岩石受到上覆岩层压力时，首先是骨架结构变异，其次是岩石孔隙结构的变化；尤其是具有一定含量胶结物的岩石，胶结物强度明显小于骨架颗粒强度，受力时首先发生变形。所以，在有效应力增大的初期，岩石骨架最先受到压缩而变形，随后为较大孔隙和喉道变形。储层岩石中的微孔隙、喉道以及微裂缝开始变形、缩小甚至闭合将使得渗透率大幅度减小；在有效应力增大的后期，较高的压缩导致剩下的多为不易闭合的喉道，渗透率大幅度损失，基本达到停滞状态。

对比分析升围压过程与降围压过程（见图4），加载和卸载曲线并不能完全重合，说明渗透率不能恢复到储层初始应力状态下的渗透率值，而且有效应力变化初期，渗透率相差幅度较大，存在明显的渗透率滞后效应。分析发现储层岩石在有效应力变化时，发生的变形是弹塑性变形。尤其是当低渗透致密砂岩气藏的高速开采时，导致地层压力下降明显加快，产生渗透率应力敏感效应，进而造成储层伤害，气井产量下降。储层渗透率应力敏感性引起的储层伤害是一种永久性、不可逆的伤害。

图4 岩样升降围压对比图

2.2.2 渗透率应力敏感性评价根据石油天然气行业标准“SY/T5358-2010储层敏感性流动试验评价方法”，渗透率应力损害率是指有效应力增加时渗透率的损失百分数，其计算式如下：

式中：k－不同有效应力下的渗透率；k0－原始有效应力所对应的渗透率；Dk－不同有效应力所对应的渗透率损害率值。

图5 岩样的渗透率应力损害率

当渗透率应力损害率Dk值越大，对储层渗透率造成应力损害程度越严重。通过渗透率应力损害率对渗透率应力敏感性进行定量及定性分析，5块岩心的渗透率应力损害率随着有效应力的增加而快速增加，渗透率应力损害率都很大，最高渗透率应力损害率达到92.16%，说明岩石孔喉的轻微减小导致气体渗流能力变差，岩心渗透率随有效应力增大下降幅度极其明显，渗透率损害程度很强，储层伤害严重（见图5）。

2.2.3 渗透率应力敏感关联式根据国内外石油学者对储层岩石渗透率与有效应力之间的变化规律的分析研究，对试验岩样升压过程中无因次渗透率与有效应力之间的关系进行指数和乘幂拟合，建立各物性参数的应力敏感关联式，分析储层岩石渗透率随有效应力变化符合指数和乘幂曲线拟合关系，其中相关性较好的是乘幂关系。

选择乘幂关系拟合并进行归一化处理，得到无因次渗透率与有效应力的乘幂关联式：

式中：pe－有效应力；d－拟合系数；τ－应力损害系数。

5块岩心样品的渗透率应力损害乘幂拟合相关系数d和τ统计（见表2），从表2中相关系数可以看出，相关系数较高且均在0.98以上，无因次渗透率与有效应力的乘幂关联式拟合较好。5块岩心样品渗透率应力损害系数并不是常数，该值越大，应力损害越大，与渗透率应力损害率变化程度一致。当渗透率应力损害系数为0时，拟合系数等于1，此时为不考虑渗透率应力损害时，k为原始有效应力所对应的渗透率。

表2 渗透率应力敏感关联式乘幂拟合时相关系数统计

在开发过程中，由于气藏的储层有效上覆岩层压力（有效应力）变化远远小于室内试验测试中的有效应力变化范围，且实际气藏的储层原始有效上覆岩层压力并不仅仅只有2.5 MPa。所以，现场气田开采过程中，储层岩石渗透率和孔隙度变化是在实验室测定绘制渗透率应力损害曲线的中后段而不是前段，由此可知实际储层条件下的渗透率应力伤害比实验室的渗透率应力伤害要小；综上所述，孔隙度应力伤害不明显，实际储层渗透率的应力伤害依然很大，不容忽视。