测试条件对低渗气藏岩心应力敏感性的影响

闫 健，付美涛，王 瑞，刘晓娟，齐傲江

(西安石油大学 陕西省油气田特种增产技术重点实验室，陕西 西安 710065)

引 言

低渗油气藏开发过程中，由于地层压力的变化，导致岩石所承受的净压力发生变化，根据岩石力学理论，净压力的变化会导致储层岩石发生弹性或塑性变形，而岩石的变形势必又会导致岩石孔隙空间的变化[1]，从而影响气体的渗流能力及气井的产能[2-3]。正确评价储层应力敏感性对优化开发方式及分析油井产能影响因素至关重要。目前评价储层应力敏感性主要测试方法是石油行业标准SY/T 5358-2010《储层敏感性流动实验评价方法》，该评价方法采用的是单轴测试法。国内部分学者对应力敏感的测试方法进行了研究，结果表明三轴应力下的测试结果更接近现场实际[4-6]，但三轴应力下测试方法目前未有国家和石油行业标准，对测试条件也未有明确规定。鉴于不同的测试条件可能带来不同的测试结果，本文通过室内实验，探讨了出口端的回压、轴向应力大小、围压加载速度对低渗气藏应力敏感性的影响。

1 实验设备及流程

1.1 实验设备

实验设备采用法国TOP生产的自适应三轴测试系统(ROCK600-5HT),具有如下特点：最大轴向应力100 MPa，最大围压50 MPa，最大入口压力10 MPa；采用了特殊高精度应力环；可以耦合化学、机械和温度场；泵的最大流量15 mL/min；测试效率高等。测试样品的直径可以是50 mm或25 mm。因原设备无法测量气体流量，所以在本次测试过程中对设备进行了改进，出口端连接皂膜流量计，以精确计量气体流量。

本次所用测试样品均为苏里格气田盒8低渗透气藏天然岩心，制作成柱状，样品直径为25 mm，长度50 mm，两端磨平，渗透率(0.017～3.315)×10-3μm2。实验气体为高纯氮气，测试温度为20 ℃。

1.2 测试方法及流程

对于三轴应力下的低渗气藏岩心应力敏感性测试目前还没有相应的测试标准，本次测试方法主要借鉴石油行业标准SY/T5358-2010，采用变围压方法进行测试，实际为拟三轴压力测试，实验流程见图1。实验主要测试出口端有无回压、轴向应力大小、围压加载速度对低渗气藏应力敏感性测试结果的影响。

图1 三轴应力敏感测试流程Fig.1 Flow chart of triaxial stress sensitivity test

(1)无回压影响测试方法。设定出口端回压p4为大气压，轴向压力p1为1 MPa，围压p2为3 MPa，入口压力p3为0.3 MPa，驱替压差0.2 MPa，稳定30 min后，测试出口端气体流量，若气体流量达到稳定，则根据测得的气体流量计算气测渗透率。然后改变围压至6 MPa、9 MPa、12 MPa、15 MPa、18 MPa，待气体流量稳定后，测试相应的气体渗透率。

(2)有回压影响测试方法。设定出口端回压p4为0.6 MPa，改变入口压力p3为0.8 MPa，确保与(1)中相同的压力梯度，然后重复(1)中实验过程。比较出口端有回压和无回压时的应力敏感性。

(3)轴向应力影响测试方法。设置轴向应力p1为1 MPa、4 MPa、8 MPa、12 MPa，然后重复(2)中实验过程。分析加载轴向应力后，对应力敏感性测试结果的影响。

(4)围压加载速度影响测试方法。设置围压加载速度为0.15 MPa/min、0.30 MPa/min、0.50 MPa/min、1.0 MPa/min，重复(2)中实验过程，分析围压加载速度对应力敏感性测试结果的影响。

2 实验结果分析

2.1 回压的影响

研究表明，当气体在多孔介质中的渗流速度较低时，将会出现一个很重要的现象，即“气体滑脱”，而该现象会导致气测渗透率大于绝对渗透率。随着孔径的减小，气体滑脱会变得更为明显[7-9]。因此，在岩心应力敏感性测试过程中，应尽量减小气体滑脱作用对气测渗透率测试结果的影响，以真实反映应力变化下岩心绝对渗透率的变化。而气体滑脱效应可以通过出口端施加一定回压以提高孔隙压力的方法进行削弱。对于出口端回压值的选取，笔者对不同渗透率干燥岩心单相气体渗流特征进行了研究，发现在回压0.6 MPa，平均压力(孔隙压力)倒数低于1.5后，随驱替压差的增大，气测渗透率已贴近其绝对渗透率，即气体滑脱效应已大大减弱，但不能完全消除，如图2所示。因此，在本次实验过程中，出口端回压取0.6 MPa，入口压力取0.8 MPa。

图2 不同渗透率岩心0.6 MPa回压下克氏回归曲线Fig.2 Klinkenberg regression curves of different permeability cores under back pressure of 0.6 MPa

本次实验采用了2组不同渗透率级别的天然岩心，而每组岩心渗透率相近，测得不同净围压(围压与孔隙流体压力之差)下的无因次渗透率，实验结果见图3。

图3 无因次渗透率与净围压关系曲线Fig.3 Relationship between net confining pressure and dimensionless permeability

可以看出：不论出口端有无回压，随着净围压的增加，低渗岩心无因次气测渗透率快速降低，当岩心所承受的净围压增加到一定值后，无因次渗透率减小速度有所变缓，这和常规低渗油藏岩心应力敏感性实验结果类似，两者之间的拟合结果见表1。

表1 回压影响下的岩心无因次渗透率与净围压关系拟合结果Tab.1 Fitting relationships between dimensionless permeability of cores and net confining pressure under effect of back pressure

即无因次渗透率与净围压之间的关系均符合较好的指数函数

(1)

其中：KD为无因次渗透率；k为净围压下的气测渗透率，10-3μm2；ki为原始气测渗透率，10-3μm2；α为应力敏感系数，MPa-1，由实验确定；pi为原始地层压力(实验中对应初始围压值)，MPa；p为平均地层压力(实验中取平均孔隙压力值)，MPa。

从图3及表1中的实验结果还可以看出：出口端存在回压与无回压测得的应力敏感性存在一定的差别：即在岩心出口端存在回压时，测试的应力敏感性更为明显[9]，且渗透率越低，差异越大。分析原因，当出口端存在回压时，岩心的孔隙压力较高，气体滑脱效应变弱，导致气测渗透率减小，接近相应净围压下的绝对渗透率。同时，随着净围压的增加，岩心孔隙和孔喉变小，这将导致在无回压时的气体滑脱效应更为显著，气测渗透率比该净围压下的绝对渗透率更大，而且岩心本身渗透率越低，孔喉越小，气体滑脱效应越强。所以，当净围压增大时，出口端无回压与有回压测试的渗透率差异越大，且渗透率越低的岩心差异更为明显。

比较不同渗透率岩心测试结果(图4)，可以观察到渗透率越低的岩心，在同样的净围压下，岩心渗透率下降幅度越大，结合表1中拟合结果，岩心应力敏感系数α越大，应力敏感性越强。这与常规单轴应力下的岩心应力敏感性测试结果相似[10-17]。

2.2 轴向应力的影响

岩石在储层中所受应力为三向应力：上覆岩层压力及两个水平应力。常规应力敏感性实验仅加载了围压(上覆岩层压力)，并未单独加载轴向应力，所得结果与现场实际有所差别。本次实验实际为拟三轴实验，即在施加围压的同时施加轴向应力。实验所用岩心是在同一全直径天然岩心相近位置上钻取的，物性相近，用于进行平行实验。

图4 不同渗透率岩心应力敏感性(p4=0.6 MPa)Fig.4 Difference in stress sensitivity of different permeability cores (p4=0.6 MPa)

不同轴向应力下的实验结果见图5，无因次渗透率与净围压之间的拟合关系见表2。结果显示：随轴向应力的增加，在同样的净围压下，岩心气测渗透率越高，即随轴向应力的增大，应力敏感性越来越弱。分析原因：一方面，岩心从地层到地面，由于应力的释放，可能会形成一些微小的裂隙，或者岩心本身具有一定的微裂隙，在常规应力敏感测试过程中，低应力下的微裂隙闭合导致了渗透率的快速下降，表现为较强的应力敏感性，而在三轴应力测试中，由于围压和轴压两者的共同作用， 岩心中的微裂隙已经闭合，所以其下降幅度变小；另一方面，当围压增加时，在孔隙压力不变的情况下，净围压也随之增大，而这将导致岩心的轴向变形，轴向位移有变大的趋势，但是由于轴向力的存在，使得轴向长度变形受到限制，因此，岩心孔隙和孔隙喉道变形有限，渗透率下降幅度变小，宏观上表现为应力敏感性越来越弱。

图5 不同轴向应力下无因次渗透率与净围压关系曲线Fig.5 Relationships between net confining pressure and dimensionless permeabilityunder different axial stress

轴向应力/MPa岩心号原始渗透率/10-3μm2拟合结果αR21.0H5#0.3870.1210.988 2H6#2.5330.0910.989 94.0H7#0.3790.0970.989 5H8#2.5740.0720.991 18.0H9#0.3940.0870.989 7H10#2.4950.0630.996 512.0H11#0.3880.0800.985 7H12#2.5270.0580.997 0

岩心应力敏感系数的大小可以直接反映其变形程度：值越大，反映越容易变形，反之则越难[18]。不同渗透率岩心在不同轴向应力下得到的应力敏感系数α见表2。两者之间变化关系曲线见图6，可以看到，随轴向应力的增加，岩心应力敏感系数越来越小，且在轴向应力低于4.0 MPa时，应力敏感系数下降幅度较大，而在轴向应力大于4.0 MPa时，应力敏感系数下降幅度变缓，最终趋向一个极值，即应力敏感程度越来越接近。分析原因，主要是随轴向应力的增加，岩心孔喉可变形的幅度越来越小，测得的气气测渗透率变化幅度也越来越小。

图6 不同渗透率岩心在不同轴向应力下的应力敏感系数Fig.6 Relationships between stress sensitivity coefficient and axial stress of different permeability cores

2.3 围压加载速度的影响

目前对于围压加载速度对岩心应力敏感性的影响鲜有报道，在现有的行业测试标准中也未提及。通常情况下，低渗气藏的地层压力下降速度在10-6～10-5MPa/min级别，而对于室内实验，加载速度可能达到10-2MPa/min级别，即现场实际的应力加载速度可能要远远小于室内实验加载速度。本次实验在其他实验条件相同的条件下，设定不同的围压加载速度，以分析加载速度对应力敏感性的影响，实验结果见图7。不同加载速度下的应力敏感系数变化见图8。

图7 加载速度对应力敏感性测试结果的影响Fig.7 Effect of loading speed on stress sensitivity

图8 应力敏感系数随加载速度变化关系Fig.8 Relationship between stress sensitivity coefficient and loading speed

从图7、图8中可以看出：围压加载速度越大，岩心应力敏感系数越大，应力敏感性越强，但加载速度增加到一定程度，应力敏感系数增加幅度逐渐变小。出现该现象可以从材料力学理论进行解释：加载越快，岩心塑性变形越快，变形程度越大。而塑性变形程度越大，岩心的孔隙和孔隙喉道越小，渗透率也越小，体现为应力敏感性越强。但对于现场实际来说，一般地层压力下降的速度较小，其远远小于实验过程中的压力加载速度。因此，在测试岩心应力敏感性过程中，应选择合理的加载速度，若加载速度过快，则可能夸大实际地层的应力敏感性。但在实验操作过程中，要贴近实际地层压降速度，则需要耗费很长时间。要缩短室内测试时间，可通过测试不同加载速度下应力敏感性，得到应力敏感系数随加载速度的变化关系，从而对应力敏感系数进行修正。

3 结 论

(1)在本次实验条件下，低渗气藏无因次渗透率与净围压之间符合较好的指数函数关系，无因次渗透率在较低的净围压下下降幅度较大，在较高的净围压下下降幅度减小。

(2)随出口端回压的增大，孔隙压力逐渐增大，气体滑脱效应逐渐减弱，而气体滑脱效应越弱。测得的低渗气藏应力敏感性越强；随应力增加，孔喉变小，气体滑脱效应影响越大；渗透率越低，气体滑脱对应力敏感性影响越明显。

(3)轴向应力的加载，减弱了低渗气藏应力敏感性；随轴向应力的增大，岩心轴向变形位移越小，其应力敏感性越来越弱。为了模拟真实气藏条件，低渗气藏应力敏感性测试应在三轴条件下进行。

(4)围压加载速度越快，测得的低渗气藏应力敏感性越强，而真实气藏压力下降速度要远远小于实验过程中加载速度，因此，要获得真实气藏应力敏感性，应选择合理加载速度或对应力敏感系数进行修正。

(5)本次实验主要改变的是岩心围压加载速度，而真实气藏变化的主要是孔隙压力，后续实验将改变孔隙压力，即通过定围压变内压的方法在拟三轴条件下测试低渗气藏岩心的应力敏感性，使实验结果更贴近现场实际。