致密砂砾岩储层应力敏感性评价研究*

2020-06-30范希彬户海胜

中国海上油气 2020年3期

张景王颖范希彬户海胜杨鑫李闽

(1. 新疆油田公司勘探开发研究院新疆克拉玛依 834000； 2. 油气藏地质及开发工程国家重点实验室西南石油大学四川成都 610500)

随着油气资源的持续开采，储层流体不断被采出，岩石骨架会被压缩，储层岩石孔隙流体压力会发生变化，储层岩石的物性参数(如孔喉半径、孔隙形状等)会随应力的变化而变化，其中比较显著的就是渗透率变化，这就是储层的应力敏感。致密储集层含有丰富的油气资源，或将成为油气资源的主力储集层[1]，致密砂岩储层应力敏感性也一直是研究热点[2]。目前，国内外专家对常规储层应力敏感性进行了大量研究并形成了完善的体系，但针对致密砂砾岩储层应力敏感性研究仍较少，致密砂砾岩储层应力敏感性评价也没有统一的标准。调研中发现，对于致密砂砾岩储层应力敏感性的评价，实验室采用的有效应力评价方法与生产现场采用的常规基质应力敏感评价方法存在着较大差异，评价的结果也有很大的差别。本文通过研究有效应力与储层渗透率的变化关系来模拟真实地层应力的变化情况，指导油气藏开发，提高最终采收率，从而追求经济效益最大化。

1 非线性有效应力敏感实验

1.1 岩心样品基本物性

实验岩心(图1)表面明显可见巨大的砾石嵌于岩心内部，砾岩成分，岩性主要为灰绿色、灰色砂质砾岩、中砾岩、小砾岩、细砾岩等，以砂砾状结构为主，支撑方式为颗粒支撑，其接触方式为线接触和点线接触为主。砾石大小以中砾、小砾含量居多，最大粒径为30 mm。岩石分选性中等偏差，岩石颗粒磨圆度不好，主要为次棱角状、次圆状。胶结物含量较低，胶结物类型以方解石为主，胶结中等较致密。所选实验样品岩心共4块，基本物性参数见表1。

图1 储层砂砾岩样品实物图Fig .1 Photograph of one of the glutenite gravel samples

表1 砂砾岩岩心基本物性参数
Table 1 Fundamental properties of the four glutenite gravel samples

岩样编号直径/cm长度/cm干重/g孔隙度/%测试流体139-122.499 5.00357.621 16.1氮气 154-152.504 5.564 65.306 10.4氮气139-132.502 5.129 59.837 9.12地层水601-22.503 5.558 60.2627.90 地层水

1.2 实验装置与实验方法

实验室评价应力敏感性实验一般有稳态法与非稳态法实验，由于所选岩心渗透率极低，故本文所采用的实验方法为非稳态法，即压力脉冲衰减法。实验所用仪器为Black-Stone I型应力敏感性脉冲测试仪，实验装置见图2。

实验主要装置包括岩心夹持器、围压泵(允许最高围压60 MPa)、内压泵、真空泵、数据采集软件、控制面板、PC端、上游水箱和下游水箱等，允许最高孔隙压40 MPa，岩心重复性测试误差小，性能稳定。

实验分别用氮气与地层水为介质测试了4块岩心的渗透率，为了模拟地层条件，实验流体采用3%浓度KCl盐水。实验步骤分为2步：①岩心老化[3-4]实验(恒定孔压变围压)，岩心老化实验可以消减岩样塑性变形，使岩心性质变得更加稳定，减小实验所带来的不必要误差；保持进口压力1 MPa不变，缓慢增加围压，顺序为5、10、15、20、25、30、35、40 MPa，然后再按照此梯度减小至5 MPa，并且在每个围压下稳定20 min，如此进行2次循环，分别记录每个围压下的脉冲压力随时间的变化关系，脉冲压差统一取1.5 MPa；②恒定围压变孔压实验，实验分为3组，分别采取围压为30、35、40 MPa，在每组恒定围压不变后变化孔压8、12、16、20、24 MPa，在每个孔压值下稳定30 min后记录脉冲压力随时间的变化关系，脉冲压差取1.5 MPa。实验对气密性要求极高，时刻检查装置的密封性是实验成功的关键。

图2 Black-StoneⅠ型应力敏感性脉冲测试装置示意图Fig .2 Diagram of Black-Stone I rock stress sensitivity measurement setup

1.3 实验数据处理方法及结果

得到脉冲压力与时间的关系后，由琼斯计算方法[5](式(1))计算压力脉冲衰减法渗透率：

(1)

式(1)中：m1为脉冲压力的对数与时间关系曲线的斜率，无量纲；μL为液体黏度，mPa·s；L为岩心长度，cm；A为岩心横截面积，cm2；cL为液体压缩系数，MPa-1；cV1为上游水箱的压缩系数，MPa-1；f1取决于孔隙体积、水箱体积、渗流介质和容器压缩性；V1、V2为上、下游水箱的体积，cm3。

净应力为围压与内压的差值，岩心601-2老化处理中渗透率与净应力的关系见图3。岩心在不同围压下渗透率随孔隙内流体压力的变化关系见图4。

图3 岩心601-2老化处理时渗透率随净应力变化关系Fig .3 Permeability vs. confining pressure of Sample 601-2 during aging test

图4 4块岩样岩心渗透率与孔压变化关系Fig .4 Permeability vs. pore pressure of the four samples

Terzaghi[6]定义有效应力为围压与孔压的差值，即

pd=pc-pf

(2)

式(2)中：pd表示Terzaghi有效应力，MPa；pc表示围压，MPa；pf表示孔压，MPa。为了研究适用于石油地质的有效应力peff，Robin[7]提出了：

peff=pc-κpf

(3)

式(3)中：κ是有效应力系数(一般是常数，无因次)，其值常与岩心矿物组成、组成颗粒物大小、孔隙形状、胶结物成分与含量等有关；一般认为有效应力系数为1.0[8-9]或接近1.0[10-15]，李闽等[16]还发现了低渗致密砂岩有效应力具有非线性特点。

要计算有效应力就必须计算有效应力系数，响应面法[17]是计算有效应力系数的主要方法，利用Matlab软件拟合数据，经过处理响应面(图5)得到不同压力下的渗透率等值线(图6)，由渗透率等值线斜率得到有效应力系数，从而计算出有效应力peff。

岩样渗透率随有效应力的变化关系如图7所示。

图5 岩样601-2渗透率响应面Fig .5 Sample 601-2 permeability response surface

图6 岩样601-2渗透率等值线Fig .6 Sample 601-2 permeability contour

图7 4块岩样岩心渗透率与有效应力变化关系Fig .7 Permeability vs. effective stress of the four samples

1.4 结果分析

从图3可以看出，随着老化回路的增加，渗透率变化的幅度越来越小，表明岩心的性质趋于稳定，并且老化次数越多，岩心的稳定性越好，越利于实验，能充分保证实验可靠性。

从图4可以看出，致密砂砾岩岩心渗透率随孔隙内流体压力增加而增加，并且不同围压下，渗透率随孔隙内流体压力变化幅度不一样，如岩样601-2在围压为30 MPa、孔压为8 MPa时渗透率为1.98×10-3mD，孔压为24 MPa时渗透率为6.95×10-3mD，单位压降渗透率变化率为4.47%；围压为35 MPa、孔压为8 MPa时渗透率为1.17×10-3mD，孔压为24 MPa时渗透率为4.05×10-3mD，单位压降渗透率变化率为4.44%；围压为40 MPa、孔压为8 MPa时渗透率为1.02×10-3mD，孔压为24 MPa时渗透率为1.82×10-3mD，单位压降渗透率变化率为2.75%。可见，随着围压的增加，渗透率随孔压变化的幅度越来越小，敏感性也越来越弱。

岩样产生渗透率变化的原因和岩石种类及颗粒含量与大小有关[18]，随着围压增加，岩样内部孔隙和喉道受力产生变形，喉道首先闭合，而孔隙基本不产生形变；而随着围压继续增加，内部喉道孔隙体积被压缩体积越来越小，因此渗透率减小趋势会越来越慢，颗粒间的压实作用会减弱，故会出现上述情况。

现场测量储层应力敏感性多采用常规基质应力敏感实验(恒定低孔压变围压)，图8为现场岩心601-2渗透率与围压变化关系图。

图8 样品601-2渗透率与围压变化关系Fig .8 Permeability vs. net confining pressure of Sample 601-2

不难发现，常规基质应力敏感实验过程相当于实验室应力敏感性实验的老化过程(第一个老化回路)。

2 应力敏感性评价

得到渗透率与有效应力之间的关系后，用Jones[19]模型评价此致密砂砾岩储层渗透率应力敏感性。

(K/Kref)1/3=1-Sln(peff/pref)

(4)

式(4)中：K表示选取参考点的渗透率，mD;Kref为参考有效应力下对应的渗透率，mD；pref为选取参考点的有效应力，MPa；S是应力敏感系数，通常S值越大应力敏感性越强，评价标准见表2。

表2 Jones应力敏感性评价标准Table 2 Jones stress sensitivity evaluation criteria

同时由图7可以看出，致密砂砾岩储层岩心渗透率随有效应力增加而减小；随着有效应力增加，渗透率降低幅度会减小，两者呈幂函数关系，用Jones方法评价该样品，评价结果(表3)为中等应力敏感。

表3 Jones应力敏感性评价结果Table 3 Results of Jones stress sensitivity evaluation method

现场一般采用行业标准法[20]来评价储层岩石的应力敏感性：

(5)

式(5)中：DK为渗透率的损失比，表示岩石应力变化过程中渗透率的损失量；Ki通常表示初始渗透率。

应力敏感性评价标准见表4。

表4 行业标准法应力敏感性评价标准Table 4 Industry standard stress sensitivity evaluation criteria

岩心601-2加载过程起始点渗透率为0.017 mD，加载终点渗透率为0.003 92 mD，渗透率损失比为76.9%，评价结果为强应力敏感。

因此，现场实验方法评价结果是强应力敏感，Jones方法得到的结论为中等应力敏感；现场评价应力敏感性的方法相当于实验室评价应力敏感的老化实验，只是简单的考虑了储层岩石覆压的变化(净应力)来评价其应力敏感性，但是净应力并不能准确的用以评价应力敏感性[21]；而实际生产活动中，相比于围压变化，主要是因为地下流体采出引起的孔隙流体压力变化，从而引起有效应力变化。应力敏感发生在致密砂砾岩储层开采的各个阶段，现场方法不能准确反映开采各个阶段的渗透率变化，也不能反映有效应力的变化；Jones方法评价储层岩石应力敏感性考虑了孔压的变化，利用有效应力反映开采过程中各个阶段渗透率的变化情况，通过有效应力系数来反映致密砂砾岩储层中岩石孔隙形状、所充填砾石颗粒大小、形状、矿物组成、胶结物类型及其含量等物性因素的影响，因此会与现场方法有一定的差别。