超低渗致密砂岩储层应力敏感性及其成因机理研究——以大牛地气田上古生界山2段储层为例

朱秀兰，冉彦龙，许 泰，李彦举

(1.陇东学院 能源工程学院，甘肃 庆阳 745000；2.甘肃能源集团有限责任公司，甘肃 庆阳 745000)

近年来，我国每年新增探明天然气储量中，90%以上的天然气储量都来自低孔、低渗气藏。低孔、低渗砂岩气藏储层孔隙结构复杂、孔喉尺度小(多数孔喉直径小于1μm)、泥质及胶结物含量较高，常规方式开发难度大，开采效益差。国内外许多学者基于储层应力敏感性与渗透率初值关系的实验研究，认为储层渗透率越低，才能引起应力敏感性，且应力敏感性越强[1-3]。大量低渗储层岩石应力敏感性实验结果[4-6]表明，在开采过程中，随着储层压力降低，岩石受压缩变形，孔隙度、渗透率等物性参数出现明显降低的趋势，呈现出较强的应力敏感性。上述现象与孔隙结构和微裂缝密切相关，且微裂缝越发育其应力敏感性越强。从岩石力学角度[7-8]分析认为，储层岩石发生弹塑性形变，与岩石骨架，如碎屑颗粒硬度、颗粒接触关系和胶结类型等有关。综上所述，储层自身内部因素对储层应力敏感性程度起决定性作用。通过扫描电镜、CT扫描、X衍射、岩石铸体薄片和恒速压汞等微观实验手段[9-10]，对储层岩石物性可进行全面详细的微观研究，但缺少针对储层应力敏感性成因机理的岩石物性分析研究。

本文以鄂尔多斯盆地的大牛地气田上古生界山2段储层岩石为例，重点从储层岩石内部因素(岩石类型及其成分、孔喉结构特征及其尺寸分布、填隙物含量、成岩作用、裂缝特征等)分析研究储层成因控制与储层应力敏感性的相关性，提出防止储层发生应力敏感损害的措施，对超低渗致密砂岩气藏开发提出合理建议。

1 渗透率应力敏感性实验

1.1 实验原理

在超低渗致密砂岩气藏储层的开发过程中，采出流体将引起储层能量亏空、地层流体压力下降，进而使得储层岩石骨架的有效应力增大、岩石骨架颗粒与孔喉结构间的原始关系发生变化，最终引起流体渗流通道发生变化、储层渗透率急剧下降、气藏开采受限。因此，储层渗透率随着储层所受环境的改变(如：储层流体流动方式的不同、物理或化学状况的变化及外来介质的侵入等)而发生相应的变化，即为储层应力敏感性。

本次实验采用实际储层岩样模拟真实地层条件开发过程，参照我国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》，开展超低渗致密储层应力敏感性评价实验。根据Terzaghi与多孔介质双重有效应力理论，在应力敏感性评价实验中，实验施加的围压模拟储层岩样所承受的上覆岩石压力，内压(控制回压)模拟孔隙流体压力，二者差值为储层岩石的有效应力。实验方法采用内压恒定不变，改变围压的方式来实现有效应力的改变，即通过定内压变围压的方式来模拟实际气藏开发过程。

1.2 实验装置及流程

储层应力敏感性评价实验仪器主要包括从美国Core Laboratory公司引进的氦气孔隙度仪、手动高压泵(施加围压)、岩样夹持器和氦气瓶。实验测定时，将岩样饱和氮气，同时保证模拟地层温度90.4℃，保持内压恒定，通过改变岩样的围压来改变有效应力。在不考虑水相存在的条件下，进行渗透率应力敏感性评价测试。逐渐升高围压，此时模拟储层开采过程，使得有效应力从2.5MPa、5MPa、10MPa、15MPa、20MPa、25MPa、30MPa、40MPa逐渐增加，直到最高有效应力测试值40MPa；升高围压测定过程结束后，再逐渐降低围压至最低有效应力测试值2.5MPa，此时模拟储层地层压力恢复过程。通过连接在岩样夹持器出口端的皂沫流量计，分别记录每一次测试有效应力点条件下稳定后的气体流量以及相应的岩样进出口压力值，再根据气测渗透率公式，计算出不同有效应力点时的岩样渗透率，实验流程图如图1所示。

图1 渗透率应力敏感性实验流程图

1.3 实验样品

以鄂尔多斯盆地大牛地气田的上古生界山2段储层岩样为研究对象，开展储层应力敏感性实验。所选的5块岩样渗透率范围为(0.0471～0.259)×10-3μm2，属于致密超低渗储层，如表1所示。饱和岩样的氮气粘度为0.0177mPa·s，其粘度低节省实验时间，与岩石不会发生任何物理化学反应。

表1 储层渗透率应力敏感性实验岩样

1.4 实验结果分析

不同有效应力条件下岩样渗透率对比图，如图2所示。随着有效应力的增大，岩样的渗透率减小，渗透率变化幅度以有效应力12MPa为分界点，曲线呈现为斜率不同的2个阶段。第1阶段：初期渗透率急剧下降，最大降幅60%左右；第2阶段：后期渗透率下降逐渐趋于平缓，最大降幅30%左右。总体上，属于“先快后慢”型应力敏感性损害模式。分析认为，第1阶段储层岩样受到压缩，首先发生变形的是较大孔隙、易闭合的喉道和微裂缝，其轻微减小储层渗透率将明显降低，因而渗透率降幅较大；第2阶段压缩至某一有效应力点后，难以闭合的喉道、小孔隙基本无变形，因而岩样压缩量降低，渗透率降幅逐渐减小至几乎停滞的状态。综上所述，由于孔喉大小及结构的改变引起了储层渗流通道变化，导致储层渗透率降低，出现应力敏感。

图2 岩样(升降围压时)渗透率对比图

模拟地层压力恢复的降围压实验过程中，随着有效应力的降低，岩样渗透率逐渐增加。加压后卸压(升降围压)，二者关系曲线并不能重合，5块岩样不可逆渗透率损失率为24.11%～46.31%。这表明储层岩石发生了不同程度的弹塑性变形，产生了不可逆的应力敏感损害。

从图3岩样的渗透率应力敏感性损害率关系曲线图可以看出，5块岩样的渗透率应力敏感性损害率随有效应力的增加而逐渐增大，岩样的渗透率应力敏感性损害率最大达到89.11%，且为NO.3岩样。根据岩样应力敏感性损害程度评价指标[11]，5块岩样的损害程度均很强(均大于70%)，故该超低渗致密砂岩储层应力敏感性较强。这说明在超低渗致密气藏的采气过程中，储层应力敏感性损害不可避免。为保证气井产量，需要保持合理的井底流压或采取人工措施改善地层渗透率，减小储层应力敏感性损害。

图3 岩样的渗透率应力敏感性损害率关系曲线图

在超低渗致密砂岩气藏开发过程中存在明显的固液耦合的正反两方面作用，即：地层压力降低，有效应力升高。一方面是可以增加弹性驱动采气量，提高气井产能；另一方面是储层产生应力敏感性，导致气井产量下降。但是，由于在开发过程中气藏的有效应力变化并没有实验测试中的有效应力变化范围那么大，且实际气藏的原始有效应力并不仅有2.5MPa，因此，实际的渗透率变化是在实验室所得的应力损害曲线的中后段而不是前段。这样就使实际地层条件下的应力伤害比实验室的应力伤害要小，但总地来说，渗透率的应力伤害却仍然很大，不容忽视。

2 应力敏感成因机理

超低渗致密砂岩储层应力敏感程度主要取决于两方面，一是外部因素，即岩石受力状态(上覆岩石压力以及地层压力变化等)；二是内部因素，主要是岩石的组成、物理化学性质和结构构造，即：岩石学特征、成岩作用、裂缝特征等[12-13]。储层岩石属于超低渗致密多孔介质，根据岩石孔喉变形理论，导致岩石受力状态改变的外部因素，均能使储层岩石发生应力敏感。因此，通过对储层本身性质的分析研究，确定岩石发生形变产生应力敏感的成因机理。

2.1 岩石物性

2.1.1 岩石组分

山2段储层岩性主要为中-粗粒岩屑砂岩、少量的中-粗粒岩屑石英砂岩。其中碎屑颗粒中石英含量平均为71.7%；长石含量较少，平均为1.8%；岩屑含量平均为26.5%，如图4所示。在成岩过程中，由于该区块储层长石多数为钾长石且其稳定性低，受搬运及风化作用影响而大量石化，所以导致长石含量较低。

图4 岩石组分含量直方图

储层主要填隙物为泥质杂基-粘土矿物，高含量泥质伴生发育黑云母；其他自生矿物种类较多，主要为伊利石和方解石，以及少量的硅质、高岭石、绿泥石、白云石和菱铁矿。

储层岩石由多种矿物组成，不同矿物其硬度也不同。岩石矿物中石英的硬度最高，岩屑的硬度一般较低，云母和粘土类矿物的硬度最低，硬度高的矿物无形变或形变量很小。山2段储层岩石矿物主要为石英，受压不容易发生变形。但是，其中填隙物中泥质含量较高，泥质-粘土矿物受到外力作用时，易发生塑性变形或破碎，当外力作用减小时变形也不能恢复，使孔隙及流体渗流通道减小，甚至可能产生微粒运移而堵塞孔喉。当储层压力降低时，受岩屑以及填隙物影响，储层岩石骨架发生不可逆的变形，渗透率出现不可逆损失，应力敏感性增强。

2.1.2 孔隙类型及结构

该区块上古生界气藏孔隙类型有粒间孔、次生溶孔、晶间微孔和微裂缝(岩石缝和粒间缝)，其中山2段储层孔隙类型以粒间孔和次生溶孔为主。多数岩样孔隙发育或较发育，孔隙分布均匀，连通性较好，少数部分岩石致密少见孔隙或未见孔隙，孔隙大小不均，连通性差。喉道主要类型为缩颈型、片状型或弯曲片状型，平均喉道半径为0.1～0.5μm。与中、高渗砂岩相比，该储层具有中低孔、小喉、非均质性强的特点，孔喉比大且分布范围较宽，孔隙空间发育不均匀，孔隙和喉道连通性差，孔隙结构复杂。当该气藏投入生产，储层岩石承受的有效应力逐渐增大，岩石孔隙和喉道体积缩小，基本上为弹性变形，也是超低渗致密砂岩变形的主要部分。与孔隙相比，喉道半径较小且易闭合，所以喉道闭合对超低渗致密砂岩储层应力敏感性损害的影响极大。

2.1.3 颗粒及胶结方式

山2段储层岩石颗粒分选中等偏好，但磨圆度较差，大部分呈次圆-次棱角状，多数颗粒呈原始形状。储层岩石碎屑颗粒与填隙物之间为颗粒支撑。经过强烈的压实作用，胶结方式主要为孔隙式胶结、少量基底-薄膜-孔隙式胶结。碎屑颗粒之间为点-线接触，少量为点-凹凸-压融缝合线接触。胶结物类型主要为泥质胶结、钙质胶结和少量高岭石胶结。

山2段储层岩石颗粒分选好，在外力作用下不易发生变形。但颗粒呈次圆-次棱角状且点接触、孔隙式胶结和泥质胶结物，在外力作用下不稳定且易发生变形。因此，总体上所表现出的应力敏感性相对较强。

2.2 成岩作用

沉积分异作用主要以机械沉积分异作用和化学沉积分异作用为主，还有少量生物沉积分异作用。砂岩沉积分异作用下的原始孔隙度一般较高，后期成岩作用导致储层砂岩变得致密。因此，利用扫描电镜、X衍射以及荧光薄片等室内实验，山2段砂岩储层的成岩作用主要为压实作用、胶结作用和溶蚀作用。在压实作用时，储层碎屑颗粒以线接触为主，随埋深增加，逐渐演变为点-线-凹凸接触。强烈的压实作用导致孔隙度下降，云母、泥岩等易变形，刚性颗粒压溶、破裂。参与胶结作用的主要为石英次生加大、粘土矿物、碳酸盐矿物和硫酸盐矿物。胶结交代和杂基充填等压实作用，使储层物性变差；溶蚀作用中等-强，形成岩屑溶蚀孔、杂基溶蚀孔和钙质胶结物溶蚀孔等[14]，使储层物性变好。综上所述，山2段超低渗致密砂岩储层具有较强的应力敏感性。

2.3 裂缝

山2段储层微裂缝发育一般，宽度一般在5～15μm，且大多数为高角度裂缝，但大部分未充填，在储层孔隙中总量极少。有效裂缝以垂直裂缝为主，发育于砂岩和泥岩等地层。少量斜交裂缝主要发育于泥岩地层，部分表面平整，缝面常见顺缝面方向的擦痕和阶步等。未充填缝受压极易闭合，且卸压后不能恢复原状。在超低渗致密砂岩储层中裂缝的存在，一是起到了储集渗流作用；二是在有效应力增加时，由于裂缝缝面平直、起伏较小或未充填，裂缝容易闭合，尤其是未充填裂缝对储层的应力敏感性影响最大。

3 结论

(1)根据渗透率应力敏感性评价实验结果，结合岩样微观分析，由于岩石成分、填隙物类型及含量、喉道类型及大小、颗粒磨圆度及接触关系、胶结物及胶结方式以及裂缝发育等原因，随着有效应力增加，岩石发生弹塑性变形，岩样渗透率越低，形变越大，其应力敏感性越强。储层应力敏感性伤害是永久性、不可逆的伤害。

(2)储层成岩作用直接控制决定了岩石物性，胶结作用、溶蚀作用和压实作用等综合作用使得超低渗致密砂岩储层具有一定的应力敏感性。

(3)由于超低渗致密砂岩储层本身的性质特点，从超低渗致密砂岩气藏开发角度看，固液耦合的弊大于利，储层应力敏感性较强，可考虑保护或改善储层达到降低储层应力敏感性的目的。