应力敏感对高石梯-磨溪区块灯四段气藏开发的影响

张希胜 ，杨胜来 ，张政 ，李帅 ，王萌 ，袁钟涛 ，邓惠

（1.中国石油大学（北京）石油工程学院，北京 102249；2.中国石油西南油气田公司勘探开发研究院，四川 成都 610051）

0 引言

随着气藏的不断开发，地层中的流体逐渐减少。根据物质平衡原理，整个气藏的压力必然会下降，从而导致净应力增大，岩石骨架发生变形，孔隙度和渗透率改变，产生应力敏感现象［1-4］。四川盆地高石梯-磨溪区块灯影组四段气藏属缝洞型碳酸盐岩气藏，气藏压力较高，缝洞发育明显且非均质性较强［5-6］。裂缝和细小喉道作为气藏主要的渗流通道，岩石骨架变形必然会影响储层的渗流能力。因此，要及时对该区块进行应力敏感实验，客观了解其孔渗情况以及渗流能力的变化［7］。

考虑到应力敏感对储层物性和开发生产的影响，只有基于地层条件开展实验，才能准确反映地下流体渗流的真实情况。鄢友军等［5］以四川盆地川中地区LY气藏储层为例，进行了高温高压条件和常温低压条件下的应力敏感实验，结果表明：地层高温高压条件下得到的应力敏感系数与常温低压条件下的实验结果差异明显，如果按常规应力敏感实验的结果指导生产，误差较大。陈礼等［8］对GM地区震旦系灯影组四段气藏储层开展高温高压条件下的应力敏感性分析，结果表明，该气藏储层渗透率敏感性中等偏弱，开发过程中要采取合理的生产压差。

有关碳酸盐岩的应力敏感问题主要通过实验或者理论方法来进行研究，研究的内容也主要是内压与渗透率的关系，较少针对碳酸盐岩渗透率应力敏感与碳酸盐岩气藏产能之间的关系展开研究。本次研究针对高石梯-磨溪区块灯四段气藏，使用TC-180型超高压多功能驱替系统测定渗透率随应力的变化情况，获得渗透率的变化规律。基于铸体薄片、高压压汞等资料，分析了岩心矿物组分、微观孔喉尺寸对碳酸盐岩应力敏感的影响。基于实验结果，结合平面径向流渗流理论，建立考虑应力敏感的压力公式，定量分析了应力敏感对气井生产的影响，并提出合理的生产措施。

传统的数值模拟手段研究应力敏感无法考虑油气藏开采过程中地质力学变化对孔隙度、渗透率的影响，通过数值模拟软件建立水平井尺度单井数值模型，用渗透率时变的方法研究应力敏感对气藏开发的影响，对研究区块进行生产动态预测，能更加准确地反映应力敏感的影响，对高石梯-磨溪区块灯四气藏的高效合理开发至关重要。

1 室内应力敏感性实验

1.1 实验装置

开展室内应力敏感性实验是为了得到孔隙压力与渗透率之间的变化规律，后续数值模拟才有相应的数据支撑。岩心照片如图1所示。该实验使用了中国石油大学（北京）与江苏海安石油科研仪器厂联合研制的TC-180型气藏超高压多功能驱替系统。该装置采用高精度自动计量器具和耐温耐压配件，突破了高温高压气藏条件下渗流实验的难点，实现了数据的自动记录。该装置最高工作温度为150℃，最高工作围压为180 MPa，最高工作流压为150 MPa。实验装置如图2所示（装置之间的实线表示流体流动路线，虚线表示数据传输路线）。

1.2 实验方法

实验参照SY/T 5358—2010《储层敏感性流动实验评价方法》和SY/T 6385—2016《覆压下岩石孔隙度和渗透率测定方法》进行［9-10］。变内压的实验方式模拟的条件更加贴近气藏真实开发过程，因为在气藏开发过程中，虽然流体不断减少，孔隙压力在降低，但上覆岩层压力会保持不变。为了更加准确模拟地层高温高压条件下的应力敏感规律，本次实验采用固定围压变内压的方式测定高石梯-磨溪区块灯四段气藏岩心的渗透率应力敏感性。

实验所用气源为纯度达99.9%的高纯氮气，仪器设置温度为120℃，实验压力为围压135 MPa，回压（即入口端压力）56 MPa。实验步骤为：1）将取心岩样进行清洗并烘干，测量岩心尺寸，缓慢放入岩心夹持器中；2）启动气体增压系统，将高纯氮气充入中间容器，压力达到50 MPa左右停止增压；3）开启围压泵，并以10 MPa的间隔，阶梯式增压至大于50 MPa，缓慢打开中间容器与夹持器之间的阀门，然后开启流压泵，接着再加压至地层压力；4）开启回压泵，保持夹持器出口端压力比回压稍低，避免造成气体浪费；5）打开加热装置，持续加热至少8 h，待温度稳定；6）每次以5 MPa的间隔逐级降低内压，增大净上覆有效压力，在每个净上覆压力点测量气体渗透率；7）每次以5 MPa的间隔逐级增加回压，降低净上覆有效压力，在每个净上覆压力点测量气体渗透率。

1.3 实验结果

K0为原始地层渗透率，在围压135 MPa、流压56 MPa、120℃条件下测得；Kh为不同孔隙压力（对应不同有效应力）条件下测得的渗透率。将岩心依次编号为DS1，DS2，DS3，再进行应力敏感性实验，其孔渗参数如表1所示。根据高温高压条件下测得的数据，绘制无因次渗透率（Kh/K0）与有效应力的关系曲线（见图3），该曲线进行归一化处理后如图4所示。

表1 岩心参数

从图4可以看出：1）在室内模拟气藏开发过程中，孔隙压力的降低（即降压过程），对应有效应力的增大，岩心渗透率随着有效应力的增大而降低，并且前期下降幅度比后期快。2）当孔隙压力下降到23 MPa时，渗透率达到最小值。这主要是因为岩心的渗透率应力敏感性与孔隙半径有关。在有效应力增大（降压过程）的前期，岩石骨架被挤压变形，导致附着在表面的颗粒脱落，从而堵塞通道，同时一些小孔隙直接闭合，渗透率下降较快；随着有效应力的进一步增大，地层中剩下的是难以压缩变形的喉道和孔隙，渗透率很难继续大幅度下降［11-13］。3）在注气恢复过程中，随着孔隙压力的升高（即升压过程），对应有效应力的增大，岩心渗透率整体呈上升趋势，上升速度缓慢。孔隙压力恢复至56 MPa的过程中，初期有少许下降，后缓慢上升，但是岩心渗透率并不能恢复到原来水平。经过升压阶段后，岩心渗透率能大致恢复到初始的68.65%，储层应力敏感损害不可逆［14］，应力敏感性总体表现为中等偏弱，并且岩心渗透率保持率与有效应力呈幂函数关系，拟合程度较高。

2 应力敏感性影响因素

从机理上分析，岩心的有效应力、矿物组分、微观孔喉尺寸是影响岩心应力敏感性的最重要因素［15-16］。有效应力影响结果已从图4可见。另外，在矿场开发过程中，应力敏感性还会受到实验温度、岩心渗透率的影响。本文主要分析矿物组分、微观孔喉尺寸、岩心渗透率对应力敏感性的影响。

2.1 矿物组分

通过铸体薄片实验分析3块岩心矿物组分（见表2）可知，岩心主要由黄铁矿、石英、白云石、方解石、黏土矿物组成。DS2黄铁矿、石英体积分数相对最高，石英体积分数高达26%，黏土矿物最少。DS2铸体薄片结果如图5所示，该岩心为粉晶结构，泥晶粒径小于0.01 mm，粉晶粒径0.01～0.03 mm，岩心不均一硅化及被少量黄铁矿交代，不均匀分布着石英晶间孔和白云石晶间孔，被沥青充填。黄铁矿和石英颗粒力学性质稳定，抗压强度较大［17-18］，受到外界作用时，岩心骨架不易发生变形；而黏土矿物力学稳定性差，受到外界作用时，抵抗变形能力弱［19］。

表2 矿物组分体积分数 %

将3种岩心的主要矿物组成绘制成蛛网图（见图6）。由图6可知：3块岩心白云石体积分数均超过60%；DS3黏土矿物体积分数最高；DS2石英体积分数最高，超过25%，泥质矿物体积分数最少；DS1石英和泥质矿物体积分数和DS2相近。DS1和DS2应力敏感程度相近，这说明石英、白云石、泥质矿物是影响岩心应力敏感损害程度的3种重要矿物组分。一般而言，泥质矿物体积分数高的岩石更容易产生形变；同时，孔隙度也会随着有效应力的增加而减小。所以，石英越少，泥质矿物越多，则碳酸盐岩的应力敏感性就越强［20］。实验结果表明，泥质矿物体积分数最高的DS3应力敏感性最强。

2.2 微观孔喉尺寸

在研究碳酸盐岩储层纳米级微观孔隙结构时，高压压汞是一种有效的研究手段。通过压汞实验测定毛细管压力曲线，可以获取岩心孔喉分布等参数及每个孔喉半径对渗透率的贡献。本文对应力敏感程度最弱的岩心DS2和应力敏感程度最强的DS3进行了高压压汞实验，并对孔喉分布曲线（见图7）及渗透率贡献率曲线（见图8）进行分析，来研究碳酸盐岩储层纳米级孔隙结构对应力敏感性的影响。

由图7可知，DS3中半径4～40 nm的孔隙分布最多，而DS2中半径40～160 nm的孔隙分布最多。图8表明：DS3中对渗透率贡献最大的为半径16～40 nm的孔隙；DS2中半径100～250 nm的孔隙对渗透率的贡献最大。结合图7、图8分析碳酸盐岩心应力敏感产生的原因为：1）随着有效应力的增加，微细喉道对应力表现得更加敏感；2）DS3中对渗透率起主要贡献作用的孔隙是中孔，其分布频率也最高，所以当有效应力增加时，这部分孔隙闭合，岩石骨架发生变形，渗流通道堵塞，渗透率大幅下降；3）DS2中对渗透率起主要贡献作用的孔隙是大孔，且分布频率较高，随着有效应力的增加，中小孔发生闭合，对渗透率影响不大［21］。因此，DS3的应力敏感性强于DS2。

2.3 岩心渗透率

根据表1、图3可知，DS3渗透率最低，岩心类型属于孔隙型，在相同的应力变化下，DS3渗透率下降最快，说明其应力敏感性最强。由前人研究成果可知：中高渗储层呈缓慢下降型应力敏感损害模式，损害程度较弱；低渗、超低渗储层呈先快后慢型应力敏感损害模式，损害程度较强［22］。

3 应力敏感对气藏开发的影响

3.1 气井产量

在碳酸盐岩气藏开发过程中，随着开发的进行，地层压力下降，应力敏感随之产生。为了提高气藏产量，需要保持合理的井底流压，尽量减轻储层应力敏感的影响。根据平面径向流渗流理论，结合渗透率与有效应力的关系规律，可以推导得到考虑应力敏感的气井产量与压力的关系式，定量研究应力敏感对气井生产的影响。

假设系统中包含M个相同的运行单元(设备、模块、组件等)，每个运行单元包含主部件和辅助部件两种部件。主部件(Main Component, MC)具有较高的维修优先级，其在系统运行中处于主导地位，其失效会导致整个运行单元停机；辅助部件(Assistant Component, AC)维修优先级较低，其失效时可选择立即维修或延迟维修。每个运行单元由p个MC和n个AC组成。同种部件有相同的寿命分布，但彼此独立。假设已知部件的寿命分布和概率密度函数，记FM(t)和FA(t)分别为MC和AC的寿命分布，PM(t)和PA(t)分别为MC和AC的概率密度函数。

由达西定律可得：

产量公式：

压力公式：

式中：v 为流速，m/s；K 为渗透率，10-3μm2；μ 为黏度，mPa·s；p 为压力，MPa；r为井径，m；pG为围压，MPa；pr为实验内压，MPa；Q为气井产量，m3/d；h为储层有效厚度，m；pi为原始地层压力，MPa；re为控制半径，m；A，B为应力敏感系数（实验拟合系数）。

取该区块实际地层相关参数进行计算，渗透率为0.046×10-3μm2，气藏储层有效厚度为 10 m，控制半径为 250 m，井径为 0.1 m，产量为 5×104m3/d，利用考虑应力敏感的气井产量与压力的关系式对气井生产的影响进行分析。

图9对比了考虑应力敏感和不考虑应力敏感的压降漏斗。距离井筒300 m范围内，两者压力差异较大，不考虑应力敏感的井底压力比考虑了应力敏感的井底压力高1.6 MPa，而远离井筒的地方两者差异不大。因此，在井筒附近压降幅度大，说明应力敏感的影响更加明显。图10反映了应力敏感对生产压差的影响。气井生产压差随着气井产量的增加而增加，但是考虑应力敏感时的生产压差随产量增加得更快。因此，适当降低气井产量，有利于减小应力敏感带来的压力损失，对气藏合理开发更加重要。在该参数条件下，推荐气井产量为 3×104～5×104m3/d。

3.2 数值模拟

为了研究应力敏感对高石梯-磨溪区块灯四段气藏生产的影响，根据气藏非均质储层条件，应用Tnavigator数值模拟软件建立非均质气藏水平井单井模型。模型网格划分为64×64×16，网格步长为dx=20 m，dy=20 m，dz=20 m，水平井的井点坐标为（2，32，1）。气藏的原始地层压力为56 MPa，埋深4 500 m，孔隙度平均为0.3。水平井进行了人工分段压裂，压裂裂缝半长为200 m，裂缝间隔为20 m，水平井水平段位于气藏中部，水平段沿x轴方向。

3.2.2 应力敏感参数设置

流-固耦合现象在储层油气藏流体流动时是时刻存在的。传统的数值模拟手段研究应力敏感性大多基于经验地质力学模型，通过岩石压缩系数控制，不计算应力，几乎不考虑油气藏开采过程中地质力学变化对孔隙度和渗透率的影响。油气藏开发过程中，地下流体和储层的性质会发生改变，同时力学性质也会发生改变，很显然，用传统手段研究气藏应力敏感性具有一定的局限性。Tnavigator软件通过考虑渗透率时变，模拟气藏应力敏感对油藏开发的影响，其原理为通过地质力学计算，使得有限元网格变形裂开，油气藏网格发生变形，渗透率改变，进而模拟了物性的变化。结合前面实验得到的渗透率与有效应力之间的关系，利用ARITHMETIC关键字加以考虑（见表3），在模型中有效应力视为实验围压与地层压力的差值。运用这种渗透率时变的方法能全程考虑应力的变化，使得模拟的应力敏感性更加准确，对油气藏开发具有重要意义。

表3 Tnavigator软件应力敏感模拟关键字

3.2.3 应力敏感对生产的影响

为研究应力敏感对单井水平井生产的影响，分别比较了不考虑应力敏感、用渗透率时变考虑应力敏感这2种情况下的气井开发效果。气藏定产生产，单井日产气量定为5×104m3，累计生产5 a。模拟结果如图11所示。由图11a可看出：应力敏感会使气藏的稳产期缩短，稳产期后，日产气量降低更快，但在开发中后期，两者的日产气量基本相当，说明开发中后期应力敏感对水平井的日产气量影响不大。由图11b可以看出：生产至第5年时，考虑应力敏感的最终采出程度比不考虑应力敏感的最终采出程度降低了5百分点左右，说明应力敏感对气产量影响较大，在实际开发过程中不可忽略［23］。由图11c可看出：考虑应力敏感的气井在开发过程中，地层压力反而降低更慢，在开采结束后，地层压力能保持更高水平，这是因为考虑应力敏感时，气藏的采出程度较低，采出流体较少，根据物质平衡原理，气藏的地层压力降低更少［24］。

4 结论

1）针对高石梯-磨溪区块灯四段气藏，在高温高压条件下开展室内岩心实验，结果表明：岩心渗透率随着有效应力的增加而降低，岩心应力敏感损害不可逆，并且岩心渗透率保持率与有效应力呈幂函数关系。

2）岩心应力敏感程度主要与其矿物组分、微观孔喉尺寸以及渗透率有关。石英体积分数越低，泥质体积分数越高，碳酸盐岩的应力敏感性就越强；微观孔喉尺寸越小，受应力后喉道越容易闭合，岩石骨架发生变形，渗透率大幅下降；中孔对渗透率贡献大的岩心应力敏感程度强，中孔对渗透率贡献小的岩心应力敏感程度弱；岩心渗透率越低，应力敏感程度越强。

3）井筒附近压降幅度大，应力敏感产生的影响更明显；配产越高，压降越大，考虑应力敏感的气井生产压差下降幅度更大；为了减少碳酸盐岩储层应力敏感对气井生产的影响，气井日产量应该保持在3×104～5×104m3左右。

4）用渗透率时变的方法模拟应力敏感对气藏开发的影响可知，气藏定产生产的情况下，稳产时间会缩短，开发后期采出程度降低5百分点，说明应力敏感对气藏开发影响较大，制定气藏开发政策应充分考虑应力敏感的影响。