储层条件下的应力敏感性研究

2023-11-30邓航田巍

断块油气田 2023年6期

邓航，田巍

（1.中国石化石油勘探开发研究院，北京 100083；2.中国石化中原油田勘探开发研究院，河南濮阳 457001）

0 引言

低渗储层在开采过程中，地层压力下降引起岩石本体结构变形，都会或多或少对渗透性产生一定的影响，这就是所谓的应力敏感性［1-7］。世界上所有的低渗储层大多存在应力敏感性，应力敏感性是油气藏在开采过程中，由于储层的孔隙压力降低而导致多孔介质固体颗粒原有的受力平衡状态被打破后建立新的压力平衡状态的过程，也是岩石变形和流体渗流耦合作用的结果［8-10］。发生应力敏感后的储层孔隙空间被压缩变形，渗流效果发生改变，宏观表现为渗透率（K）降低，进而影响油气的产出，导致产量降低。因此，认识清楚储层的应力敏感性，对于储层保护、开发规划、产能预测等具有重要意义。

目前对储层应力敏感性的认识仍存在较多误区。一部分学者［11-15］认为低渗储层不存在强应力敏感性，另一部分学者［16-21］认为存在较强应力敏感性。无论哪种观点，均基于室内实验或基于理论分析结果，两者的认识都不全面，都是基于理想化甚至抽象化的研究得出的结论，没有从实际储层的应力条件出发，得到的认识参考价值并不大。事实上，目前对于储层应力敏感性研究并没有统一的标准，所以才导致最终形成认识的不统一，现行的行业标准SYT 5358—2010《储层敏感性流动实验评价方法》［22］中关于储层应力敏感性评价也只是基于室内测试。由于实验室受仪器设备量程限制，不能模拟实际储层的应力条件，该方法仅仅是室内研究岩石应力敏感性的一种方法，并不能用于储层的应力敏感性评价，否则将会形成所有低渗储层均存在强应力敏感性的认识，进而对储层认识和产能评价带来较大影响。为此，亟需一种能够用于实际储层应力敏感性评价的方法，以满足实际储层评价的需要。

本文在室内实验研究的基础上，提出了一种用于实际储层应力敏感性评价的方法。通过本方法的提出，将储层应力敏感性的评价方法统一起来，为储层评价提供更加真实、准确的参数，也为低渗储层形成更加全面的认识提供技术支撑。

1 储层概况

研究区位于川东北某致密砂岩气田，储层平均埋藏深度为3 207 m，以灰色细砂岩、灰白色中砂岩为主。岩石矿物主要为石英和斜长石，平均质量分数分别为71.10%和5.90%，方解石平均质量分数为0.70%，黏土矿物平均质量分数为21.70%。黏土矿物中伊利石质量分数最高，为30.73%，其次是高岭石和绿泥石，质量分数分别为19.76%和14.78%。目标区块岩石致密，杂基丰富，压实明显，微裂缝发育。毛细管半径分布范围较大，在0.004～6.676 μm，但在0.004～0.037 μm 范围内分布相对集中，平均孔喉半径比为1.19，分选系数为14.11。储层孔隙度在1.7%～4.3%，渗透率在0.013×10-3～40.112×10-3μm2。渗透率为0.1×10-3μm2以下的岩心占绝大多数，储层物性较差，开发难度较大。

2 实验

2.1 实验原理

实验按照压差流量法，采用逐级升高围压的方式，通过改变围压的大小来模拟储层上覆压力的变化，分别测定不同净围压下孔隙压力稳定后的流量，并在进出口之间增加了高精度压差传感器，以保证进出口压差数据的准确性。

2.2 仪器与流程

实验流程分为五部分，分别为气源供应系统、压力控制与采集系统、岩心夹持器、温度控制系统、流量计量系统。实验采用先进的AutofloodTM（AFS300TM）驱替评价系统，氮气作为注入气体，氮气罐作为供应气源，通过压力调节阀控制压力，各部分压力数据由系统自动采集。实验采用能够模拟实际地层的三轴岩心夹持器，气体计量采用标准的皂沫流量计，围压系统使用高精度多级柱塞泵（Teledyne isco100-DX）控制，压力采集采用DXD 高精度数字压力传感器，同时采用高线性压差传感器（型号为Validyne）精确采集岩心两端压力差。整套装置置于恒温箱中，恒温箱可调温度为0～180℃。实验流程如图1 所示。

图1 实验流程示意Fig.1 Experimental flow chart

2.3 实验步骤

实验采用稳态法中比较常用的压差-流量法，选取具有代表性的完好岩心，岩心长度5 cm 左右，直径2.5 cm，实验在模拟地层温度及常压下进行。按照注入压力恒定，逐级升高围压的方式，分别测定各围压下的流量数据，设定氮气注入压力恒定为0.6 MPa，岩心出口端为大气压，实验设定初始围压值为3 MPa，逐级升高围压，设定围压值分别为3，5，8，11，14，17，21，25，30 MPa。

实验设计步骤为：1）将岩心置于恒温箱中，在108℃下烘干48 h 以上，分别测定各实验岩心的长度、直径等数据后置于干燥器。2）用干燥镊子夹住岩心快速装入三轴岩心夹持器中，接通仪器流程，对仪表显示初始值调零，并缓慢对夹持器施加围压至初始值3 MPa。3）打开气罐阀，缓慢调节压力调节阀至1 MPa，约30 min 后测定流量是否稳定，直至测得的气体渗流稳定，每个围压值在相同体积下测定3 次，记录相应的压力和流量数据。4）改变围压值，重复步骤3），直至测定完成所有实验设定的围压值，结束实验。

3 实验结果与分析

按照上述设定的步骤分别选取5 块岩心开展实验，实验岩心基础数据见表1。将上述得到的实验数据代入非达西渗流公式反算求得各围压下的渗透率，围压为3 MPa 下计算得到的渗透率作为初始渗透率，各围压下的渗透率与初始渗透率的比值即为该围压下的渗透率保持率，围压与孔隙压力的差值为净围压，孔隙压力取进出口压力的平均值，以净围压为横坐标，渗透率保持率为竖坐标，得到实验室条件下的岩石应力敏感性曲线（见图2）。

表1 实验岩心基础数据Table 1 Basic data of experimental core

图2 岩石应力敏感性曲线Fig.2 Stress sensitivity curve of rock

由图2 可以看出：岩石应力敏感性曲线以净围压约10 MPa 为分界点分为2 段，在净围压小于10 MPa的范围内，随着净围压的升高，渗透率保持率急剧降低，而且初始渗透率越低，渗透率保持率降低的幅度越大，说明渗透率伤害越严重，渗透率伤害主要发生在该阶段；在净围压高于10 MPa 后，渗透率保持率随净围压的增加而缓慢降低。图中渗透率为0.016 9×10-3μm2的岩心在净围压分别为4.7，7.7 MPa 时，对应的渗透率保持率分别为42.310%，14.770%，对应的渗透率伤害率分别为57.690%，85.230%，渗透率伤害非常严重；净围压从2.7 MPa 上升到4.7 MPa 再上升到7.7 MPa 的过程中，渗透率保持率分别下降了42.310%，27.540%，降幅非常明显；而同一个样品在净围压分别为20.7，23.7 MPa 时，对应的渗透率保持率分别为0.314%，0.901%，对应的渗透率伤害率分别为99.686%，99.909%，渗透率保持率变化较小，但渗透率伤害非常严重。

初始渗透率越大的样品，在加围压过程中，渗透率保持率相对越高。图中渗透率为15.673×10-3μm2的岩心在净围压分别为4.7，7.7 MPa 时，对应的渗透率保持率分别为83.60%和66.21%，对应的渗透率伤害率分别为16.40%和33.79%，渗透率伤害相对于0.016 9×10-3μm2的岩心低了很多。

分析认为：在加围压的过程中，随着净围压的增加，岩石中的压缩变形过程分为2 个阶段。第1 阶段主要为大孔道和大裂缝的压缩，发生现象为大孔道向中心移动、孔径变小，大裂缝部分闭合，该阶段通常称为拟塑性形变阶段，拟塑性形变导致岩石渗透率在卸压后恢复率很低，渗透率损失主要发生在该阶段；随着净围压的增加，岩石变形进入第2 阶段，该阶段以拟弹性形变为主，岩石的可压性变弱，主要表现为大裂缝近一步压缩变形直至接近完全闭合，天然微裂缝完全闭合，孔隙压缩变形并向岩石轴心移动。因此，第2 阶段初期不一定处于弹性形变阶段，也可能仍处于拟塑性形变阶段，进一步压缩使整个岩石成为一个等压力体，岩石完全处于弹性形变阶段，各处受力数值均相等，第2 阶段渗透率变化幅度较小，弹性形变引起的渗透率损失大多是可以恢复的。综上所述，渗透率伤害主要发生在拟塑性形变阶段，渗透率很难恢复，弹性形变阶段渗透率损失较小，且大部分是可以恢复的［2，5，15］。

根据文献［11］求取应力敏感指数的方法拟合指数函数，结果见表2（表中σ 为净应力），应力敏感指数随渗透率的增加而减小。对于致密岩石，如渗透率为0.016 9×10-3μm2的岩石，应力敏感指数达到0.299；而对于渗透率相对较高的低渗岩石，如渗透率为15.673 0×10-3μm2的岩石，应力敏感指数仅为0.032，应力敏感程度与前者相比，明显减弱。

表2 岩石应力敏感性实验结果Table 2 Experimental results of stress sensitivity of rock

根据现行标准［22］对应力敏感程度进行评价，实验所选取的5 块岩心，只有渗透率较低的2 块岩心为强应力敏感，其余3 块渗透率相对较高的岩心的应力敏感程度均为中等偏弱。

随着近年来深层油气发现与开发越来越多，苛刻的储层温压条件给实验带来了很大挑战［23-24］。上述岩石应力敏感性测定是在实验室条件下完成的，实验应力从低值逐渐增加，受实验室仪器设备的限制，实验围压一般很难达到实际储层的上覆压力条件。在实际储层深度达到4 500 m 以下时，其上覆压力超过了100 MPa，这对于实验室来说是很难达到的，甚至是不可能实现的。因此，亟需一种评价实际储层应力敏感性的方法来弥补实验室测试条件的不足。

4 实际储层的应力敏感性

针对上述实验仪器设备量程方面的限制，提出了一种基于实验数据的储层应力敏感性评价方法。为了区分实验室测得结果与本评价方法评价结果的不同，也为了便于区别2 种不同的应力敏感性，分别称之为岩石应力敏感性和储层应力敏感性。前者是完全脱离了储层条件的基于实验室仪器量程测量范围内测得的岩石应力敏感性，实际储层一般不会处于该应力范围内；而后者充分考虑了实际储层条件，是置于实际储层条件下对岩石应力敏感性进行的合理评价，也是真实储层应力敏感性的体现。后者的评价更符合实际，而且是实验室无法测得的结果，可作为现行标准的重要补充内容，使得现行标准中应力敏感性评价内容更完善、更切合实际、更具参考价值。

4.1 实际储层净应力的确定

实际储层上覆压力是地层基质（岩石）和孔隙中流体（油、气、水）产生的压力，数值的确定要综合考虑储层深度、岩石密度、孔隙度、重力加速度、孔隙流体密度等参数，上覆压力的计算公式为

pc=（1-ϕ）ρrgH+ϕρfgH

式中：pc为岩石上覆压力，MPa；ϕ 为岩石孔隙度；ρr，ρf分别为岩石骨架密度、孔隙流体密度，g/cm3；g 为重力加速度，取值9.8 m/s2；H 为储层深度，km。

对于储层的岩石骨架来说，一方面受到孔隙内部的压力p（即孔隙内压，实际储层为地层压力），同时承受来自上覆盖层的重力，两者力量的平衡使得岩石骨架保持受力平衡状态。上覆压力与孔隙压力的差值为净上覆压力（即净应力，σ=pc-p，p 取边界压力与井底压力的平均值），是上覆盖层施加在储层岩石骨架上的静压力，也是岩石产生应力敏感性的外因。

计算得到目标储层对应的上覆压力，目标储层平均孔隙度为2.3%，岩石密度为2.63 g/cm3，原始地层压力为48 MPa，忽略孔隙中气体重力产生的压力，则储层的上覆压力为80.76 MPa，初始净应力为32.76 MPa。孔隙内压随生产井井底压力的降低而降低，而净应力随生产井井底压力的降低而增大，生产过程中孔隙内压越来越小，净应力越来越大。

4.2 实际储层条件下渗透率的确定

根据上述实验结果，首先将整个岩石应力敏感性曲线第2 阶段按照渗透率-净围压进行拟合，依据相关系数最大原则得到该岩石第2 阶段拟合方程（即外延拟合方程）；然后确定实际储层的净应力点，孔隙压力取边界与井底压力的平均值，从原始净应力外延到废弃压力对应的净应力点，选取一定的压力间隔，按照表3的拟合方程确定各净应力对应的渗透率，从而得到实际储层开发过程中不同净应力下的渗透率。

表3 第2 阶段拟合结果Table 3 Fitting results in the second stage

对于目标区块，经过经济评价推算得到废弃压力为23.50 MPa，废弃压力对应的净应力为57.26 MPa。从开采初期到废弃为止，净应力从32.76 MPa 增加到57.26 MPa，中间插入一些净应力数据点。为了便于计算，以净应力3 MPa 为间隔，净应力32.76 MPa 为起点，3 MPa 为步长递增至57.26 MPa，按照表3 的拟合方程分别计算实际储层条件下不同净应力对应的渗透率（见表4）。

表4 实际储层条件下不同净应力对应的渗透率Table 4 Permeability values corresponding to different net stresses in actual reservoir conditions

上述计算是按照整个开采周期内储层渗透率变化来确定的，为确定开采至某一阶段的储层渗透率变化，也可以计算该阶段地层压力条件下对应的渗透率。

4.3 实际储层应力敏感性曲线的确定

将表4 的实验数据按照渗透率-净上覆压力拟合指数函数［2，5，11，20］，拟合结果见表5。通过该拟合方程，即可得到实际储层条件下的岩石应力敏感指数。应力敏感指数定义为渗透率随应力改变的程度，是表征应力引起渗透率伤害程度的物理参数。

表5 数据拟合结果Table 5 Fitting results of data

将表5 实际储层条件下的岩石应力敏感指数与表2 的岩石应力敏感指数对比发现：实际储层条件下的岩石应力敏感指数并没有那么大，应力敏感程度也没有那么强；渗透率为2.567 1×10-3μm2的岩心，在实验室条件下的岩石应力敏感指数为0.040，而在实际储层条件下的应力敏感指数仅为0.014，其应力敏感程度也由中等偏弱应力敏感转为弱应力敏感。

在数据表征上，仍采用渗透率保持率作为评价参数，这里渗透率保持率为储层某净应力下的渗透率与初始净应力下渗透率的比值。首先计算得到所有插入的净应力数据点对应的渗透率保持率，然后以储层条件下的净应力为横坐标，以渗透保持率为纵坐标，得到净应力与渗透率保持率关系曲线，即为储层的应力敏感曲线（见图3）。由图可以看出：渗透率越低，曲线两段式的 “L” 形态特征越明显，随着渗透率增加，曲线的弯曲程度越来越小，曲线由明显的两段式 “L” 形态特征过渡到微弯曲的类直线状；在实际储层条件下，渗透率越低的岩石受应力变化压缩变形分为拟塑性形变、弹性形变2 个明显阶段。第1 阶段主要为大孔道和天然微裂缝闭合阶段，渗透率变化幅度较大，这也从另一个侧面证实了在实际储层开采初期，低渗透率地层中仍可能存在张开的微裂缝和大孔道；第2 阶段以弹性形变为主，渗透率变化幅度较小，主要为孔道的压缩。渗透率越大的岩石，由于岩石中天然微裂缝数量少，在实际储层条件下的受压变形以弹性形变为主。

图3 储层应力敏感性曲线Fig.3 Stress sensitivity curve of reservoir

图3 得到的认识结合表5 数据拟合结果，可以更直观地分析不同渗透率岩石在实际储层条件下的渗透率保持率和渗透率伤害情况。如渗透率为0.102 5×10-3μm2的岩石，其储层应力敏感曲线以42 MPa 为分界点将曲线分为2 段，第1 阶段渗透率保持率下降到9.93%，渗透率伤害率超过了90%，第2 阶段渗透率保持率从9.93%下降到0.22%，渗透率伤害率为9.71%，可见渗透率损失主要发生在第1 阶段。对于渗透率较高（15.637×10-3μm2）的岩石，其储层应力敏感性曲线在整个阶段的渗透率保持率仅下降到86.25%，渗透率伤害率仅为13.75%，且主要为弹性形变造成的渗透率损失。

为便于直观展示不同净应力下储层渗透率伤害情况，也可将渗透率保持率转换为渗透率伤害率，得到渗透率伤害率变化曲线（见图4）。以原始净应力对应的渗透率为起点，净应力对应渗透率伤害率的最大值为储层应力敏感损害率，参照现行标准判断应力敏感对储层的损害程度，判断结果见表5。

图4 储层渗透率伤害率变化曲线Fig.4 Variation curve of reservoir permeability damage rate

储层应力敏感性是岩石应力敏感性的延续，两者结合将整个应力敏感曲线表达得更完整。对于渗透率较低的岩石，其岩石应力敏感性曲线通常会出现“假”两段式特征，即在岩石应力敏感性曲线中出现了两段式特征，又在储层应力敏感性曲线中出现了两段式特征。在渗透率较低的岩石应力敏感性曲线中出现的这种现象其实是一种假象，实验测得的岩石应力敏感性曲线的第1 阶段通常是大孔道和大裂缝受挤压快速闭合，第2 阶段通常为大裂缝进一步闭合和天然微裂缝闭合阶段，渗透率变化幅度相比第1 阶段要小很多，有时会将第2 阶段误认为弹性形变阶段，其实这2 个阶段仍都处于拟塑性形变阶段。如图2 中实验测得的渗透率分别为0.016 9×10-3μm2和0.102 5×10-3μm2的岩石应力敏感性曲线都处于拟塑性形变阶段，天然微裂缝通常在这一阶段闭合。因此，只有将岩石应力敏感性曲线与储层应力敏感性曲线结合分析，才能更加准确地判断岩石所处的应力形变状态。