趙倫，陳燁菲，寧正福，范子菲，吳學(xué)林，劉麗芳,3，陳希

（1. 中國石油勘探開發(fā)研究院；2. 中國石油大學(xué)（北京）石油天然氣工程學(xué)院；3. 中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院）

0 引言

濱里海盆地是世界主要含油氣盆地之一，肯基亞克鹽下、田吉茲、卡拉恰甘納克等大型異常高壓碳酸鹽巖油氣藏為該盆地主要的油氣田。這類油氣藏原始地層壓力高，地層壓力系數(shù)高，在衰竭式開采過程中，隨油氣藏壓力下降，巖石骨架承受的有效應(yīng)力會大幅度增加，從而使巖石發(fā)生顯著的彈塑性形變[1]，儲集層孔隙度、滲透率等物性參數(shù)減小，明顯影響油氣藏的開發(fā)效果。

肯基亞克鹽下油藏位于濱里海盆地東緣，為異常高壓碳酸鹽巖油藏，油層埋深4 100～4 200 m，地層壓力高達(dá)80 MPa，壓力系數(shù)1.84[1]，屬于低孔（11.5%）、特低滲（0.82×10-3μm2）儲集層，油藏裂縫發(fā)育不均，儲集層類型主要有孔隙型[2-3]和裂縫-孔隙型。裂縫充填程度差異大，早期形成的裂縫多為全充填，后期形成裂縫多為半充填或無充填。油藏采用衰竭式開發(fā)，隨地層壓力的下降，油井產(chǎn)能快速下降，油藏表現(xiàn)為較強的應(yīng)力敏感性[4-5]，并且，不同裂縫發(fā)育區(qū)應(yīng)力敏感差異大。在油田實際巖心數(shù)量有限的情況下，本文利用人造巖心模擬實際巖心隨圍壓的變化，分析不同裂縫發(fā)育程度和裂縫充填程度下巖石應(yīng)力敏感變化規(guī)律，對異常高壓裂縫-孔隙型碳酸鹽巖儲集層應(yīng)力敏感性進(jìn)行評價。

1 實驗

采用圍壓升降法評價基質(zhì)孔隙型儲集層及不同裂縫充填程度的裂縫-孔隙型儲集層的應(yīng)力敏感性。

1.1 人造巖心制備

首先測得部分實際巖心的孔滲資料，作為人造巖心孔滲范圍參考值。實際巖心樣品取自肯基亞克鹽下油藏 3口取心井碳酸鹽巖儲集層，具有低孔、特低滲的特征（見表 1）。平均孔隙度 6.99%，平均氣測滲透率 0.67×10-3μm2。

表1 肯基亞克鹽下油藏部分巖心孔隙度和滲透率

將不同粒徑石英砂和天然碳酸鹽巖石子粉末按一定比例混合，以碳酸鈣為膠結(jié)物，在10～25 MPa壓力下壓實，而后在90 ℃恒溫箱中烘干，冷卻后形成具有一定孔隙結(jié)構(gòu)的人造巖心，代表沒有裂縫的孔隙型儲集層基質(zhì)巖心。然后根據(jù)裂縫產(chǎn)狀統(tǒng)計結(jié)果，對人造巖心造縫，并進(jìn)行不同程度充填，以模擬不充填、半充填和全充填的情況[6-7]。人造巖心孔、滲參數(shù)見表2。

表2 人造巖心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

1.2 實驗流程

實驗采取氣測法，用氮氣作為測試流體。考慮到目前油藏地層壓力下降了40～45 MPa，巖石有效應(yīng)力最高增大到45 MPa，因此在施加圍壓時最高設(shè)定為45 MPa[8]。實驗中首先將人造巖心樣品圍壓（p）由3 MPa逐級增加至 10 MPa、20 MPa、30 MPa、40 MPa、45 MPa，然后逐級降低至40 MPa、30 MPa、20 MPa、10 MPa、3 MPa，初始狀態(tài)下（圍壓為3 MPa）的孔隙度為φ0，滲透率為 K0，穩(wěn)定后測定每個壓力點的孔隙度（φ）和滲透率（K）。

對每個樣品，首先測量基質(zhì)巖心的滲透率和孔隙度應(yīng)力敏感性，然后對巖心側(cè)面施加外力，使之沿縱向裂開，形成貫通縫，測量含裂縫巖心的滲透率和孔隙度應(yīng)力敏感性；接著向裂縫中填入大量粗砂，模擬半充填裂縫性巖心，測量滲透率和孔隙度應(yīng)力敏感性；最后向裂縫中填入微細(xì)石英砂和碳酸鈣粉末，降低裂縫滲透率，模擬全充填裂縫性巖心，測量滲透率和孔隙度應(yīng)力敏感性，實驗過程見圖1。

2 裂縫發(fā)育及充填程度對儲集層應(yīng)力敏感性的影響

對11塊人造巖心（見表2）及676號實際巖心進(jìn)行了應(yīng)力敏感性分析實驗，12組巖心實驗結(jié)果類似，本文以樣品3-8為例說明應(yīng)力敏感特征。

2.1 基質(zhì)巖心應(yīng)力敏感特征

圖1 實驗過程示意圖

圖2 基質(zhì)巖心孔隙度、滲透率變化曲線（3-8號樣品）

對于基質(zhì)巖心，隨圍壓升高，孔隙度整體下降幅度較小（僅下降2%左右），圍壓加至10 MPa時下降稍快，之后下降緩慢；滲透率在圍壓增至30 MPa前下降稍快，之后平穩(wěn)（見圖2）。壓力達(dá)到45 MPa時，孔隙度應(yīng)力敏感指數(shù)（1-φ/φ0）、滲透率應(yīng)力敏感指數(shù)（1-K/K0）分別為0.029、0.137，滲透率應(yīng)力敏感指數(shù)是孔隙度應(yīng)力敏感指數(shù)的4.7倍，滲透率應(yīng)力敏感性大于孔隙度應(yīng)力敏感性。降壓后，恢復(fù)程度較高，孔隙度、滲透率恢復(fù)程度分別為99.0%、95.7%，都不能完全恢復(fù)，表現(xiàn)出彈塑性特征。

2.2 不充填裂縫性巖心應(yīng)力敏感特征

對于不充填裂縫性巖心，裂縫內(nèi)不含充填物質(zhì)，圍壓加至10 MPa之前孔隙度和滲透率下降幅度較快，分別為3%和62%，具有很強的應(yīng)力敏感性，表現(xiàn)為裂縫應(yīng)力敏感特征；圍壓繼續(xù)增大，巖心孔隙度和滲透率下降幅度減小（見圖3），應(yīng)力敏感性減弱，表現(xiàn)出基質(zhì)的應(yīng)力敏感特征。圍壓達(dá)到45 MPa時，孔隙度、滲透率應(yīng)力敏感指數(shù)分別為0.063、0.729，滲透率應(yīng)力敏感指數(shù)是孔隙度應(yīng)力敏感指數(shù)的11.6倍，說明滲透率應(yīng)力敏感性遠(yuǎn)大于孔隙度敏感性。降壓后滲透率恢復(fù)程度小，僅31.4%，表現(xiàn)出塑性特征。由圖1可見，不充填裂縫性巖心實驗后裂縫寬度明顯比實驗前窄。

圖3 不充填裂縫性巖心孔隙度、滲透率變化曲線（3-8號樣品）

2.3 半充填裂縫性巖心應(yīng)力敏感特征

對于半充填裂縫性巖心，由于裂縫內(nèi)含有支撐物，在施加圍壓后裂縫不能完全閉合，滲透率下降幅度比不充填裂縫性巖心小。圍壓加至45 MPa時，孔隙度、滲透率應(yīng)力敏感指數(shù)分別為0.055、0.624，滲透率應(yīng)力敏感指數(shù)是孔隙度應(yīng)力敏感指數(shù)的11.3倍，同樣說明滲透率應(yīng)力敏感性遠(yuǎn)大于孔隙度應(yīng)力敏感性。降壓時，由于支撐物的作用，滲透率恢復(fù)程度相對較小，其恢復(fù)程度為48.5%（見圖4）。

2.4 全充填裂縫性巖心應(yīng)力敏感特征

全充填裂縫性巖心裂縫充填程度高，升壓過程中，孔隙度和滲透率在壓力小于20 MPa時應(yīng)力敏感性強。圍壓增至45 MPa時，孔隙度、滲透率應(yīng)力敏感指數(shù)分別為0.038 6、0.133 0，滲透率應(yīng)力敏感指數(shù)是孔隙度應(yīng)力敏感指數(shù)的3.37倍。降壓后，孔隙度和滲透率恢復(fù)程度高，分別為98.5%、93.0%（見圖5）。

圖4 半充填裂縫性巖心孔隙度、滲透率變化曲線（3-8號樣品）

圖5 全充填裂縫性巖心孔隙度、滲透率變化曲線（3-8號樣品）

2.5 不同巖樣應(yīng)力敏感性對比

以上實驗說明：不同巖樣均存在應(yīng)力敏感現(xiàn)象，但敏感程度和恢復(fù)率不盡相同，這主要取決于巖石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。隨著有效應(yīng)力增大，裂縫的微凸體發(fā)生壓縮、錯動和嚙合等，微粒被擠碎、壓實，充填于裂縫間隙，孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致儲集層的滲透率和孔隙度發(fā)生變化。

不充填裂縫性巖心與基質(zhì)巖心對比，初始階段巖心由于具有較大的初始開裂度且裂縫兩表面間幾乎不接觸，裂縫有較大的變形空間，容易閉合，因而滲透率降低明顯。隨圍壓增加，裂縫兩表面間的接觸面積增大，裂縫的閉合趨勢逐漸減緩，當(dāng)載荷增至某一臨界值時，裂縫兩表面間的接觸面積也增至某一極限，裂縫很難被繼續(xù)壓縮，基本呈現(xiàn)基質(zhì)的應(yīng)力敏感性，因此滲透率降幅較小[9]。

由升壓時不同充填程度巖心孔隙度和滲透率變化規(guī)律（見圖6a和6b）可以看出：①巖心應(yīng)力敏感性強弱順序為：不充填、半充填、全充填、基質(zhì)，壓力升至45 MPa時，充填程度越高，滲透率下降幅度越小，不充填裂縫性巖心滲透率下降幅度72.9%，半充填裂縫性巖心下降幅度 62.4%，全充填裂縫性巖心下降幅度13.3%，不充填裂縫性巖心滲透率下降幅度是全充填裂縫性巖心的5.5倍。造成這種現(xiàn)象的主要原因是充填物對裂縫具有支撐作用，可以抑制壓力上升引起的裂縫閉合。②滲透率的變化幅度比孔隙度大得多，裂縫滲透率的應(yīng)力敏感性更強[10-11]。③孔隙度和滲透率在升壓初期變化幅度較大，后期逐漸變平緩，特別是對半充填和不充填裂縫性巖心，前后期應(yīng)力敏感性差異更大，前期表現(xiàn)為裂縫的應(yīng)力敏感特征，后期表現(xiàn)為基質(zhì)的應(yīng)力敏感特征。

圖6 升壓過程中不同充填程度巖心孔滲變化對比曲線（3-8號樣品）

對不充填和半充填裂縫性巖心，由于應(yīng)力敏感性強，特別是滲透率敏感性強，在有效應(yīng)力較小時，滲透率急劇降低，主要體現(xiàn)出裂縫的應(yīng)力敏感性，隨著有效圍壓增大，裂縫閉合，基質(zhì)部分的滲透率應(yīng)力敏感性逐漸體現(xiàn)出來[12-14]。但滲透率隨圍壓的增大，下降幅度明顯減緩。上述實驗表明，在較高的圍壓（有效應(yīng)力）作用下，裂縫發(fā)生閉合且卸載后幾乎不可恢復(fù)，孔隙則可在卸載后恢復(fù)原狀，有利于滲流通道的恢復(fù)。因此，巖樣卸載后，在閉合裂縫難以恢復(fù)時，裂縫面上的孔隙越發(fā)育，孔隙的恢復(fù)程度就越大，相應(yīng)的滲透率的恢復(fù)程度也就越高，在裂縫不充填和半充填情況下，隨樣品孔隙度的增加，滲透率恢復(fù)程度也隨之增加（見圖7）。通過實驗得出不同巖樣滲透率恢復(fù)程度由大到小依次為：基質(zhì)巖心、全充填裂縫性巖心、半充填裂縫性巖心、不充填裂縫性巖心。

圖7 不同孔隙度不充填和半充填樣品滲透率恢復(fù)程度對比

3 不同孔滲級別下儲集層應(yīng)力敏感模式

3.1 不同充填程度巖心孔隙度與滲透率應(yīng)力敏感模式

按多項式、指數(shù)、冪函數(shù)等不同形式對巖心孔隙度和滲透率進(jìn)行擬合，比較發(fā)現(xiàn)指數(shù)形式相關(guān)系數(shù)較高[15-17]，分別以指數(shù)形式對 4種應(yīng)力敏感模式進(jìn)行擬合（見圖 8、圖 9）。由于不充填裂縫性巖心的孔隙度和滲透率應(yīng)力敏感曲線以及半填充裂縫性巖心的滲透率應(yīng)力敏感曲線整體呈現(xiàn)先陡后緩型應(yīng)力敏感模式，因此采用分段擬合的方式，前段主要反映裂縫的應(yīng)力敏感性，后段主要反映基質(zhì)的應(yīng)力敏感性[18-19]?；|(zhì)巖心中不存在裂縫，全充填裂縫性巖心隨圍壓增大裂縫應(yīng)力敏感性表現(xiàn)不明顯，因而這兩種巖心整體表現(xiàn)為平緩型應(yīng)力敏感模式?？梢姡芽p的發(fā)育程度與充填程度影響低滲透儲集層的應(yīng)力敏感模式。裂縫發(fā)育且充填程度不高時表現(xiàn)先陡后緩型應(yīng)力敏感模式；不發(fā)育裂縫或者裂縫充填程度較高時，儲集層表現(xiàn)為平緩型應(yīng)力敏感模式。

圖8 不同充填程度巖心孔隙度應(yīng)力敏感曲線擬合

圖9 不同充填程度巖心滲透率應(yīng)力敏感曲線擬合

3.2 不同滲透率級別巖心應(yīng)力敏感模式

巖心的滲透率不同，其應(yīng)力敏感性也不同，按滲透率大小劃分滲透率級別（見表3）。擬合后得到不同滲透率級別的巖心應(yīng)力敏感公式（見表4）。由擬合公式可以看出滲透率級別和裂縫發(fā)育程度對應(yīng)力敏感性的影響。

表3 不同滲透率級別巖心數(shù)目

表4 不同類型巖心不同滲透率級別指數(shù)擬合公式

在裂縫發(fā)育程度相同的情況下，初始滲透率越小應(yīng)力敏感性越強：當(dāng)樣品初始滲透率較高時，隨圍壓的增加，滲透率下降相對較小，應(yīng)力敏感相對較弱；當(dāng)樣品初始滲透率較低時，隨圍壓增加，滲透率下降幅度增大，應(yīng)力敏感相對較強。造成這種現(xiàn)象的原因是滲透率越低的樣品孔喉半徑越小，圍壓的增大更容易造成孔喉的閉合，從而使得滲透率下降較快[20]。以基質(zhì)類樣品為例，對于滲透率為（0.01～0.1）×10-3μm2的樣品，在圍壓為 10 MPa時，平均應(yīng)力敏感指數(shù)為0.23，隨樣品滲透率的增大，樣品應(yīng)力敏感指數(shù)逐漸降低，樣品滲透率大于10×10-3μm2時，平均應(yīng)力敏感指數(shù)為0.029，前者是后者的7.9倍。

在相同的滲透率級別情況下，應(yīng)力敏感性由強到弱排序為：不充填裂縫性巖心、半充填裂縫性巖心、全充填裂縫性巖心、基質(zhì)巖心，應(yīng)力敏感性的強弱明顯受裂縫發(fā)育程度控制。例如，對于滲透率大于10×10-3μm2樣品，在圍壓為10 MPa時，基質(zhì)樣品的應(yīng)力敏感指數(shù)為0.029，隨樣品裂縫發(fā)育程度增加，應(yīng)力敏感指數(shù)增大，當(dāng)存在不充填裂縫時，應(yīng)力敏感指數(shù)平均為0.522，不充填裂縫性巖心應(yīng)力敏感指數(shù)是基質(zhì)巖心的18倍。

根據(jù)應(yīng)力敏感特征，異常高壓裂縫-孔隙型碳酸鹽巖油藏開發(fā)中必須合理控制生產(chǎn)壓差，減少應(yīng)力敏感對儲集層的傷害，從而減緩產(chǎn)量遞減。

3.3 不同孔隙度級別巖心應(yīng)力敏感模式

對不同類型的巖心按孔隙度級別進(jìn)行分類，各個孔隙度級別巖心數(shù)目見表5，各孔隙度級別的擬合公式見表6?？梢钥闯?，孔隙度應(yīng)力敏感性明顯小于滲透率；初始孔隙度越小，應(yīng)力敏感性越強；充填程度越小，應(yīng)力敏感性越強。

表5 不同孔隙度級別巖心數(shù)目

表6 不同類型巖心不同孔隙度級別指數(shù)擬合公式

4 結(jié)論

低滲透率碳酸鹽巖儲集層應(yīng)力敏感性普遍較大，孔隙度的應(yīng)力敏感性明顯低于滲透率的應(yīng)力敏感性。隨著巖心滲透率和孔隙度的增大，應(yīng)力敏感性減弱。

由于裂縫的存在，儲集層應(yīng)力敏感性增強。裂縫充填程度對儲集層應(yīng)力敏感性影響較大，隨著裂縫充填程度的降低，巖石應(yīng)力敏感性增強。隨圍壓的增加，孔隙度、滲透率變化呈現(xiàn)較好的指數(shù)變化規(guī)律。

基質(zhì)巖心和全充填裂縫性巖心應(yīng)力敏感性相對較弱，表現(xiàn)為平緩型應(yīng)力敏感模式。隨著壓力的恢復(fù)，孔隙度和滲透率恢復(fù)程度較高，表現(xiàn)為彈塑性特征。

對于不充填和半充填裂縫性巖心，早期由于裂縫的閉合，應(yīng)力敏感性較強，主要表現(xiàn)為裂縫的應(yīng)力敏感，后期應(yīng)力敏感性減弱，主要為基質(zhì)的應(yīng)力敏感，整體表現(xiàn)為先陡后緩的應(yīng)力敏感模式。半充填和不充填裂縫性巖心孔隙度和滲透率恢復(fù)程度較低，表現(xiàn)為塑性特征。

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