姚尚林 ，竇宏恩 ，陳俊峰 ，冉啟全 ，張虎俊 ，馬世英

1.中國石油勘探開發(fā)研究院 （北京 100083）

2.北京大學頁巖氣研究所 （北京 100871）

關于儲層敏感性流動實驗評價方法標準的探討

姚尚林1，竇宏恩1，陳俊峰1，冉啟全1，張虎俊1，馬世英2

1.中國石油勘探開發(fā)研究院 （北京 100083）

2.北京大學頁巖氣研究所 （北京 100871）

針對儲層巖石應力敏感性測試方法各異，評價結果差異性大等問題進行了系統(tǒng)研究。為了使儲層巖石應力敏感性測量滿足實驗室和油藏評價的需要，提出修訂國家頒發(fā)的行業(yè)標準SY/T 5358—2010中的儲層巖石應力敏感性測試方法、評價方法和判定標準。該研究成果對于正確理解低滲透油藏應力敏感性分析、試井解釋都具有重要意義。

致密儲層；巖石上覆壓力；孔隙壓力；有效應力；應力敏感性

儲層巖石的敏感性評價對于油氣田開發(fā)至關重要。 致密儲層巖石應力敏感性對國內外致密油氣及頁巖油氣的開發(fā)方式的選擇尤為重要。國家能源局2010年頒發(fā)了“儲層巖石應力敏感性測試方法”的行業(yè)標準SY/T 5358—2010[1]。但目前該標準中存在實驗步驟不明晰等問題，使得研究人員無法正確進行儲層巖石應力敏感性測量與評價，而制定了各自的巖石應力敏感性測量方法和評價方法[2]。

1 標準SY/T 5358—2010亟待修訂的內容

行業(yè)標準SY/T 5358—2010是對SY/T 5358—2002的修訂，主要修訂了以下3個方面：一是增加了關于巖石應力敏感性的深度認識及其相關解釋；二是將原標準中變孔隙壓力（內壓）定圍壓（外壓）和變圍壓定孔隙壓力的實驗步驟進行了合并；三是修訂了應力敏感性損害程度評價標準，取消了“極強”的這一等級。同時，將強應力敏感的標準值進行了降低。

通過研究，筆者認為行業(yè)標準SY/T 5358—2010目前存在以下4個方面的不足。

1）在制備人造巖心的過程中，該標準未涉及到巖心的飽和順序、老化時間及老化條件等，標準中須詳細地規(guī)定巖心制備規(guī)定要求。

2）在模擬儲層條件時，該標準沒有規(guī)定如何驅替壓力與油藏壓力的模擬取值問題，穩(wěn)定壓力和加載外壓的步驟，同時也沒規(guī)定如何控制驅替壓力等。

3）該標準中5個實驗觀測點太少，建議改變?yōu)?0至12個測壓點，由此可模擬到油藏衰竭壓力點，進而可尋求滲透率隨壓力變化的真實趨勢；另外，規(guī)定的憋壓時間30 min太短。

4）該標準對變孔隙壓力定圍壓和變圍壓定孔隙壓力的實驗步驟合并后，導致標準中失去了明確的操作步驟；其次，該標準對實驗得到的數(shù)據(jù)如何處理及評價巖石應力敏感性的方法均未做出明確規(guī)定和推薦。

由于該標準存在上述問題，導致在測試中操作性差，實驗結果與評價結果均差異較大。所以，修訂行業(yè)標準SY/T 5358—2010是非常必要的。

2 尋求巖石應力敏感系數(shù)與儲層滲透率變化的關系

多孔介質巖石滲透率變化與儲層巖石有效應力有關，油氣藏開采階段，受壓變形介質的儲層滲透率可表示為：

式中：K為有效應力作用下的滲透率，10-3μm2；Ki為原始滲透率，10-3μm2；σeff為巖石有效應力，MPa；α 為應力敏感系數(shù)，MPa-1。

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)（表1），分析巖石應力敏感性評價方法中存在的幾個問題：表1中顯示外壓數(shù)據(jù)σ為25 MPa，最高內壓數(shù)據(jù)p為18 MPa，因而可知該油藏深度為2 460.3 m。巖石孔隙度為18.3%，假設原油密度為835 kg/m3，巖石骨架密度ρs為2 450 kg/m3，采用Terzaghi公式計算該深度下的巖石上覆壓力為46.45 MPa。實驗的外壓值25 MPa與實際油藏條件相差較大，導致實驗的合理性變差。

表1 應力敏感實驗數(shù)據(jù)

在定孔隙壓力變圍壓時，滲透率應力敏感的回歸表達式為：

式中：a1為文獻[3]定義的外壓為0的巖心滲透率，10-3μm2；b1為文獻[3]定義的滲透率對外應力的依賴程度，即外應力敏感系數(shù)，MPa-1；σ為實驗時外壓值，MPa。

然而，在評價方法中，該文采用“巖石本體有效應力”來改寫式（2），將巖石原始滲透率表達為：

式中：φ為孔隙度，%；pi為原始孔隙壓力，MPa。

當外壓σ=25 MPa，原始壓力pi取實驗的內壓最高值18 MPa，回歸系數(shù)同式（2），將上述數(shù)據(jù)代入式（3）計算原始滲透率，得 Ki為 7.91×10-3μm2。

在定圍壓變孔隙壓力時，滲透率應力敏感的回歸表達式為：

式中：a2為文獻[3]定義內壓為0的巖心滲透率，10-3μm2；b2為文獻[3]定義的滲透率對內應力的依賴程度，即內應力敏感系數(shù)，MPa-1，p0為實驗時內壓值，MPa。

在評價方法中，該文并沒有采用所謂的“巖石本體有效應力”來改寫式（4），將巖石原始滲透率改為：

式中參數(shù)意義同上，回歸系數(shù)同式（4），由式（5）可計算出原始滲透率 Ki為 22.62×10-3μm2。

上述分析看出：實驗采用的是同一塊巖石，在定內壓變外壓時，回歸表達式（2）采用了所謂的“巖石本體有效應力”改寫式（3）；而在定外壓變內壓時，未使用“巖石本體有效應力”改寫回歸公式（5）。對一個真實的儲層而言，“巖石本體有效應力”不會只適應圍壓變化而孔隙壓力不變的情況[4]。此外，采用“巖石本體有效應力”修正的式（3）計算得出的原始滲透率值為7.91×10-3μm2，與擬合得到的原始滲透率值相對誤差為66%。顯而易見，采用“巖石本體有效應力”修正后的數(shù)據(jù)，不符合油藏巖石應力變化的實際狀態(tài)。所以，用“巖石本體有效應力”進行原始滲透率的計算或巖石的敏感性評價都是不妥當?shù)摹?/p>

在定內壓變外壓的條件下，在實驗中采用了開放系統(tǒng)，內壓為0.1 MPa的大氣壓，定內壓變外壓應力敏感曲線如圖1所示。采用式（5）對表1中的數(shù)據(jù)進行回歸得：

圖1 定孔隙壓力變圍壓應力敏感曲線

在定外壓變內壓的條件下，采用滲透率與有效應力的關系式擬合表1中的數(shù)據(jù)得：

由（7）式得原始滲透率 Ki為 24.24×10-3μm2。

在定外壓變內壓和定內壓變外壓的兩種條件下，采用滲透率與有效應力的相關式（6）和式（7）看出：不同的實驗條件下得到的有效應力與滲透率的相關性則不同。所以，雖然巖石的應力敏感系數(shù)差異較大，但得到原始滲透率值基本是一致的[5-6]。

如果將內壓值由0.1 MPa改變到10 MPa時（封閉系統(tǒng)），外壓最高仍然保持為25 MPa，采用受壓變形介質的儲層滲透率公式擬合得到：

圖2為定內壓（10 MPa）變外壓條件下得到的應力敏感曲線，從擬合曲線看出：實際數(shù)據(jù)與公式擬合得到的結果基本一致。

圖2 定內壓變外壓應力敏感曲線

綜上所述：不論是采用定外壓變內壓，還是定內壓變外壓，采用巖石有效應力與滲透率的相關公式進行擬合，其原始滲透率都是一致的。從圖1、圖2與式（6）和式（8）可看出：此塊巖石原始滲透率為25×10-3μm2。值得強調：變內壓與變外壓測試，其應力敏感性不相同。但在定內壓測量中，采用封閉系統(tǒng)與開放系統(tǒng)得到的結果基本趨于一致。擬合得到的原始滲透率相對誤差為0.24%，應力敏感系數(shù)相對誤差2.9%。

筆者對文獻提供的數(shù)據(jù)經過處理后發(fā)現(xiàn)：同一塊巖石固定不同的外壓，改變內壓值（在每個固定的內壓值時，內壓值變化保持相同）可得到不同的應力敏感曲線（圖3）。從圖3看出：針對同一塊巖石，固定不同的圍壓，改變孔隙壓力，可得到不同的應力敏感曲線，對比這些應力敏感曲線發(fā)現(xiàn)，隨著外壓增大，對應的巖石應力敏感系數(shù)逐漸減小。通過這些曲線斜率看出，外壓增大曲線的斜率減小，對應的巖石應力敏感性也就逐漸減弱。其次，這組曲線還說明了同一塊巖石，測量條件不同，反映出來的巖石應力敏感性不同。采用Terzaghi有效應力對應的滲透率變化關系式進行巖石應力敏感性數(shù)據(jù)擬合精度高，方法簡單，用于儲層評價是可行的。

由于應力敏感性的強弱與作用在巖石上的有效應力相關，有效應力與滲透率應力敏感系數(shù)正相關，從圖3可看出：有效應力越大，滲透率敏感系數(shù)越小，滲透率衰減值就越小，巖石應力敏感性越弱。

3 儲層巖石應力敏感性評價新方法

儲層滲透率隨著巖石有效應力的變化而變化，滲透率損失率通常表示為：

式中：DK為滲透率損失率，%。

將受壓變形介質的儲層滲透率公式代入式（9）得：

采用式（10）計算滲透率損失率和評價低滲透儲層巖石應力敏感性，可得出：低滲透率儲層巖石隨著有效應力增加，滲透率值降低幅度較大，滲透率損失率達20%～55%。

圖3 固定不同的外壓變內壓條件下的同一塊巖石的壓力敏感曲線

假設滲流依然符合達西流動，滲透率損失率即為產量損失率。SY/T 5358—2010標準應力敏感性評價指標見表2。

表2 標準SY/T 5358—2010應力敏感性評價指標

筆者根據(jù)標準SY/T 5358—2010規(guī)定，分析低滲透油藏油井實際產量損失率。低滲透油藏單井平均產量1.5～2.0 t/d之間，當產量損失率為70%時，產量僅剩余0.45～0.6 t/d，井已瀕臨無效益關井狀態(tài)，而SY/T 5358—2010標準中規(guī)定為中等偏強敏感性,明顯不合理。因而，應當保留原SY/T 5358—2002標準中應力敏感性“極強”的評價等級。因此，提出將SY/T 5358—2010標準中的應力敏感性評價指標進行修正，推薦的修正評價指標參見表3。

表3 標準修正后的應力敏感性評價指標

從式（10）可知，隨著應力敏感系數(shù)增加，滲透率損失率也逐漸增加，產量損失幅度也相應增高。所以，提出采用巖石應力敏感系數(shù)來評價儲層巖石應力敏感性，給出判斷巖石應力敏感性的建議性準則推薦如下：當 0.005＜α≤0.025，為弱敏感；當 0.025＜α≤0.035，為中等偏弱敏感；當 0.035＜α≤0.040，為中等偏強敏感；當 0.040＜α≤0.1，為強敏感；α＞0.1，為極強敏感。

采用定外壓變內壓的測試數(shù)據(jù)，按行業(yè)標準取5個測試點的兩端滲透率數(shù)值（22.9×10-3μm2和19.6×10-3μm2），代入式（5）計算可得滲透率的損失率 Dk為14.4%；再由擬合關系式（7）計算得應力敏感系數(shù)α為0.01。將應力敏感系數(shù)值及滲透率損失率值分別與表2中修正后的滲透率損失率標準和應力敏感系數(shù)評價標準對比，兩種方法判定該巖心應力敏感性都為弱應力敏感，表明其判定結果是一致的。

經過上述分析看出：采用不同研究者提供的實驗數(shù)據(jù)，不論是采用滲透率損失率還是采用筆者提出的應力敏感系數(shù)進行評價致密/低滲透砂巖儲層巖石的應力敏感性，其結論完全一致，即致密/低滲透砂巖儲層巖石滲透率越低，應力敏感性越強。

4 結論及建議

1）SY/T 5358—2010標準中對巖石應力敏感性測試步驟太籠統(tǒng)，巖石應力敏感性評價方法合理性有待商榷，敏感性的判定范圍值不符合實際，建議盡快按照所提出的修正內容，包括判定儲層巖石應力敏感性的建議性準則進行修訂。

2）采用定外壓變內壓和定內壓變外壓得到的巖石應力敏感性有差異，定外壓變內壓得到的巖石應力敏感性偏弱應力或中等應力敏感性；而定內壓變外壓測得的巖石應力敏感性呈中等應力敏感或強應力敏感性。應力敏感性測試中，同一塊巖石應力敏感性強弱與實驗條件密切相關。所以，合理的測試程序和實驗條件都需在未來標準中規(guī)定。采用滲透率與有效應力關系式對實驗數(shù)據(jù)進行評價認為，致密砂巖/低滲透儲層巖石滲透率越低，應力敏感性越強。

[1]國家能源局.儲層敏感性流動實驗評價方法:SY/T 5358—2010[S].北京:石油工業(yè)出版社,2010.

[2]竇宏恩,張虎俊,姚尚林,等.致密儲集層巖石應力敏感性測試與評價方法[J].石油勘探與開發(fā),2016,43(6):1-7.

[3]李傳亮.關于應力敏感測試方法的認識誤區(qū)[J].巖性油氣藏，2015，27（6）:1-4.

[4]肖文聯(lián),李 滔,李 閩,等.致密儲集層應力敏感性評價[J].石油勘探與開發(fā),2016,43(1):107-114.

[5]張 浩,康毅力,陳一健,等.巖石組分和裂縫對致密砂巖應力敏感性影響[J].天然氣工業(yè),2004,24(7):55-57.

[6]藺力奎.特低滲儲層開發(fā)面臨的主要問題與開發(fā)困難原因分析[J].石油工業(yè)技術監(jiān)督,2015,31(2):1-6.

There are different reservoir rock stress sensitivity test methods,and their evaluation results are different.In order to meet the requirements of laboratory and reservoir evaluation for reservoir rock stress sensitivity test,it is proposed that the testing method,evaluation method and criterion of reservoir rock stress sensitivity in SY/T 5358—2010 are revised.The research results are of great significance to correctly understand the stress sensitivity analysis and well test interpretation of low permeability reservoirs.

tight reservoir;overlying pressure of rock;pore pressure;effective stress;stress sensitivity

姚尚林（1980-），男，博士，工程師，主要從事油氣藏工程及油氣開發(fā)戰(zhàn)略規(guī)劃研究工作。

王 梅

2017-10-26