董文強(qiáng)

(中國石油長慶油田分公司第三輸油處，寧夏銀川 750006)

國內(nèi)外對于儲層的應(yīng)力敏感性研究，主要集中于儲層物性參數(shù)如滲透率、孔隙度及孔隙壓縮系數(shù)隨有效應(yīng)力變化的規(guī)律，且多數(shù)研究采用在常溫條件下恒圍壓變內(nèi)壓，恒內(nèi)壓變圍壓方法得到[1-8]。有效應(yīng)力通常定義為上覆巖層壓力與流體壓力之差。針對溫度對儲層影響問題，劉泉聲，許錫昌等[9]提出了損害存在門閾值問題，巖石中不同礦物顆粒因熱膨脹系數(shù)不同及各向異性的晶粒不同的結(jié)晶方位導(dǎo)致的熱彈性性能不同，導(dǎo)致巖石微裂縫形成，并形成網(wǎng)狀，進(jìn)一步解釋巖石熱損傷機(jī)理。郝振良，馬捷等[10]將熱應(yīng)力理論運(yùn)用到溫度對巖石作用中，提出熱應(yīng)力可以導(dǎo)致巖石有效應(yīng)力的變化，最終影響了巖石滲透系數(shù)。我國的頁巖氣開發(fā)處于初級探索5段，以往針對應(yīng)力敏感性的研究主要集中低滲透儲層，而對頁巖儲層應(yīng)力敏感研究相對較少。2012年黃玲等[11]對頁巖儲層敏感性做出大量的試驗，研究得出頁巖水敏程度為中等偏弱，應(yīng)力敏感性極強(qiáng)。2012年郭為等[12]為了明確開采壓力的下降對氣藏滲透率變化的影響，試驗采用改變內(nèi)壓與圍壓2種方式，對頁巖氣藏的應(yīng)力敏感效應(yīng)進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：頁巖對外壓的敏感效應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對內(nèi)壓的敏感效應(yīng)。2013年趙立翠等[13]選用帶裂縫頁巖巖樣進(jìn)行變圍壓應(yīng)力敏感試驗，并對影響頁巖氣儲層應(yīng)力敏感性的因素進(jìn)行分析。

通過大量文獻(xiàn)調(diào)研可知，目前針對溫度與有效應(yīng)力對頁巖儲層應(yīng)力敏感性影響的研究相對較少。因此，本文選用頁巖為研究對象，分析溫度與有效應(yīng)力對頁巖滲透率應(yīng)力敏感性的影響規(guī)律。

1 試驗

1.1 試驗裝置與試驗巖樣

該試驗儀器主要由三部分構(gòu)成(見圖1)：第一部分驅(qū)替流體及加壓裝置(保證高壓驅(qū)替條件，最高工作壓力100 MPa)；第二部分是高溫烘箱(最高溫度150℃)，巖心夾持器，環(huán)壓追蹤高壓泵(模擬地層條件)；第三部分是回壓裝置(維持巖心夾持器兩端壓力穩(wěn)定)，皂膜流量計與計算機(jī)控制裝置。試驗選用頁巖巖心，恒溫箱精度(±0.1℃)，皂膜流量計精度(±0.01 mL)，壓力計精度(±0.001 MPa)。

1.2 試驗方法

圖1 應(yīng)力敏感試驗流程圖

表1 試驗巖樣基礎(chǔ)參數(shù)

該試驗采用恒內(nèi)壓變圍壓方法，以高純氮氣作為驅(qū)替介質(zhì)，對巖樣烘干處理，烘干時間24 h。初始溫度設(shè)為20℃，圍壓設(shè)為13 MPa，穩(wěn)定后測定巖樣的滲透率，逐漸加載圍壓，依次取 15 MPa，17 MPa，19 MPa，21 MPa，每個圍壓點穩(wěn)定一段時間，測定巖樣滲透率。試驗過程中，驅(qū)替內(nèi)壓始終保持0.2 MPa，驅(qū)替壓差0.5 MPa恒定不變。逐漸升高溫度25℃，30℃，35℃，40℃，45℃，50℃，55℃，60℃，65℃，70℃，75℃，80℃，重復(fù)上述過程，測定氣測滲透率。由于溫度對驅(qū)替介質(zhì)氮氣的黏度有影響，所以測定過程必須考慮溫度的影響(見表1)。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 頁巖滲透率隨溫度的變化規(guī)律

由圖2可見，頁巖滲透率K與溫度T具有較好的指數(shù)關(guān)系。隨著溫度從20℃升高到70℃時，兩塊巖樣的滲透率呈現(xiàn)快速下降，滲透率分別平均下降41.7%，34.1%，當(dāng)溫度從70℃上升到80℃時，兩塊巖樣的滲透率反而緩慢下降，滲透率分別平均下降1.2%，3.4%。這主要是隨溫度升高，礦物顆粒的膨脹，巖石顆粒之間產(chǎn)生熱應(yīng)力作用[10]，等同于巖樣的有效應(yīng)力增大。從圖2分析可以看出，初始滲透率越高，則應(yīng)力敏感性越強(qiáng)，溫度對應(yīng)力敏感性影響越大。

2.2 頁巖滲透率隨有效應(yīng)力的變化規(guī)律

為了研究頁巖氣井衰竭式開發(fā)過程中，有效應(yīng)力變化對頁巖儲層滲透率的影響(見圖3)。通過對兩塊巖樣進(jìn)行變圍壓恒內(nèi)壓試驗，即有效應(yīng)力逐漸增大過程，觀測巖樣滲透率的變化情況。測試結(jié)果表明：滲透率K與有效應(yīng)力P具有較好的指函數(shù)關(guān)系。這與低滲透、特低滲透油氣藏應(yīng)力敏感性呈現(xiàn)相同的規(guī)律。當(dāng)有效應(yīng)力由小增大時，儲層滲透率由大變小，其下降幅度由大到小。有效應(yīng)力從13 MPa增大到17 MPa時，不同溫度下兩塊巖樣滲透率平均分別下降28.9%，24.9%，當(dāng)有效應(yīng)力從17 MPa增大到21 MPa時，滲透率平均下降8.4%，8.6%。針對LS1-12-3巖樣測試結(jié)果分析，溫度從20℃升到80℃，有效應(yīng)力從13 MPa升到21 MPa過程中，不同溫度下滲透率分別降低45.1%，36.7%，34.9%，32.6%，表明隨溫度的升高，儲層對有效應(yīng)力的敏感程度由高到低。這主要是頁巖中不同礦物顆粒因不同的熱膨脹系數(shù)以及各向異性晶粒不同的結(jié)晶方位的熱彈性性質(zhì)不同[9]，引起各種礦物不同程度的熱膨脹，致使頁巖中納米級的孔喉半徑的孔隙、孔道不斷的縮小，使得原本能夠通過的氮氣分子不再通過，頁巖在有效應(yīng)力作用下，微觀孔隙發(fā)生變形量減少，因此會出現(xiàn)儲層對有效應(yīng)力敏感程度逐漸降低的現(xiàn)象。

圖2 不同頁巖巖樣滲透率與溫度的關(guān)系

圖3 頁巖滲透率隨有效應(yīng)力變化關(guān)系圖

3 滲透率應(yīng)力敏感評價

3.1 應(yīng)力敏感損害率Dk評價[14]

石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，計算滲透率損害率公式為：

式中：Dk-應(yīng)力敏感程度，無因次；K0-初始應(yīng)力點對應(yīng)的巖樣滲透率，mD；Kmin-不同溫度條件下達(dá)到最大應(yīng)力后的巖樣滲透率的最小值，mD。

3.2 羅瑞蘭等[4]提出應(yīng)力敏感系數(shù)

計算應(yīng)力敏感評價指標(biāo)SP公式為：

式中：SP-應(yīng)力敏感評價指標(biāo)；Ko-初始應(yīng)力點對應(yīng)的巖樣滲透率，mD；Ki-不同溫度條件下達(dá)到不同應(yīng)力點對應(yīng)的巖樣滲透率，mD。

基于上述2種評價方法，對1號頁巖巖樣進(jìn)行了應(yīng)力敏感評價，結(jié)果(見表2、表3)。表2中2種方法的計算結(jié)果具有較好的一致性，即頁巖巖樣滲透率的應(yīng)力敏感程度中等，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)評價得到的不同溫度下滲透率損害率Dk均大于0.3，且隨溫度的升高，滲透率損害率由0.45降低到0.33。以13 MPa作為初始應(yīng)力點算得應(yīng)力敏感損害率等級為中等，而以17 MPa作為初始應(yīng)力點算得應(yīng)力敏感損害率等級為弱，說明有效應(yīng)力變化不同5段對儲層的應(yīng)力敏感性影響不同，此結(jié)論為現(xiàn)場油氣開發(fā)工程中控制儲層應(yīng)力敏感性提供指導(dǎo)作用。第二種評價方法求得的應(yīng)力敏感系數(shù)Sp均大于0.8，且隨溫度變化規(guī)律同Dk相似。

4 結(jié)論

針對頁巖儲層物性的應(yīng)力敏感試驗與分析，得出如下主要結(jié)論：

(1)初始滲透率越高，則應(yīng)力敏感性越強(qiáng)，溫度對應(yīng)力敏感性影響越大。不同有效應(yīng)力下，溫度從20℃升高到80℃時，2塊巖樣的滲透率分別下降42.9%，37.5%，頁巖滲透率與溫度具有較好的指數(shù)關(guān)系。

表2 頁巖巖樣應(yīng)力敏感評價

表3 頁巖巖樣應(yīng)力敏感評價

(2)當(dāng)有效應(yīng)力由小增大時，儲層滲透率由大變小，其下降幅度由大到小。有效應(yīng)力從13 MPa增大到17 MPa時，不同溫度下兩塊巖樣滲透率平均分別下降28.9%，24.9%，當(dāng)有效應(yīng)力從17 MPa增大到21 MPa時，滲透率平均下降8.4%，8.6%，滲透率與有效應(yīng)力同樣呈現(xiàn)較好的指函數(shù)關(guān)系，這與低滲透、特低滲透油氣藏應(yīng)力敏感性呈現(xiàn)相同的規(guī)律。

(3)通過2種應(yīng)力敏感評價方法得出：頁巖滲透率的應(yīng)力敏感程度為中等，且隨溫度的升高，滲透率損害率由0.45降低到0.33。有效應(yīng)力從13 MPa增加到17 MPa，應(yīng)力敏感程度為中等，而有效應(yīng)力從17 MPa增加到21 MPa時，應(yīng)力敏感程度卻為弱，有效應(yīng)力不同變化5段對儲層應(yīng)力敏感損害程度影響不同。

(4)溫度及有效應(yīng)力對儲層應(yīng)力敏感性影響的規(guī)律性研究成果，對頁巖儲層現(xiàn)場大型水力壓裂施工及制定合理的開采制度有著關(guān)鍵性指導(dǎo)作用，避免現(xiàn)場不合理的施工破壞頁巖氣儲層的滲透性。

參考文獻(xiàn)：

［1］Fatt I，Davis D H.Reduction in permeability with overburden pressure［J］.Journal of Petroleum Technology，1952，4(12)：16.

［2］Suyang Zhu.Experiment Research of Tight Sandstone Gas Reservoir Stress Sensitivity Based On The Capillary Bundle Mode［J］.SPE 167638-STU，2013：1-12.

［3］Bernabe Y.The effective pressure law for permeability in chelmsford granite and barregranite ［J］.Int.J.Roc-kMech.MinSci.&Geomech.Abstr，1986，23(3)：267-275.

［4］羅瑞蘭，馮金德，唐明龍，等.低滲儲層應(yīng)力敏感評價方法探討［J］.西南石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2008，30(5)：161-164.

［5］陳召佑，李麗君，李閩，等.鎮(zhèn)涇油田低滲透油藏巖石滲透率應(yīng)力敏感性研究［J］.地質(zhì)科技學(xué)報，2010，29(2)：1-4.

［6］周思賓，白玲.鎮(zhèn)涇油田長8超低滲油藏應(yīng)力敏感性實驗研究［J］.石油地質(zhì)與工程，2012，26(4)：110-112.

［7］郭平，張俊，杜建芬，等.采用兩種實驗方法進(jìn)行氣藏巖心應(yīng)力敏感研究［J］.西南石油大學(xué)學(xué)報，2007，29(2)：7-9.

［8］董平川，江同文，唐明龍，等.異常高壓氣藏應(yīng)力敏感性研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2008，27(10)：2087-2092.

［9］劉泉聲，許錫昌.溫度作用下脆性巖石的損傷分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2000，19(4)：408-411.

［10］郝振良，馬捷，王明育.熱應(yīng)力作用下的有效壓力對多孔介質(zhì)滲透系數(shù)的影響［J］.水動力學(xué)研究與進(jìn)展，2003，18(6)：792-796.

［11］黃玲，曾立新，黃成惠.頁巖儲層敏感性特征實驗研究［J］.天然氣技術(shù)與經(jīng)濟(jì)，2012，(5)：17.

［12］郭為，熊偉，高樹生.頁巖氣藏應(yīng)力敏感效應(yīng)實驗研究［J］.特種油氣藏，2012，19(1)：95-97.

［13］趙立翠，高旺來，趙莉，等.頁巖儲層應(yīng)力敏感性實驗研究及影響因素分析［J］.重慶科技學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，2013，(15)：43-46.

［14］蘭林，康毅力，陳一健，等.儲層應(yīng)力敏感性評價實驗方法與評價指標(biāo)探討［J］.鉆井液與完井液，2005，(3)：1-4.