任世杰，劉大鵬

(延長油田股份有限公司吳起采油廠，陜西延安 717600)

頁巖是一種致密的巖石，其孔隙度和滲透率等物性很差，所以頁巖一般被認(rèn)為是儲(chǔ)集層良好的蓋層之一。雖然頁巖的物性很差，但是在構(gòu)造作用下，頁巖內(nèi)部往往會(huì)生成錯(cuò)綜復(fù)雜的微裂縫結(jié)構(gòu)，這些微裂縫改變了頁巖的滲透率和儲(chǔ)集性能。頁巖中發(fā)育的微裂縫在頁巖作為儲(chǔ)集層存在的過程中起著重要的作用，這些微裂縫一方面增大了頁巖儲(chǔ)集天然氣的性能，天然氣以游離態(tài)和吸附態(tài)存在于頁巖發(fā)育的網(wǎng)狀微裂縫之中；另一方面，微裂縫為天然氣的運(yùn)移提供了良好的通道，天然氣以游離和吸附狀態(tài)存在于微裂縫及孔隙當(dāng)中。雖然頁巖儲(chǔ)層的孔隙度只有不到10%，而且含油氣有效孔隙度為1%～5%，而頁巖的滲透率更是低至0.001 mD，但是頁巖儲(chǔ)層仍能成為大量天然氣的存儲(chǔ)空間之一[1]。

應(yīng)力敏感性對于頁巖開發(fā)有著重要的意義，而滲透率的應(yīng)力敏感性要比孔隙度的應(yīng)力敏感性強(qiáng)得多，所以，在研究方面主要是研究滲透率的應(yīng)力敏感性，然后對其進(jìn)行評價(jià)，得到頁巖的應(yīng)力敏感性指標(biāo)。

1 應(yīng)力敏感性評價(jià)及分析方法

應(yīng)力敏感性評價(jià)的方法大致分為2種。

1.1 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)法

滲透率損害率為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)法評價(jià)應(yīng)力敏感性的主要指標(biāo)，定義為有效應(yīng)力改變導(dǎo)致的滲透率的改變率[2]。其計(jì)算公式為式(1)：

DK=K1-Kmin/K1×100%

(1)

式中DK——滲透率損害率，%；

K1——第1個(gè)有效應(yīng)力點(diǎn)所對應(yīng)的巖心滲透率，mD；

Kmin——達(dá)到臨界應(yīng)力后巖樣滲透率的最小值，mD。

滲透率損害率有效地將應(yīng)力敏感的計(jì)算評價(jià)與五敏(速敏、水敏、堿敏、酸敏、鹽敏)的計(jì)算評價(jià)結(jié)合起來，將一般情況下的巖心滲透率轉(zhuǎn)化為原地有效應(yīng)力作用下的滲透率。最大有效應(yīng)力的選擇與外界因素有很大的關(guān)聯(lián)，導(dǎo)致對于一塊巖心測得的滲透率損害率產(chǎn)生不同的結(jié)果。所以需用原始地層有效應(yīng)力作為初始的計(jì)算點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況估計(jì)一個(gè)最大的有效應(yīng)力測點(diǎn)。

評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：DK≤0.3，弱；0.30.7，強(qiáng)。

1.2 應(yīng)力敏感性系數(shù)法

通過應(yīng)力敏感系數(shù)理論公式的推導(dǎo)公式(2)處理試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，然后確定應(yīng)力敏感性系數(shù)[3]。

(2)

式中SS——應(yīng)力敏感性系數(shù)，無量綱；

σ——有效應(yīng)力，MPa；

K——對應(yīng)有效應(yīng)力作用下的滲透率，mD；

σ0——初始測點(diǎn)的有效應(yīng)力，MPa；

K0——初始測點(diǎn)的滲透率，即有效應(yīng)力在2～3 MPa情況下的滲透率，mD。

評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：Ss≤0.3，弱；0.31，極強(qiáng)[4]。

其中，只要從試驗(yàn)中得到不同的有效應(yīng)力所對應(yīng)的滲透率，即可得到K/K0的數(shù)值，然后算出K/K0的三分之一次方的結(jié)果，再通過有效應(yīng)力的計(jì)算即可得到一系列的對應(yīng)值。理論上以10為底的有效應(yīng)力與原始應(yīng)力的比值和測得有效應(yīng)力對應(yīng)的滲透率與原始滲透率比值的三分之一次方為線性關(guān)系，而且在線性關(guān)系中斜率的相反數(shù)與我們所要求得的應(yīng)力敏感性系數(shù)一致。

通過分析我們可以很容易地看出其應(yīng)力敏感性系數(shù)是一個(gè)唯一的數(shù)值，也就是說在理論情況下它與滲透率和所作用給的有效應(yīng)力沒有關(guān)系，在巖心產(chǎn)生后其在試驗(yàn)中不考慮誤差的情況下多次測量是一致的[5]?？梢钥闯?，其與巖心中天然微裂縫的發(fā)育程度有關(guān)，在有效應(yīng)力增大的過程中，天然微裂縫越發(fā)育，應(yīng)力敏感性系數(shù)則越大，反之亦然。

2 應(yīng)力敏感性與滲透率的關(guān)聯(lián)

各類巖石的滲透率都會(huì)隨著有效圍壓的增大而減小，即產(chǎn)生了應(yīng)力敏感性，但是各類巖石的應(yīng)力敏感程度截然不同。對于滲透率較高的巖石，有效應(yīng)力增加，滲透率值下降會(huì)較大，但是相對于原始滲透率損失比值比較小，所以“應(yīng)力敏感性較弱”[1]。對于滲透率很低的巖石，有效應(yīng)力增加后，滲透率下降較小，但是相對于原始滲透率損失比值很大，即“應(yīng)力敏感性較強(qiáng)”[5]。影響應(yīng)力敏感性強(qiáng)弱的主要因素是滲透率，滲透率隨著有效應(yīng)力變化的主要原因和巖石的孔隙結(jié)構(gòu)相關(guān)。滲透率較低的儲(chǔ)層，主要的流動(dòng)通道是微吼和小吼，有效應(yīng)力的增加造成微吼和小吼迅速閉合，從而影響滲透率值下降較大，所以儲(chǔ)層的應(yīng)力敏感性會(huì)較強(qiáng)。

對于滲透率損失絕對值，有效應(yīng)力不斷增大后，高滲透率儲(chǔ)層的滲透率損失絕對值很大，即為“應(yīng)力敏感性較強(qiáng)”。如從滲透率損失比值方面分析，隨著有效應(yīng)力的增大，中高滲儲(chǔ)層的損失比值較小，即“應(yīng)力敏感性較弱”。

3 應(yīng)力敏感模式

應(yīng)力敏感模式大致分為2種：①平緩型是隨著有效應(yīng)力的增加，滲透率損失比值逐漸平緩變小；②先陡后緩型是滲透率損失比值在有效應(yīng)力增加初期會(huì)十分大，增大到一定范圍后，逐漸平緩變化。

裂縫發(fā)育較差的頁巖儲(chǔ)層屬于“先陡后緩型”應(yīng)力敏感模式，原因是隨著有效應(yīng)力的不斷增加，其原生裂縫會(huì)大量閉合，導(dǎo)致滲流通道關(guān)閉，滲透率嚴(yán)重?fù)p失；原生裂縫閉合后，隨著有效應(yīng)力的繼續(xù)增加，雖然吼道會(huì)成為壓縮受力的主要部分，但在這一階段滲透率的損失比值很小[1]。頁巖的滲透率及影響滲透率的因素正好符合先陡后緩型，一方面，頁巖裂縫比較發(fā)育，在有效應(yīng)力增大的過程中，發(fā)育的天然裂縫先于閉合，導(dǎo)致滲透率嚴(yán)重?fù)p失；另一方面，泥頁巖在滲透率損失后即使有效應(yīng)力降低，滲透率恢復(fù)量也很小，甚至是不恢復(fù)，這是由于頁巖的天然裂縫在有效應(yīng)力降低后不會(huì)在自然狀態(tài)下從閉合狀態(tài)變?yōu)閺堥_狀態(tài)。但對于裂縫不太發(fā)育的泥頁巖，其有效應(yīng)力不斷增大，頁巖的滲透率下降比率會(huì)為比較平滑，則該泥頁巖的應(yīng)力敏感模式為平緩型，而且在有效應(yīng)力降低的過程中，會(huì)產(chǎn)生較大的滲透率恢復(fù)過程，最終撤去作用在泥頁巖上的有效應(yīng)力，其滲透率與初始狀態(tài)下的滲透率接近。

隨著有效應(yīng)力增大，雖然中高滲儲(chǔ)層的滲透率損失絕對值較大，但是其應(yīng)力敏感對油田開發(fā)影響較小。頁巖的滲透率低，應(yīng)力敏感模式屬于“先陡后緩型”，其應(yīng)力敏感性對于油田開發(fā)影響較大。

4 應(yīng)力敏感性試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)原理

在實(shí)驗(yàn)室情況下，利用深水孔隙壓力伺服儀對巖樣進(jìn)行加載，利用軸向壓力或者拉力使巖心產(chǎn)生軸向的應(yīng)力，利用液體壓力給巖心產(chǎn)生周向壓力，也就是與利用深水孔隙壓力伺服儀做巖心真三軸應(yīng)力試驗(yàn)一樣。在不同的軸向應(yīng)力和周向應(yīng)力的情況下，利用氮?dú)鉁y量巖心中氮?dú)獾牧髁颗c注入—排出壓力差之間的關(guān)系，得到一系列的數(shù)據(jù)，可得到巖心的氣測滲透率。在得到巖心的一系列氣測滲透率之后，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)將其圍壓與滲透率之間的關(guān)系繪制成圖表，利用巖心應(yīng)力敏感性評價(jià)方法對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可得到巖心的應(yīng)力敏感性強(qiáng)弱結(jié)論。

(3)

式中K——頁巖滲透率，mD；

p0——大氣壓，MPa；

q——流率，mL/s；

L——巖心長度，cm；

μ——氮?dú)獾酿ざ龋琺Pa·s；

A——頁巖橫截面積，cm2；

p1——流入壓力，MPa；

p2——流出壓力，MPa；

4.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過對巖心進(jìn)行試驗(yàn)，得到以下試驗(yàn)結(jié)果。

由圖1、圖3可以看出，Y-1和Y-3巖心在圍壓增大的初始階段，滲透率下降速率很快。這是由于在初始階段增大圍壓，頁巖中的裂縫開始閉合，因此滲透率下降較快。而到了10 MPa以后滲透率下降速率降低，是由于裂縫已經(jīng)完全閉合后，再增大圍壓對巖心的滲透率沒有太大影響。在壓力下降的過程中，頁巖巖心滲透率上升極其不明顯，也可以說基本沒有上升，分析可知是由于裂縫閉合后無法在降壓后打開，導(dǎo)致滲透率無法恢復(fù)。Y-1和Y-3巖心所對應(yīng)的應(yīng)力敏感模式為先陡后緩型。

圖1 Y-1巖心圍壓與滲透率關(guān)系Fig.1 Relationship between confining pressure and permeability of Y-1 core

圖2 Y-2巖心圍壓與滲透率關(guān)系Fig.2 Relationship between confining pressure and permeability of Y-2 core

圖3 Y-3巖心圍壓與滲透率關(guān)系圖Fig.3 Relationship between confining pressure and permeability of Y-3 core

由圖2可以看出，巖心Y-2在圍壓增大過程中沒有出現(xiàn)突然降低的情況，而且在原始壓力條件下，滲透率很低，由此可以得出該巖心的裂縫發(fā)育比較低，也就是說裂縫不發(fā)育。在壓力降低后，滲透率回到了相對較高的水平。由此可以看出在該巖心增大圍壓的過程中主要是由于孔隙的壓縮及巖石基質(zhì)壓縮所造成的滲透率下降，而這些壓縮量具有彈性，則在壓力降低后會(huì)產(chǎn)生孔隙恢復(fù)的過程，使?jié)B透率也隨著恢復(fù)。Y-2巖心所對應(yīng)的應(yīng)力敏感模式為平緩型。

5 應(yīng)力敏感性評價(jià)

5.1 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)法應(yīng)力敏感性評價(jià)

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)法應(yīng)力敏感性評價(jià)(表1)。

表1 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)法應(yīng)力敏感性評價(jià)結(jié)果Table 1 Stress sensitivity assessment results of industry standard method

5.2 應(yīng)力敏感性系數(shù)法

圖4 Y-1、Y-2、Y-3巖心應(yīng)力敏感性系數(shù)法擬合曲線Fig.4 Fitting curves of Y-1, Y-2 and Y-3 core stress sensitivity coefficient method

通過線性擬合得出3塊巖心應(yīng)力敏感性系數(shù)(表2)。

表2 應(yīng)力敏感性系數(shù)法應(yīng)力敏感性評價(jià)結(jié)果Table 2 Stress sensitivity evaluation results by stress sensitivity coefficient method

綜合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)法和應(yīng)力敏感性系數(shù)法，得出Y-1巖心應(yīng)力敏感性強(qiáng)，Y-2巖心應(yīng)力敏感性中等偏弱，Y-3巖心應(yīng)力敏感性中等偏強(qiáng)。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以及計(jì)算結(jié)果，總結(jié)出行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)法的3點(diǎn)不足：

(1)選擇有效應(yīng)力的范圍方面，一般情況下為實(shí)驗(yàn)室的選擇，與實(shí)際工程應(yīng)用過程中的選擇有一定的差異，導(dǎo)致結(jié)果不太符合實(shí)際工程應(yīng)用，在實(shí)際工程應(yīng)用過程中沒有太大意義。

(2)儲(chǔ)層的實(shí)際有效應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于臨界有效應(yīng)力的范圍，使得臨界有效應(yīng)力只有數(shù)學(xué)上的意義，沒有實(shí)際的工程意義。

(3)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)法測得的應(yīng)力敏感性評價(jià)等級結(jié)果夸大了有效應(yīng)力作用下的應(yīng)力敏感性。

應(yīng)力敏感系數(shù)法通過線性的擬合可以完成在大于原始地應(yīng)力條件下的擬合，并由此推算在大于原始地應(yīng)力條件下的有效應(yīng)力作用下的滲透率情況，這一點(diǎn)彌補(bǔ)了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)法的不足，使得應(yīng)力敏感的評價(jià)整體化；但是在直觀性和物理意義方面，其沒有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)法看得清晰且易于理解。應(yīng)力敏感性系數(shù)法和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)法在確定結(jié)果上卻有線性相關(guān)性。

6 結(jié)論

(1)頁巖油氣的開發(fā)過程中，滲透率是開發(fā)的關(guān)鍵控制因素，而頁巖儲(chǔ)層的滲透率主控因素是頁巖儲(chǔ)層中發(fā)育的裂縫和微裂縫，有效應(yīng)力增加會(huì)導(dǎo)致裂縫和微裂縫閉合，從而產(chǎn)生應(yīng)力敏感性。頁巖的應(yīng)力敏感性系數(shù)法得到的應(yīng)力敏感系數(shù)在0.3以上，屬于中等偏強(qiáng)應(yīng)力敏感性；行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)法得到的滲透率損害率在0.5以上，同樣也屬于中等偏強(qiáng)應(yīng)力敏感性，與應(yīng)力敏感性系數(shù)法獲得的結(jié)果基本一致。

(2)在應(yīng)力不斷增大的過程中，頁巖中的裂縫會(huì)閉合，從而影響到頁巖的滲透率，而且在應(yīng)力降低后裂縫不會(huì)恢復(fù)，導(dǎo)致頁巖滲透率大幅降低，產(chǎn)生不可恢復(fù)的損害。

(3)裂縫發(fā)育的頁巖具有更好的裂縫發(fā)育情況，受到應(yīng)力敏感的損害會(huì)更大，但是由于其較高的滲透率，在實(shí)際生產(chǎn)過程中不會(huì)有太大的影響。然而，裂縫發(fā)育較差的頁巖本身的滲透率很低，在應(yīng)力敏感損害后，會(huì)導(dǎo)致滲透率幾乎為零，很不利于生產(chǎn)開發(fā)。