張 景 王 穎 范希彬 戶海勝 楊 鑫 李 閩

(1. 新疆油田公司勘探開發(fā)研究院 新疆克拉瑪依 834000； 2. 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室 西南石油大學 四川成都 610500)

隨著油氣資源的持續(xù)開采，儲層流體不斷被采出，巖石骨架會被壓縮，儲層巖石孔隙流體壓力會發(fā)生變化，儲層巖石的物性參數(shù)(如孔喉半徑、孔隙形狀等)會隨應力的變化而變化，其中比較顯著的就是滲透率變化，這就是儲層的應力敏感。致密儲集層含有豐富的油氣資源，或?qū)⒊蔀橛蜌赓Y源的主力儲集層[1]，致密砂巖儲層應力敏感性也一直是研究熱點[2]。目前，國內(nèi)外專家對常規(guī)儲層應力敏感性進行了大量研究并形成了完善的體系，但針對致密砂礫巖儲層應力敏感性研究仍較少，致密砂礫巖儲層應力敏感性評價也沒有統(tǒng)一的標準。調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，對于致密砂礫巖儲層應力敏感性的評價，實驗室采用的有效應力評價方法與生產(chǎn)現(xiàn)場采用的常規(guī)基質(zhì)應力敏感評價方法存在著較大差異，評價的結(jié)果也有很大的差別。本文通過研究有效應力與儲層滲透率的變化關(guān)系來模擬真實地層應力的變化情況，指導油氣藏開發(fā)，提高最終采收率，從而追求經(jīng)濟效益最大化。

1 非線性有效應力敏感實驗

1.1 巖心樣品基本物性

實驗巖心(圖1)表面明顯可見巨大的礫石嵌于巖心內(nèi)部，礫巖成分，巖性主要為灰綠色、灰色砂質(zhì)礫巖、中礫巖、小礫巖、細礫巖等，以砂礫狀結(jié)構(gòu)為主，支撐方式為顆粒支撐，其接觸方式為線接觸和點線接觸為主。礫石大小以中礫、小礫含量居多，最大粒徑為30 mm。巖石分選性中等偏差，巖石顆粒磨圓度不好，主要為次棱角狀、次圓狀。膠結(jié)物含量較低，膠結(jié)物類型以方解石為主，膠結(jié)中等較致密。所選實驗樣品巖心共4塊，基本物性參數(shù)見表1。

圖1 儲層砂礫巖樣品實物圖Fig .1 Photograph of one of the glutenite gravel samples

圖1 儲層砂礫巖樣品實物圖Fig .1 Photograph of one of the glutenite gravel samples

表1 砂礫巖巖心基本物性參數(shù)
Table 1 Fundamental properties of the four glutenite gravel samples

巖樣編號直徑/cm長度/cm干重/g孔隙度/%測試流體139-122.499 5.00357.621 16.1氮氣 154-152.504 5.564 65.306 10.4氮氣139-132.502 5.129 59.837 9.12地層水601-22.503 5.558 60.2627.90 地層水

1.2 實驗裝置與實驗方法

實驗室評價應力敏感性實驗一般有穩(wěn)態(tài)法與非穩(wěn)態(tài)法實驗，由于所選巖心滲透率極低，故本文所采用的實驗方法為非穩(wěn)態(tài)法，即壓力脈沖衰減法。實驗所用儀器為Black-Stone I型應力敏感性脈沖測試儀，實驗裝置見圖2。

實驗主要裝置包括巖心夾持器、圍壓泵(允許最高圍壓60 MPa)、內(nèi)壓泵、真空泵、數(shù)據(jù)采集軟件、控制面板、PC端、上游水箱和下游水箱等，允許最高孔隙壓40 MPa，巖心重復性測試誤差小，性能穩(wěn)定。

實驗分別用氮氣與地層水為介質(zhì)測試了4塊巖心的滲透率，為了模擬地層條件，實驗流體采用3%濃度KCl鹽水。實驗步驟分為2步：①巖心老化[3-4]實驗(恒定孔壓變圍壓)，巖心老化實驗可以消減巖樣塑性變形，使巖心性質(zhì)變得更加穩(wěn)定，減小實驗所帶來的不必要誤差；保持進口壓力1 MPa不變，緩慢增加圍壓，順序為5、10、15、20、25、30、35、40 MPa，然后再按照此梯度減小至5 MPa，并且在每個圍壓下穩(wěn)定20 min，如此進行2次循環(huán)，分別記錄每個圍壓下的脈沖壓力隨時間的變化關(guān)系，脈沖壓差統(tǒng)一取1.5 MPa；②恒定圍壓變孔壓實驗，實驗分為3組，分別采取圍壓為30、35、40 MPa，在每組恒定圍壓不變后變化孔壓8、12、16、20、24 MPa，在每個孔壓值下穩(wěn)定30 min后記錄脈沖壓力隨時間的變化關(guān)系，脈沖壓差取1.5 MPa。實驗對氣密性要求極高，時刻檢查裝置的密封性是實驗成功的關(guān)鍵。

圖2 Black-StoneⅠ型應力敏感性脈沖測試裝置示意圖Fig .2 Diagram of Black-Stone I rock stress sensitivity measurement setup

1.3 實驗數(shù)據(jù)處理方法及結(jié)果

得到脈沖壓力與時間的關(guān)系后，由瓊斯計算方法[5](式(1))計算壓力脈沖衰減法滲透率：

(1)

式(1)中：m1為脈沖壓力的對數(shù)與時間關(guān)系曲線的斜率，無量綱；μL為液體黏度，mPa·s；L為巖心長度，cm；A為巖心橫截面積，cm2；cL為液體壓縮系數(shù)，MPa-1；cV1為上游水箱的壓縮系數(shù)，MPa-1；f1取決于孔隙體積、水箱體積、滲流介質(zhì)和容器壓縮性；V1、V2為上、下游水箱的體積，cm3。

凈應力為圍壓與內(nèi)壓的差值，巖心601-2老化處理中滲透率與凈應力的關(guān)系見圖3。巖心在不同圍壓下滲透率隨孔隙內(nèi)流體壓力的變化關(guān)系見圖4。

圖3 巖心601-2老化處理時滲透率隨凈應力變化關(guān)系Fig .3 Permeability vs. confining pressure of Sample 601-2 during aging test

圖4 4塊巖樣巖心滲透率與孔壓變化關(guān)系Fig .4 Permeability vs. pore pressure of the four samples

Terzaghi[6]定義有效應力為圍壓與孔壓的差值，即

pd=pc-pf

(2)

式(2)中：pd表示Terzaghi有效應力，MPa；pc表示圍壓，MPa；pf表示孔壓，MPa。為了研究適用于石油地質(zhì)的有效應力peff，Robin[7]提出了：

peff=pc-κpf

(3)

式(3)中：κ是有效應力系數(shù)(一般是常數(shù)，無因次)，其值常與巖心礦物組成、組成顆粒物大小、孔隙形狀、膠結(jié)物成分與含量等有關(guān)；一般認為有效應力系數(shù)為1.0[8-9]或接近1.0[10-15]，李閩 等[16]還發(fā)現(xiàn)了低滲致密砂巖有效應力具有非線性特點。

要計算有效應力就必須計算有效應力系數(shù)，響應面法[17]是計算有效應力系數(shù)的主要方法，利用Matlab軟件擬合數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理響應面(圖5)得到不同壓力下的滲透率等值線(圖6)，由滲透率等值線斜率得到有效應力系數(shù)，從而計算出有效應力peff。

巖樣滲透率隨有效應力的變化關(guān)系如圖7所示。

圖5 巖樣601-2滲透率響應面Fig .5 Sample 601-2 permeability response surface

圖6 巖樣601-2滲透率等值線Fig .6 Sample 601-2 permeability contour

圖7 4塊巖樣巖心滲透率與有效應力變化關(guān)系Fig .7 Permeability vs. effective stress of the four samples

1.4 結(jié)果分析

從圖3可以看出，隨著老化回路的增加，滲透率變化的幅度越來越小，表明巖心的性質(zhì)趨于穩(wěn)定，并且老化次數(shù)越多，巖心的穩(wěn)定性越好，越利于實驗，能充分保證實驗可靠性。

從圖4可以看出，致密砂礫巖巖心滲透率隨孔隙內(nèi)流體壓力增加而增加，并且不同圍壓下，滲透率隨孔隙內(nèi)流體壓力變化幅度不一樣，如巖樣601-2在圍壓為30 MPa、孔壓為8 MPa時滲透率為1.98×10-3mD，孔壓為24 MPa時滲透率為6.95×10-3mD，單位壓降滲透率變化率為4.47%；圍壓為35 MPa、孔壓為8 MPa時滲透率為1.17×10-3mD，孔壓為24 MPa時滲透率為4.05×10-3mD，單位壓降滲透率變化率為4.44%；圍壓為40 MPa、孔壓為8 MPa時滲透率為1.02×10-3mD，孔壓為24 MPa時滲透率為1.82×10-3mD，單位壓降滲透率變化率為2.75%?？梢姡S著圍壓的增加，滲透率隨孔壓變化的幅度越來越小，敏感性也越來越弱。

巖樣產(chǎn)生滲透率變化的原因和巖石種類及顆粒含量與大小有關(guān)[18]，隨著圍壓增加，巖樣內(nèi)部孔隙和喉道受力產(chǎn)生變形，喉道首先閉合，而孔隙基本不產(chǎn)生形變；而隨著圍壓繼續(xù)增加，內(nèi)部喉道孔隙體積被壓縮體積越來越小，因此滲透率減小趨勢會越來越慢，顆粒間的壓實作用會減弱，故會出現(xiàn)上述情況。

現(xiàn)場測量儲層應力敏感性多采用常規(guī)基質(zhì)應力敏感實驗(恒定低孔壓變圍壓)，圖8為現(xiàn)場巖心601-2滲透率與圍壓變化關(guān)系圖。

圖8 樣品601-2滲透率與圍壓變化關(guān)系Fig .8 Permeability vs. net confining pressure of Sample 601-2

不難發(fā)現(xiàn)，常規(guī)基質(zhì)應力敏感實驗過程相當于實驗室應力敏感性實驗的老化過程(第一個老化回路)。

2 應力敏感性評價

得到滲透率與有效應力之間的關(guān)系后，用Jones[19]模型評價此致密砂礫巖儲層滲透率應力敏感性。

(K/Kref)1/3=1-Sln(peff/pref)

(4)

式(4)中：K表示選取參考點的滲透率，mD;Kref為參考有效應力下對應的滲透率，mD；pref為選取參考點的有效應力，MPa；S是應力敏感系數(shù)，通常S值越大應力敏感性越強，評價標準見表2。

表2 Jones應力敏感性評價標準Table 2 Jones stress sensitivity evaluation criteria

同時由圖7可以看出，致密砂礫巖儲層巖心滲透率隨有效應力增加而減?。浑S著有效應力增加，滲透率降低幅度會減小，兩者呈冪函數(shù)關(guān)系，用Jones方法評價該樣品，評價結(jié)果(表3)為中等應力敏感。

表3 Jones應力敏感性評價結(jié)果Table 3 Results of Jones stress sensitivity evaluation method

現(xiàn)場一般采用行業(yè)標準法[20]來評價儲層巖石的應力敏感性：

(5)

式(5)中：DK為滲透率的損失比，表示巖石應力變化過程中滲透率的損失量；Ki通常表示初始滲透率。

應力敏感性評價標準見表4。

表4 行業(yè)標準法應力敏感性評價標準Table 4 Industry standard stress sensitivity evaluation criteria

巖心601-2加載過程起始點滲透率為0.017 mD，加載終點滲透率為0.003 92 mD，滲透率損失比為76.9%，評價結(jié)果為強應力敏感。

因此，現(xiàn)場實驗方法評價結(jié)果是強應力敏感，Jones方法得到的結(jié)論為中等應力敏感；現(xiàn)場評價應力敏感性的方法相當于實驗室評價應力敏感的老化實驗，只是簡單的考慮了儲層巖石覆壓的變化(凈應力)來評價其應力敏感性，但是凈應力并不能準確的用以評價應力敏感性[21]；而實際生產(chǎn)活動中，相比于圍壓變化，主要是因為地下流體采出引起的孔隙流體壓力變化，從而引起有效應力變化。應力敏感發(fā)生在致密砂礫巖儲層開采的各個階段，現(xiàn)場方法不能準確反映開采各個階段的滲透率變化，也不能反映有效應力的變化；Jones方法評價儲層巖石應力敏感性考慮了孔壓的變化，利用有效應力反映開采過程中各個階段滲透率的變化情況，通過有效應力系數(shù)來反映致密砂礫巖儲層中巖石孔隙形狀、所充填礫石顆粒大小、形狀、礦物組成、膠結(jié)物類型及其含量等物性因素的影響，因此會與現(xiàn)場方法有一定的差別。

3 結(jié)論與建議

1) 基于有效應力敏感實驗并采用Jones方法評價致密砂礫巖儲層巖石滲透率有效應力敏感性級別為中等；而現(xiàn)場常采用老化實驗并采用行業(yè)標準法評價該類型儲層，應力敏感性為強甚至極強，與實際生產(chǎn)情況不符。

2) 建議采用有效應力敏感性評價方法及評價標準來界定致密砂礫巖儲層的應力敏感性。