朱秀蘭，冉彥龍，許 泰，李彥舉

(1.隴東學院 能源工程學院，甘肅 慶陽 745000；2.甘肅能源集團有限責任公司，甘肅 慶陽 745000)

近年來，我國每年新增探明天然氣儲量中，90%以上的天然氣儲量都來自低孔、低滲氣藏。低孔、低滲砂巖氣藏儲層孔隙結(jié)構(gòu)復雜、孔喉尺度小(多數(shù)孔喉直徑小于1μm)、泥質(zhì)及膠結(jié)物含量較高，常規(guī)方式開發(fā)難度大，開采效益差。國內(nèi)外許多學者基于儲層應力敏感性與滲透率初值關系的實驗研究，認為儲層滲透率越低，才能引起應力敏感性，且應力敏感性越強[1-3]。大量低滲儲層巖石應力敏感性實驗結(jié)果[4-6]表明，在開采過程中，隨著儲層壓力降低，巖石受壓縮變形，孔隙度、滲透率等物性參數(shù)出現(xiàn)明顯降低的趨勢，呈現(xiàn)出較強的應力敏感性。上述現(xiàn)象與孔隙結(jié)構(gòu)和微裂縫密切相關，且微裂縫越發(fā)育其應力敏感性越強。從巖石力學角度[7-8]分析認為，儲層巖石發(fā)生彈塑性形變，與巖石骨架，如碎屑顆粒硬度、顆粒接觸關系和膠結(jié)類型等有關。綜上所述，儲層自身內(nèi)部因素對儲層應力敏感性程度起決定性作用。通過掃描電鏡、CT掃描、X衍射、巖石鑄體薄片和恒速壓汞等微觀實驗手段[9-10]，對儲層巖石物性可進行全面詳細的微觀研究，但缺少針對儲層應力敏感性成因機理的巖石物性分析研究。

本文以鄂爾多斯盆地的大牛地氣田上古生界山2段儲層巖石為例，重點從儲層巖石內(nèi)部因素(巖石類型及其成分、孔喉結(jié)構(gòu)特征及其尺寸分布、填隙物含量、成巖作用、裂縫特征等)分析研究儲層成因控制與儲層應力敏感性的相關性，提出防止儲層發(fā)生應力敏感損害的措施，對超低滲致密砂巖氣藏開發(fā)提出合理建議。

1 滲透率應力敏感性實驗

1.1 實驗原理

在超低滲致密砂巖氣藏儲層的開發(fā)過程中，采出流體將引起儲層能量虧空、地層流體壓力下降，進而使得儲層巖石骨架的有效應力增大、巖石骨架顆粒與孔喉結(jié)構(gòu)間的原始關系發(fā)生變化，最終引起流體滲流通道發(fā)生變化、儲層滲透率急劇下降、氣藏開采受限。因此，儲層滲透率隨著儲層所受環(huán)境的改變(如：儲層流體流動方式的不同、物理或化學狀況的變化及外來介質(zhì)的侵入等)而發(fā)生相應的變化，即為儲層應力敏感性。

本次實驗采用實際儲層巖樣模擬真實地層條件開發(fā)過程，參照我國石油天然氣行業(yè)標準SY/T5358-2010《儲層敏感性流動試驗評價方法》，開展超低滲致密儲層應力敏感性評價實驗。根據(jù)Terzaghi與多孔介質(zhì)雙重有效應力理論，在應力敏感性評價實驗中，實驗施加的圍壓模擬儲層巖樣所承受的上覆巖石壓力，內(nèi)壓(控制回壓)模擬孔隙流體壓力，二者差值為儲層巖石的有效應力。實驗方法采用內(nèi)壓恒定不變，改變圍壓的方式來實現(xiàn)有效應力的改變，即通過定內(nèi)壓變圍壓的方式來模擬實際氣藏開發(fā)過程。

1.2 實驗裝置及流程

儲層應力敏感性評價實驗儀器主要包括從美國Core Laboratory公司引進的氦氣孔隙度儀、手動高壓泵(施加圍壓)、巖樣夾持器和氦氣瓶。實驗測定時，將巖樣飽和氮氣，同時保證模擬地層溫度90.4℃，保持內(nèi)壓恒定，通過改變巖樣的圍壓來改變有效應力。在不考慮水相存在的條件下，進行滲透率應力敏感性評價測試。逐漸升高圍壓，此時模擬儲層開采過程，使得有效應力從2.5MPa、5MPa、10MPa、15MPa、20MPa、25MPa、30MPa、40MPa逐漸增加，直到最高有效應力測試值40MPa；升高圍壓測定過程結(jié)束后，再逐漸降低圍壓至最低有效應力測試值2.5MPa，此時模擬儲層地層壓力恢復過程。通過連接在巖樣夾持器出口端的皂沫流量計，分別記錄每一次測試有效應力點條件下穩(wěn)定后的氣體流量以及相應的巖樣進出口壓力值，再根據(jù)氣測滲透率公式，計算出不同有效應力點時的巖樣滲透率，實驗流程圖如圖1所示。

圖1 滲透率應力敏感性實驗流程圖

1.3 實驗樣品

以鄂爾多斯盆地大牛地氣田的上古生界山2段儲層巖樣為研究對象，開展儲層應力敏感性實驗。所選的5塊巖樣滲透率范圍為(0.0471～0.259)×10-3μm2，屬于致密超低滲儲層，如表1所示。飽和巖樣的氮氣粘度為0.0177mPa·s，其粘度低節(jié)省實驗時間，與巖石不會發(fā)生任何物理化學反應。

表1 儲層滲透率應力敏感性實驗巖樣

1.4 實驗結(jié)果分析

不同有效應力條件下巖樣滲透率對比圖，如圖2所示。隨著有效應力的增大，巖樣的滲透率減小，滲透率變化幅度以有效應力12MPa為分界點，曲線呈現(xiàn)為斜率不同的2個階段。第1階段：初期滲透率急劇下降，最大降幅60%左右；第2階段：后期滲透率下降逐漸趨于平緩，最大降幅30%左右。總體上，屬于“先快后慢”型應力敏感性損害模式。分析認為，第1階段儲層巖樣受到壓縮，首先發(fā)生變形的是較大孔隙、易閉合的喉道和微裂縫，其輕微減小儲層滲透率將明顯降低，因而滲透率降幅較大；第2階段壓縮至某一有效應力點后，難以閉合的喉道、小孔隙基本無變形，因而巖樣壓縮量降低，滲透率降幅逐漸減小至幾乎停滯的狀態(tài)。綜上所述，由于孔喉大小及結(jié)構(gòu)的改變引起了儲層滲流通道變化，導致儲層滲透率降低，出現(xiàn)應力敏感。

圖2 巖樣(升降圍壓時)滲透率對比圖

模擬地層壓力恢復的降圍壓實驗過程中，隨著有效應力的降低，巖樣滲透率逐漸增加。加壓后卸壓(升降圍壓)，二者關系曲線并不能重合，5塊巖樣不可逆滲透率損失率為24.11%～46.31%。這表明儲層巖石發(fā)生了不同程度的彈塑性變形，產(chǎn)生了不可逆的應力敏感損害。

從圖3巖樣的滲透率應力敏感性損害率關系曲線圖可以看出，5塊巖樣的滲透率應力敏感性損害率隨有效應力的增加而逐漸增大，巖樣的滲透率應力敏感性損害率最大達到89.11%，且為NO.3巖樣。根據(jù)巖樣應力敏感性損害程度評價指標[11]，5塊巖樣的損害程度均很強(均大于70%)，故該超低滲致密砂巖儲層應力敏感性較強。這說明在超低滲致密氣藏的采氣過程中，儲層應力敏感性損害不可避免。為保證氣井產(chǎn)量，需要保持合理的井底流壓或采取人工措施改善地層滲透率，減小儲層應力敏感性損害。

圖3 巖樣的滲透率應力敏感性損害率關系曲線圖

在超低滲致密砂巖氣藏開發(fā)過程中存在明顯的固液耦合的正反兩方面作用，即：地層壓力降低，有效應力升高。一方面是可以增加彈性驅(qū)動采氣量，提高氣井產(chǎn)能；另一方面是儲層產(chǎn)生應力敏感性，導致氣井產(chǎn)量下降。但是，由于在開發(fā)過程中氣藏的有效應力變化并沒有實驗測試中的有效應力變化范圍那么大，且實際氣藏的原始有效應力并不僅有2.5MPa，因此，實際的滲透率變化是在實驗室所得的應力損害曲線的中后段而不是前段。這樣就使實際地層條件下的應力傷害比實驗室的應力傷害要小，但總地來說，滲透率的應力傷害卻仍然很大，不容忽視。

2 應力敏感成因機理

超低滲致密砂巖儲層應力敏感程度主要取決于兩方面，一是外部因素，即巖石受力狀態(tài)(上覆巖石壓力以及地層壓力變化等)；二是內(nèi)部因素，主要是巖石的組成、物理化學性質(zhì)和結(jié)構(gòu)構(gòu)造，即：巖石學特征、成巖作用、裂縫特征等[12-13]。儲層巖石屬于超低滲致密多孔介質(zhì)，根據(jù)巖石孔喉變形理論，導致巖石受力狀態(tài)改變的外部因素，均能使儲層巖石發(fā)生應力敏感。因此，通過對儲層本身性質(zhì)的分析研究，確定巖石發(fā)生形變產(chǎn)生應力敏感的成因機理。

2.1 巖石物性

2.1.1 巖石組分

山2段儲層巖性主要為中-粗粒巖屑砂巖、少量的中-粗粒巖屑石英砂巖。其中碎屑顆粒中石英含量平均為71.7%；長石含量較少，平均為1.8%；巖屑含量平均為26.5%，如圖4所示。在成巖過程中，由于該區(qū)塊儲層長石多數(shù)為鉀長石且其穩(wěn)定性低，受搬運及風化作用影響而大量石化，所以導致長石含量較低。

圖4 巖石組分含量直方圖

儲層主要填隙物為泥質(zhì)雜基-粘土礦物，高含量泥質(zhì)伴生發(fā)育黑云母；其他自生礦物種類較多，主要為伊利石和方解石，以及少量的硅質(zhì)、高嶺石、綠泥石、白云石和菱鐵礦。

儲層巖石由多種礦物組成，不同礦物其硬度也不同。巖石礦物中石英的硬度最高，巖屑的硬度一般較低，云母和粘土類礦物的硬度最低，硬度高的礦物無形變或形變量很小。山2段儲層巖石礦物主要為石英，受壓不容易發(fā)生變形。但是，其中填隙物中泥質(zhì)含量較高，泥質(zhì)-粘土礦物受到外力作用時，易發(fā)生塑性變形或破碎，當外力作用減小時變形也不能恢復，使孔隙及流體滲流通道減小，甚至可能產(chǎn)生微粒運移而堵塞孔喉。當儲層壓力降低時，受巖屑以及填隙物影響，儲層巖石骨架發(fā)生不可逆的變形，滲透率出現(xiàn)不可逆損失，應力敏感性增強。

2.1.2 孔隙類型及結(jié)構(gòu)

該區(qū)塊上古生界氣藏孔隙類型有粒間孔、次生溶孔、晶間微孔和微裂縫(巖石縫和粒間縫)，其中山2段儲層孔隙類型以粒間孔和次生溶孔為主。多數(shù)巖樣孔隙發(fā)育或較發(fā)育，孔隙分布均勻，連通性較好，少數(shù)部分巖石致密少見孔隙或未見孔隙，孔隙大小不均，連通性差。喉道主要類型為縮頸型、片狀型或彎曲片狀型，平均喉道半徑為0.1～0.5μm。與中、高滲砂巖相比，該儲層具有中低孔、小喉、非均質(zhì)性強的特點，孔喉比大且分布范圍較寬，孔隙空間發(fā)育不均勻，孔隙和喉道連通性差，孔隙結(jié)構(gòu)復雜。當該氣藏投入生產(chǎn)，儲層巖石承受的有效應力逐漸增大，巖石孔隙和喉道體積縮小，基本上為彈性變形，也是超低滲致密砂巖變形的主要部分。與孔隙相比，喉道半徑較小且易閉合，所以喉道閉合對超低滲致密砂巖儲層應力敏感性損害的影響極大。

2.1.3 顆粒及膠結(jié)方式

山2段儲層巖石顆粒分選中等偏好，但磨圓度較差，大部分呈次圓-次棱角狀，多數(shù)顆粒呈原始形狀。儲層巖石碎屑顆粒與填隙物之間為顆粒支撐。經(jīng)過強烈的壓實作用，膠結(jié)方式主要為孔隙式膠結(jié)、少量基底-薄膜-孔隙式膠結(jié)。碎屑顆粒之間為點-線接觸，少量為點-凹凸-壓融縫合線接觸。膠結(jié)物類型主要為泥質(zhì)膠結(jié)、鈣質(zhì)膠結(jié)和少量高嶺石膠結(jié)。

山2段儲層巖石顆粒分選好，在外力作用下不易發(fā)生變形。但顆粒呈次圓-次棱角狀且點接觸、孔隙式膠結(jié)和泥質(zhì)膠結(jié)物，在外力作用下不穩(wěn)定且易發(fā)生變形。因此，總體上所表現(xiàn)出的應力敏感性相對較強。

2.2 成巖作用

沉積分異作用主要以機械沉積分異作用和化學沉積分異作用為主，還有少量生物沉積分異作用。砂巖沉積分異作用下的原始孔隙度一般較高，后期成巖作用導致儲層砂巖變得致密。因此，利用掃描電鏡、X衍射以及熒光薄片等室內(nèi)實驗，山2段砂巖儲層的成巖作用主要為壓實作用、膠結(jié)作用和溶蝕作用。在壓實作用時，儲層碎屑顆粒以線接觸為主，隨埋深增加，逐漸演變?yōu)辄c-線-凹凸接觸。強烈的壓實作用導致孔隙度下降，云母、泥巖等易變形，剛性顆粒壓溶、破裂。參與膠結(jié)作用的主要為石英次生加大、粘土礦物、碳酸鹽礦物和硫酸鹽礦物。膠結(jié)交代和雜基充填等壓實作用，使儲層物性變差；溶蝕作用中等-強，形成巖屑溶蝕孔、雜基溶蝕孔和鈣質(zhì)膠結(jié)物溶蝕孔等[14]，使儲層物性變好。綜上所述，山2段超低滲致密砂巖儲層具有較強的應力敏感性。

2.3 裂縫

山2段儲層微裂縫發(fā)育一般，寬度一般在5～15μm，且大多數(shù)為高角度裂縫，但大部分未充填，在儲層孔隙中總量極少。有效裂縫以垂直裂縫為主，發(fā)育于砂巖和泥巖等地層。少量斜交裂縫主要發(fā)育于泥巖地層，部分表面平整，縫面常見順縫面方向的擦痕和階步等。未充填縫受壓極易閉合，且卸壓后不能恢復原狀。在超低滲致密砂巖儲層中裂縫的存在，一是起到了儲集滲流作用；二是在有效應力增加時，由于裂縫縫面平直、起伏較小或未充填，裂縫容易閉合，尤其是未充填裂縫對儲層的應力敏感性影響最大。

3 結(jié)論

(1)根據(jù)滲透率應力敏感性評價實驗結(jié)果，結(jié)合巖樣微觀分析，由于巖石成分、填隙物類型及含量、喉道類型及大小、顆粒磨圓度及接觸關系、膠結(jié)物及膠結(jié)方式以及裂縫發(fā)育等原因，隨著有效應力增加，巖石發(fā)生彈塑性變形，巖樣滲透率越低，形變越大，其應力敏感性越強。儲層應力敏感性傷害是永久性、不可逆的傷害。

(2)儲層成巖作用直接控制決定了巖石物性，膠結(jié)作用、溶蝕作用和壓實作用等綜合作用使得超低滲致密砂巖儲層具有一定的應力敏感性。

(3)由于超低滲致密砂巖儲層本身的性質(zhì)特點，從超低滲致密砂巖氣藏開發(fā)角度看，固液耦合的弊大于利，儲層應力敏感性較強，可考慮保護或改善儲層達到降低儲層應力敏感性的目的。