游利軍， 邵佳新， 高新平， 康毅力， 王福榮

（1. 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點試驗室（西南石油大學(xué)），四川成都 610500；2. 中國石油西南油氣田分公司工程技術(shù)研究院，四川成都 610017）

隨著天然氣需求量日益增大、進(jìn)口氣量持續(xù)快速增長以及國內(nèi)大型長輸管道工程的快速建設(shè)，天然氣儲存和調(diào)峰矛盾日益突出[1-2]。儲氣庫是各大氣區(qū)天然氣管道建設(shè)的重要一環(huán)，具有儲存天然氣和調(diào)峰的功能[3-4]。與常規(guī)氣藏單向衰竭式開采相比，儲氣庫具有強(qiáng)注強(qiáng)采、短期大流量交替注氣和采氣等特點[5]。儲氣庫周期注采過程中，儲層孔隙壓力周期性升高和降低，會引起儲層有效應(yīng)力交替變化，導(dǎo)致儲層裂縫周期性開啟和閉合，進(jìn)而引發(fā)儲氣庫儲層的應(yīng)力敏感性，而且隨著儲氣庫注采周期增長，應(yīng)力敏感會增強(qiáng)[6]。因此，研究儲氣庫儲層的應(yīng)力敏感性，有助于提高儲氣庫的注采效率，優(yōu)化注采制度。

油氣生產(chǎn)過程中，有效應(yīng)力增大會使儲層物性發(fā)生變化[7]，尤其是儲層滲透率和孔隙度等參數(shù)[8]。科研人員開展了有效應(yīng)力加載條件下的巖石滲透率和孔隙度變化試驗[9-13]，并通過建立函數(shù)、空間模型等來描述孔隙度、滲透率與有效應(yīng)力的關(guān)系[10，14-16]。同時建立了評價應(yīng)力敏感程度的方法，主要包括用回歸滲透率與有效應(yīng)力指數(shù)關(guān)系中的常數(shù)表示應(yīng)力敏感程度[17]、應(yīng)力敏系數(shù)法[18]，以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《儲層敏感性流動試驗評價方法》（SY/T 5358—2010）等一系列評價方法。

筆者選取XG 儲氣庫碳酸鹽巖儲層巖樣，開展了應(yīng)力敏感試驗和考慮有效應(yīng)力作用時間的應(yīng)力敏感試驗，并測試了試驗過程中巖樣的滲透率，運用掃描電鏡等手段觀測了考慮有效應(yīng)力作用時間試驗前后的巖樣裂縫壁面，分析了有效應(yīng)力大小及其作用時間對巖石裂縫和孔隙結(jié)構(gòu)的作用機(jī)理?；谝陨戏治觯鞔_了儲氣庫周期注采過程中有效應(yīng)力和有效應(yīng)力作用時間對碳酸鹽巖滲透率的影響，以期為優(yōu)化儲氣庫的注采制度提供理論依據(jù)。

1 試驗巖樣與試驗方法

1.1 試驗巖樣

試驗巖樣選自川渝地區(qū)XG 儲氣庫黃龍組碳酸鹽巖儲層，埋深2 300.00～2 600.00 m，地層溫度62.23 ℃，儲氣庫庫容 40.5×108m3，墊底氣量 17.7×108m3，工作氣量22.8×108m3。試驗巖樣孔隙度的最大值為11.99%，最小值為0.11%，平均為2.07%。巖樣滲透率的最大值為2.27 mD，最小值為4.36×10-4mD，平均為0.67 mD。儲層巖樣裂縫統(tǒng)計結(jié)果表明，有效裂縫為649 條，裂縫平均密度為8.96 條/m，占總裂縫的74.86%，表明儲氣庫碳酸鹽巖儲層有效裂縫較發(fā)育。

研究區(qū)塊為孔隙性-裂縫性碳酸鹽巖儲層，裂縫不僅是儲集空間，也是重要的滲流通道，因此采用巴西劈裂法對4 塊巖樣進(jìn)行了人工造縫，然后進(jìn)行相關(guān)試驗，并選擇4 塊基塊巖樣進(jìn)行了對比試驗。試驗巖樣的基本物性參數(shù)見表1。

表 1 試驗巖樣的基本物性參數(shù)Table 1 Basic physical parameters of experimental rock samples

1.2 試驗裝置

應(yīng)力敏感試驗裝置主要包括驅(qū)替泵、氮氣瓶、圍壓系統(tǒng)、巖心夾持器、質(zhì)量流量計、回壓閥和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等，如圖1 所示?；貕洪y在巖樣出口端施加回壓，具有2 個作用：1）在測試裂縫巖樣的滲透率時消除滑脫效應(yīng)[19-21]；2）可以提高壓力的傳遞效率，增加孔喉的動用程度，提高基塊巖樣滲透率的測試效率[22]。

圖 1 應(yīng)力敏感試驗裝置Fig.1 Stress sensitivity testing device

1.3 試驗方法

儲氣庫注采過程中的儲層有效應(yīng)力會發(fā)生改變，為此開展了應(yīng)力敏感試驗，研究了儲氣庫儲層有效應(yīng)力大小和作用時間對其滲透率的影響。基于研究區(qū)儲氣庫儲層壓力的變化情況，設(shè)計了以下具體的試驗步驟：1）將預(yù)先處理好的巖樣放入巖心夾持器，在高圍壓下對巖樣老化處理4 h，使巖樣中的孔隙閉合；2）測試有效應(yīng)力分別為 2，10，30，35，45，50 和60 MPa 時的巖樣滲透率，有效應(yīng)力為上覆巖層壓力（圍壓）與孔隙壓力之差；3）在步驟 2）基礎(chǔ)上進(jìn)行考慮有效應(yīng)力作用時間的應(yīng)力敏感試驗，每個應(yīng)力加載2 h，每間隔30 min 測試一次巖樣的滲透率；4）采用應(yīng)力敏感系數(shù)法[18]進(jìn)行應(yīng)力敏感程度評價，并運用SEM 等手段觀察分析了考慮有效應(yīng)力作用時間的應(yīng)力敏感試驗前后的裂縫壁面。

應(yīng)力敏感程度評價標(biāo)準(zhǔn)：應(yīng)力敏感系數(shù)Ss≤0.05，為無應(yīng)力敏感；0.051.00，應(yīng)力敏感程度為極強(qiáng)。

2 試驗結(jié)果

2.1 應(yīng)力敏感試驗

巖樣應(yīng)力敏感程度評價結(jié)果見表2。由表2 可知： 裂縫巖樣XG-1 和XG-2 的應(yīng)力敏感系數(shù)為0.34 和0.21，應(yīng)力敏感程度為中等偏弱和弱；基塊巖樣XG-3 和XG-4 的應(yīng)力敏感系數(shù)為0.03 和0.04，應(yīng)力敏感程度為無。

表 2 應(yīng)力敏感程度評價結(jié)果Table 2 Evaluation results of stress sensitivity

2.2 考慮有效應(yīng)力作用時間的應(yīng)力敏感試驗

考慮有效應(yīng)力作用時間的巖樣應(yīng)力敏感程度評價結(jié)果見表3。由表3 可知，裂縫巖樣的應(yīng)力敏感程度為中等偏強(qiáng)—強(qiáng)，基塊巖樣的應(yīng)力敏感程度為弱。研究區(qū)塊儲層上覆巖層壓力（圍壓）為30 MPa，儲氣庫的最大注氣壓力為10 MPa；儲氣庫由枯竭型氣藏改建而成，儲層孔隙壓力最小約1.0 MPa，因此有效應(yīng)力選20 和30 MPa。有效應(yīng)力恒定，隨著有效應(yīng)力作用時間增長，試驗巖樣的滲透率降低，其中基塊巖樣2 h 內(nèi)降低2%～3%，裂縫巖樣2 h 內(nèi)降低5%～9%（見圖2）。與常規(guī)試驗結(jié)果相比，考慮有效應(yīng)力作用時間時，裂縫和基塊巖樣的應(yīng)力敏感程度均增強(qiáng)。

表 3 考慮有效應(yīng)力作用時間的應(yīng)力敏感評價結(jié)果Table 3 Stress sensitivity evaluation results considering the duration of effective stress action

圖 2 有效應(yīng)力作用時間與巖樣滲透率的關(guān)系Fig.2 Relationship between effective stress action duration and rock sample permeability

3 應(yīng)力敏感性影響因素分析

3.1 有效應(yīng)力作用時間

有效應(yīng)力的變化會引發(fā)巖石變形，而巖石的變形主要為骨架顆粒的變形和排列方式的改變。骨架顆粒的變形屬于彈性變形，有效應(yīng)力卸載后通?？梢曰謴?fù)；而骨架顆粒排列方式改變引發(fā)的變形通常屬于塑性變形，有效應(yīng)力卸載后難以恢復(fù)，屬于不可逆變形。對比應(yīng)力敏感程度評價試驗結(jié)果（見表2和表3）發(fā)現(xiàn)，隨著有效應(yīng)力作用時間增長，裂縫巖樣和基塊巖樣的應(yīng)力敏感程度均增強(qiáng)。有效應(yīng)力作用時間增長，巖樣骨架顆粒受擠壓發(fā)生彈性變形，骨架顆粒的排列方式產(chǎn)生相對位移，進(jìn)而發(fā)生塑性變形。碳酸鹽巖儲層基塊膠結(jié)致密，骨架顆粒變形的空間很小，因此導(dǎo)致其強(qiáng)度降低的主要原因是，裂縫壁面產(chǎn)生相對位移，導(dǎo)致骨架顆粒排列方式發(fā)生改變，從而引起塑性變形。掃描電鏡結(jié)果表明，試驗前巖樣裂縫壁面存在致密結(jié)構(gòu)和大量微凸體（見圖3（a）），試驗后裂縫壁面出現(xiàn)微裂縫和脫落的微粒（圖3（b））。隨著有效應(yīng)力增大，裂縫壁面的微凸體發(fā)生錯動，導(dǎo)致顆粒之間產(chǎn)生相對位移，發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致巖石強(qiáng)度降低。

從圖2 可以看出，滲透率變化率隨著有效應(yīng)力作用時間的增長可劃分為滲透率快速降低、滲透率穩(wěn)定和滲透率再降低等3 個階段。開始階段，大量的孔隙和裂縫在有效應(yīng)力作用下逐漸閉合，導(dǎo)致巖樣滲透率快速降低。有效應(yīng)力作用一段時間后，由于大多數(shù)的孔隙和裂縫都已發(fā)生閉合，巖樣滲透率較為穩(wěn)定。由于裂縫壁面存在微凸體，尤其是以點狀接觸的微凸體易發(fā)生應(yīng)力集中，隨著有效應(yīng)力作用時間繼續(xù)增長，微凸體破碎，并鑲嵌在裂縫壁面，誘發(fā)微裂縫的萌生，加速天然裂縫的擴(kuò)展，促使巖石強(qiáng)度降低，強(qiáng)化應(yīng)力敏感性，最終導(dǎo)致巖樣滲透率再次降低[23-24]。

3.2 巖石骨架顆粒

巖石骨架顆粒對巖石強(qiáng)度具有重要作用[25]。當(dāng)巖石受到有效應(yīng)力作用時，巖石骨架顆粒承受了絕大部分的應(yīng)力，因此巖石骨架顆粒會影響巖石的應(yīng)力敏感性。利用XRD 分析試驗巖樣的礦物組分，結(jié)果顯示：巖樣全巖礦物組分以碳酸鹽礦物為主，平均含量為97.2%，其中白云石含量為75.3%，方解石含量為21.9%；石英含量為0.8%，黏土礦物含量為2.0%。黏土礦物主要為綠泥石、伊利石和少量的伊/蒙間層礦物。儲層中碳酸鹽礦物含量較高，進(jìn)行酸化改造時會溶蝕碳酸鹽礦物等，造成巖石強(qiáng)度降低，使儲層的應(yīng)力敏感性增強(qiáng)。儲層基塊酸化后，其滲透率和裂縫導(dǎo)流能力在有效應(yīng)力增大時會降低[26]，從而使注采效率降低。石英強(qiáng)度較高，溶蝕碳酸鹽礦物時會暴露出來，可對裂縫形成支撐，但由于其含量較少，對于弱化應(yīng)力敏感程度的作用很小。

圖 3 考慮有效應(yīng)力作用時間應(yīng)力敏感試驗前后的裂縫壁面掃描電鏡圖片F(xiàn)ig.3 Scanning electron micrograph of fracture walls before and after stress sensitivity experiment taking into account of the effective stress action duration

4 結(jié)論與建議

1）未考慮有效應(yīng)力作用時間時，裂縫巖樣的應(yīng)力敏感程度為弱—中等偏弱，基塊巖樣為無；考慮有效應(yīng)力作用時間時，裂縫巖樣的應(yīng)力敏感程度為中等偏強(qiáng)—強(qiáng)，基塊巖樣為弱。

2）隨著有效應(yīng)力作用時間增長，裂縫巖樣和基塊巖樣的滲透率呈現(xiàn) “快速降低—穩(wěn)定—降低” 的趨勢。

3）有效應(yīng)力作用時間增長使裂縫壁面微凸體破碎，誘發(fā)微裂縫的萌生與擴(kuò)展，導(dǎo)致巖石強(qiáng)度降低，進(jìn)而強(qiáng)化巖樣的應(yīng)力敏感程度，最終影響儲氣庫的注采效率。

4）建議對碳酸鹽巖儲層裂縫進(jìn)行小規(guī)模不均勻酸蝕，以達(dá)到支撐裂縫的目的，使裂縫保持一定的導(dǎo)流能力。