關于應力敏感測試方法的認識誤區

李傳亮,朱蘇陽

（西南石油大學石油與天然氣工程學院，成都610599）

討論與爭鳴

關于應力敏感測試方法的認識誤區

李傳亮,朱蘇陽

（西南石油大學石油與天然氣工程學院，成都610599）

應力敏感實驗測試有2種方法，即定內壓變外壓和定外壓變內壓。定內壓變外壓測試簡單且易于操作，而定外壓變內壓測試則較為復雜且操作困難。利用定外壓變內壓測試得到的內應力敏感曲線可以直接進行應力敏感評價，而定內壓變外壓測試得到的外應力敏感曲線，則需要通過有效應力將其轉換成內應力敏感曲線之后，才能進行應力敏感評價。2種測試方法的評價結果相同，定外壓變內壓測試并不具有任何優勢，今后應放棄使用。儲層巖石的應力敏感程度，只與應力敏感系數和孔隙度參數有關，與測試壓力的數值大小無關，因此，實驗測試無需將測試壓力升得過高，以免出現實驗風險。

儲層巖石；應力敏感；應力敏感指數；實驗；巖心分析

0　引言

所謂應力敏感，是指儲層巖石的滲透率隨地層壓力變化而變化的性質［1］。應力敏感的程度，用應力敏感指數來衡量。應力敏感指數定義為地層壓力下降10 MPa時的滲透率損失率［2］。

隨著低滲透油藏開發的不斷深入，應力敏感逐漸成為油藏工程的研究熱點之一，許多學者對其進行了大量的實驗研究［2-9］。傳統的實驗測試均采取定內壓變外（圍）壓的方式進行［6］，近年來則紛紛轉向了定外壓變內壓的測試方式［7-9］。定內壓變外壓的測試方法較簡單，而定外壓變內壓的測試方法則極其復雜。人們為何要舍簡單而求復雜呢？主要是因為油氣藏開發就是一個定外壓而變內壓的過程。很多人以為采用了定外壓變內壓的測試方法，就可以更好地模擬油藏的開發過程，因而也能夠得到更加可靠的實驗結果。其實，這是一個誤解，如果了解了有效應力的作用，就知道這種轉變根本沒有必要。

1　定內壓變外壓測試

1.1測試流程

實驗測試時把巖心裝入封套（圖1），封套外面加圍壓（σ），當流體通過巖心時，流體的壓力就是所謂的內壓（p）。實驗時需要測量通過巖心的流體流量（q）和巖心的入口壓力（p1）。巖心出口端接大氣，因此出口壓力（p2）為大氣壓。入口壓力與出口壓力的差值，就是巖心的流動壓差（Δp），利用該壓差再通過下面的Darcy方程就可確定巖心的滲透率［10］：

式中：q為通過巖心的流體流量，m3/ks；A為巖心的橫截面積，m2；k為巖心的滲透率，D；p1為入口壓力，MPa；p2為出口壓力，為0.101 MPa；μ為流體黏度，mPa·s；ΔL為巖心的長度，m。

圖1　定內壓變外壓實驗測試Fig.1　Scheme of constant-pore-pressure changingconfining-pressure flow test

上述滲透率測量是在一定的圍壓下進行的。測完第一個滲透率數值之后，改變圍壓測量第二個滲透率值。如此反復，可以測量一組不同圍壓下的滲透率數值。圍壓可以沿著增大的方向改變（加載），也可以沿著減小的方向改變（卸載）。

相對于圍壓來說，測試時的內壓是比較小的，近似于一個定值，且接近大氣壓。圍壓增大，巖石被壓縮，孔隙變小，因而滲透率也將隨圍壓增大而不斷減小。

1.2測試結果

按照上面的測試流程，對一塊巖心進行了應力敏感測試。測試數據如表1所列，測試曲線如圖2所示。該曲線被稱作巖石的外應力敏感曲線，即巖石滲透率隨外壓的變化曲線。

表1　巖石外應力敏感測試數據Table 1　Flow test data of outer-stress sensitivity of a rock sample

圖2　滲透率外應力敏感曲線Fig.2　Outer-stress sensitivity curve of permeability

圖2曲線回歸出的方程為

式中：a1為外壓為0時的巖心滲透率，D；b1為滲透率對外應力的依賴程度，即外應力敏感系數，MPa-1。該巖心的a1和b1分別為30.91 mD和0.077 MPa-1。

2　定外壓變內壓測試

2.1測試流程

定外壓變內壓的測試流程與定內壓變外壓的測試流程基本相同，只是在巖心出口端增加了一個回壓控制閥（回壓定值器），這樣就可以把出口端壓力升高到一定的數值，進而把巖心的內壓升高到一定的數值（圖3）。

用這種方法測量滲透率時，首先需將圍壓加到很高（一般為油藏上覆壓力），然后選定一個出口端壓力，測量巖心滲透率。測完第一個滲透率數值之后，通過回壓控制閥改變內壓，再測量第二個滲透率數值。如此反復，可以測量一組不同內壓下的滲透率數值。內壓可以沿著增大的方向改變，也可以沿著減小的方向改變。

圖3　定外壓變內壓實驗測試Fig.3　Scheme of constant-confining-pressure changing-pore-pressure flow test

2.2測試結果

對同一塊巖心進行測試，先將圍壓加大到21MPa，然后將流壓升高到18 MPa，按照內壓不斷減小的順序進行測試。測試數據如表2所列，測試曲線如圖4所示。該曲線被稱作巖石的內應力敏感曲線，即巖石滲透率隨內壓的變化曲線。

表2　巖石內應力敏感測試數據Table 2　Flow test data of inner-stress sensitivity of a rock sample

圖4　滲透率內應力敏感曲線Fig.4　Inner-stress sensitivity curve of permeability

圖4曲線回歸出的方程為

式中：a2為內壓為0時的巖心滲透率，D；b2為滲透率對內應力的依賴程度，即內應力敏感系數，MPa-1。該巖心的a2和b2分別為17.21 mD和0.015 2 MPa-1。

3　評價方法

3.1定外壓變內壓

由圖4可以看出，滲透率隨內壓發生了變化，即出現了應力敏感。滲透率的應力敏感指數定義為地層壓力下降10 MPa時的滲透率損失率，即

式中：SIp為應力敏感指數，即滲透率對地層壓力的敏感指數，f；ki為原始地層壓力下的滲透率，D；k為地層壓力下降10 MPa時的滲透率，D。

應力敏感指數越大，巖石的應力敏感程度就越強。應力敏感程度的評價標準為：當SIp＜0.1時，應力敏感較弱；當SIp＞0.3時，應力敏感較強；當SIp為0.1～0.3時，應力敏感中等［1］。

由式（3）可得原始地層壓力下的滲透率為

式中：pi為原始地層壓力，MPa。

把式（5）代入式（4），得

式中：Δp為油藏壓降，MPa。

由于應力敏感指數為地層壓力下降10 MPa時的滲透率損失率，則由式（6）得出通過定外壓變內壓測試得到的應力敏感指數計算公式為

由式（7）可以看出，應力敏感指數唯一取決于內應力敏感系數b2。

將式（3）中的b2=0.015 2 MPa-1代入式（7），可得巖心的應力敏感指數SIp=0.141，屬于中等應力敏感。

由式（7）可以看出，應力敏感測試不需要把內壓升到很高的程度，因為應力敏感指數與壓力的高低沒有關系，只與應力敏感曲線的應力敏感系數b2有關，只要測量出了應力敏感系數的數值，就可以對應力敏感程度進行評價了。若把內壓升的很高，勢必增大實驗的風險。

3.2定內壓變外壓

用外應力敏感曲線不能直接進行應力敏感評價，因為曲線的內壓接近大氣壓，必須通過有效應力把外應力敏感曲線轉換成內應力敏感曲線之后才能進行評價。儲層巖石的本體有效應力公式［11］為

有效應力的意義，就是把外應力和內應力2個應力對巖石產生的作用等效成一個應力，這樣就可以方便地研究巖石的力學行為了。變外壓與變內壓，最終都是通過有效應力來改變滲透率的。不管外應力和內應力如何變化，只要有效應力的數值相同，巖石的滲透率數值就相同。因此，評價巖石的應力敏感性，變外壓與變內壓是等效和可行的。

根據式（8），在內壓接近大氣壓的情況下，外應力的數值實際上就是巖石的本體有效應力。因此，式（2）可以改寫成

由式（9）可計算出原始地層壓力下的滲透率為

把式（10）代入式（4），得

由于應力敏感指數為地層壓力下降10 MPa時的滲透率損失率，則由式（11）得出通過定內壓變外壓測試得到的應力敏感指數計算公式為

由式（12）可以看出，應力敏感指數取決于外應力敏感系數b1和巖石的孔隙度。由式（7）和式（12）可以看出，2種測試方法的應力敏感評價公式中僅相差一個孔隙度參數。

把式（2）中的b1=0.077 MPa-1代入式（12），得出巖心的應力敏感指數SIp=0.131，屬于中等應力敏感。

由式（12）可以看出，應力敏感測試不需要把外壓升到很高的程度，因為應力敏感指數與壓力的高低沒有關系，只與應力敏感曲線的外應力敏感系數b1和孔隙度有關，只要測量出了外應力敏感系數和孔隙度的數值，就可以通過外應力敏感曲線評價巖石的應力敏感程度了。若把外壓升的很高，實驗風險就會增大。

通過上述研究可以看出，不管用何種方法進行測試，最終的評價結果基本相同，但是，定內壓變外壓的實驗測試簡單且易于操作，而定外壓變內壓的實驗測試則需要增加實驗器件，同時也增大了實驗的難度，操作變得更加困難。

4　結論

（1）利用定外壓變內壓測試得到的內應力敏感曲線可以直接評價巖石的應力敏感程度，而定內壓變外壓測試得到的外應力敏感曲線，則需要通過有效應力將其轉換成內應力敏感曲線之后再利用其進行評價，2種方法的評價結果相同。

（2）應力敏感評價與實驗測試的壓力數值大小無關，只與應力敏感系數和孔隙度參數有關，實驗測試無需把壓力升的很高，以便減小實驗風險。

（3）定外壓變內壓測試在應力敏感評價上并沒有任何優勢，反而比定內壓變外壓測試更加復雜，今后應放棄使用。

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（本文編輯：于惠宇）

Misunderstanding of measuring methods of stress sensibility

Li Chuanliang，Zhu Suyang
（School of Petroleum Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu 610599，China）

There are two measuring methods of stress sensibility of reservoir rocks：constant-pore-pressure changingconfining-pressure procedure and constant-confining-pressure changing-pore-pressure procedure.Constant-porepressure changing-confining-pressure procedure is simple and easy in operation，while constant-confining-pressure changing-pore-pressure procedure is complex and difficult in operation.The pore-pressure stress-sensibility curve by constant-confining-pressure changing-pore-pressure procedure can be used to evaluate the stress sensibility directly. However，the confining-pressure stress-sensibility curve by constant-pore-pressure changing-confining-pressure procedure must be transformed into pore-pressure stress-sensibility curve through effective stress of rocks for evaluation of stress sensibility.The evaluation results of the both methods are same.The constant-confining-pressure changing-porepressure procedure does not have any advantage and should be abandoned.The stress sensitivity of reservoir rocks is only related with stress sensitivity coefficient and porosity and not related with pressure values of experiments，so the experimental pressure should not be raised to quite high level in order to avoid high pressure risks.

reservoir rocks；stress sensibility；stress-sensibilityindex；experiment；core analysis

TE311

A

1673-8926（2015）06-0001-04

2015-08-07；

2015-10-03

國家重大科技專項“多層疏松砂巖氣藏開發關鍵技術”（編號：2011ZX05027-003-01）資助

李傳亮（1962-），男，博士，教授，主要從事油藏工程方面的教學與科研工作。地址：（610599）四川省成都市西南石油大學石油與天然氣工程學院。電話：（028）83033291。E-mail：cllipe@qq.com。