頁巖氣藏應力敏感效應實驗研究

郭 為，熊 偉，高樹生

(1.中國科學院滲流流體力學研究所，河北 廊坊 065007;2.中油勘探開發研究院廊坊分院，河北 廊坊 065007)

頁巖氣藏應力敏感效應實驗研究

郭 為1，2，熊 偉1，2，高樹生1，2

(1.中國科學院滲流流體力學研究所，河北 廊坊 065007;2.中油勘探開發研究院廊坊分院，河北 廊坊 065007)

頁巖氣藏降壓開采過程中，地層壓力和井底壓力的變化導致氣藏產生應力敏感效應，使氣藏流體的流動動態和氣藏產能受到影響。為了明確開采壓力的下降對氣藏滲透率變化的影響，實驗通過改變內壓與圍壓這2種方式，對頁巖氣藏的應力敏感效應進行了研究。研究結果表明:頁巖的滲透率隨著內壓的降低而下降，隨著上覆巖層壓力的增加而下降;頁巖滲透率與內壓的變化存在明顯的指數關系;頁巖對外壓的敏感效應遠遠大于對內壓的敏感效應。該研究對確定頁巖氣藏產能及制訂氣井合理生產制度具有一定意義。

頁巖氣藏;降壓開采;滲透率;內壓;外壓;應力敏感效應

引 言

地層應力敏感效應［1－4］是指油氣層的滲透率隨有效應力的變化而發生改變的現象。有效應力通常定義為上覆巖層壓力與流體壓力之差。在實驗過程中，為了得到有效應力，通常采用增加圍壓測試方法，也可采用定圍壓變內壓方式得到。隨著有效應力的改變，巖石的孔隙結構也會發生改變，從而影響巖石的滲透性，產生應力敏感。國內的一些學者［5－8］對砂巖、致密砂巖、火山巖和煤等巖心進行了應力敏感性實驗，發現不同的巖心具有不同的應力敏感性。

1 實驗內容

1.1 實驗儀器及巖心

由于頁巖的滲透率非常低，實驗室常規測量巖心滲透率的實驗裝置已經不能滿足實驗要求，本實驗用滲流所新引進的PoroPerm－200型孔滲儀，用脈沖方法進行滲透率測量，該儀器的滲透率測量精度可以精確到1×10－9μm2。實驗用氣體為氮氣。實驗巖心的基本數據見表1。

表1 實驗巖心基礎數據

1.2 實驗方法

(1)內壓變化下頁巖敏感效應實驗。在圍壓為8 MPa的條件下，通過改變實驗的測試壓力(即內壓)來進行。實驗的初始內壓為5.516 MPa，然后逐步降低測試壓力，每個測量點壓力降幅為0.689 5 MPa，測量不同內壓力下巖心的滲透率。

(2)圍壓變化下頁巖敏感效應實驗。在內壓穩定為4.83 MPa情況下，逐步增加圍壓，每次增加2 MPa，從初始的8 MPa直到16 MPa，然后再逐步減小圍壓，每次減小2 MPa，直至圍壓回到8 MPa的初始狀態，測定不同圍壓下巖心的滲透率。

2 實驗結果與分析

2.1 內壓變化下頁巖敏感效應

1、2號巖心的實驗結果見圖1、2。實驗初期階段，當內壓從5.516 MPa下降到3.450 MPa時，1號巖心的滲透率從初始的8.82×10－8μm2變為2.67 ×10－8μm2，滲透率下降 6.15 ×10－8μm2，滲透率損失率為69.7%(滲透率損失率指的是滲透率變化量與初始時候滲透率的比值);2號巖心的滲透率從初始的28.59×10－8μm2變為14.58×10－8μm2，滲透率下降 14.01 ×10－8μm2，滲透率損失率為49.0%。在實驗后期階段，當內壓從3.450 MPa下降到1.379 MPa時，1號巖心的滲透率從2.67 ×10－8μm2變為1.13 ×10－8μm2，滲透率下降1.54×10－8μm2，滲透率損失率為 17.5%;2 號巖心的滲透率從14.58×10－8μm2變為11.01×10－3μm2，滲透率下降 3.57 ×10－8μm2，滲透率損失率為12.5%。

圖1 1號巖心內壓變化下敏感性

圖2 2號巖心內壓變化下敏感性

由此可以看出，隨著內壓的降低，頁巖的滲透率下降，在內壓下降初期滲透率下降較快，在后期滲透率下降較慢;頁巖對內壓有著很強的敏感性，頁巖滲透率越低，對內壓的敏感性就越強。這是由于在圍壓不變的情況下，隨著內壓的降低，巖心的有效壓力增加，巖心的孔隙受到壓實作用而收縮，氣體能夠流通的通道變少、變窄，從而使得巖心的滲透率下降。內壓剛開始下降時巖石的變形程度比較大，巖心的滲透率下降快;當內壓降到一定程度，巖石的孔隙收縮達到了一定的極限，此時巖心的滲透率下降變慢。

對2塊巖心的實驗數據進行擬合，可以發現巖心滲透率變化與內壓存在著良好的指數關系，遵循以下的函數關系式:

式中:K 為巖心滲透率，10－8μm2;a、b為常數;Δp為內壓，MPa。

從2條曲線的擬合公式中可以看到，1號巖心的b值比2號巖心的b值大，b值越大的巖心敏感性越強。

2.2 圍壓變化下頁巖敏感效應

圖3、4分別為1、2號巖心圍壓變化下的敏感效應曲線，可以看到頁巖的滲透率隨著圍壓的升高而下降。

圖3 1號巖心圍壓變化下敏感效應曲線

圖4 2號巖心圍壓變化下敏感效應曲線

當圍壓增加到16 MPa時，頁巖的滲透率幾乎降至0，已經達到了測量儀器的測量極限，此時頁巖的滲透率損失率為100%，表明頁巖對圍壓的變化有著很強的應力敏感效應。滲透率變化巨大是因為頁巖的孔喉半徑非常小，隨著圍壓的增加，孔喉半徑在不斷的縮小，使得原本能夠通過的氮氣分子不再能夠通過;頁巖中發育著許多天然裂縫，隨著圍壓的增加這些裂縫會發生閉合，使得頁巖的滲透率急劇下將。在圍壓下降的過程中可以看到，隨著圍壓的下降，頁巖的滲透率不能馬上恢復，存在一定的滯后效應，當圍壓恢復到初始狀態的時候，頁巖的滲透率不能完全恢復到初始時候的滲透率，巖心圍壓上升過程中發生了非彈性形變，以至于在圍壓下降的過程中巖石的滲透率不能完全恢復到初始值。

初始時刻圍壓為8 MPa時1號巖心的滲透率為8.82×10－8μm2，經過升圍壓與降圍壓的過程后，此時巖心在8 MPa的圍壓下所測滲透率為2.95×10－8μm2，巖石滲透率下降了 5.87 ×10－8μm2，巖心滲透率的損害率為66.6%，此處滲透率損害率指的是巖心經過升圍壓與降圍壓一個過程后，在同樣的初始圍壓下所測巖心滲透率之差與未升圍壓前的巖心初始滲透率的比值;初始時刻圍壓為8 MPa時2號巖心的滲透率為28.59×10－8μm2，經過升圍壓與降圍壓的一個過程后，此時巖心在8 MPa的圍壓下所測滲透率為4.28×10－8μm2，巖石滲透率下降了 24.21 ×10－8μm2，巖心滲透率的損害率為84.8%。結果表明，頁巖對圍壓有極強的敏感效應，在升圍壓的過程中，巖心的滲透率越高，滲透率損害率越大;頁巖對圍壓的敏感效應遠遠大于對內壓的敏感效應。

對實驗得到的數據進行擬合，發現不論是降圍壓還是升圍壓的過程，滲透率與壓力不存在明顯的指數關系。這與常規油氣藏巖心［9］和致密氣藏巖心［10］的敏感效應不一樣。

3 結論

(1)隨著內壓的降低，頁巖的滲透率下降，在內壓下降初期滲透率下降較快，在后期滲透率下降較慢;頁巖對內壓有著很強的敏感效應，頁巖滲透率越低，對內壓的敏感效應就越強;巖心滲透率變化與內壓存在著良好的指數關系。

(2)隨著圍壓的上升，巖心的滲透率下降，當圍壓增加至16 MPa時巖心的滲透率幾乎降至零;隨著圍壓的下降，頁巖的滲透率不能馬上恢復，存在一定的滯后效應，當圍壓恢復到初始狀態的時候，頁巖的滲透率不能完全恢復到初始時候的滲透率;頁巖對圍壓有極強的敏感效應;巖心的滲透率越高，滲透率損害率越大;與常規油氣藏與致密氣藏巖心不一樣，頁巖滲透率對圍壓的變化不存在明顯的指數關系。

(3)頁巖對外壓的敏感效應遠遠大于對內壓的敏感效應，在頁巖開發過程中應該重視這種應力敏感的特性。

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Experimental study on stress sensitivity of shale gas reservoirs

GUO Wei1，2，XIONG Wei1，2，GAO Shu － sheng1，2
(1．Institute of Porous Flow and Fluid Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Langfang，Hebei065007，China;
2．Langfang Branch，Research Institute of Petroleum Exploration and Development，PetroChina，Langfang，Hebei065007，China)

The change of formation pressure and bottomhole pressure leads to stress sensitivity during the blowdown recovery of shale gas reservoirs，affecting the flow performance and productivity．To study the effects of pressure decrease on the permeability changes of gas reservoirs during recovery，experiments were conducted to study the change of internal pressure and overburden pressure on the stress sensitivity of shale gas reservoirs．Study results indicated that shale permeability decreased with the drop of internal pressure and the increase of the overburden pressure．The permeability of shale was in obvious exponential relationship with the change of internal pressure．The sensitivity of shale to overburden pressure was far greater than that to internal pressure．The study is of some significance to determining the productivity of shale gas reservoirs and reasonable production systems for gas wells．

shale gas reservoir;blowdown recovery;permeability;internal pressure;overburden pressure;stress sensitivity

TE122.3

A

1006－6535(2011)06－0095－03

20110511;改回日期20110928

國家重大科技專項“頁巖氣開發機理及技術政策研究”(2011ZX05018－005)

郭為(1986－)，男，2009年畢業于中國石油大學(北京)石油工程專業，現為中國科學院滲流流體力學研究所在讀碩士研究生，研究方向為油氣田開發。

編輯 周丹妮