低滲致密砂巖氣藏儲層應力敏感性試驗研究

朱秀蘭

（隴東學院能源工程學院，甘肅慶陽 745000）

我國低滲致密砂巖氣藏主要分布于長慶、西南和塔里木三大氣區，遠景資源量超過10×1012m3，占國內天然氣總資源量的1/5。據預測，2020年低滲透砂巖氣藏天然氣年產量將占中石油天然氣年總產量的30%[1]。但低滲致密砂巖氣藏儲層物性差，孔隙喉道細小狹窄、連通性差、滲透性差，在開發過程中更容易出現儲層應力敏感性效應。對于低滲致密砂巖氣藏，由于流體采出、儲層壓力下降，孔隙空間受到壓縮，孔隙、裂縫和喉道的體積縮小，微孔隙、裂縫和喉道甚至有可能閉合，這些極其微小的變化，也會使儲層的孔隙度、滲透率明顯下降[2-4]，最終氣水滲流能力降低。應力敏感性的存在對低滲透氣藏儲層造成傷害、開發造成巨大的影響，整體呈現出低產低效狀態、開發難度大。

張琰、崔迎春[5，6]對砂礫性低滲透氣藏應力敏感性方面分析，認為低滲氣層的壓敏效應明顯，有效應力、加壓次數等因素對低滲砂巖滲透率具有一定影響，且較早地提出了低滲透氣藏應力敏感性室內評價實驗方法以及相應的評價指標。李傳亮，朱蘇陽[7]認為應力敏感試驗測試方法，即定內壓變外壓和定外壓變內壓2種測試方法的評價結果相同，都比較接近儲層巖石的真實應力狀態，而定外壓變內壓測試則較為復雜且操作困難，并不具有任何優勢，可以直接采用定內壓變外壓測試得到的外應力敏感曲線進行評價。于忠良等[8，9]提出巖石的彈塑性變形使得壓敏傷害是一種永久的、不可逆的傷害，巖石的喉道決定了巖石的應力敏感程度；在實際生產中井底存在滲透率漏斗，壓敏效應對油井產量有不利影響。宋傳真等[10]通過室內試驗建立了大牛地致密低滲氣藏應力敏感性的冪函數關系式，在考慮儲層應力敏感性的條件下氣藏單井產能降低明顯。許多機理試驗研究已經證實，低滲砂巖氣藏儲層巖石具有明顯的滲透率應力敏感性，直接影響此類氣藏的產能及開采效果。

本文通過模擬氣藏實際開發過程中的應力變化過程，即室內定內壓變外壓試驗方法，研究儲層應力敏感性，進而分析儲層應力敏感性對低滲致密砂巖氣藏開發的影響。

1 試驗準備

1.1 試驗原理及流程

依據Terzaghi與多孔介質雙重有效應力理論，根據石油天然氣行業標準“SY/T5358-2010儲層敏感性流動試驗評價方法”，開展儲層應力敏感性試驗。

試驗中對巖樣所加環壓模擬儲層巖樣所承受的上覆巖石的覆蓋壓力，內壓則模擬氣藏儲層流體壓力。根據有效應力Terzaghi定義，即有效應力等于巖樣外部環壓與巖樣內壓的差值（上覆壓力與孔隙壓力之差）[11]。孔隙度應力敏感試驗方法采用保持內壓不變，改變環壓的方式來模擬氣藏開采過程中有效應力的變化過程，通過測量每個測試壓力點下穩定后的巖樣孔隙體積，計算并分析不同有效應力（升圍壓）下巖石的孔隙度變化規律。具體試驗測試步驟：有效應力從 2.5 MPa、5 MPa、10 MPa、15 MPa、20 MPa、25 MPa、30 MPa、40 MPa逐漸增加，分別記錄每一測試有效應力點條件下的流量。試驗流程圖（見圖1）。

圖1 孔隙度應力敏感試驗流程圖

滲透率應力敏感試驗原理及流程與孔隙度應力敏感試驗相類似，但滲透率應力敏感試驗分兩個過程：升圍壓和降圍壓過程。當進行滲透率應力敏感試驗時，升圍壓有效應力達到最高有效應力測試值40 MPa時，穩定后有效應力逐漸緩慢減小，然后開展降圍壓時滲透率恢復情況測試試驗。在試驗過程中將圖1的孔隙體積測試儀替換為皂沫流量計（連接巖心夾持器出口端），記錄所得氣量，根據達西公式計算巖心滲透率。

1.2 試驗巖樣

試驗所選巖樣為大牛地氣田某區塊低滲砂巖氣藏儲層的5塊巖樣，5塊巖樣滲透率均小于1×10-3μm2（見表1）。選取巖樣巖性主要為中粗粒巖屑砂巖，含有少量中-粗粒巖屑石英砂巖，巖石之間顆粒支撐；孔隙類型為粒間孔，膠結類型主要為孔隙式膠結，其次為薄膜-孔隙式膠結；顆粒之間點-線接觸；填隙物為膠結物和雜基且平均含量9.96%，其中雜基主要為長英質、泥質和泥晶灰質等[12]。由于氮氣黏度比較低，節省試驗時間且與巖石不會發生任何物理化學反應。

表1 儲層應力敏感性試驗巖樣

2 儲層應力敏感性試驗結果

2.1 孔隙度應力敏感試驗

分析孔隙度應力敏感性結果可知，5塊巖樣的孔隙度都是隨著有效應力的升高而降低（見圖2）。隨著有效應力的增加，孔隙體積逐漸被壓縮，孔隙度逐漸減小，孔隙度降低趨勢初期比后期要明顯，但總體上，孔隙度降幅并不明顯。孔隙度表征儲層巖石孔隙體積大小，孔隙體積隨有效應力的變化規律與孔隙度的變化規律是一致的。在有效應力增加的過程中，孔隙體積縮小說明巖石發生變形。

儲層巖石中泥質及膠結物含量相對較高，巖石顆粒分選性差，孔喉細小狹窄。有效應力增大過程中，首先擠壓較軟的泥質填充物，使得喉道及微裂隙變小或被堵塞，其次擠壓膠結物，最后擠壓強度最大的巖石顆粒，而儲層巖石顆粒在地下承受了巨大的上覆巖層壓力，致使其壓實程度較強，因此，與孔隙體積的減小量相比，巖石骨架受壓縮減小量更小，可以忽略不計。所以，低滲儲層巖石的變形更多屬于彈塑性變形，而非線彈性變形。除此之外，當儲層巖石孔隙結構發生變形時，附著在巖石孔隙表面的松散顆粒脫落，在孔隙空間中運移且易在狹窄孔隙或喉道處堆集堵塞，導致儲層巖石滲透率下降。

圖2 巖樣的孔隙度變化

孔隙度應力敏感性可以通過孔隙度應力損害率進行定量及定性分析。根據圖3得出5塊巖心的孔隙度應力損害率隨著有效應力的增加而增加，但基本都比較低（＜6.5%），說明巖心孔隙度隨有效應力增大下降幅度并不是很明顯。

圖3巖樣的孔隙度應力損害率

2.2 滲透率應力敏感試驗

2.2.1 試驗結果分析 根據滲透率應力敏感試驗結果分析發現，隨著有效應力的增大，初期滲透率的降低幅度明顯，后期滲透率的降低幅度減小，逐漸趨于平緩。主要是因為儲層巖石受到上覆巖層壓力時，首先是骨架結構變異，其次是巖石孔隙結構的變化；尤其是具有一定含量膠結物的巖石，膠結物強度明顯小于骨架顆粒強度，受力時首先發生變形。所以，在有效應力增大的初期，巖石骨架最先受到壓縮而變形，隨后為較大孔隙和喉道變形。儲層巖石中的微孔隙、喉道以及微裂縫開始變形、縮小甚至閉合將使得滲透率大幅度減小；在有效應力增大的后期，較高的壓縮導致剩下的多為不易閉合的喉道，滲透率大幅度損失，基本達到停滯狀態。

對比分析升圍壓過程與降圍壓過程（見圖4），加載和卸載曲線并不能完全重合，說明滲透率不能恢復到儲層初始應力狀態下的滲透率值，而且有效應力變化初期，滲透率相差幅度較大，存在明顯的滲透率滯后效應。分析發現儲層巖石在有效應力變化時，發生的變形是彈塑性變形。尤其是當低滲透致密砂巖氣藏的高速開采時，導致地層壓力下降明顯加快，產生滲透率應力敏感效應，進而造成儲層傷害，氣井產量下降。儲層滲透率應力敏感性引起的儲層傷害是一種永久性、不可逆的傷害。

圖4 巖樣升降圍壓對比圖

2.2.2 滲透率應力敏感性評價 根據石油天然氣行業標準“SY/T5358-2010儲層敏感性流動試驗評價方法”，滲透率應力損害率是指有效應力增加時滲透率的損失百分數，其計算式如下：

式中：k－不同有效應力下的滲透率；k0－原始有效應力所對應的滲透率；Dk－不同有效應力所對應的滲透率損害率值。

圖5 巖樣的滲透率應力損害率

當滲透率應力損害率Dk值越大，對儲層滲透率造成應力損害程度越嚴重。通過滲透率應力損害率對滲透率應力敏感性進行定量及定性分析，5塊巖心的滲透率應力損害率隨著有效應力的增加而快速增加，滲透率應力損害率都很大，最高滲透率應力損害率達到92.16%，說明巖石孔喉的輕微減小導致氣體滲流能力變差，巖心滲透率隨有效應力增大下降幅度極其明顯，滲透率損害程度很強，儲層傷害嚴重（見圖5）。

2.2.3 滲透率應力敏感關聯式 根據國內外石油學者對儲層巖石滲透率與有效應力之間的變化規律的分析研究，對試驗巖樣升壓過程中無因次滲透率與有效應力之間的關系進行指數和乘冪擬合，建立各物性參數的應力敏感關聯式，分析儲層巖石滲透率隨有效應力變化符合指數和乘冪曲線擬合關系，其中相關性較好的是乘冪關系。

選擇乘冪關系擬合并進行歸一化處理，得到無因次滲透率與有效應力的乘冪關聯式：

式中：pe－有效應力；d－擬合系數；τ－應力損害系數。

5塊巖心樣品的滲透率應力損害乘冪擬合相關系數d和τ統計（見表2），從表2中相關系數可以看出，相關系數較高且均在0.98以上，無因次滲透率與有效應力的乘冪關聯式擬合較好。5塊巖心樣品滲透率應力損害系數并不是常數，該值越大，應力損害越大，與滲透率應力損害率變化程度一致。當滲透率應力損害系數為0時，擬合系數等于1，此時為不考慮滲透率應力損害時，k為原始有效應力所對應的滲透率。

表2 滲透率應力敏感關聯式乘冪擬合時相關系數統計

在開發過程中，由于氣藏的儲層有效上覆巖層壓力（有效應力）變化遠遠小于室內試驗測試中的有效應力變化范圍，且實際氣藏的儲層原始有效上覆巖層壓力并不僅僅只有2.5 MPa。所以，現場氣田開采過程中，儲層巖石滲透率和孔隙度變化是在實驗室測定繪制滲透率應力損害曲線的中后段而不是前段，由此可知實際儲層條件下的滲透率應力傷害比實驗室的滲透率應力傷害要小；綜上所述，孔隙度應力傷害不明顯，實際儲層滲透率的應力傷害依然很大，不容忽視。

3 結論

（1）低滲致密砂巖氣藏儲層巖石為粒間孔、顆粒之間點-線接觸、孔隙式膠結，填隙物為長英質、泥質和泥晶灰質等；開發時儲層有效上覆巖層壓力增大，孔隙、裂縫和喉道的體積縮小，孔隙度、滲透率呈現降低的變化趨勢，出現明顯應力敏感效應。

（2）儲層巖石孔隙度、滲透率降低后，很難再恢復到原始水平；尤其是室內試驗測定得到的滲透率應力損害程度明顯大于孔隙度應力損害程度，實際地層滲透率應力損害為曲線中后段且仍然很大，導致低滲致密砂巖氣藏衰竭開采時儲層流體滲流能力下降，氣井產能下降。

（3）當考慮利用天然能量進行衰竭式開采低滲砂巖氣藏，通過增大生產壓差來保證氣井高產量，反而出現氣層滲透率急劇降低、氣井產量下降。因此，考慮采取水平井壓裂、酸化等措施可以改善氣井近井地帶的壓敏效應對產能的影響。