王 磊，單鈺銘，尹 帥，陸俊華

(成都理工大學 油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室，四川 成都 610059)

0 引言

儲層巖石在井下受到上覆巖層壓力和地層巖石孔隙壓力的共同作用，隨著油氣的開采地層壓力發(fā)生改變，從而引起儲層巖石物性發(fā)生相應的變化的現象稱為儲層巖石的應力敏感性.對世界上許多含油氣盆地的地質綜合研究表明，高溫高壓領域是大中型氣田形成的有利場所，但鶯瓊盆地多年的勘探探索，多以失敗告終，說明高溫高壓環(huán)境下的天然氣高效排運及聚集成藏機理尚不清楚，嚴重制約了天然氣勘探.［1-3］本文依據前人的實驗研究方法，對該地區(qū)砂巖巖樣在高溫條件下進行了變圍壓的液測滲透率實驗，研究了加載和卸載過程儲層滲透率應力敏感性，為該地區(qū)大中型天然氣田的勘探成功提供實驗依據.

1 實驗方法

有效圍壓為圍壓與巖石中流體壓力的差值.實驗所選取巖樣為若干鶯瓊盆地某砂巖儲層巖樣，在高溫(150℃)條件下通過圍壓的改變測取巖樣的滲透率，實驗所用液體為模擬地層水所配制的同礦化度鹽液.

實驗步驟如下:①給待測巖樣一個固定的進口壓力值，對巖樣加溫至150℃并保持不變，初始有效圍壓設為5MPa，待壓力穩(wěn)定一段時間后，測取樣品的液測滲透率;②加載過程:保持溫度和進口壓力值不變，緩慢增加有效圍壓，依次為15MPa、25MPa、35MPa、45MPa，待每個壓力點穩(wěn)定一段時間后，測取樣品的液測滲透率;③卸載過程:保持溫度和進口壓力值不變，有效圍壓緩慢降低，依次為 45MPa、35MPa、25MPa、15MPa、5MPa，待每個壓力點穩(wěn)定一段時間后，測取樣品的液體滲透率.

2 實驗結果分析

按照上述實驗方法和步驟，測得了該地區(qū)巖樣在高溫條件下應力加載和卸載過程中的液測滲透率，這里選取了其中比較典型的三塊巖樣，在高溫條件下的液測滲透率與有效圍壓的關系曲線(圖1).

圖1 加載和卸載過程滲透率隨有效圍壓變化曲線

為了減少實驗誤差，盡量維持巖樣的地層條件，本實驗所使用的液體是模擬地層水所配制的鹽液，在保持溫度和進口壓力值不變的情況下逐漸增加圍壓，然后在圍壓達到最大值后再逐步減小圍壓情況下完成的.從圖1中的加載過程滲透率與有效圍壓的關系曲線可以看出，隨著有效圍壓的增加，3個巖樣的液測滲透率都是逐漸降低的趨勢，降低的程度與巖樣所受到的有效圍壓的大小有關，即在實驗條件下，有效圍壓越大滲透率越低.這說明巖樣在高溫條件下的液測滲透率對有效圍壓都有敏感性.砂巖儲集層的孔隙空間最主要的構成是孔隙和喉道，在沒有應力作用在巖石上時，巖石孔隙空間中的孔隙和喉道是同時存在的，當巖石受到應力作用后，巖石孔隙空間中的孔隙和喉道會逐漸閉合，也就是說，隨著有效應力的增加，巖石顆粒之間的接觸逐漸被壓實，所以實驗測得的巖樣液測滲透率會隨著有效圍壓的增加而降低.從圖1中加載和卸載過程巖心滲透率應力敏感曲線中可以明顯看出，加載過程中巖心在某一有效應力下的液測滲透率與卸載過程中所測得的同一有效應力下的液測滲透率值不等，這就是石油地質工作者通過類似實驗得到的滲透率滯后現象.巖石變形理論可以很好地解釋這一現象:巖石在地應力發(fā)生改變的情況下，會發(fā)生物理變形和破壞現象.巖石在外力持續(xù)作用下，會經歷彈性變形、塑性變形和斷裂變形3個階段.加載過程中巖石在有效應力的作用下，孔隙中的喉道會慢慢開始閉合.隨著有效應力的繼續(xù)增加，變形繼續(xù)增大，巖石的孔隙空間在有效應力的作用下逐漸縮小，這就使得巖石的滲透率隨著有效應力的增加而逐漸減小.隨著卸載過程有效應力的逐漸降低，發(fā)生彈性變形的孔喉能夠完全恢復到變形前的大小，而經過塑性變形或斷裂變形的孔喉，由于有效應力超過了巖石的彈性極限使得孔喉產生了不可恢復的永久變形.這種滯后現象對儲層造成了不可恢復的傷害.［4］在高溫高壓油氣田開發(fā)過程中，隨著天然氣的不斷采出，地層壓力也在不斷降低，從而使儲層巖石骨架承受的有效應力不斷發(fā)生改變，因此我們研究巖石在高溫條件下的液測滲透率隨有效應力的變化規(guī)律，從而為鶯瓊盆地天然氣的成功高效開發(fā)提供準確的基礎數據.

3 滲透率應力敏感性評價

根據“儲層敏感性流動實驗評價方法(SY/T5358-2002)”的中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標準我們引入滲透率損害率Dk的概念，［5］Dk定義如下公式(1):

式中:Dk為滲透率損害率，是應力加載后滲透率降低的百分數;K0為升壓過程第一壓力點所測巖樣滲透率，10-3um2;Kmin為應力加載時圍壓達到設定最高值時的滲透率，10-3um2.

另外，為了詳細的解釋滲透率在整個實驗過程中的應力敏感變化，引入了另外一個應力敏感評價參數RK——滲透率相對損害率，具體定義見公式(2):

RK為滲透率相對損害率，%，是應力卸載后滲透率相對于K0的滲透率損害百分數;Kmax為卸載過程中最后一個壓力點所測巖樣滲透率，10-3um2.

巖樣在加載和卸載實驗所測得的滲透率數據和評價結果如表1所示.

表1 巖樣滲透率實驗數據和評價結果

從表1中我們可以看出，3號巖樣的滲透率損害最大，為32%;2號巖樣滲透率損害最小，為15%;1號巖樣滲透率損害較2號巖樣稍大一些，為16%.也就是說，1號和2號巖樣在高溫條件下滲透率的應力敏感性都屬于弱敏感，3號巖樣在高溫條件下滲透率的應力敏感性都屬于中等偏弱敏感.而對于滲透率相對損害率來講，3號巖樣滲透率相對損害率最大為25%;其次為2號巖樣，為11%;1號巖樣滲透率相對損害率最小，為5%.李傳亮認為:儲層巖石的應力敏感程度只與巖石的硬度有關，巖石越硬，應力敏感程度就越低;巖石越疏松，其硬度就越低，應力敏感程度也就越強.［6］根據實驗巖樣的巖性，我們不難看出1號巖樣為含云質極細粒石英砂巖，其巖石硬度最大，當巖樣受到應力作用時發(fā)生的變形程度最小，應力敏感程度最低;2號巖樣為含泥粉砂巖，巖石硬度較1號巖樣小，從實驗測得的巖樣的滲透率損害率和滲透率相對損害率，很好的驗證了2號巖樣應力敏感程度強于1號巖樣;3號巖樣應力敏感程度最強，其為粉砂質泥巖，巖樣的泥質含量最高，巖樣的硬度最低，長時間的應力作用造成巖樣塑性變形或斷裂變形的程度最大，正恢是這種不可復的永久變形現象造成巖樣在加載和卸載過程后的滲透率損害.因此，在生產作業(yè)過程中應充分考慮巖樣在高溫條件下的應力敏感性，同時還要注意滲透率的滯后現象，從而使儲層的產能更高效的開采.

4 滲透率與有效應力的關系

為了更好的分析滲透率和有效應力之間的關系，參考前人的經驗和結論對三塊巖樣的加載卸載曲線分別運用指數關系、線性關系、對數關系、多項式關系和乘冪關系對所測得的實驗數據進行擬合，結果發(fā)現多項式關系式擬合效果最好，如表2所示.

表2 樣品的加載卸載過程多項式關系式

從表2中可以看出三塊巖樣加載和卸載實驗所測得的滲透率跟有效應力的關系能很好的滿足多項式關系，該擬合函數能夠很好地反應滲透率的應力敏感變化規(guī)律，亦即能很好的反映該地區(qū)砂巖儲層的滲透率和圍壓的變化關系.

5 結論

(1)鶯瓊盆地砂巖儲層巖樣在高溫(150℃)條件下具有弱到中等偏弱的應力敏感性，隨著有效應力的增加，巖樣的液測滲透率逐漸降低，降低的程度與所受的有效圍壓有關.在高溫條件下巖樣的液測滲透率隨有效圍壓的變化可以用多項式來描述.

(2)儲層砂巖孔隙變形具有彈塑性變形的特征，當有效圍壓增加時，巖樣的液測滲透率都會有不同程度的下降，當有效圍壓降低后，巖樣的液測滲透率會有所恢復，但不能恢復到初始值.

(3)儲層滲透率損害主要取決于儲層所受到的有效圍壓的變化，同時跟巖樣的巖性有關.儲層一旦受到損害，即使很微弱的損害，也不可能恢復到原先的狀態(tài).所以說在鶯瓊盆地天然氣田的勘探開發(fā)過程中應充分考慮滲透率隨有效應力的變化規(guī)律，從而為大中型天然氣田的成功勘探開發(fā)提供準確的基礎數據.

［1］孫玉學，孔翠龍，王瑛琪.低滲透砂巖儲層應力敏感性研究［J］.科學技術與工程，2009(9):53-55.

［2］張 浩，康毅力，陳一健，等.致密砂巖油氣儲層巖石變形理論與應力敏感性［J］.天然氣地球科學，2004(5):482-485.

［3］朱新春.焉耆盆地寶浪區(qū)儲層夾隔層特征研究［J］.四川文理學院學報，2011(5):64-66.

［4］盧家亭，李 閩.低滲砂巖滲透率應力敏感性實驗研究［J］.天然氣地球科學，2007(3):27-29.

［5］SY/T5358-2002，中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標準［S］.

［6］李傳亮.儲層巖石應力敏感性認識上的誤區(qū)［J］.特種油氣藏，2008(3):26-28.