＊王廣東

（中油國際（土庫曼斯坦）阿姆河天然氣公司 北京 100028）

在儲層應(yīng)力敏感研究初期，室內(nèi)巖心實(shí)驗(yàn)是主要的研究手段。通過應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)研究有效應(yīng)力對滲透率和孔隙度的影響。戈?duì)柌贾Z夫[1]指出，在地層壓力的變化過程中，儲層巖石滲透率的變化幅度遠(yuǎn)大于孔隙度，約為孔隙度的5～15倍。

吉玉林等[2]提出利用有效毛細(xì)管半徑分?jǐn)?shù)可以對低滲透儲層的應(yīng)力敏感程度進(jìn)行定量表征；郭為等[3]分別采用煤樣與頁巖巖心進(jìn)行應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示煤樣與頁巖巖心的滲透率均隨有效應(yīng)力增大而呈指數(shù)遞減；高博禹等[4]對比頁巖和砂巖巖樣孔滲聯(lián)測結(jié)果后發(fā)現(xiàn)，頁巖的應(yīng)力敏感性強(qiáng)于砂巖；Wang等[5]運(yùn)用脈沖衰減法分別研究了孔隙壓力和圍壓的變化對頁巖應(yīng)力敏感程度的影響，結(jié)果表明頁巖對圍壓的敏感程度遠(yuǎn)大于孔隙壓力。

在明確川南地區(qū)頁巖氣開發(fā)特征與生產(chǎn)需求的前提下，需要對研究區(qū)頁巖儲層的應(yīng)力敏感程度進(jìn)行表征。張睿[6]研究了基質(zhì)滲透率隨有效應(yīng)力的變化，張琰[7]與張睿[8]進(jìn)行了裂縫滲透率應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果顯示基質(zhì)和裂縫滲透率均隨有效應(yīng)力的增加呈指數(shù)式遞減。以上研究均以頁巖基質(zhì)和裂縫滲透率為研究對象，未對近縫帶基質(zhì)改造區(qū)進(jìn)行專門研究，而近縫帶基質(zhì)改造區(qū)會對氣井產(chǎn)能產(chǎn)生顯著影響。從機(jī)理上厘清頁巖儲層產(chǎn)生應(yīng)力敏感現(xiàn)象的原因，針對近縫帶基質(zhì)改造區(qū)開展應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)，以深刻認(rèn)識頁巖儲層應(yīng)力敏感性的滲流力學(xué)意義，為數(shù)學(xué)模型的建立提供物理假設(shè)依據(jù)。

1.頁巖應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)研究

頁巖儲層自身的滲透率極低，因此如何在超低滲透率的數(shù)量級下準(zhǔn)確測得頁巖儲層滲透率隨有效應(yīng)力的變化成為開展應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)。本節(jié)將通過頁巖應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)對其應(yīng)力敏感程度進(jìn)行定量化表征。

(1)實(shí)驗(yàn)方法及原理

①實(shí)驗(yàn)方法。本實(shí)驗(yàn)采用定圍壓降內(nèi)壓的實(shí)驗(yàn)方法，即使在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中圍壓保持恒定，通過改變孔隙壓力來研究頁巖儲層有效應(yīng)力對滲透率的影響。此外，同時(shí)在出口端連接回壓控制系統(tǒng)，從而有利于保證氣體沿單向流動。

頁巖儲層的滲透率極低，而利用脈沖衰減法測量頁巖巖心滲透率既在測量過程上快速便捷而且測定結(jié)果也更加精確。因此，實(shí)驗(yàn)采用PoroPDP-200型覆壓孔隙度滲透率測量儀（如圖1所示）對不同有效應(yīng)力條件下巖心樣品的孔隙度與滲透率進(jìn)行測定。

圖1 PoroPDP-200型覆壓孔隙度滲透率測量儀

該儀器采用的是非穩(wěn)態(tài)法的壓力脈沖衰減測量技術(shù)。其中，孔隙度的測量范圍為0.01%～40%，滲透率的測量范圍為10-5～10mD，測定孔隙度和滲透率所用的實(shí)驗(yàn)氣體分別為氦氣與氮?dú)狻?/p>

②實(shí)驗(yàn)原理。脈沖衰減法測定巖心滲透率的實(shí)驗(yàn)原理：控制模塊首先給巖心施加一個(gè)孔隙壓力，然后通過巖心傳遞一個(gè)壓差脈沖，隨著壓力瞬間傳遞通過巖心，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄巖心兩端的壓力差、下游壓力和時(shí)間，并在計(jì)算機(jī)軟件屏幕上繪制出壓差和平均圧力與時(shí)間的對數(shù)曲線，計(jì)算機(jī)軟件通過對壓力和時(shí)間數(shù)據(jù)的線性回歸計(jì)算出滲透率。

實(shí)驗(yàn)過程中使用較小的壓差可以減少非達(dá)西流態(tài)的影響，改變孔隙壓力進(jìn)行多點(diǎn)測量，即可采取常規(guī)方法計(jì)算克氏滲透率。

(2)頁巖應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)流程

頁巖應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)在室溫常壓條件下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)選取的巖石有效應(yīng)力分別為3MPa、5MPa、7MPa、10MPa、15MPa、20MPa、30MPa、40MPa和50MPa。此外，實(shí)驗(yàn)設(shè)置回壓為2.5MPa、進(jìn)口壓力為3.5MPa，且保持不變。

①將巖樣裝入巖心夾持器內(nèi)部，把孔滲測試儀的初始值歸零，逐漸加圍壓至60MPa，并把回壓加至2.5MPa，保持圍壓和回壓恒定；

②在整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程中，保持注入壓力為3.5MPa不變，做氣體單相滲流實(shí)驗(yàn)；

③當(dāng)氣體的滲流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，記錄下巖心在初始有效應(yīng)力下的孔隙度φi與滲透率ki，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的有效應(yīng)力值大小調(diào)整內(nèi)壓（即孔隙壓力），記錄下在內(nèi)壓降低過程中不同的巖心孔隙度φ與滲透率k（如表1與表2所示）；

表1 頁巖巖心樣品孔隙度測試結(jié)果

表2 頁巖巖心樣品滲透率測試結(jié)果（降低內(nèi)壓）

④當(dāng)達(dá)到最大有效應(yīng)力后，根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的有效應(yīng)力點(diǎn)逐步升高內(nèi)壓使有效應(yīng)力降低，記錄下在內(nèi)壓升高過程中不同的滲透率（如表3所示），實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

(3)頁巖應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

研究儲層應(yīng)力敏感的實(shí)質(zhì)即為研究有效應(yīng)力與孔隙度和滲透率之間的關(guān)系，在半對數(shù)坐標(biāo)系中繪制實(shí)驗(yàn)測定的巖心孔隙度與滲透率隨有效應(yīng)力的變化關(guān)圖。從圖2中可以看出，隨著有效應(yīng)力的增加，頁巖孔隙度與滲透率均表現(xiàn)為指數(shù)式下降。

圖2 有效應(yīng)力與孔隙度和滲透率關(guān)系曲線圖

從表1與表2中可以看出，隨著有效應(yīng)力的增加，3塊頁巖巖心樣品孔隙度和滲透率的變化幅度基本一致，這說明3塊頁巖巖樣的物性相近，但是整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中頁巖巖心滲透率的變化幅度明顯大于孔隙度。當(dāng)有效應(yīng)力增至20MPa時(shí)，有效滲透率只剩下初始狀態(tài)時(shí)的3.19%，當(dāng)有效應(yīng)力大于20MPa之后，有效滲透率趨于平穩(wěn)；當(dāng)有效應(yīng)力增加至50MPa時(shí)，3塊巖心樣品的平均滲透率從初始的0.22631mD降為0.00059mD，滲透率下降幅度為0.22572mD，滲透率平均損失率為99.74%，幾乎達(dá)到100%。

巖石的塑性形變階段體現(xiàn)在有效應(yīng)力—滲透率關(guān)系曲線上，具體表現(xiàn)為滲透率隨著有效應(yīng)力的增加而大幅度下降，而且卸載后滲透率恢復(fù)率低，根據(jù)表3與表4中的數(shù)據(jù)可以求出巖心滲透率恢復(fù)率（如圖3所示）。

從圖3中可以看出，在卸載有效應(yīng)力的過程中，頁巖的滲透率恢復(fù)率僅為16.82%，由此可知頁巖巖樣的應(yīng)力敏感是由結(jié)構(gòu)形變所導(dǎo)致。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，巖石的形變特征會顯著影響其應(yīng)力敏感程度，而且?guī)r石在有效應(yīng)力增加的早期階段產(chǎn)生的塑性形變越強(qiáng)，其應(yīng)力敏感程度越高。表4與圖4顯示了巖心滲透率比值和有效應(yīng)力之間的關(guān)系。

圖3 頁巖巖樣滲透率比值與有效應(yīng)力關(guān)系圖

表4 頁巖巖心樣品滲透率比值

圖4 有效應(yīng)力與滲透率關(guān)系曲線圖

從表4中可以看出，QL2-19號巖心的應(yīng)力敏感程度相對最高，QL2-25號巖心次之，而QL2-24號巖心的應(yīng)力敏感程度相對最低。由圖4可知，ln(k/ki)與有效應(yīng)力σeff之間成線性關(guān)系，即巖心滲透率k與有效應(yīng)力σeff之間成指數(shù)關(guān)系，關(guān)于有效應(yīng)力的滲透率模量bk為常數(shù)。根據(jù)川南頁巖巖樣的應(yīng)力敏感曲線可以得到滲透率應(yīng)力敏感系數(shù)γ與孔隙壓力變化量△p之間的關(guān)系式：

應(yīng)力敏感系數(shù)γ是關(guān)于孔隙壓力變化量△p的函數(shù)。從公式中可以分析，當(dāng)生產(chǎn)壓差較大時(shí)，應(yīng)力敏感系數(shù)將更大，相同壓降程度情況下滲透率衰減幅度更大，增加流體滲流阻力可以計(jì)算出川南地區(qū)頁巖儲層應(yīng)力敏感系數(shù)的變化范圍為5.0×10-3～0.16MPa-1（如圖5所示），該值較致密砂巖儲層要高出一個(gè)數(shù)量級；將巖心歸位到地層條件，即有效應(yīng)力從20MPa增至50MPa時(shí)，滲透率損失率在90%以上。由此可以看出，龍馬溪組頁巖儲層具有強(qiáng)應(yīng)力敏感性特征。

圖5 川南地區(qū)頁巖儲層應(yīng)力敏感系數(shù)的變化范圍

3.結(jié)論

綜上所述，文章分析了頁巖應(yīng)力敏感機(jī)理，并采用脈沖衰減法開展了川南地區(qū)龍馬溪組頁巖巖心應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)，取得了以下認(rèn)識：（1）經(jīng)體積壓裂后在裂縫表面附近形成的“毛刺化”區(qū)域（近縫帶基質(zhì)改造區(qū)）具有強(qiáng)應(yīng)力敏感性，會對氣井產(chǎn)能產(chǎn)生顯著影響，頁巖相對較小的楊氏模量和泊松比也是導(dǎo)致其應(yīng)力敏感性強(qiáng)的內(nèi)在原因；（2）由于頁巖儲層中應(yīng)力場和壓力場的耦合作用，有效應(yīng)力變化量與孔隙壓力變化量之間并非線性關(guān)系，滲透率應(yīng)力敏感系數(shù)是關(guān)于孔隙壓力的函數(shù)，需要通過將有效應(yīng)力等效轉(zhuǎn)化為孔隙壓力來表示其與滲透率之間的關(guān)系；（3）頁巖應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在巖心尺度下，頁巖由于在有效應(yīng)力的作用下發(fā)生了大規(guī)模結(jié)構(gòu)變形而表現(xiàn)出較強(qiáng)的應(yīng)力敏感性，且頁巖儲層滲透率的應(yīng)力敏感性遠(yuǎn)強(qiáng)于孔隙度，其應(yīng)力敏感系數(shù)變化范圍為5.0×10-3～0.16MPa-1。