金頁1井儲層巖石應(yīng)力敏感研究

謝雅西，蔡立峰，吳穎惠，羅然，劉建軍

（1.成都理工大學(xué)能源學(xué)院，四川成都610059；2.中國石油長慶油田分公司第三采氣廠，陜西西安710021；3.中國石油長慶油田分公司第四采氣廠，陜西西安710021）

金頁1井儲層巖石應(yīng)力敏感研究

謝雅西1，蔡立峰2，吳穎惠2，羅然3，劉建軍2

（1.成都理工大學(xué)能源學(xué)院，四川成都610059；2.中國石油長慶油田分公司第三采氣廠，陜西西安710021；3.中國石油長慶油田分公司第四采氣廠，陜西西安710021）

低滲儲層已成為當前最具研究價值的課題，由于低滲儲層對應(yīng)力變化十分敏感，所以對低滲儲層應(yīng)力敏感性研究對成功開采這類儲層具有深遠意義。應(yīng)力變化的響應(yīng)在頁巖儲層中尤為明顯，可以明顯觀測到巖石滲透率隨有效應(yīng)力的增加而降低，呈非線性關(guān)系。實驗利用應(yīng)力敏感實驗裝置，測定其在不同圍壓下的滲透率，實驗表明，滲透率隨圍壓增大下降幅度先急劇增大而后趨于平緩，圍壓減小后滲透率未能完全恢復(fù)，裂縫發(fā)生非彈性形變。對于頁巖儲層來說，開采過程中應(yīng)該注意儲層應(yīng)力場的變化，盡量降低其對儲層滲透率及儲層產(chǎn)能的影響程度。

金頁1井；頁巖儲層；實驗評價；應(yīng)力敏感指數(shù)

油氣儲層的應(yīng)力敏感特征是客觀存在的，它對于儲層的影響也是不可忽略的，國內(nèi)外也早有針對這一問題的文獻報道。隨著低滲儲層逐漸走入人們的視野中，成為油氣開發(fā)的重點研究對象，由于低滲儲層對于應(yīng)力變化十分敏感，所以對于應(yīng)力敏感的研究也就成為了當今石油科技研究的重要內(nèi)容之一。

早在1943年，國外就已經(jīng)開始對于應(yīng)力敏感性有了初步的研究，在1990-1999年間進入了相關(guān)研究的高峰期，而國內(nèi)在1995年開始在此方面有研究。李傳亮等［1］認為儲層巖石對應(yīng)力的敏感存在兩種機制。即由于本體變形和結(jié)構(gòu)變形而引起的兩種敏感。張琰等［2］認為應(yīng)力敏感性只存在于低滲氣藏中，它與含水飽和度呈正比關(guān)系。應(yīng)力敏感對于各作業(yè)環(huán)節(jié)和維持儲層壓力都具有十分重要的影響，敏感程度越高傷害也就越大。肖曾利等［3］認為應(yīng)該分別從裂縫和孔隙這兩方面來研究，他認為裂縫比孔隙具有更強的應(yīng)力敏感性，且損害后的恢復(fù)也是更為困難的。本文將選取金頁1井頁巖巖心作為研究對象，對16組頁巖巖心滲透率的應(yīng)力敏感性進行分析評價，得到金頁1井頁巖應(yīng)力敏感指數(shù)。

1　金頁1井儲層概況

金頁1井是一口位于四川盆地川西南坳陷威遠構(gòu)造南西斜坡的預(yù)探井，其目的層為寒武系筇竹寺頁巖層系，設(shè)計井深3 940 m。工區(qū)筇竹寺組泥頁巖累計厚度160 m～350 m，其中工區(qū)東部泥頁巖厚度較大，主要集中在260 m～350 m。裂縫較為發(fā)育，以水平縫為主，少量垂直縫及溶洞，方解石、黃鐵礦充填。

筇竹寺組頁巖中基質(zhì)孔隙以納米-微米級孔隙為主，孔隙直徑一般小于2 μm，孔隙度為0.82%～4.68%，平均為2.27%；滲透率為0.006×103μm2～0.158×103μm2，平均為0.046×103μm2。由此可以判斷出，研究區(qū)內(nèi)筇竹寺組頁巖具備很好的儲集能力［4］。

2　應(yīng)力敏感性實驗設(shè)計

本實驗選取16組金頁1井巖心進行測試，采用氣測滲透率方法，以氣體作為流體介質(zhì)，測試在不同圍壓下，測試樣品的滲透率［5］，測試程序（見圖1）。

圖1　巖石氣體滲透率測試流程圖Fig.1 Flow chart of gas permeability test of rock

連接好實驗裝置，巖心放入夾持器中，加圍壓3 MPa，始終保持圍壓值大于巖心進口壓力1.5 MPa～2.0 MPa；選定不超過1.5 mL/min的氮氣流速的進口壓力，保持進口壓力值不變，緩慢增加圍壓，使凈圍壓依次為3 MPa，5 MPa，10 MPa，15 MPa，25 MPa，35 MPa，45 MPa；每一個壓力點持續(xù)30 min后，按規(guī)定間隔測量壓力、流量、時間及溫度，待流動狀態(tài)趨于穩(wěn)定后，記錄檢測數(shù)據(jù)，計算滲透率；緩慢減小圍壓，壓力依次減小，每一個壓力點穩(wěn)定后測定其滲透率。

計算應(yīng)力敏感系數(shù)Ss，評價應(yīng)力敏感程度，參見公式（1）：

式中：σ*－初始有效值，對應(yīng)滲透率值記為K*；σ'－各有效應(yīng)力，對應(yīng)滲透率值記為K；Ss－斜率，稱應(yīng)力敏感系數(shù)（見表1）。

表1　應(yīng)力敏感程度評價標準Tab.1 Evaluation criteria of stress sensitivity

3　實驗結(jié)果分析與評價

3.1巖心A實驗結(jié)果分析

巖心A所處層位為筇竹寺組，長度為5.179 cm，直徑為2.524 cm，孔隙度為1.57%，平均滲透率為0.000 898×10-3μm2。做出滲透率隨圍壓變化的應(yīng)力敏感測試曲線，并做出滲透率隨有效應(yīng)力單對數(shù)圖（見圖2，圖3）。

圖2　巖樣A應(yīng)力敏感曲線圖Fig.2 A rock stress sensitivity curve

圖3　巖樣A滲透率隨有效應(yīng)力單對數(shù)關(guān)系圖Fig.3 A rock permeability and effective stress of single logarithmic diagram

從圖3中可以看出，在加壓過程中，巖樣A的應(yīng)力敏感性系數(shù)為0.47，屬于中等滲透率應(yīng)力敏感程度；回壓過程中，巖樣A的應(yīng)力敏感性系數(shù)為0.16，屬于弱滲透率應(yīng)力敏感程度。

3.2巖心B實驗結(jié)果分析

巖心B所處層位為筇竹寺組，長度為5.209 cm，直徑為2.522 cm，孔隙度為1.94%，平均滲透率為0.256 78 ×10-3μm2。做出滲透率隨圍壓變化的應(yīng)力敏感測試曲線，并做出滲透率隨有效應(yīng)力單對數(shù)圖（見圖4，圖5）。

圖4　巖樣B應(yīng)力敏感曲線Fig.4 B rock stress sensitivity curve

圖5　巖樣B滲透率隨有效應(yīng)力單對數(shù)關(guān)系圖Fig.5 B rock permeability and effective stress of single logarithmic diagram

從圖5中可以看出，在加壓過程中，巖樣B的應(yīng)力敏感性系數(shù)為0.38，屬于中等滲透率應(yīng)力敏感程度；回壓過程中，巖樣B的應(yīng)力敏感性系數(shù)為0.08，屬于弱滲透率應(yīng)力敏感程度。

3.3巖心C實驗結(jié)果分析

巖心C所處層位為筇竹寺組，長度為5.295 cm，直徑為2.516 cm，孔隙度為2.04%，平均滲透率為0.000 078 ×10-3μm2。做出滲透率隨圍壓變化的應(yīng)力敏感測試曲線，并做出滲透率隨有效應(yīng)力單對數(shù)圖（見圖6，圖7）。

從圖7中可以看出，在加壓過程中，巖樣C的應(yīng)力敏感性系數(shù)為0.34，屬于中等滲透率應(yīng)力敏感程度；回壓過程中，巖樣C的應(yīng)力敏感性系數(shù)為0.09，屬于弱滲

透率應(yīng)力敏感程度。

圖6　巖樣C應(yīng)力敏感曲線Fig.6 C rock stress sensitivity curve

圖7　巖樣C滲透率隨有效應(yīng)力單對數(shù)關(guān)系圖Fig.7 C rock permeability and effective stress of single logarithmic diagram

3.4巖心實驗結(jié)果評價

本次實驗對金頁1井16組巖心進行了測試，根據(jù)應(yīng)力敏感圖分析得出，在初始增加圍壓時，滲透率快速下降，應(yīng)力敏感非常明顯；隨著圍壓的不斷增大，滲透率下降明顯減緩，說明在初始增加圍壓時，裂縫發(fā)生了嚴重變形，導(dǎo)致滲流通道嚴重減小，在之后的加壓過程中裂縫可發(fā)生變形的空間非常小。

在回壓過程中，滲透率未能完全恢復(fù)至初始滲透率，裂縫發(fā)生非彈性形變，其損害是不可逆的。由應(yīng)力敏感曲線可以看出，巖心在回壓過程中應(yīng)力敏感系數(shù)明顯降低，說明儲層巖石并非越致密其應(yīng)力敏感性越強。巖石在加壓過程中，裂縫形態(tài)發(fā)生了嚴重擠壓變形，其可壓縮空間已非常之小，所以在回壓過程中，巖石滲透率幾乎只能恢復(fù)到初始滲透率的50%以下，有些甚至只能恢復(fù)到百分之幾。

根據(jù)對16塊實驗巖心分析，可以預(yù)測金頁1井儲層巖石應(yīng)力敏感系數(shù)為0.57，屬于中等應(yīng)力敏感程度。

4　應(yīng)力敏感對滲透率影響

將滲透率與圍壓進行指數(shù)關(guān)系擬合（見圖8）。

圖8　滲透率與圍壓指數(shù)關(guān)系曲線Fig.8 Relationship between permeability and confining pressure

擬合得到的關(guān)系式為：

又因為k0=0.000 28≈0.000，所以可以將式（2）簡化為：

式中：k-滲透率，10-3μm2；k0-原始滲透率，10-3μm2；pg－原始地層壓力，MPa。

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，可通過擬合得到，金頁1井平均應(yīng)力敏感指數(shù)為0.116。

5　結(jié)論

（1）金頁1井頁巖儲層巖樣應(yīng)力敏感系數(shù)為0.57，屬中等應(yīng)力敏感程度?；貕哼^程中，應(yīng)力敏感系數(shù)有明顯的減小。壓力在5 MPa～15 MPa期間，滲透率急劇下降，應(yīng)力敏感程度強，其后逐漸趨于平緩。

（2）金頁1井平均應(yīng)力敏感指數(shù)為0.116，在開采過程中，由于儲層壓力系統(tǒng)被打破，造成孔隙喉道發(fā)生變形而產(chǎn)生的堵塞是應(yīng)力敏感對儲層滲透率損害的主要機理。

［1］李傳亮，涂興萬.儲層巖石的兩種應(yīng)力敏感機制-應(yīng)力敏感有利于驅(qū)油［J］.巖性油氣藏，2008，（3）：36-38.

［2］張琰，崔迎春.低滲氣藏應(yīng)力敏感性及評價方法的研究［J］.現(xiàn)代地質(zhì)，2001，（12）：23-26.

［3］肖曾利，蒲春生，秦文龍.低滲砂巖油藏壓力敏感性實驗［J］.斷塊油氣田，2008，（3）：22-25.

［4］孟憲武，田景春，張翔，等.川西南井研地區(qū)筇竹寺組頁巖氣特征［J］.礦物巖石，2014，34（2）：96-105.

［5］杜鑫，藺美麗.儲層敏感性評價試驗［J］.石油化工應(yīng)用，2011，30（6）：36-38.

The study on reservoir rock stress sensitivity of Jinye 1st well

XIE Yaxi1，CAI Lifeng2，WU Yinghui2，LUO Ran3，LIU Jianjun2
（1.Energy Institute of Chengdu University of Technology，Chengdu Sichuan 610059，China；2.Gas Production Plant 3 of PetroChina Changqing Oilfield Company，Xi'an Shanxi 710021，China；3.Gas Production Plant 4 of PetroChina Changqing Oilfield Company，Xi'an Shanxi 710021，China）

Low permeable reservoir has already become a task with most research value.Because low permeable reservoir is extremely sensitive to variation of stresses，it has far-reaching significance to study stress sensitivity of low permeable reservoir on successful exploitation of this reservoir.Response to variation of stress is extremely obvious in shale reservoir. It can be clearly observed that shale permeability will be reduced with the increase of effective stress and present non-linear relationship.By using experimental facility of stress sensitivity，measures permeability under different confining pressures.The experiment shows that with the increase of confining pressures，permeability is firstly dramatically and then tends to be gentle gradually.After reducing confining pressures，permeability can't recover completely.Fissure appears non-elastic deformation.For shale reservoir，it should pay attention to variation of reservoir stress and try to reduce its influences on reservoir permeability andreservoir production capacity.

Jinye 1st well；shale reservoir；experimental evaluation；stress sensitivity index

TE312

A

1673-5285（2016）10-0029-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2016.10.007

2016－07-27

謝雅西，女（1991-），2015年畢業(yè)于成都理工大學(xué)石油工程專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，現(xiàn)為成都理工大學(xué)能源學(xué)院油氣田開發(fā)工程專業(yè)碩士研究生，郵箱：872974066@qq.com。