低滲透氣藏應(yīng)力敏感性實驗研究

張小龍，楊志興，鹿克峰，簡 潔，鄭 穎

（中海石油（中國）有限公司上海分公司研究院，上海 200335）

低滲透氣藏開發(fā)過程中，隨著儲層流體的采出，孔隙壓力逐漸下降，有效應(yīng)力隨之增加，儲層巖石發(fā)生彈塑性變形或壓實，儲層巖石產(chǎn)生壓敏效應(yīng)，應(yīng)力敏感性是低滲透氣藏開發(fā)過程中的一個重要特征。國內(nèi)外很多學(xué)者對低滲透儲層應(yīng)力敏感性的形成機理[1-3]、影響因素[4-6]、滲流特征[7-8]及對開發(fā)的影響[9-12]等問題開展了大量的理論和實驗研究。研究認為，低滲透氣藏高速開采時，地層壓力的下降引起壓敏效應(yīng)，對儲層的滲透率產(chǎn)生不能完全恢復(fù)的傷害；同時眾多實驗研究表明，低滲儲層的應(yīng)力敏感性強于中高滲儲層，滲透率越低，應(yīng)力敏感性越強。但這些結(jié)論是在常規(guī)應(yīng)力敏感實驗的基礎(chǔ)上得到的，往往與礦場實際反映的結(jié)果不相符。因此，為了更全面地認識地層壓力變化對儲層滲透率和孔隙度的影響程度，本文分別開展了常規(guī)應(yīng)力敏感性實驗和模擬氣藏開發(fā)過程中隨地層壓力下降引起的應(yīng)力敏感性實驗，從而為低滲透氣藏應(yīng)力敏感特征認識及合理有效開發(fā)提供依據(jù)及技術(shù)支持。

1 常規(guī)應(yīng)力敏感性實驗

常規(guī)應(yīng)力敏感性實驗的基本原理是在保持驅(qū)替壓差不變的條件下，首先逐漸升高圍壓，測定樣品孔隙度和滲透率隨有效上覆壓力升高而降低的情況，然后再逐漸降低圍壓，測定孔隙度和滲透率隨有效上覆壓力降低而恢復(fù)的情況，該實驗是在CMS—300孔滲測定儀上完成覆壓孔隙度和覆壓滲透率的測定。

1.1 覆壓孔隙度測定及分析

利用某低滲氣藏G1井4個樣品，在實驗室凈有效上覆壓力2.5～35.0 MPa條件下分別進行覆壓孔隙度實驗，實驗測定結(jié)果見圖1及表1。實驗結(jié)果表明，盡管在實驗室完成測定后對樣品造成了一定的傷害，但通過一定時間后，樣品的孔隙度有較大程度的恢復(fù)。在35.0 MPa的凈有效上覆壓力下，孔隙度的損害率為11.7%～13.8%，實驗結(jié)果與大量的文獻資料比較吻合。儲層樣品的孔隙度與有效上覆壓力的變化關(guān)系表現(xiàn)為乘冪形式。原始孔隙度高的儲層受應(yīng)力敏感影響之后，其孔隙度仍保持在相對較高水平；而原始孔隙度低的儲層受應(yīng)力敏感影響之后，孔隙度值進一步降低，保持在更低的水平。

圖1 G1井不同樣品儲層孔隙度應(yīng)力敏感性分析

表1 G1井不同樣品孔隙度應(yīng)力敏感性分析

1.2 覆壓滲透率測定及分析

與覆壓孔隙度測定相同，采用低滲氣藏G1井相同的4個樣品，在實驗室凈有效上覆壓力為2.5～35.0 MPa條件下分別進行滲透率的應(yīng)力敏感性實驗，實驗結(jié)果見圖2及表2。實驗結(jié)果表明，盡管在實驗室完成測定后對樣品造成一定的傷害，但通過較長一段時間后，樣品的滲透率有較大程度的恢復(fù)，不同樣品在不同上覆壓力下的滲透率變化曲線形態(tài)比較接近。在35.0 MPa的最高上覆壓力下，滲透率下降最小達86.4%，最高可達97.6%，樣品的滲透率與有效上覆壓力的變化關(guān)系表現(xiàn)為乘冪形式。原始滲透率高的儲層受應(yīng)力敏感影響之后，其滲透率仍保持在相對較高水平；而原始滲透率低的低滲儲層受應(yīng)力敏感影響之后，滲透率值進一步降低，保持在更低的水平。與孔隙度的應(yīng)力敏感性相比，滲透率的應(yīng)力敏感性更強。

圖2 G1井不同樣品儲層滲透率應(yīng)力敏感性分析

表2 G1井不同樣品滲透率應(yīng)力敏感性分析

1.3 孔隙度與滲透率的關(guān)系

根據(jù)上述覆壓孔隙度與覆壓滲透率的測定結(jié)果，做出同一樣品在有效上覆壓力變化范圍內(nèi)（2.5～35.0 MPa）的孔隙度與滲透率的關(guān)系曲線，見圖3。覆壓滲透率與孔隙度實驗結(jié)果表明，同一樣品在有效上覆壓力變化范圍內(nèi)，孔隙度與滲透率的變化關(guān)系表現(xiàn)為二階多項式形式，二者具有較好的相關(guān)性?？紫抖扰c滲透率的應(yīng)力敏感性存在差異，隨著有效上覆壓力的增加，孔隙度減小，滲透率降低，相對于孔隙度的減小而言，滲透率降低更為劇烈。不同有效上覆壓力條件下，孔隙度與滲透率的關(guān)系曲線存在差異，滲透率隨孔隙度的降低以乘冪的形式降低。

圖3 G1井不同樣品孔滲關(guān)系

2 模擬開發(fā)過程應(yīng)力敏感性實驗

常規(guī)的滲透率應(yīng)力敏感實驗是在樣品兩端建立一個固定的驅(qū)替壓差，逐漸升高圍壓，從而得到不同有效應(yīng)力下的氣相有效滲透率。實驗過程與氣藏的開發(fā)過程不一致，應(yīng)力的升高實際上模擬了氣藏的沉積過程。由于以常規(guī)滲透率為基準，這種實驗方法得到的滲透率損害率往往在70%以上，甚至達到99%，應(yīng)力敏感性表現(xiàn)為強到極強。然而氣藏衰竭開發(fā)過程，實際上是地層孔隙壓力逐漸下降的過程，即儲層凈有效上覆壓力逐漸升高的過程，根據(jù)這個原理，建立了模擬氣藏開發(fā)過程中的應(yīng)力敏感性實驗方法。

2.1 實驗步驟

（1）將已測定物性參數(shù)的樣品抽真空飽和地層水，然后采用濕氣驅(qū)替法建立樣品的束縛水飽和度（第一個點采用干巖心）；

（2）按實驗要求將樣品裝入巖心夾持器，并接好實驗流程；

（3）保持圍壓與孔隙壓力之差為定值，緩慢并同步給樣品施加圍壓和孔隙壓力，直到樣品中孔隙流體壓力達到20.0 MPa左右，然后再將圍壓升高到30.0 MPa。關(guān)閉巖心夾持器進出口，將樣品在應(yīng)力作用下老化12 h以上；

（4）樣品老化結(jié)束后，調(diào)節(jié)巖心夾持器進口壓力或回壓以得到實驗需要的孔隙壓力，然后開始實驗；

（5）保持圍壓不變，利用巖心夾持器出口端回壓閥調(diào)節(jié)出口壓力，當流動穩(wěn)定時，記錄流動壓差、流量和時間，計算樣品的滲透率；

（6）保持圍壓不變，繼續(xù)利用巖心夾持器出口端回壓閥降低出口壓力，但必須保持流動壓差不變，此時樣品實際承受的有效凈應(yīng)力增加。當流動穩(wěn)定時，記錄流動壓差、流量和時間，計算樣品的滲透率；

（7）重復(fù)第⑥步，直到出口壓力降到實驗要求的廢棄壓力為止，從而得到不同有效應(yīng)力下的氣體有效滲透率。整個實驗過程與氣藏衰竭式開采過程一致。實驗結(jié)束后，取出樣品稱重，并計算含水飽和度的變化。

2.2 實驗結(jié)果及分析

根據(jù)上述模擬氣藏開發(fā)過程中的滲透率應(yīng)力敏感性實驗方法，結(jié)合現(xiàn)場實際的取樣資料（X1井樣品、X2井樣品、X3井樣品），在實驗室測定可獲得各樣品在不同含水飽和度 Sw及有效應(yīng)力下的氣相滲透率，同時可獲得各樣品在不同含水飽和度下的氣相有效滲透率損失率，實驗結(jié)果見表3～表4、圖4～圖 6。

表3 不同含水飽和度下的氣相有效滲透率損失率統(tǒng)計

表4 不同樣品滲透率應(yīng)力敏感性分析

圖4 X1井樣品不同含水飽和度下滲透率應(yīng)力敏感分析

圖5 X2井樣品不同含水飽和度下滲透率應(yīng)力敏感分析

圖6 X3井樣品不同含水飽和度下滲透率應(yīng)力敏感分析

模擬開發(fā)過程應(yīng)力敏感性實驗表明，儲層樣品的氣相滲透率與凈應(yīng)力的變化關(guān)系表現(xiàn)為乘冪形式。在相同的凈應(yīng)力條件下，隨著儲層含水飽和度的增加，氣相滲透率降低，滲透率應(yīng)力敏感性增強。儲層樣品的滲透率敏感性較強，隨著凈應(yīng)力的增加，各儲層樣品的滲透率均有較大幅度的降低。原始滲透率存在差異的樣品，滲透率應(yīng)力敏感性存在差異。隨著含水飽和度的增加，各樣品的氣相滲透率損失率均有不同程度的增加。與常規(guī)覆壓滲透率應(yīng)力敏感性研究相比，模擬氣藏開發(fā)過程中的滲透率應(yīng)力敏感研究更加符合衰竭式氣藏開發(fā)的實際情況。

3 結(jié)論

（1）低滲儲層存在較強的應(yīng)力敏感性，實驗樣品有效應(yīng)力與孔隙度、滲透率的變化關(guān)系均表現(xiàn)為乘冪形式，其中滲透率的應(yīng)力敏感性強于孔隙度的應(yīng)力敏感性。

（2）含水飽和度對滲透率的應(yīng)力敏感性具有很大的影響，在相同的凈應(yīng)力條件下，隨著儲層含水飽和度的增加，氣相滲透率降低，滲透率應(yīng)力敏感性增強。

（3）低滲氣藏滲透率應(yīng)力敏感性對開發(fā)的影響不容忽視，開發(fā)過程中應(yīng)確定合理的生產(chǎn)壓差，密切關(guān)注地層壓力下降情況，減少儲層應(yīng)力敏感傷害，提高開發(fā)效果。