頁(yè)巖應(yīng)力敏感性分析研究

任世杰，劉大鵬

(延長(zhǎng)油田股份有限公司吳起采油廠，陜西延安 717600)

頁(yè)巖是一種致密的巖石，其孔隙度和滲透率等物性很差，所以頁(yè)巖一般被認(rèn)為是儲(chǔ)集層良好的蓋層之一。雖然頁(yè)巖的物性很差，但是在構(gòu)造作用下，頁(yè)巖內(nèi)部往往會(huì)生成錯(cuò)綜復(fù)雜的微裂縫結(jié)構(gòu)，這些微裂縫改變了頁(yè)巖的滲透率和儲(chǔ)集性能。頁(yè)巖中發(fā)育的微裂縫在頁(yè)巖作為儲(chǔ)集層存在的過(guò)程中起著重要的作用，這些微裂縫一方面增大了頁(yè)巖儲(chǔ)集天然氣的性能，天然氣以游離態(tài)和吸附態(tài)存在于頁(yè)巖發(fā)育的網(wǎng)狀微裂縫之中；另一方面，微裂縫為天然氣的運(yùn)移提供了良好的通道，天然氣以游離和吸附狀態(tài)存在于微裂縫及孔隙當(dāng)中。雖然頁(yè)巖儲(chǔ)層的孔隙度只有不到10%，而且含油氣有效孔隙度為1%～5%，而頁(yè)巖的滲透率更是低至0.001 mD，但是頁(yè)巖儲(chǔ)層仍能成為大量天然氣的存儲(chǔ)空間之一[1]。

應(yīng)力敏感性對(duì)于頁(yè)巖開(kāi)發(fā)有著重要的意義，而滲透率的應(yīng)力敏感性要比孔隙度的應(yīng)力敏感性強(qiáng)得多，所以，在研究方面主要是研究滲透率的應(yīng)力敏感性，然后對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到頁(yè)巖的應(yīng)力敏感性指標(biāo)。

1 應(yīng)力敏感性評(píng)價(jià)及分析方法

應(yīng)力敏感性評(píng)價(jià)的方法大致分為2種。

1.1 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)法

滲透率損害率為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)法評(píng)價(jià)應(yīng)力敏感性的主要指標(biāo)，定義為有效應(yīng)力改變導(dǎo)致的滲透率的改變率[2]。其計(jì)算公式為式(1)：

DK=K1-Kmin/K1×100%

(1)

式中DK——滲透率損害率，%；

K1——第1個(gè)有效應(yīng)力點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的巖心滲透率，mD；

Kmin——達(dá)到臨界應(yīng)力后巖樣滲透率的最小值，mD。

滲透率損害率有效地將應(yīng)力敏感的計(jì)算評(píng)價(jià)與五敏(速敏、水敏、堿敏、酸敏、鹽敏)的計(jì)算評(píng)價(jià)結(jié)合起來(lái)，將一般情況下的巖心滲透率轉(zhuǎn)化為原地有效應(yīng)力作用下的滲透率。最大有效應(yīng)力的選擇與外界因素有很大的關(guān)聯(lián)，導(dǎo)致對(duì)于一塊巖心測(cè)得的滲透率損害率產(chǎn)生不同的結(jié)果。所以需用原始地層有效應(yīng)力作為初始的計(jì)算點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況估計(jì)一個(gè)最大的有效應(yīng)力測(cè)點(diǎn)。

評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：DK≤0.3，弱；0.30.7，強(qiáng)。

1.2 應(yīng)力敏感性系數(shù)法

通過(guò)應(yīng)力敏感系數(shù)理論公式的推導(dǎo)公式(2)處理試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，然后確定應(yīng)力敏感性系數(shù)[3]。

(2)

式中SS——應(yīng)力敏感性系數(shù)，無(wú)量綱；

σ——有效應(yīng)力，MPa；

K——對(duì)應(yīng)有效應(yīng)力作用下的滲透率，mD；

σ0——初始測(cè)點(diǎn)的有效應(yīng)力，MPa；

K0——初始測(cè)點(diǎn)的滲透率，即有效應(yīng)力在2～3 MPa情況下的滲透率，mD。

評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：Ss≤0.3，弱；0.31，極強(qiáng)[4]。

其中，只要從試驗(yàn)中得到不同的有效應(yīng)力所對(duì)應(yīng)的滲透率，即可得到K/K0的數(shù)值，然后算出K/K0的三分之一次方的結(jié)果，再通過(guò)有效應(yīng)力的計(jì)算即可得到一系列的對(duì)應(yīng)值。理論上以10為底的有效應(yīng)力與原始應(yīng)力的比值和測(cè)得有效應(yīng)力對(duì)應(yīng)的滲透率與原始滲透率比值的三分之一次方為線性關(guān)系，而且在線性關(guān)系中斜率的相反數(shù)與我們所要求得的應(yīng)力敏感性系數(shù)一致。

通過(guò)分析我們可以很容易地看出其應(yīng)力敏感性系數(shù)是一個(gè)唯一的數(shù)值，也就是說(shuō)在理論情況下它與滲透率和所作用給的有效應(yīng)力沒(méi)有關(guān)系，在巖心產(chǎn)生后其在試驗(yàn)中不考慮誤差的情況下多次測(cè)量是一致的[5]?？梢钥闯?，其與巖心中天然微裂縫的發(fā)育程度有關(guān)，在有效應(yīng)力增大的過(guò)程中，天然微裂縫越發(fā)育，應(yīng)力敏感性系數(shù)則越大，反之亦然。

2 應(yīng)力敏感性與滲透率的關(guān)聯(lián)

各類巖石的滲透率都會(huì)隨著有效圍壓的增大而減小，即產(chǎn)生了應(yīng)力敏感性，但是各類巖石的應(yīng)力敏感程度截然不同。對(duì)于滲透率較高的巖石，有效應(yīng)力增加，滲透率值下降會(huì)較大，但是相對(duì)于原始滲透率損失比值比較小，所以“應(yīng)力敏感性較弱”[1]。對(duì)于滲透率很低的巖石，有效應(yīng)力增加后，滲透率下降較小，但是相對(duì)于原始滲透率損失比值很大，即“應(yīng)力敏感性較強(qiáng)”[5]。影響應(yīng)力敏感性強(qiáng)弱的主要因素是滲透率，滲透率隨著有效應(yīng)力變化的主要原因和巖石的孔隙結(jié)構(gòu)相關(guān)。滲透率較低的儲(chǔ)層，主要的流動(dòng)通道是微吼和小吼，有效應(yīng)力的增加造成微吼和小吼迅速閉合，從而影響滲透率值下降較大，所以儲(chǔ)層的應(yīng)力敏感性會(huì)較強(qiáng)。

對(duì)于滲透率損失絕對(duì)值，有效應(yīng)力不斷增大后，高滲透率儲(chǔ)層的滲透率損失絕對(duì)值很大，即為“應(yīng)力敏感性較強(qiáng)”。如從滲透率損失比值方面分析，隨著有效應(yīng)力的增大，中高滲儲(chǔ)層的損失比值較小，即“應(yīng)力敏感性較弱”。

3 應(yīng)力敏感模式

應(yīng)力敏感模式大致分為2種：①平緩型是隨著有效應(yīng)力的增加，滲透率損失比值逐漸平緩變??；②先陡后緩型是滲透率損失比值在有效應(yīng)力增加初期會(huì)十分大，增大到一定范圍后，逐漸平緩變化。

裂縫發(fā)育較差的頁(yè)巖儲(chǔ)層屬于“先陡后緩型”應(yīng)力敏感模式，原因是隨著有效應(yīng)力的不斷增加，其原生裂縫會(huì)大量閉合，導(dǎo)致滲流通道關(guān)閉，滲透率嚴(yán)重?fù)p失；原生裂縫閉合后，隨著有效應(yīng)力的繼續(xù)增加，雖然吼道會(huì)成為壓縮受力的主要部分，但在這一階段滲透率的損失比值很小[1]。頁(yè)巖的滲透率及影響滲透率的因素正好符合先陡后緩型，一方面，頁(yè)巖裂縫比較發(fā)育，在有效應(yīng)力增大的過(guò)程中，發(fā)育的天然裂縫先于閉合，導(dǎo)致滲透率嚴(yán)重?fù)p失；另一方面，泥頁(yè)巖在滲透率損失后即使有效應(yīng)力降低，滲透率恢復(fù)量也很小，甚至是不恢復(fù)，這是由于頁(yè)巖的天然裂縫在有效應(yīng)力降低后不會(huì)在自然狀態(tài)下從閉合狀態(tài)變?yōu)閺堥_(kāi)狀態(tài)。但對(duì)于裂縫不太發(fā)育的泥頁(yè)巖，其有效應(yīng)力不斷增大，頁(yè)巖的滲透率下降比率會(huì)為比較平滑，則該泥頁(yè)巖的應(yīng)力敏感模式為平緩型，而且在有效應(yīng)力降低的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生較大的滲透率恢復(fù)過(guò)程，最終撤去作用在泥頁(yè)巖上的有效應(yīng)力，其滲透率與初始狀態(tài)下的滲透率接近。

隨著有效應(yīng)力增大，雖然中高滲儲(chǔ)層的滲透率損失絕對(duì)值較大，但是其應(yīng)力敏感對(duì)油田開(kāi)發(fā)影響較小。頁(yè)巖的滲透率低，應(yīng)力敏感模式屬于“先陡后緩型”，其應(yīng)力敏感性對(duì)于油田開(kāi)發(fā)影響較大。

4 應(yīng)力敏感性試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)原理

在實(shí)驗(yàn)室情況下，利用深水孔隙壓力伺服儀對(duì)巖樣進(jìn)行加載，利用軸向壓力或者拉力使巖心產(chǎn)生軸向的應(yīng)力，利用液體壓力給巖心產(chǎn)生周向壓力，也就是與利用深水孔隙壓力伺服儀做巖心真三軸應(yīng)力試驗(yàn)一樣。在不同的軸向應(yīng)力和周向應(yīng)力的情況下，利用氮?dú)鉁y(cè)量巖心中氮?dú)獾牧髁颗c注入—排出壓力差之間的關(guān)系，得到一系列的數(shù)據(jù)，可得到巖心的氣測(cè)滲透率。在得到巖心的一系列氣測(cè)滲透率之后，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)將其圍壓與滲透率之間的關(guān)系繪制成圖表，利用巖心應(yīng)力敏感性評(píng)價(jià)方法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可得到巖心的應(yīng)力敏感性強(qiáng)弱結(jié)論。

(3)

式中K——頁(yè)巖滲透率，mD；

p0——大氣壓，MPa；

q——流率，mL/s；

L——巖心長(zhǎng)度，cm；

μ——氮?dú)獾酿ざ?，mPa·s；

A——頁(yè)巖橫截面積，cm2；

p1——流入壓力，MPa；

p2——流出壓力，MPa；

4.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過(guò)對(duì)巖心進(jìn)行試驗(yàn)，得到以下試驗(yàn)結(jié)果。

由圖1、圖3可以看出，Y-1和Y-3巖心在圍壓增大的初始階段，滲透率下降速率很快。這是由于在初始階段增大圍壓，頁(yè)巖中的裂縫開(kāi)始閉合，因此滲透率下降較快。而到了10 MPa以后滲透率下降速率降低，是由于裂縫已經(jīng)完全閉合后，再增大圍壓對(duì)巖心的滲透率沒(méi)有太大影響。在壓力下降的過(guò)程中，頁(yè)巖巖心滲透率上升極其不明顯，也可以說(shuō)基本沒(méi)有上升，分析可知是由于裂縫閉合后無(wú)法在降壓后打開(kāi)，導(dǎo)致滲透率無(wú)法恢復(fù)。Y-1和Y-3巖心所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力敏感模式為先陡后緩型。

圖1 Y-1巖心圍壓與滲透率關(guān)系Fig.1 Relationship between confining pressure and permeability of Y-1 core

圖2 Y-2巖心圍壓與滲透率關(guān)系Fig.2 Relationship between confining pressure and permeability of Y-2 core

圖3 Y-3巖心圍壓與滲透率關(guān)系圖Fig.3 Relationship between confining pressure and permeability of Y-3 core

由圖2可以看出，巖心Y-2在圍壓增大過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)突然降低的情況，而且在原始?jí)毫l件下，滲透率很低，由此可以得出該巖心的裂縫發(fā)育比較低，也就是說(shuō)裂縫不發(fā)育。在壓力降低后，滲透率回到了相對(duì)較高的水平。由此可以看出在該巖心增大圍壓的過(guò)程中主要是由于孔隙的壓縮及巖石基質(zhì)壓縮所造成的滲透率下降，而這些壓縮量具有彈性，則在壓力降低后會(huì)產(chǎn)生孔隙恢復(fù)的過(guò)程，使?jié)B透率也隨著恢復(fù)。Y-2巖心所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力敏感模式為平緩型。

5 應(yīng)力敏感性評(píng)價(jià)

5.1 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)法應(yīng)力敏感性評(píng)價(jià)

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)法應(yīng)力敏感性評(píng)價(jià)(表1)。

表1 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)法應(yīng)力敏感性評(píng)價(jià)結(jié)果Table 1 Stress sensitivity assessment results of industry standard method

5.2 應(yīng)力敏感性系數(shù)法

圖4 Y-1、Y-2、Y-3巖心應(yīng)力敏感性系數(shù)法擬合曲線Fig.4 Fitting curves of Y-1, Y-2 and Y-3 core stress sensitivity coefficient method

通過(guò)線性擬合得出3塊巖心應(yīng)力敏感性系數(shù)(表2)。

表2 應(yīng)力敏感性系數(shù)法應(yīng)力敏感性評(píng)價(jià)結(jié)果Table 2 Stress sensitivity evaluation results by stress sensitivity coefficient method

綜合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)法和應(yīng)力敏感性系數(shù)法，得出Y-1巖心應(yīng)力敏感性強(qiáng)，Y-2巖心應(yīng)力敏感性中等偏弱，Y-3巖心應(yīng)力敏感性中等偏強(qiáng)。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以及計(jì)算結(jié)果，總結(jié)出行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)法的3點(diǎn)不足：

(1)選擇有效應(yīng)力的范圍方面，一般情況下為實(shí)驗(yàn)室的選擇，與實(shí)際工程應(yīng)用過(guò)程中的選擇有一定的差異，導(dǎo)致結(jié)果不太符合實(shí)際工程應(yīng)用，在實(shí)際工程應(yīng)用過(guò)程中沒(méi)有太大意義。

(2)儲(chǔ)層的實(shí)際有效應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于臨界有效應(yīng)力的范圍，使得臨界有效應(yīng)力只有數(shù)學(xué)上的意義，沒(méi)有實(shí)際的工程意義。

(3)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)法測(cè)得的應(yīng)力敏感性評(píng)價(jià)等級(jí)結(jié)果夸大了有效應(yīng)力作用下的應(yīng)力敏感性。

應(yīng)力敏感系數(shù)法通過(guò)線性的擬合可以完成在大于原始地應(yīng)力條件下的擬合，并由此推算在大于原始地應(yīng)力條件下的有效應(yīng)力作用下的滲透率情況，這一點(diǎn)彌補(bǔ)了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)法的不足，使得應(yīng)力敏感的評(píng)價(jià)整體化；但是在直觀性和物理意義方面，其沒(méi)有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)法看得清晰且易于理解。應(yīng)力敏感性系數(shù)法和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)法在確定結(jié)果上卻有線性相關(guān)性。

6 結(jié)論

(1)頁(yè)巖油氣的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，滲透率是開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵控制因素，而頁(yè)巖儲(chǔ)層的滲透率主控因素是頁(yè)巖儲(chǔ)層中發(fā)育的裂縫和微裂縫，有效應(yīng)力增加會(huì)導(dǎo)致裂縫和微裂縫閉合，從而產(chǎn)生應(yīng)力敏感性。頁(yè)巖的應(yīng)力敏感性系數(shù)法得到的應(yīng)力敏感系數(shù)在0.3以上，屬于中等偏強(qiáng)應(yīng)力敏感性；行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)法得到的滲透率損害率在0.5以上，同樣也屬于中等偏強(qiáng)應(yīng)力敏感性，與應(yīng)力敏感性系數(shù)法獲得的結(jié)果基本一致。

(2)在應(yīng)力不斷增大的過(guò)程中，頁(yè)巖中的裂縫會(huì)閉合，從而影響到頁(yè)巖的滲透率，而且在應(yīng)力降低后裂縫不會(huì)恢復(fù)，導(dǎo)致頁(yè)巖滲透率大幅降低，產(chǎn)生不可恢復(fù)的損害。

(3)裂縫發(fā)育的頁(yè)巖具有更好的裂縫發(fā)育情況，受到應(yīng)力敏感的損害會(huì)更大，但是由于其較高的滲透率，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中不會(huì)有太大的影響。然而，裂縫發(fā)育較差的頁(yè)巖本身的滲透率很低，在應(yīng)力敏感損害后，會(huì)導(dǎo)致滲透率幾乎為零，很不利于生產(chǎn)開(kāi)發(fā)。