金頁(yè)1井儲(chǔ)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(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第三采氣廠，陜西西安710021；3.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第四采氣廠，陜西西安710021）

金頁(yè)1井儲(chǔ)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(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第三采氣廠，陜西西安710021；3.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第四采氣廠，陜西西安710021）

低滲儲(chǔ)層已成為當(dāng)前最具研究?jī)r(jià)值的課題，由于低滲儲(chǔ)層對(duì)應(yīng)力變化十分敏感，所以對(duì)低滲儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性研究對(duì)成功開(kāi)采這類(lèi)儲(chǔ)層具有深遠(yuǎn)意義。應(yīng)力變化的響應(yīng)在頁(yè)巖儲(chǔ)層中尤為明顯，可以明顯觀測(cè)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(shí)驗(yàn)利用應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)裝置，測(cè)定其在不同圍壓下的滲透率，實(shí)驗(yàn)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(duì)于頁(yè)巖儲(chǔ)層來(lái)說(shuō)，開(kāi)采過(guò)程中應(yīng)該注意儲(chǔ)層應(yīng)力場(chǎng)的變化，盡量降低其對(duì)儲(chǔ)層滲透率及儲(chǔ)層產(chǎn)能的影響程度。

金頁(yè)1井；頁(yè)巖儲(chǔ)層；實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)；應(yīng)力敏感指數(shù)

油氣儲(chǔ)層的應(yīng)力敏感特征是客觀存在的，它對(duì)于儲(chǔ)層的影響也是不可忽略的，國(guó)內(nèi)外也早有針對(duì)這一問(wèn)題的文獻(xiàn)報(bào)道。隨著低滲儲(chǔ)層逐漸走入人們的視野中，成為油氣開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)研究對(duì)象，由于低滲儲(chǔ)層對(duì)于應(yīng)力變化十分敏感，所以對(duì)于應(yīng)力敏感的研究也就成為了當(dāng)今石油科技研究的重要內(nèi)容之一。

早在1943年，國(guó)外就已經(jīng)開(kāi)始對(duì)于應(yīng)力敏感性有了初步的研究，在1990-1999年間進(jìn)入了相關(guān)研究的高峰期，而國(guó)內(nèi)在1995年開(kāi)始在此方面有研究。李傳亮等［1］認(rèn)為儲(chǔ)層巖石對(duì)應(yīng)力的敏感存在兩種機(jī)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(rèn)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(duì)于各作業(yè)環(huán)節(jié)和維持儲(chǔ)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(rèn)為應(yīng)該分別從裂縫和孔隙這兩方面來(lái)研究，他認(rèn)為裂縫比孔隙具有更強(qiáng)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(yè)1井頁(yè)巖巖心作為研究對(duì)象，對(duì)16組頁(yè)巖巖心滲透率的應(yīng)力敏感性進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，得到金頁(yè)1井頁(yè)巖應(yīng)力敏感指數(shù)。

1　金頁(yè)1井儲(chǔ)層概況

金頁(yè)1井是一口位于四川盆地川西南坳陷威遠(yuǎn)構(gòu)造南西斜坡的預(yù)探井，其目的層為寒武系筇竹寺頁(yè)巖層系，設(shè)計(jì)井深3 940 m。工區(qū)筇竹寺組泥頁(yè)巖累計(jì)厚度160 m～350 m，其中工區(qū)東部泥頁(yè)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(yè)巖中基質(zhì)孔隙以納米-微米級(jí)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(yè)巖具備很好的儲(chǔ)集能力［4］。

2　應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)選取16組金頁(yè)1井巖心進(jìn)行測(cè)試，采用氣測(cè)滲透率方法，以氣體作為流體介質(zhì)，測(cè)試在不同圍壓下，測(cè)試樣品的滲透率［5］，測(cè)試程序（見(jiàn)圖1）。

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

連接好實(shí)驗(yàn)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(jìn)口壓力1.5 MPa～2.0 MPa；選定不超過(guò)1.5 mL/min的氮?dú)饬魉俚倪M(jìn)口壓力，保持進(jìn)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(gè)壓力點(diǎn)持續(xù)30 min后，按規(guī)定間隔測(cè)量壓力、流量、時(shí)間及溫度，待流動(dòng)狀態(tài)趨于穩(wěn)定后，記錄檢測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算滲透率；緩慢減小圍壓，壓力依次減小，每一個(gè)壓力點(diǎn)穩(wěn)定后測(cè)定其滲透率。

計(jì)算應(yīng)力敏感系數(shù)Ss，評(píng)價(jià)應(yīng)力敏感程度，參見(jiàn)公式（1）：

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

表1　應(yīng)力敏感程度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Evaluation criteria of stress sensitivity

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與評(píng)價(jià)

3.1巖心A實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

巖心A所處層位為筇竹寺組，長(zhǎng)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(cè)試曲線，并做出滲透率隨有效應(yīng)力單對(duì)數(shù)圖（見(jiàn)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(duì)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(guò)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(guò)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(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

巖心B所處層位為筇竹寺組，長(zhǎng)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(cè)試曲線，并做出滲透率隨有效應(yīng)力單對(duì)數(shù)圖（見(jiàn)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(duì)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(guò)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(guò)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(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

巖心C所處層位為筇竹寺組，長(zhǎng)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(cè)試曲線，并做出滲透率隨有效應(yīng)力單對(duì)數(shù)圖（見(jiàn)圖6，圖7）。

從圖7中可以看出，在加壓過(guò)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(guò)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(duì)數(shù)關(guān)系圖Fig.7 C rock permeability and effective stress of single logarithmic diagram

3.4巖心實(shí)驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)

本次實(shí)驗(yàn)對(duì)金頁(yè)1井16組巖心進(jìn)行了測(cè)試，根據(jù)應(yīng)力敏感圖分析得出，在初始增加圍壓時(shí)，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(shuō)明在初始增加圍壓時(shí)，裂縫發(fā)生了嚴(yán)重變形，導(dǎo)致滲流通道嚴(yán)重減小，在之后的加壓過(guò)程中裂縫可發(fā)生變形的空間非常小。

在回壓過(guò)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(guò)程中應(yīng)力敏感系數(shù)明顯降低，說(shuō)明儲(chǔ)層巖石并非越致密其應(yīng)力敏感性越強(qiáng)。巖石在加壓過(guò)程中，裂縫形態(tài)發(fā)生了嚴(yán)重?cái)D壓變形，其可壓縮空間已非常之小，所以在回壓過(guò)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(duì)16塊實(shí)驗(yàn)巖心分析，可以預(yù)測(cè)金頁(yè)1井儲(chǔ)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(duì)滲透率影響

將滲透率與圍壓進(jìn)行指數(shù)關(guān)系擬合（見(jiàn)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?yàn)閗0=0.000 28≈0.000，所以可以將式（2）簡(jiǎn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可通過(guò)擬合得到，金頁(yè)1井平均應(yīng)力敏感指數(shù)為0.116。

5　結(jié)論

（1）金頁(yè)1井頁(yè)巖儲(chǔ)層巖樣應(yīng)力敏感系數(shù)為0.57，屬中等應(yīng)力敏感程度。回壓過(guò)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(qiáng)，其后逐漸趨于平緩。

（2）金頁(yè)1井平均應(yīng)力敏感指數(shù)為0.116，在開(kāi)采過(guò)程中，由于儲(chǔ)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(duì)儲(chǔ)層滲透率損害的主要機(jī)理。

［1］李傳亮，涂興萬(wàn).儲(chǔ)層巖石的兩種應(yīng)力敏感機(jī)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(píng)價(jià)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(shí)驗(yàn)［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(yè)巖氣特征［J］.礦物巖石，2014，34（2）：96-105.

［5］杜鑫，藺美麗.儲(chǔ)層敏感性評(píng)價(jià)試驗(yàn)［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(kāi)發(fā)工程專業(yè)碩士研究生，郵箱：872974066@qq.com。