溫度與有效應力對頁巖儲層應力敏感影響研究

董文強

(中國石油長慶油田分公司第三輸油處，寧夏銀川 750006)

國內外對于儲層的應力敏感性研究，主要集中于儲層物性參數如滲透率、孔隙度及孔隙壓縮系數隨有效應力變化的規律，且多數研究采用在常溫條件下恒圍壓變內壓，恒內壓變圍壓方法得到[1-8]。有效應力通常定義為上覆巖層壓力與流體壓力之差。針對溫度對儲層影響問題，劉泉聲，許錫昌等[9]提出了損害存在門閾值問題，巖石中不同礦物顆粒因熱膨脹系數不同及各向異性的晶粒不同的結晶方位導致的熱彈性性能不同，導致巖石微裂縫形成，并形成網狀，進一步解釋巖石熱損傷機理。郝振良，馬捷等[10]將熱應力理論運用到溫度對巖石作用中，提出熱應力可以導致巖石有效應力的變化，最終影響了巖石滲透系數。我國的頁巖氣開發處于初級探索5段，以往針對應力敏感性的研究主要集中低滲透儲層，而對頁巖儲層應力敏感研究相對較少。2012年黃玲等[11]對頁巖儲層敏感性做出大量的試驗，研究得出頁巖水敏程度為中等偏弱，應力敏感性極強。2012年郭為等[12]為了明確開采壓力的下降對氣藏滲透率變化的影響，試驗采用改變內壓與圍壓2種方式，對頁巖氣藏的應力敏感效應進行了研究，研究結果表明：頁巖對外壓的敏感效應遠遠大于對內壓的敏感效應。2013年趙立翠等[13]選用帶裂縫頁巖巖樣進行變圍壓應力敏感試驗，并對影響頁巖氣儲層應力敏感性的因素進行分析。

通過大量文獻調研可知，目前針對溫度與有效應力對頁巖儲層應力敏感性影響的研究相對較少。因此，本文選用頁巖為研究對象，分析溫度與有效應力對頁巖滲透率應力敏感性的影響規律。

1 試驗

1.1 試驗裝置與試驗巖樣

該試驗儀器主要由三部分構成(見圖1)：第一部分驅替流體及加壓裝置(保證高壓驅替條件，最高工作壓力100 MPa)；第二部分是高溫烘箱(最高溫度150℃)，巖心夾持器，環壓追蹤高壓泵(模擬地層條件)；第三部分是回壓裝置(維持巖心夾持器兩端壓力穩定)，皂膜流量計與計算機控制裝置。試驗選用頁巖巖心，恒溫箱精度(±0.1℃)，皂膜流量計精度(±0.01 mL)，壓力計精度(±0.001 MPa)。

1.2 試驗方法

圖1 應力敏感試驗流程圖

表1 試驗巖樣基礎參數

該試驗采用恒內壓變圍壓方法，以高純氮氣作為驅替介質，對巖樣烘干處理，烘干時間24 h。初始溫度設為20℃，圍壓設為13 MPa，穩定后測定巖樣的滲透率，逐漸加載圍壓，依次取 15 MPa，17 MPa，19 MPa，21 MPa，每個圍壓點穩定一段時間，測定巖樣滲透率。試驗過程中，驅替內壓始終保持0.2 MPa，驅替壓差0.5 MPa恒定不變。逐漸升高溫度25℃，30℃，35℃，40℃，45℃，50℃，55℃，60℃，65℃，70℃，75℃，80℃，重復上述過程，測定氣測滲透率。由于溫度對驅替介質氮氣的黏度有影響，所以測定過程必須考慮溫度的影響(見表1)。

2 試驗結果與分析

2.1 頁巖滲透率隨溫度的變化規律

由圖2可見，頁巖滲透率K與溫度T具有較好的指數關系。隨著溫度從20℃升高到70℃時，兩塊巖樣的滲透率呈現快速下降，滲透率分別平均下降41.7%，34.1%，當溫度從70℃上升到80℃時，兩塊巖樣的滲透率反而緩慢下降，滲透率分別平均下降1.2%，3.4%。這主要是隨溫度升高，礦物顆粒的膨脹，巖石顆粒之間產生熱應力作用[10]，等同于巖樣的有效應力增大。從圖2分析可以看出，初始滲透率越高，則應力敏感性越強，溫度對應力敏感性影響越大。

2.2 頁巖滲透率隨有效應力的變化規律

為了研究頁巖氣井衰竭式開發過程中，有效應力變化對頁巖儲層滲透率的影響(見圖3)。通過對兩塊巖樣進行變圍壓恒內壓試驗，即有效應力逐漸增大過程，觀測巖樣滲透率的變化情況。測試結果表明：滲透率K與有效應力P具有較好的指函數關系。這與低滲透、特低滲透油氣藏應力敏感性呈現相同的規律。當有效應力由小增大時，儲層滲透率由大變小，其下降幅度由大到小。有效應力從13 MPa增大到17 MPa時，不同溫度下兩塊巖樣滲透率平均分別下降28.9%，24.9%，當有效應力從17 MPa增大到21 MPa時，滲透率平均下降8.4%，8.6%。針對LS1-12-3巖樣測試結果分析，溫度從20℃升到80℃，有效應力從13 MPa升到21 MPa過程中，不同溫度下滲透率分別降低45.1%，36.7%，34.9%，32.6%，表明隨溫度的升高，儲層對有效應力的敏感程度由高到低。這主要是頁巖中不同礦物顆粒因不同的熱膨脹系數以及各向異性晶粒不同的結晶方位的熱彈性性質不同[9]，引起各種礦物不同程度的熱膨脹，致使頁巖中納米級的孔喉半徑的孔隙、孔道不斷的縮小，使得原本能夠通過的氮氣分子不再通過，頁巖在有效應力作用下，微觀孔隙發生變形量減少，因此會出現儲層對有效應力敏感程度逐漸降低的現象。

圖2 不同頁巖巖樣滲透率與溫度的關系

圖3 頁巖滲透率隨有效應力變化關系圖

3 滲透率應力敏感評價

3.1 應力敏感損害率Dk評價[14]

石油行業標準中，計算滲透率損害率公式為：

式中：Dk-應力敏感程度，無因次；K0-初始應力點對應的巖樣滲透率，mD；Kmin-不同溫度條件下達到最大應力后的巖樣滲透率的最小值，mD。

3.2 羅瑞蘭等[4]提出應力敏感系數

計算應力敏感評價指標SP公式為：

式中：SP-應力敏感評價指標；Ko-初始應力點對應的巖樣滲透率，mD；Ki-不同溫度條件下達到不同應力點對應的巖樣滲透率，mD。

基于上述2種評價方法，對1號頁巖巖樣進行了應力敏感評價，結果(見表2、表3)。表2中2種方法的計算結果具有較好的一致性，即頁巖巖樣滲透率的應力敏感程度中等，行業標準評價得到的不同溫度下滲透率損害率Dk均大于0.3，且隨溫度的升高，滲透率損害率由0.45降低到0.33。以13 MPa作為初始應力點算得應力敏感損害率等級為中等，而以17 MPa作為初始應力點算得應力敏感損害率等級為弱，說明有效應力變化不同5段對儲層的應力敏感性影響不同，此結論為現場油氣開發工程中控制儲層應力敏感性提供指導作用。第二種評價方法求得的應力敏感系數Sp均大于0.8，且隨溫度變化規律同Dk相似。

4 結論

針對頁巖儲層物性的應力敏感試驗與分析，得出如下主要結論：

(1)初始滲透率越高，則應力敏感性越強，溫度對應力敏感性影響越大。不同有效應力下，溫度從20℃升高到80℃時，2塊巖樣的滲透率分別下降42.9%，37.5%，頁巖滲透率與溫度具有較好的指數關系。

表2 頁巖巖樣應力敏感評價

表3 頁巖巖樣應力敏感評價

(2)當有效應力由小增大時，儲層滲透率由大變小，其下降幅度由大到小。有效應力從13 MPa增大到17 MPa時，不同溫度下兩塊巖樣滲透率平均分別下降28.9%，24.9%，當有效應力從17 MPa增大到21 MPa時，滲透率平均下降8.4%，8.6%，滲透率與有效應力同樣呈現較好的指函數關系，這與低滲透、特低滲透油氣藏應力敏感性呈現相同的規律。

(3)通過2種應力敏感評價方法得出：頁巖滲透率的應力敏感程度為中等，且隨溫度的升高，滲透率損害率由0.45降低到0.33。有效應力從13 MPa增加到17 MPa，應力敏感程度為中等，而有效應力從17 MPa增加到21 MPa時，應力敏感程度卻為弱，有效應力不同變化5段對儲層應力敏感損害程度影響不同。

(4)溫度及有效應力對儲層應力敏感性影響的規律性研究成果，對頁巖儲層現場大型水力壓裂施工及制定合理的開采制度有著關鍵性指導作用，避免現場不合理的施工破壞頁巖氣儲層的滲透性。

參考文獻：

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