低滲透氣藏應力敏感性實驗研究

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）

低滲透氣藏開發過程中，隨著儲層流體的采出，孔隙壓力逐漸下降，有效應力隨之增加，儲層巖石發生彈塑性變形或壓實，儲層巖石產生壓敏效應，應力敏感性是低滲透氣藏開發過程中的一個重要特征。國內外很多學者對低滲透儲層應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，對儲層的滲透率產生不能完全恢復的傷害；同時眾多實驗研究表明，低滲儲層的應力敏感性強于中高滲儲層，滲透率越低，應力敏感性越強。但這些結論是在常規應力敏感實驗的基礎上得到的，往往與礦場實際反映的結果不相符。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應力敏感性實驗和模擬氣藏開發過程中隨地層壓力下降引起的應力敏感性實驗，從而為低滲透氣藏應力敏感特征認識及合理有效開發提供依據及技術支持。

1 常規應力敏感性實驗

常規應力敏感性實驗的基本原理是在保持驅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，實驗測定結果見圖1及表1。實驗結果表明，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。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系表現為乘冪形式。原始孔隙度高的儲層受應力敏感影響之后，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力敏感性分析

表1 G1井不同樣品孔隙度應力敏感性分析

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力敏感性實驗，實驗結果見圖2及表2。實驗結果表明，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，不同樣品在不同上覆壓力下的滲透率變化曲線形態比較接近。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系表現為乘冪形式。原始滲透率高的儲層受應力敏感影響之后，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。與孔隙度的應力敏感性相比，滲透率的應力敏感性更強。

圖2 G1井不同樣品儲層滲透率應力敏感性分析

表2 G1井不同樣品滲透率應力敏感性分析

1.3 孔隙度與滲透率的關系

根據上述覆壓孔隙度與覆壓滲透率的測定結果，做出同一樣品在有效上覆壓力變化范圍內（2.5～35.0 MPa）的孔隙度與滲透率的關系曲線，見圖3。覆壓滲透率與孔隙度實驗結果表明，同一樣品在有效上覆壓力變化范圍內，孔隙度與滲透率的變化關系表現為二階多項式形式，二者具有較好的相關性。孔隙度與滲透率的應力敏感性存在差異，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井不同樣品孔滲關系

2 模擬開發過程應力敏感性實驗

常規的滲透率應力敏感實驗是在樣品兩端建立一個固定的驅替壓差，逐漸升高圍壓，從而得到不同有效應力下的氣相有效滲透率。實驗過程與氣藏的開發過程不一致，應力的升高實際上模擬了氣藏的沉積過程。由于以常規滲透率為基準，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%，應力敏感性表現為強到極強。然而氣藏衰竭開發過程，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，根據這個原理，建立了模擬氣藏開發過程中的應力敏感性實驗方法。

2.1 實驗步驟

（1）將已測定物性參數的樣品抽真空飽和地層水，然后采用濕氣驅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。關閉巖心夾持器進出口，將樣品在應力作用下老化12 h以上；

（4）樣品老化結束后，調節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節出口壓力，當流動穩定時，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力增加。當流動穩定時，記錄流動壓差、流量和時間，計算樣品的滲透率；

（7）重復第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。實驗結束后，取出樣品稱重，并計算含水飽和度的變化。

2.2 實驗結果及分析

根據上述模擬氣藏開發過程中的滲透率應力敏感性實驗方法，結合現場實際的取樣資料（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計

表4 不同樣品滲透率應力敏感性分析

圖4 X1井樣品不同含水飽和度下滲透率應力敏感分析

圖5 X2井樣品不同含水飽和度下滲透率應力敏感分析

圖6 X3井樣品不同含水飽和度下滲透率應力敏感分析

模擬開發過程應力敏感性實驗表明，儲層樣品的氣相滲透率與凈應力的變化關系表現為乘冪形式。在相同的凈應力條件下，隨著儲層含水飽和度的增加，氣相滲透率降低，滲透率應力敏感性增強。儲層樣品的滲透率敏感性較強，隨著凈應力的增加，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。與常規覆壓滲透率應力敏感性研究相比，模擬氣藏開發過程中的滲透率應力敏感研究更加符合衰竭式氣藏開發的實際情況。

3 結論

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

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

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