致密儲層應力敏感性與力學特性關系實驗研究

袁勝斌，毛 敏，楊 毅，張立剛，李大冬，李 浩，苗振華

(1.中法地質渤海服務有限公司，天津 300457；2.提高油氣采收率教育部重點實驗室<東北石油大學>，黑龍江 大慶 163318)

在油氣藏的開采過程中，隨著儲層流體的產出，地層壓力不斷降低，巖石骨架上的應力會逐漸增大，造成儲層巖石發生彈性或塑性變形，引發巖石孔隙結構和體積發生變化，如孔隙體積的縮小、孔隙喉道和裂縫的閉合等，這種變化會造成滲透率損害，被稱之為儲層應力敏感性，會影響油氣井的產量[1-4]。致密儲層的應力敏感性是近幾年研究的熱點問題，國內外很多學者開展了相關研究，認識到儲層原始滲透率值、力學特性、孔隙結構特征、泥質含量和含水飽和度等是影響儲層應力敏感性的重要因素[5-8]。但不同學者對各因素的影響規律也存在較多爭議，部分學者認為低滲透儲層比中、高滲透儲層有更強的應力敏感性，也有學者認為，低滲透儲層應力敏感性較弱[9-10]。本論文開展了致密儲層巖石力學特性實驗，煤油、KCl溶液下的應力敏感性實驗，探討了應力敏感性和巖石力學特性關系，進一步揭示了致密儲層的應力敏感性機理。

1 致密儲層孔隙結構特性

巖石樣品取自大慶油田外圍致密儲層，首先開展了鑄體薄片實驗，測定了巖石的孔隙結構特征參數，如圖1所示。

圖1 巖石樣品的微觀結構特征

致密儲層具有砂質、粉砂質結構，顆粒排列較緊密，大小顆粒雜亂分布，泥質具重結晶呈薄膜狀、團塊狀，或呈條帶狀分布。碳酸鹽呈團塊狀充填孔隙，并見溶蝕交代碎屑顆?，F象。巖石孔隙發育差，主要為粒內溶孔、鑄?？?，偶見粒間溶孔。孔隙零星分布不均，連通性差。

2 致密儲層應力敏感性實驗

參照行業標準（SY/T5358-2002)，開展巖芯流動實驗，考察致密儲層在不同應力條件下，與外來流體接觸后所發生的各種物理化學作用對儲層滲透率的影響程度，用滲透率損害率來表示：

式中：D K——巖樣滲透率損害率；

K1——初始應力下巖芯的水測滲透率，mD；

K m——某一應力水平下巖芯水測滲透率，mD；

DK——巖樣滲透率損害率，%。

流動介質選擇煤油和8%的KCl水溶液。測試過程，將巖芯進行洗油，烘干24h，抽真空飽和流動介質，將飽和后的巖芯放入三軸巖芯夾持器中，利用智能巖芯流動儀，開始注入溶液，注入速度0.01mL/min，圍壓隨著注入壓力的升高而逐步加大，直至出口端流出液體。利用移液管和秒表記錄出口端流出液體的流速，當流速穩定時，記錄注入壓力，并計算出巖芯初始滲透率K1。然后測定有效應力13.25MPa下的巖芯滲透率Km。4種巖芯的在不同流動介質下的滲透率測試結果， 如表1所示。

表1 不同流動介質下滲透率損害程度數據

實驗流體的選擇對儲層滲透率測試結果影響很大，濃度8%的KCl水溶液比煤油對巖石的滲透率傷害更大，煤油測滲透率損害率為弱到中等偏弱，濃度8%的KCl水溶液測滲透率損害率為中等偏弱到中等偏強。

3 致密儲層巖石力學特性

采用RAW-2000微機控制電液伺服三軸試驗機，如圖2所示，進行三軸壓縮試驗，巖石樣品經過鉆取、切割和打磨幾道工序，制備成直徑25mm的圓柱形件，高徑比分布在2～2.5之間，保證端面平整光滑，加工好的試件，安裝軸向和徑向引伸計，安裝好的試件，如圖3所示。

圖2 三軸應力實驗機圖

圖3 試件安裝

取芯平均深度為1100m，地層壓力系數為1.02MPa/100m，上覆巖層壓力梯度2.26MPa/1000m，計算有效應力約為13.25MPa，將該壓力統一設置為實驗圍壓，然后按300N/s的加載速度增加軸向力，獲得全應力—應變關系曲線，并計算了巖石彈性模量和抗壓強度，如表2所示。

表2 三軸壓縮實驗結果

4 致密儲層滲透率損害與巖石力學特性的關系

在研究致密儲層滲透率損害與巖石力學特性的關系時，為了避免流動介質的影響，選擇煤油測試結果進行分析，致密儲層巖石樣品初始滲透率和滲透率損害率與巖石彈性模量和抗壓強度關系，如圖4和圖5所示。

圖4 初始滲透率、滲透率損害率與彈性模量的關系

圖5 初始滲透率、滲透率損害率與抗壓強度的關系

巖石的抗壓強度和彈性模量越低，儲層原始滲透率越高，有效應力作用下變形量越大，滲透率損害值越高，但滲透率損害率越低，表現出的敏感性損害程度就越低。對儲層初始滲透率、滲透率損害率與巖石的彈性模量和抗壓強度關系進行線性、乘冪、對數函數和指數函數關系擬合，初始滲透率與彈性模量對數函數相關性最高，與抗壓強度乘冪相關性最高，R2分別為0.9869和0.9818；滲透率損害率與彈性模量乘冪相關性最高，與抗壓強度對數函數相關性最高，R2分別為0.9925和0.9834；致密儲層應力敏感性與巖石力學性質關系密切。

5 結論

（1）區域致密油儲層含有粘土礦物，KCl水溶液在一定程度上能夠抑制粘土膨脹，但并不能完全抑制，造成滲透率損害程度遠高于煤油。

（2）巖石抗壓強度和彈性模量越低，初始滲透率越高，滲透率損害值越高，滲透率損害率越低，表現出的應力敏感性越弱。

（3）致密儲層初始滲透率與彈性模量對數函數相關性最高，與抗壓強度乘冪相關性最高；滲透率損害率與彈性模量乘冪相關性最高，與抗壓強度對數函數相關性最高。