不同储层应力敏感性评价
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发布时间：2022-05-16 20:52
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时间：2024-03-02 01:07
（1）砂岩储层
实验样品主要以四川盆地西部侏罗系蓬三和上三叠统须四砂岩为研究对象，实验结果如图6-1至图6-4所示，无论是基块岩样还是裂缝岩样，渗透率都随有效应力的增加而降低，但降低幅度存在差异。常规近致密储层渗透率随应力增加而下降缓慢，致密储层则有很大幅度的渗透率下降。同为常规、近致密储层，带裂缝岩样要比基块岩样的应力敏感性强。蓬莱镇组岩样埋藏较浅，原有效应力为6.9～13.8MPa，应力增加过程实际上是模拟压实作用。当地层压力降低时，基块渗透率基本恒定，带缝时则渗透率明显降低（图6-2）。须四段储层埋深大，原有效地应力约为3700psi，有效应力减小过程（当σi＜25.5MPa时）是消除弹性变形阶段，这一阶段渗透率随应力增加而剧烈下降，越过该点之后则趋于缓慢（图6-3、图6-4）。
图6-1 蓬莱镇组储层基块岩样应力敏感性
（据万仁溥，2000）
图6-2 蓬莱镇组储层裂缝岩样应力敏感性
（据万仁溥，2000）
图6-3 须四段储层基块岩样应力敏感性
（据万仁溥，2000）
图6-4 须四段储层裂缝岩样应力敏感性
（据万仁溥，2000）
实验测试表明，模拟地层有效应力条件时，基块岩样常规至近致密储层的渗透率为常规值的4/5～1/3，而致密储层则为常规值的1/5～1/20，孔隙度值的变化相对较小，校正到原地层条件下，常规储层孔隙度降低10%左右，致密砂岩可降低10%～25%。
图6-5是根据图6-1和图6-4数据的计算结果，可以看出常规储层基块应力敏感程度总体为弱，应力敏感系数小于0.4；致密、超致密砂岩基块（T3x4）的应力敏感性为强，应力敏感系数大于0.68；裂缝性岩块应力敏感性可达极强程度，但随着裂缝性岩渗透率增加，其应力敏感性有所减弱，有变为中等的趋势。在有效应力作用下，作为油气通道的裂隙及微孔喉趋向于闭合的趋势强，从而引起储层渗透率大幅度下降。油田实际生产也表明裂缝性油藏对地层压力的变化极为敏感，油层的枯竭而引起外部有效应力的增加，使天然裂缝容易受到挤压，其渗透率比基质降低的更快。如二连盆地巴21井在生产过程中，当地层压力下降3MPa时，有效渗透率降低就接近50%。裂缝性致密砂岩地层极强的应力敏感性还容易诱发钻井中出现井喷井漏：当正压差增大，有效应力减小，裂缝的缝宽增大，从而导致井漏。可见保持地层压力对裂缝性油田的开发异常重要。
不同组系裂缝的渗透能力在不同开发阶段会发生变化。一般来说，投入开发后，随着流体的采出，流体压力下降，裂缝开度随之变小，在围压不变的情况下，原始渗透率和渗流速度越大的裂缝，开采后流体下降的速度和开度变小的程度越大，那些与现代应力场最大主压应力方向垂直或斜交的裂缝原始开度、渗透性虽差，但流体压力下降速度和开度变小速度也相对小，在开发过程中，这些裂缝所起的作用将相对增大，在一定开发阶段有可能成为对渗流起主导作用的裂缝。
图6-5 砂岩储层岩样渗透率和应力敏感系数关系图
尹尚先（2006）通过大量实验表明，岩心的渗透率随有效压力的变化而变化的程度大于孔隙度的变化，裂缝性岩心差别最大，孔隙性岩心差别相对要小。裂缝性岩心渗透率敏感性明显大于孔隙性岩心（图6-6）；另外低渗透储层由于其孔道细微，孔隙体积略有下降都将造成渗透率的急剧降低。
当有效压力降低时，岩心的渗透率和孔隙度有所恢复，但不能恢复到原始数据。岩心的渗透率和孔隙度随有效压力的下降而增加的程度不同：岩心的渗透率的恢复性很差，即使有效应力降低到初始值，大多岩心样品渗透率的恢复值也仅有初始值的10%～30%；而孔隙度的恢复值相对要高。裂缝性岩心渗透率随有效应力降低的恢复率也明显小于孔隙性岩心渗透率恢复率（图6-7）。
图6-6 川西公山庙构造凉高山组裂缝性油藏基质岩块应力敏感性
（据尹尚先，2006）
图6-7 川西公山庙构造沙溪庙组裂缝性油藏裂隙岩块应力敏感性
（据尹尚先，2006）
随着对应力敏感性认识的加深，人们一直试图得到应力敏感程度与岩石自身性质的关系，甚至想根据岩石性质来预测储层的应力敏感性。大量的探索性研究已取得不少的成果，然而由于岩石自身的矿物组成不同、沉积环境迥异、压实程度差异较大等多种因素的影响，目前尚未得到满意的结果。康毅力等（2005）通过疏松砂岩和胶结砂岩储层应力敏感程度与岩石自身性质的关系研究，取得的一定认识，认为在疏松砂岩和胶结砂岩储层中，孔隙几何形状是渗透率应力敏感性的基本控制因素，渗透率随有效应力的变化率与岩石种类之间有直接的函数关系。
疏松砂岩储层
疏松砂岩中，物性最好的储层（具有最大孔隙的砂岩）随应力增大会出现最明显的渗透率损失，物性较差的储层表现为应力敏感性弱；颗粒分选越好，颗粒越粗，应力敏感性就越强；颗粒大小与渗透率的应力敏感性之间不存在相关性；因为颗粒分选、歪度和孔隙大小与沉积环境直接相关，疏松砂岩的沉积环境是其应力敏感性强弱的关键因素。
胶结砂岩储层
胶结砂岩中，物性最差的储层随应力增大会出现最明显的渗透率损失；孔隙近似为管状的砂岩样品表现为应力敏感性较弱；孔隙系统特征是沉积后作用（特别是颗粒压实和孔隙类型）的结果；固结砂岩沉积环境和沉积后作用对储层应力区域的局部形成和渗透率分布是十分重要的。
康毅力等（2005）还通过研究不同渗透率的裂缝岩样的应力敏感性情况（所选岩样的基块渗透率小于0.01md，所以测得的渗透率完全由裂缝贡献），得到如下结论（图6-8）：裂缝岩样渗透率的总体变化是随有效应力的增加迅速降低，体现为有效应力增加时，裂缝面间的接触由点到线、再到面的过程；初始渗透率越低的岩样其渗透率降低得越快；初始渗透率高的岩样在最终有效应力点（50MPa）的剩余渗透率也高。他们分析认为应力敏感性的差异在于：初始渗透率高的岩样的裂缝面间有足够的空间让较大的坚硬颗粒充填其中，在有效应力的增加时这些颗粒支撑着裂缝面，抵抗来自外界的应力，使得裂缝还能维持一定渗透率；而初始渗透率低的岩样裂缝宽度窄，颗粒少见充填，即使有颗粒充填也属于易变形的地层微粒，在有效应力增加时不能起到支撑作用，相反地，更可能堵塞裂缝的狭窄处，导致渗透率迅速降低。
图6-8 归一化渗透率与有效应力之间的关系
（据康毅力，2005）
（2）碳酸盐储层
实验岩样取自川东北地区飞仙关组碳酸盐岩储层，岩性主要为鲕粒白云岩。选取孔隙型和裂缝-孔隙型岩样共20块，孔隙型岩样的渗透率范围在（2.19～840）×10-3μm2之间，孔隙度在11.82%～18.40%之间，属于高孔高渗类型。裂缝-孔隙型岩样中裂缝为天然裂缝。
图6-9、图6-10表明同类储层岩样其实验曲线的趋势是一致的。对于孔隙型岩样来说，当有效应力增加时，渗透率呈下降趋势，但总的降低幅度小，降低的趋势较为平缓，卸压后，渗透率恢复程度高（图6-11）。对于裂缝-孔隙双重介质的岩样，当有效应力刚开始增加时，渗透率先是急剧降低（图6-12曲线A段），随着有效应力的继续增加，渗透率降低的趋势变为平缓（图6-12曲线B段），且总的降幅大，卸压后，渗透率回升的幅度很小。
图6-9 孔隙型样应力与渗透率关系曲线
（据何健，2005）
图6-10 裂缝-孔隙型样应力与渗透率关系曲线
（据何健，2005）
图6-11 孔隙型储层岩样典型曲线
（据何健，2005）
图6-12 裂缝-孔隙型储层岩样典型曲线
（据何健，2005）
统计所有岩样的实验数据可知，孔隙型岩样应力敏感系数SS的平均值为0.072，敏感程度弱；而裂缝-孔隙型的岩样SS平均值为0.525，敏感程度中等偏强。图6-13绘制了所有实验岩样的气测渗透率与应力敏感系数SS的关系，容易看出，裂缝-孔隙型岩样的SS普遍比孔隙型的大，即裂缝-孔隙型岩样应力敏感程度要比孔隙型的强。
图6-13 岩样渗透率和应力敏感系数的关系图
（据何健，2005）
两类储层岩样所表现出来的渗透率变化特性及应力敏感程度上的差异，主要是由于各自的储渗空间，孔缝特征的不同所引起的。碳酸盐岩颗粒主要由方解石、白云石等矿物组成，在外力的作用下，颗粒本体不容易发生变形。对于孔隙型岩样，其储渗空间主要为孔隙，当有效应力增加时，由于结构致密，其能够发生形变的孔隙空间小，颗粒之间的胶结和支撑牢固，因而孔隙体积变化小，渗透率降低的幅度小。对于裂缝-孔隙双重介质的岩样，其储渗空间为裂缝和孔隙，飞仙关组储层裂缝主要是构造缝和溶蚀缝，充填程度较低，相对孔隙而言，裂缝具有较大的变形空间，且容易发生形变，即裂缝对应力的敏感程度强于孔隙，当有效应力增加时，裂缝首先被压缩闭合，裂缝宽度的微小变化就会引起渗透率急剧的变化。
（3）含水饱和度对应力敏感性影响
游利军（2004）分别对致密砂岩的干岩样和含水岩样进行应力敏感性实验，含水岩样应力敏感性实验前后应分别测量岩样的重量，以确保实验过程中含水饱和度基本保持恒定。评价方法和标准依据应力敏感性系数法。评价结果表明（表6-2、6-3），致密砂岩含水岩样和致密砂岩干岩样一样具有较强的应力敏感性；干岩样应力敏感系数为0.25左右，而含水岩样应力敏感系数基本都大于0.5，应力敏感系数增加了2倍，说明水的存在加剧了岩样的应力敏感程度；同组岩样（物性相近）含水饱和度越高应力敏感性越强，这是由于随着岩样含水饱和度的增大，气体渗流的实际通道减小，或者因为水的存在使岩石在应力作用下发生了物理化学变化，降低了岩石的抗压强度，因此岩样的应力敏感程度增强：干岩样在3MPa测量的渗透率大约是40～50MPa下含水饱和度为45%时渗透率的10～3000倍。
表6-2 干岩样的应力敏感性
（据游利军，2004）
表6-3 不同含水饱和度的岩样渗透率
（据游利军，2004）
