張志強，師永民，李　鶴（北京大學地球與空間科學學院，北京100871）

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致密儲集層應力敏感性分類評價

張志強，師永民，李鶴
（北京大學地球與空間科學學院，北京100871）

摘要：致密儲集層應力敏感性分析，對準確認識油氣開發(fā)過程中儲集層傷害及合理評價油氣井產能具有重要的意義。鑒于注水開發(fā)過程中有效應力場的非穩(wěn)態(tài)變化導致儲集層滲流能力變化的實際情況，選取了鄂爾多斯盆地安塞油田延長組3類典型巖樣（泥質粉砂巖、粉砂巖和中細粒砂巖）進行儲集層滲透率應力敏感性測定，通過線性方程擬合，對比分析3類巖石應力敏感性特征，并從巖石成分和微觀結構對應力敏感性的影響進行綜合分析。結果表明，隨著有效應力的增加，泥質粉砂巖滲透率下降快，敏感性強；粉砂巖滲透率下降中等，敏感性中等偏強；中細粒砂巖滲透率下降慢，敏感性最弱。通過巖心、巖石薄片、掃描電鏡、全巖X射線衍射分析及壓汞實驗可知，儲集層應力敏感性特征主要受到巖石中礦物成分和孔隙結構2個因素的影響，而微裂縫的發(fā)育使儲集層應力敏感性增強。

關鍵詞：鄂爾多斯盆地；致密儲集層；應力敏感性；礦物成分；孔隙結構；油田開發(fā)

近十年來，致密油、致密氣等非常規(guī)油氣資源在美國、加拿大等國家成功得到了商業(yè)開發(fā)，目前已在全球能源結構中占據重要地位[1-2]。中國的致密油、致密氣開發(fā)處于起步階段，在鄂爾多斯、準噶爾、松遼和四川等盆地已形成規(guī)模性開發(fā)[3]。在低滲儲集層有效開發(fā)過程中，滲透率是影響油氣田開發(fā)的重要巖石物性參數之一[4]。隨著有效應力逐漸增加，儲集層的孔隙空間不斷減小，滲透率也隨之減小，這一現(xiàn)象被稱為儲集層應力敏感性。室內實驗和油田現(xiàn)場數據已證實，低滲透砂巖應力敏感性損害能導致滲透率降低，進而影響油氣井產量[5-7]，但對不同滲透率儲集層應力敏感性程度的認識，尚存在較大爭議。部分學者認為，低滲儲集層應力敏感性強于中、高滲儲集層，低滲、特低滲儲集層存在較強的應力敏感性[8-11]；也有學者認為，低滲、特低滲儲集層都表現(xiàn)出較弱的應力敏感性[12-15]。

關于致密儲集層應力敏感性的控制因素，文獻［16］認為巖石應力敏感指數與巖石壓縮系數之間存在正相關關系；文獻［17］對巖石組分和裂縫的應力敏感影響進行了分析；文獻［18］認為，天然裂縫和含水飽和度對致密砂巖應力敏感性有重要影響，但針對其內在機制的系統(tǒng)研究分析較為匱乏。本文借助巖心、巖石薄片、掃描電鏡、全巖X射線衍射分析及壓汞實驗等資料，分別對不同應力敏感性特征的儲集層巖石進行巖石成分、微觀結構等特征的研究，揭示致密儲集層應力敏感性不同變化特征的內在機制，以期對開發(fā)過程中出現(xiàn)的諸多實際問題有所幫助[19]。

1　應力敏感實驗

1.1實驗原理及實驗巖心參數

油田開發(fā)過程中，由于有效應力發(fā)生變化，儲集層滲透率也在發(fā)生變化。本文通過改變圍壓的方法來改變巖石的有效應力，繼而分析巖石應力敏感性。有效應力公式如下：式中peff——有效應力，MPa；

pc——圍壓，MPa；

pp——孔隙壓力，MPa.

氣體在巖樣中流動時，由氣體一維穩(wěn)定滲濾達西定律可得滲透率計算公式：2式中A——樣品截面積，cm2；

L——樣品長度，cm；

Ka——巖心氣體滲透率，mD；

Qo——出口氣體流量，mL/s；

pa——大氣壓力，MPa；

p1——入口壓力，MPa；

p2——出口壓力，MPa；

μ——液體的黏度，mPa·s.

實驗裝置采用TAW1000巖石三軸伺服實驗系統(tǒng)（圖1）。全套裝置由高溫高壓三軸室和溫壓控制系統(tǒng)等幾大部分組成，可以進行應力-滲流耦合等巖石力學實驗，通過這些裝置（圖2）可以將實驗控制在所需要的地層原位條件下進行，實驗過程應力以0.02 MPa/min的速度進行加載，均在計算機控制系統(tǒng)的精準控制下完成。實驗流體為氮氣，在不同有效應力條件下，實驗流體以一定流速流過巖心，同時數據采集與處理終端實時獲取巖心滲透率的變化情況，測量分辨率高達1/200 000.

圖1　TAW1000巖石三軸孔隙壓力伺服實驗系統(tǒng)

圖2　地層條件下應力敏感性評價實驗裝置示意

樣品選自鄂爾多斯盆地安塞油田延長組，按照巖性分為泥質粉砂巖、粉砂巖和中細粒砂巖3類（表1）。在實驗測試之前，對巖樣進行了預處理，主要包括巖樣的洗油（酒精和苯的混合物）和烘干，烘干溫度控制在45℃，連續(xù)烘干36 h.

表1　鄂爾多斯盆地安塞油田延長組實驗巖心參數

由于取心深度相差不大，在地層條件下，3類巖樣的圍壓都為20 MPa，孔隙壓力為10 MPa.實驗中孔隙壓力保持10 MPa不變，通過控制圍壓的變化來實現(xiàn)有效應力的變化，并逐步測量單相流體滲透率，模擬地層條件下隨著有效應力的變化，儲集層巖心滲透率變化的實驗數據?？紤]到研究區(qū)儲集層實際情況，地層條件下的有效應力一般不會超過40 MPa，因此實驗測試的有效應力從2 MPa增加到40 MPa即可。

1.2實驗結果分析

通過以上實驗步驟得到儲集層應力敏感性結果，3類巖樣的巖心滲透率隨有效應力的增加而降低（圖3），當有效應力增加到40 MPa時，泥質粉砂巖、粉砂巖和中細粒砂巖滲透率絕對損害值分別為0.0394 mD，0.103 9 mD和0.270 2 mD，相對損害率分別為92.32%，71.37%和33.14%，即3類儲集層巖心應力敏感性差異較大，其中泥質粉砂巖和粉砂巖損害嚴重。壓力卸載后，3類巖樣儲集層巖心滲透率恢復程度相差較大，泥質粉砂巖和粉砂巖分別可以恢復到原來滲透率的45.97%和67.09%，而中細粒砂巖則恢復到原來滲透率的90.54%.分析原因，隨著有效應力增加，相對滲透率損害程度均比較大，在測試過程中封套的塑性變形使得應力敏感性增加，也使得加載曲線與卸載曲線產生了較大的差異［20］。巖心從地下取出后應力已被釋放，而實驗有效應力從2 MPa開始加載，2～10 MPa是儲集層應力恢復階段，因此應力釋放開啟的微裂縫閉合階段，應力敏感性較強［21］。

圖3　鄂爾多斯盆地安塞油田延長組3類典型巖樣有效應力敏感性曲線

通過實驗得到致密砂巖樣品的滲透率隨有效應力變化關系，可用冪指數方程表示為

式中A

k

——擬合得到的應力敏感指數；

K（peff）——有效應力為peff時樣品的滲透率；

K0——有效應力為0時樣品的滲透率。

如表2所示，致密砂巖儲集層的應力敏感性存在明顯差異，實驗結果的相關系數為0.872～0.984，表明實驗結果與擬合曲線吻合較好。結合文獻［22］和文獻［23］對砂巖儲集層應力敏感性的評價標準分析認為，泥質粉砂巖的應力敏感指數為0.902～0.952，平均0.926，為強應力敏感程度；粉砂巖應力敏感指數為0.453～0.712，平均0.614，為中等偏強應力敏感程度；中細粒砂巖應力敏感指數為0.101～0.348，平均0.170，為弱應力敏感程度。鄂爾多斯盆地安塞油田延長組3種典型巖石滲透率與應力敏感指數反映了不同巖性巖石的應力敏感性差異，結果表明，泥質粉砂巖的應力敏感性最強，粉砂巖中等，中細粒砂巖最弱。

表2　鄂爾多斯盆地安塞油田延長組3類典型巖樣的應力敏感指數

2　應力敏感性影響因素分析

在有效應力作用下，巖石產生結構變形和本體變形，這兩種變形是導致巖石出現(xiàn)應力敏感的主要因素，結構變形主要是巖石發(fā)生不可逆的塑性形變，而本體變形主要是巖石發(fā)生了彈性形變[24]。通過分析致密砂巖應力—應變關系認為，應力增大的初始階段（小于50 MPa），巖石有一定彈性和塑性變形，隨著軸向應力增大，逐漸過渡到穩(wěn)定的彈性變形階段，超過彈性極限后巖石進入塑性變形階段，原始巖石結構被破壞[25]。地下巖石在彈性變形為主階段，其有效應力與滲透率的關系表現(xiàn)為滲透率下降幅度小，卸載后滲透率恢復程度高；而塑性變形階段，有效應力與滲透率關系表現(xiàn)為滲透率下降幅度大，卸載后滲透率恢復率低。因此，巖石發(fā)生彈性和塑性變形的程度對滲透率影響起著至關重要的作用，低滲透巖石的變形特征主要受儲集層巖石成分和微觀結構的控制。

2.1巖石成分對應力敏感性的影響

（1）骨架礦物巖石礦物成分對其力學性質具有明顯的影響，因此不同成分的儲集層應力敏感性變化較大[17]。巖石受到壓縮變形，骨架礦物承受主要應力，因此巖石骨架礦物的力學性質影響了巖石應力敏感性[26]。巖石骨架通常由一種或多種礦物組成，不同礦物具有不同的硬度，外力作用下，硬度大的礦物不易變形，滲透率變化程度較小。通過全巖X射線衍射實驗測定巖樣的骨架礦物由石英、長石、碳酸鹽礦物等組成（圖4）。

不同巖石的應力敏感性損害程度與骨架礦物含量有關，石英和長石顆粒較巖屑力學性質穩(wěn)定，碳酸鹽礦物次之，隨著砂巖中石英、長石含量的增加，巖石抗壓強度顯示增加的趨勢，其巖石應力敏感性損害程度越小。中細粒砂巖的骨架礦物含量高達88.20%，雖然泥質粉砂巖和粉砂巖的骨架礦物含量相當，但泥質粉砂巖經受破碎、溶蝕的粒內孔縫會破壞骨架礦物的強度，造成骨架礦物穩(wěn)定性變差，儲集層應力敏感性增強。因此泥質粉砂巖的應力敏感程度最強，中細粒砂巖應力敏感性最弱。

圖4　鄂爾多斯盆地安塞油田延長組3類典型巖樣的礦物成分及含量統(tǒng)計

（2）黏土礦物黏土礦物的類型、含量及特殊的產狀對于研究儲集層損害機理有著重要意義[27]。鄂爾多斯盆地安塞油田延長組儲集層中，伊利石、高嶺石、綠泥石等黏土礦物[28]在顆粒表面及孔隙中廣泛分布，且形態(tài)特征各異，因此造成了儲集層滲流力學性質的變化。

伊利石在儲集層中多呈發(fā)絲狀、片狀集合體貼附于顆粒表面或充填于粒間孔隙內（圖5a，圖5b）?？紫犊臻g內發(fā)絲狀的伊利石容易被水沖移，堵塞孔隙和喉道，降低孔隙度和滲透率；顆粒表面的片狀微晶把孔隙分割成許多小孔隙，增加了流體滲流的迂回度，且隨著有效應力增加占據更多的滲流通道，減小儲集空間。綠泥石包覆在顆粒表面時，形成一層“鎧甲”，其形貌多為葉片狀（圖5c，圖5d）。隨著有效應力增加，孔隙空間減小，顆粒表面的綠泥石未被破壞，占據孔隙空間的比率將更大。高嶺石在砂巖中多呈六方板狀單個晶體充填在粒間孔隙中，聚合體為書狀和蠕蟲狀（圖5e，圖5f）。隨著有效應力增大，孔隙空間逐漸減小，高嶺石因具有穩(wěn)定的結構，不易發(fā)生變形，充填在孔喉中，使得滲透率快速下降。

分析可知，黏土礦物含量越高，應力敏感性越強。安塞油田延長組儲集層3種典型巖樣中，泥質粉砂巖黏土礦物含量最高，粉砂巖中等，中細粒砂巖最低。因此，泥質粉砂巖應力敏感性最強，粉砂巖中等，中細粒砂巖最弱。產狀越復雜，應力敏感性越強。泥質粉砂巖中的幾種黏土礦物交錯分布在巖石孔隙中，產狀的復雜程度遠大于粉砂巖和中細粒砂巖，具有明顯的“互相穿插”特征，因此泥質粉砂巖的應力敏感性最強。

2.2微觀結構對應力敏感性的影響

圖5　鄂爾多斯盆地安塞油田延長組黏土礦物的結構特征

（1）孔隙結構孔隙結構主要包括孔隙、喉道及二者之間的相互關系，巖石孔隙為主要儲集空間，喉道為主要滲流通道[29]。致密儲集層孔隙結構特征復雜，巖石受有效應力作用使其喉道變窄，滲流空間減小，易發(fā)生應力敏感性損害。泥質粉砂巖的原生粒間孔隙發(fā)育一般，伴有大量的長石族礦物溶蝕、破碎形成的次生孔隙（圖6a），并存在一定量的粒緣縫、粒內縫及穿?？p，這與定向流體有關，而礦物縫也與周圍所受應力相關，會有一定的連通性，形成孔隙的主要連接通道，在受壓過程中粒間孔隙及微裂縫先閉合造成滲透率下降，隨著有效應力不斷增加，經受破碎溶蝕的粒內孔縫會被大量壓實閉合，因此儲集層應力敏感性較強；粉砂巖較致密，孔隙度較小，喉道細小，孔隙之間連通性差，且孔隙周圍的喉道主要呈片狀、彎片狀（圖6b），在壓縮狀態(tài)下容易閉合，儲集層應力敏感性偏大；中細粒砂巖的喉道主要是孔隙縮小所致，喉道較粗，孔隙之間滲透性好，且孔隙周圍的喉道主要呈管狀、柱狀（圖6c），壓縮狀態(tài)下閉合程度不高，因此在一定應力范圍內，儲集層滲透率傷害較小。

圖6　鄂爾多斯盆地安塞油田延長組3類典型巖樣巖心掃描電鏡分析

3類巖樣基本結構參數見表3.由表3看出，泥質粉砂巖、粉砂巖、中細粒砂巖的排驅壓力和中值壓力依次降低，平均喉道半徑分別為0.04 μm，0.22 μm，0.77 μm，最大喉道半徑依次增大。因此，3類巖樣隨著有效應力增加，喉道縮小、閉合的概率依次減小，滲透率降低程度逐漸減小，應力敏感程度逐漸下降。

表3　鄂爾多斯盆地安塞油田延長組3類典型巖樣孔隙基本結構參數統(tǒng)計

（2）微裂縫裂縫對儲集層的應力敏感性影響最大，在相同應力作用下，裂縫的變形相對于基質中的孔隙和喉道要容易得多[18]。低滲透砂巖裂縫比較發(fā)育，有構造縫、成巖縫，是油氣的主要滲流通道[30-31]。從巖心、巖石薄片及掃描電鏡分析可知，鄂爾多斯盆地安塞油田致密砂巖儲集層發(fā)育的裂縫包括兩種類型（圖7）：①高角度的垂向破裂構造縫，此類裂縫角度一般大于70°，主要由盆地內部區(qū)域構造應力場控制；②成巖縫，主要為粒內縫、粒緣縫及穿?？p，角度一般小于20°，此類裂縫主要平行于塑性礦物排列展布方向，泥質粉砂巖中脆性礦物破裂形成微裂縫，粉砂巖在成巖過程中形成一定量的微裂縫。這些裂縫缺乏有效支撐，在有效應力作用下容易閉合，使?jié)B透率大幅度降低，且難以恢復原狀，以結構變形為主，3類巖樣中，泥質粉砂巖的應力敏感性最強，粉砂巖中等，中細粒砂巖最弱。因此，在裂縫性儲集層開發(fā)過程中，應保持合理的生產壓差，以避免裂縫閉合引起產量下降。

圖7　鄂爾多斯盆地安塞油田延長組巖心微裂縫形態(tài)觀察

（3）礦物形態(tài)與接觸方式巖石礦物顆粒的粒徑、分選和磨圓度，對巖石結構均會產生影響，進而影響巖石的應力敏感性。通過3類巖樣鑄體薄片（圖8）鑒定分析可知：泥質粉砂巖顆粒分選磨圓差—中等，原生粒間孔隙較少，大顆粒之間被小顆粒和黏土礦物充填，由于礦物溶蝕破碎嚴重，顆粒之間點接觸為主，隨著應力增加，巖樣塑性變形程度較大，且恢復程度?。环凵皫r中斜長石含量高，顆粒分選磨圓中等，且無定向排列，顆粒之間主要是線接觸為主，因此受壓過程中受摩擦較大，應力敏感性較泥質粉砂巖低；中細粒砂巖顆粒分選磨圓好，顆粒半定向排列，孔喉連通性好，顆粒之間主要呈線接觸，受壓過程本體變形較泥質粉砂巖和粉砂巖小，因此應力敏感性最弱。

圖8　鄂爾多斯盆地安塞油田延長組3類典型巖樣鑄體薄片對比分析

3　結　論

（1）選取了鄂爾多斯盆地安塞油田延長組3類典型巖樣進行儲集層滲透率應力敏感性測定，通過實驗數據的線性方程擬合，得到3類巖樣的應力敏感性具有不同的變化特征。隨著有效應力增加，泥質粉砂巖滲透率下降快，平均應力敏感指數0.926，應力敏感性最強；粉砂巖滲透率降速中等，平均應力敏感指數0.614，應力敏感性中等偏強；中細粒砂巖滲透率下降慢，平均應力敏感指數0.170，應力敏感性最弱。

（2）通過巖心、巖石薄片、掃描電鏡、全巖X射線衍射及壓汞實驗綜合分析可知，儲集層巖石應力敏感性特征主要受到巖石成分和微觀結構的影響。其中礦物成分和孔隙結構特征是控制儲集層應力敏感性的關鍵因素，而微裂縫的發(fā)育使儲集層應力敏感性增強較大。

（3）通過對致密儲集層不同物性的巖石應力敏感性定量化分類評價，并對其微觀機制進行系統(tǒng)分析后認為：致密儲集層應力敏感性評價不能一概而論，應結合具體的儲集層物性進行分類評價，對其內在機制進行系統(tǒng)分析，這對于不同類型致密儲集層開發(fā)過程中滲透率變化規(guī)律的研究，及時采取合理的開發(fā)措施，確保油田持續(xù)增產和長期穩(wěn)產具有重要的實際意義。

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（編輯楊新玲）

Classified Evaluation of Stress Sensitivity in Tight Reservoir Rocks

ZHANG Zhiqiang, SHI Yongmin, LI He
(School of Earth and Space Science, Peking University, Beijing 100871)

Abstract:Analysis on stress sensitivity of tight reservoir rocks is of an important significance in accurate understanding of formation dam?age during oil?gas development and reasonable evaluation of oil?gas well productivity.In view of real situation of tight reservoir rock’s per?colation changes resulted from stress field unsteady state change by waterflooding process, three types of typical rock samples (argillaceous siltstone, siltstone and medium?fine grained sandstone) of Yanchang formation in Ordos basin are used to make a measurement of the stress sensitivities of the tight reservoir permeability, and conduct correlation of the features of stress sensitivity from the three types of rock sam?ples by means of linear fitting equation.Meanwhile, the influences of the rock constituents and microstructures on the stress sensitivity are analyzed comprehensively.Results show that with effective stress increasing, the argillaceous siltstone’s permeability decreases quickly, and its stress sensitivity is strong; the siltstone’s permeability decreases in medium range, and its stress sensitivity is medium to strong; and the medium?fine grained sandstone’s permeability decrease slowly, its stress sensitivity is weak.Through core, thin?section, SEM, whole rock X?ray diffraction analyses and mercury injection experiment, it is suggested that the stress sensitivity features of the tight reser?voir rocks are mainly influenced by two key factors of the mineral constituent and pore structure, while micro?cracks in the reservoir rocks are of the largest effect on the stress sensitivity.

Keywords:Ordos basin; tight reservoir rock; stress sensitivity; mineral composition; pore structure; oilfield development

作者簡介：張志強（1990-），男，陜西渭南人，碩士研究生，油田開發(fā)，（Tel）18511547699（E-mail）zhiqiangzhang@pku.edu.cn.

基金項目：國家973項目（2009CB219302）

收稿日期：2015-07-29

修訂日期：2015-10-22

文章編號：1001-3873（2016）01-0062-07

DOI：10.7657/XJPG20160112

中圖分類號：TE112.23

文獻標識碼：A