第１７卷第３期 重庆科技学院学报（自然科学版） ２０１５年６月 致密油储层应力敏感性评价研究 陈璨杨胜来马铨峥方勇 王敉邦 （中国石油大学（北京）石油工程教育部重点实验室，北京１０２２４９）
摘要：针对致密油藏应力敏感性问题，采用非稳态和稳态渗透率测试方法，研究在围压一定，流压逐渐降低的过程 中致密岩石气测渗透率的变化情况。研究结果表明：在流压降低的过程中，致密岩石渗透率损失率达到９０％，存在 强应力敏感性；对于同一岩样，不同流压下的非稳态渗透率比稳态渗透率小；有效围压小于２０ ＭＰａ时，渗透率快速 下降，当有效围压大于２０ ＭＰａ时，渗透率下降速度逐渐减缓。 关键词：致密油储层；非稳态渗透率；脉冲衰减法；渗透率损失率；应力敏感 中图分类号：Ｐ６１８ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７３—１９８０（２０１５）０３—００４７—０５
致密储层地下渗透率一般小于０．１×１０。Ｉｘｍ ， 孔隙度一般小于１０％。在实际生产中，随着油气不 断被开采，储层孔隙压力逐渐降低，岩石骨架的有效 应力增大，导致储层发生弹塑性压实变形。当油层 产生弹塑性变形或压实时，油藏的渗透率降低，影响 油井产能。 对于低渗透致密储层，学者通过大量试验，研究 储层渗透率随应力的变化关系，建立了相关模型，发 现致密低渗透储层应力敏感性普遍较强。由于试验 中所用岩心物性的差异及所采用研究手段的不同， 导致研究结果存在较大差异＿１ Ｊ，并且研究过程中大 都采用稳态法研究应力敏感效应。对于致密储层， 传统稳态法测试效率低、测试时间长、实验过程易受 环境温度影响、流速计量误差偏大＿２－３ Ｊ。此外，由于 流体在致密储层中很难达到稳定流动状态，为模拟 油层真实条件下的应力敏感效应，应同时采用非稳 态法和稳态法测研究致密储层的应力敏感性。 Ｂｒａｃｅ等人于１９６８年提出了基于非稳态渗流理论的 脉冲衰减法渗透率测试技术 ，后经Ｊｏｎｅｓ加以改 进，这种非稳态快速测量渗透率的方法可以大大缩 短测量时间 。ｉ贝０量过程中只需要监测压力而无 需流量，实验系统精度能得到很好的保证。鉴于此， 本次研究采用脉冲衰减法对致密岩石的应力敏感进 行研究，并与常规稳态法测量结果进行对比分析。 １ 脉冲衰减法测定原理 与常规稳态法测渗透率原理不同，脉冲衰减法 是基于一维非稳态渗流理论，通过测试岩样一维非 稳态渗流过程中孔隙压力随时间的衰减数据，并结 合相应的数学模型，通过对渗流方程的精确解答和 合适的误差控制、简化，从而获得测试岩样渗透率的
一种方法。 脉冲衰减法渗透率测量系统主要由上游大腔室 和小腔室、下游小腔室和大腔室及固定岩样的岩心 夹持器组成，如图１所示。２个小腔室的容积相等 （均为５ ｃｍ ），２个大腔室内部容积均为１００ ｅｍ ，开 关阀门时，阀门内均无体积变化。将致密岩样放人 岩心夹持器中并在样品周围施加一定围压，两端连 接容器，使得实验装置中的上游腔室、下游腔室和岩 样孔隙压力相等且达到平衡状态。在整体实验系统 内部达到压力平衡时，一个小的压力脉冲作用于岩 心夹持器上游腔内，此时，实验系统内形成一维渗 流，随后，压力脉冲穿过岩样并进入下游腔内。然 后，上游腔内的压力逐渐降低，下游腔内的压力逐渐 升高，直到达到新的压力平衡。 根据质量守恒原理及达西定律，不考虑重力作用 时气体在岩样一维非稳态渗流的数学模型。。 为：
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收稿日期：２０１４—１２—１０ 基金项目：国家自然科学基金项目“超深层油气藏岩石物性垂向分布规律及渗流特征研究”（５０８７４１１４） 作者简介：陈璨（１９９１一），女，山东人，中国石油大学（北京）在读硕士研究生，研究方向为油藏渗流机理。
・４７・ 陈璨，等：致密油储层应力敏感性评价研究 冲衰减模块上进行。该系统包括压力自动控制系统 和数据自动采集系统。该仪器对传统脉冲渗透率仪 器进行了适当改进，使得脉冲衰减前系统压力平衡 所需的等待时间明显减小，提高了试验测试效率，适 用于渗透率分布在（０．０１—０．１０）Ｘ １０。。 ｍ 的致密 岩石。运行该仪器需要高压气源和稳定的围压施加 装置，气源提供压力不小于７ ＭＰａ。本次试验中使 用氮气瓶提供高压气源。 （１）非稳态测试。试验前３０ ｍｉｎ预热脉冲渗透 率仪，检查密封性后将岩样放人夹持器，施加３０ ＭＰａ围压，然后打开脉冲渗透率仪器相关阀门，施加 一定的孔隙压力。按照仪器提示等待仪器上游腔 室、岩样孔隙及下游腔室压力达到热平衡后，手动降 低下游腔室压力约０．１ ＭＰａ形成初始衰减压力脉 冲，与仪器相连的计算机会自动测试压力衰减数据 并计算出脉冲衰减渗透率数值。在围压、外界环境 条件不变的情况下，不断地降低流压，测试相应的渗 透率值。 （２）稳态法测试。常规稳态法气测渗透率首先 准确测定岩心孔隙体积。围压和流压由氮气瓶提 供，围压模拟地层岩样所承受的上覆岩石所产生的 覆盖压力，流压则模拟油藏流体的压力，大小由回压 阀控制。在测定时，通过改变流压来改变净有效围 压，待流动稳定后测定某压力点下的渗透率。测定 完后再降低流压改变净有效围压进行下一压力点测 试，实验参照标准（ＳＹ／Ｔ６３８５—１９９９覆压下岩石孔 隙度和渗透率测定方法》。
３ 实验结果分析与讨论 本次研究采用非稳态法和稳态法在不同流压下 （由大到小）测定６块致密岩样的气测渗透率（见 表２）。可以看出采用非稳态法测试时，６块岩样的 气测渗透率损失率最大可达９６．５０％，最低可达 ８８．１７％；而采用稳态法测试时，气测渗透率损失率 最大可达９３．２８％，最低可达７８．７１％。不同测试方 法结果显示，致密岩样均具有极强的应力敏感性，且 非稳态法测得的渗透率损失率大于稳态法测得的渗 透率损失率。
表２压力敏感性实验结果
根据实验数据结果绘制渗透率应力敏感曲线 （见图３）。可以发现，随着有效围压的增大，即流压 的降低，非稳态渗透率和稳态渗透率均呈明显降低
的趋势，但下降速度逐渐减缓。在生产初期，即在有
・４９・ 陈璨，等：致密油储层应力敏感性评价研究 效围压小于２０ ＭＰａ时，渗透率随流压的降低快速下 降，压力敏感性较强；当有效围压增加到２０ ＭＰａ以 后，渗透率下降幅度明显减小，压力敏感性明显减 弱。因此，在实际生产过程中，应该合理控制生产压 差，尽量减小压敏效应对开发过程带来的影响。 此外，同一块岩心非稳态渗透率变化曲线与稳 态渗透率变化曲线相差较大。在同一有效围压下， 非稳态渗透率比稳态渗透率大。通过对比可以发 现：有效围压较低，即流压较高时，稳态渗透率比非 稳态渗透率大得多；随着有效围压的增加，非稳态渗 透率与稳态渗透率差距逐渐减小。这是由于在常规 墨 一Ｏ．Ｏ２０ 皇０．０１６ ０．０１２ ０．００８ ０ ５ １０ ｌ５ ２Ｏ ２５ ３Ｏ 有效围压／ＭＰａ 图３ 稳态法渗透率测试过程中，首先给岩样施加一个较 小的围压，施加人口压力后同步缓慢增加围压和人 口压力以达到有效围压设定值。而非稳态脉冲衰减 渗透率实验过程中，直接对岩样增至设定的围压，之 后施加孔隙压力，即脉冲衰减过程中岩样在实验初 期短时间内承受了较高的围压作用，其对致密岩石 微观孔隙结构可能产生较为明显的压缩变形，包括 部分不可恢复的塑性变形。即使后期施加了较高 的孔隙压力，岩样孔隙结构的塑性变形也无法恢 复。由此使得岩样非稳态脉冲渗透率小于常规稳 态法渗透率。
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有效围压／ＭＰａ 不同岩心非稳态法和稳态法压力敏感实验曲线 将渗透率损失率 。。用 表示： ＝（ｋ…一 ｉ ）／ （９） 式中： 一渗透率伤害程度，％； 一最大流压时的气测渗透率，１０～ ｍ ； ｋｍｉｎ一最小流压下的气测渗透率，１０ Ｉｘｍ 。 ６块岩心的渗透率损失率计算结果见表３。 表３不同岩心的渗透率损失率结果 ％ 从表３中可以看出，利用非稳态方法测得的渗 透率损失率大于用稳态法测得的渗透率损失率，且 ・５０・ ０４０ Ｏ３Ｏ ０２０ Ｏ１Ｏ ０ １０号岩心 Ｏ ５ １Ｏ １５ ２Ｏ ２５ ３Ｏ 有效围￣，／ＭＰａ 率 Ｏ ５ ｌ０ ｌ５ ２Ｏ ２５ ３０ 有效围压，ＭＰａ 非稳态法测得的渗透率损失率平均在９０％以上，说 明致密岩心存在强压敏效应。造成该现象的原因可 能与致密岩石的孑Ｌ隙结构有关¨卜 ｊ。致密储层中 存在许多扁平或板状喉道、微细毛管和成岩微裂缝 发育，流压降低时，可导致微小喉道关闭，渗透率大 为降低。鉴于此致密油储层不宜采用衰竭方式开 采，应及时给地层补充能量。
４ 结 语 （１）非稳态脉冲衰减法实验表明，随着孔隙压 力的降低，致密油储层的渗透率损失率达到９０％以 上，远高于常规低渗油藏。强应力敏感性是致密油 储层的一个重要特征。 （２）对于致密储层，非稳态脉冲衰减渗透率损 失率大于相同有效围压条件下的常规的稳态法测试 结果。 （３）在开采致密油藏时应尽量使油藏压力保持 相对稳定或控制好生产压差，以最大限度地减轻应 力敏感对开发的不利影响。
Ｏ ６ ２ ８ ４ Ｏ 叭叭∞吣 Ｏ ０ ０ Ｏ Ｏ 一 呈 ＿【）／斟 陈璨，等：致密油储层应力敏感性评价研究 参考文献 肖文联，李闽，赵金洲，等．低渗致密砂岩渗透率应力敏 感性试验研究［Ｊ］．岩土力学，２０１０，３１（３）：７７５—７７９． Ｄｉｃｋｅｒ Ａ Ｉ。Ｓｍｉｔｈｓ Ｒ Ｍ．Ａ Ｐｒａｃｔｉｃａｌ Ａｐｐｒｏａｃｈ ｆｏｒ Ｄｅｔｅｒ・ ｍｉｎｉｎｇ Ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ Ｆｒｏｍ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ－Ｐｕｌｓｅ Ｄｅｃａｙ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ［Ｃ］／／ ｒｈｅ ＳＰＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｍｅｅｔｉｎｇ ｏｎ Ｐｅ— ｔｒｏｌｅｕｍ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｔｉａｎｊｉｎ：［Ｓ．ｎ．］，１９８８． 孙军昌，杨正明，郭和坤，等．致密储层渗透率测试的稳 态与非稳态法对比研究［Ｊ］．岩土力学，２０１３，３４（４）： １００９—１０１５． Ｂｒａｃｅ Ｗ Ｆ，Ｗａｌｓｈ Ｊ Ｂ，Ｆｒａｎｇｏｓ Ｗ Ｔ．Ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｇｒａ— ｎｉｔ ｕｎｄｅｒ Ｈｉｓｈ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ［Ｊ］．Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，１９６８， ２２：２５—３６． Ｊｏｎｅｓ Ｓ Ｃ．Ａ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｆｏｒ Ｆａｓｔｅｒ Ｐｕｌｓｅ—Ｄｅｃａｙ Ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉ— ｔｙ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｉｎ Ｔｉｇｈｔ Ｒｏｃｋｓ［Ｊ］．ＳＰＥ Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｖａｌ— ｕａｔｉｏｎ，１９９７．１９：６５ｌ一６５８． ［６］Ｂｏｕｒｂｉｅ Ｔ，Ｗａｌｌｓ Ｊ Ｄ．Ｐｕｌｓｅ Ｄｅｃａｙ Ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ：Ａｎａｌｙｔｉ— ｃａｌ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｔｅｓｔ［Ｊ］．Ｓｏｃ．Ｐｅｔ．Ｅｎｇ．Ｊ．， １９８２：７１９—２１． ［７］Ｓｔｅｖｅｎ Ｅ，Ｈａｓｋｅｔｔ Ｑ Ｍ，Ｎａｒａｈａｒａ Ｓ Ａ Ｈ．Ａ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ Ｐｏｒｏｓｉｔｙ ｉｎ Ｌｏｗ．Ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ Ｃｏｒｅｓ［Ｇ］．ＳＰＥ１５３７９，１９８８：６５１—６５８． ［８］刘晓旭，胡勇，朱斌，等．储层应力敏感性影响因素研究 ［Ｊ］．特种油气藏，２００６，１３（３）：１８—２１． ［９］李闽，乔国安，陈昊．低渗砂岩储层岩石应力敏感试验与 理论研究［Ｊ］．钻采工艺，２００６，２９（４）：９１—９３． ［１０］薛永超，田烧丰．鄂尔多斯盆地长７致密油藏特征［Ｊ］． 特种油气藏，２０１４，２１（３）：１１１—１１５． ［１１］廖新维，王小强，高旺来．塔里木深层气藏渗透率应力 敏感性研究［Ｊ］．天然气工业，２００４，２４（６）：９３—９４． ［１２］王学武，黄延章，杨正明．致密储层应力敏感性研究 ［Ｊ］．岩土力学，２０１０，３１（１）：１８２—１８６．