渗透率应力敏感实验假象剖析.doc

渗透率应力敏感实验假象剖析 断块油气田FAULT-BLOCK OIL&GAS FIELD第26卷第3期2019年5月doi:10.6056/dkyqt201903021渗透率应力敏感实验假象剖析周鹏高12（1.克拉玛依职业技术学院石油工程系，克拉玛依834000；2.中国地质大学（北京）自然资源部探部地质钻探技术重点实验室，北京100083）基金项目自然资源部深部地质钻探技术重实验室（中国地质大学（北京）开放基金项目深部地层钻孔地应力建模与孔壁稳定技术（KF201802）摘要储层渗透率的应力敏感问题是近年来12工程领域的研究热之一。 应力敏感研究主要依靠实验测试，根据实验结果，低渗透储层存在强应力敏感，且岩1渗透率越低，应力敏感性越强”的观得到广泛认同。 文中通过深入分析有效应力理论和微间隙对实验结果的影响，对应力敏感实验假象进行了全面剖析。 对比不同的有效应力理论发现，实验研究过程中错误选用Terzaghi有效应力，放大了岩1渗透率的应力敏感性。 定性分析微间隙的影响，并结合定量计算，发现微间隙对渗透率的测试结果及变化规律具有重要影响。 渗透率越低，微间隙的影响作用越大，微间隙是造成岩1应力敏感性被高估的重要因。 理论研究结果否定了岩1渗透率越低，应力敏感性越强”的观；定量计算结果表明，低渗透储层不存在强应力敏感。 关键词岩1;渗透率；应力敏感；有效应力；实验TE311文献标志码AAnalysis offalse impressionof permeability stress sensitivityexperimentZHOU Penggao1-2(LDepartment ofPetroleum Engineering,Karamay Vocational&Technical College,Karamay834000,China;2.Key Laboratoryof DeepGeoDrilling Technologyof Ministryof NaturalResources,China Universityof Geosciences,Beijing100083,China)AbstractStress sensitivityof reservoirpermeability isone of the hottopics inpetroleum engineeringin recentyears.Stress sensitivityresearch mainlydepends onexperimental testing.Aording tothe experimentalresults,the viewpointofstrong stress sensitivity in low permeability reservoirs,and the lower the permeability,the strongerthe stress sensitivityhas beenwidely aepted.Through in-depth analysisofthe effective stresstheory andthe effectof micro-gap onthe experimentalresults,the stress-sensitive experimentalillusion wasanalyzed prehensively.Compared withdifferent effective stress theories,Terzaghi effectivestress waschosen incorrectlyin theexperimental study,which enlargedthe stress sensitivity.Qualitative analysisand quantitativecalculation show that micro-gaps havean importantinfluence onthe permeabilitytest resultsand changerules.The lowerthepermeability,the greatertheeffect,micro-gaps arethe importantreasons forthe overestimationof stresssensitivity.The theoreticalresearch resultsnegatethelowerthe rockpermeability,the strongerthe stresssensitivity.The quantitativecalculation resultsshowthatthere isno strongstresssensitivityinlowpermeabilityreservoirs.Key wordsrock;permeability;stresssensitivity;effectivestress;experiment0引言渗透率应力敏感是指储层岩石渗透率随有效应力状态的改变而发生变化的性质，研究地层条件下岩石渗透率的变化规律对于油气藏工程和产能评价等具有重要意义T。 应力敏感研究主要依靠实验测试，许多学者根据实验结果得出“低渗透储层存在强应力敏感，且岩石渗透率越低，应力敏感性越强”的结论4-12o o然而，储层渗透率降低是多种因素耦合作用的结果，目前油气开发生产实践无法检验实验结果的正确与否。 受实验设备的限制，测试过程中岩心的受力状态与实际储层岩石的受力状态相差甚远回，实验很难直接测得地层条件下的渗透率+通常做法是:将低压条件下测量的渗透率数据进行拟合，得到渗透率与有效应力之间的关系式，再根据地层条件下的有效应力，求得地层条件下的渗透率4-11。 然而，目前使用较多的有效应2018-11-26改回日期2019-03-12。 第一作者周鹏高，男,1981年生，工程师，硕士，主要从事石油工程岩石力学方面的教学和科研工作。 E-mail1353443828qq.。 引用格式周鹏高.渗透率应力敏感实验假象剖析J.断块油气田，2019,26&367-370.ZHOU Penggao.Analysis offalse impressionof permeabilitystresssensitivityexperimentJ.Fault-Block Oil&Gas Field,2019,26 (3)367-370.368断块油气田2019年5月力理论有Terzaghi有效应力和双重有效应力!/6口,选用不同的有效应力得到的应力敏感评价结果差异如何呢？另外,实验测试过程中岩心与岩心夹持器之间由于各种因素而存在微间隙，微间隙又如何影响实验结果呢？通过深入分析有效应力理论和微间隙对实验结果的影响，对应力敏感实验假象进行了全面剖析。 1典型实验结果郭为等阴为了明确开采压力的下降对气藏渗透率变化的影响，通过改变内压与外压这2种方式，对页岩气藏的应力敏感效应进行了研究。 其主要观点为:1）低渗透储层存在强应力敏感;2）岩石渗透率越低,应力敏感性越强；3）渗透率随内压降低而下降，内压降低初期渗透率下降较快，后期下降较慢；4）渗透率随外压升高而下降，外压升高初期渗透率下降较快，后期下降速率有所降低;5）渗透率出现应力敏感的内在原因是，随着有效应力增加，岩心孔隙受到压实而收缩，流通通道变小、变窄甚至闭合，导致渗透率下降;6）渗透率对外压的敏感远大于对内压的敏感；7）外压先增大后减小到初始状态，渗透率出现不可逆转的损失,是由于岩心在外压增大过程中产生了非弹性变形。 上述观点具有广泛的代表性，许多学者开展应力敏感实验研究后，得到与其相同或相似的结论。 实测渗透率与有效应力主要呈需律关系或指数关系:K=K灵 （1）!=!0严 （2）式中:K t!e对应的渗透率，1073!m2；K0!为有效应力为0时的渗透率（由数据拟合得到），1043!m2；!e为有效应力,MPa；,0为系数。 2有效应力理论岩石是一种典型的多孔介质，储层岩石受外压和内压的共同作用。 由于岩石受复杂应力作用，无法进行工程计算，研究岩石的力学行为必须采用有效应力。 2.1Terzaghi有效应力理论Terzaghi有效应力理论提出的年代较早，在石油学界应用较广。 然而，该理论只适用于疏松的土介质，而不适用于致密介质（1618#，在分析岩石（尤其是致密岩石）的力学行为时，采用Terzaghi有效应力可能得到错误的结果。 TTerzaghi有效应力!e的计算公式14为T!e=!-P P （3）式中！为外压,MPa；p为内压（孔隙流体压力），MPa。 在分析应力敏感实验结果时，选用了Terzaghi有效应力4-11,得到以下2个悖论1）渗透率计算值与有效应力有关，而与外压、内压无关。 根据式 （3）,只要外压与内压的差值相同，不论其具体大小，都将得到相同的有效应力，根据式 （1）、式 （2）计算的渗透率也相同。 这显然与事实不符,诸多实验结果表明，渗透率与外压、内压密切相关。 2）根据Terzaghi有效应力，外压升高10MPa与内压降低10MPa导致的有效应力增量相同，即渗透率对外压和内压的敏感性是一样的，这与观点6）矛盾。 2,2双重有效应力理论李传亮等（1617#于1999年提出了双重有效应力（本体有效应力和结构有效应力）理论。 在分析岩石的弹性变形时，需采用本体有效应力，其计算公式为P!e=!#P p （4）式中#为岩石的孔隙度。 分析实验数据时，错误选用Terzaghi有效应力，很容易放大岩石渗透率的应力敏感性。 若采用本体有效应力，将式 （1）、式 （2）中的有效应力用式 （4）计算，渗透率的应力敏感性将显著降低。 例如，内压下降10MPa,根据式 （3）,有效应力增大10MPa；而根据式 （4）,取#=10%,有效应力增大1MPa。 采用本体有效应力计算的渗透率应力敏感性远低于Terzaghi有效应力。 采用本体有效应力，能够合理解释观点6）。 取#=10%,若内压下降10MPa,有效应力增大1MPa；若外压升高10MPa，有效应力增大10MPa:因此，渗透率对外压的敏感远大于对内压的敏感。 3微间隙对实验结果的影响高涛等凹为了验证岩心与岩心夹持器之间的微间隙对渗透率的影响，进行了假岩心实验测试。 结果表明，微间隙贡献的渗透率值最高可达0.17X103!m2,微间隙的影响在外压低于15MPa时非常显著。 由于微间隙的存在，注入流体后，流体会在岩心中渗流,但更易沿微间隙窜流。 在定外压、变内压的测试中，随着内压降低（因注入压力降低所致）,沿微间隙的窜流流量迅速下降；内压降低到一定程度后，沿微间隙的窜流流量下降速率变慢。 因此会得到观点3）。 在定内压、变外压的测试中，随着外压增大，微间隙迅速减小；外压增大到一定程度后,微间隙已经很小，其减小趋势变缓。 因此会得到观点4）。 岩石渗透率越低，沿微间隙的窜流流量所占比例越大；岩石渗透率越高,窜流第26卷第3期周鹏高.渗透率应力敏感实验假象剖析369流量所占比例越小。 因此会得到观点2）。 应力敏感实验过程中，微间隙允许流体通过的能力大于岩石的渗流能力，微间隙的存在必然造成岩石的应力敏感性被高估，且渗透率越低，微间隙的影响作用越大。 4理论论证渗透率对外压的敏感远大于对内压的敏感，因此针对定内压、变外压的测试方式，从岩石力学角度开展了理论研究，通过理论关系式和定量计算来论证外压变化对岩心应变和渗透率的影响。 4.1基本假设1）在对岩心进行应力-应变分析时,岩心为各向同性体;2）渗透率实验测试时，岩心与岩心夹持器之间没有间隙，施加的围压沿岩心柱圆周绝对均匀分布。 4.2岩心应变分析实验测试时，围压p&沿圆周均匀分布，内压为，流量为，岩心受力状态如图1所示。 帆图1岩心受力状态根据式 （4），#，$方向上的有效应力分别为q=p#-p P（）=P e-P P根据式 （5），若围压增大！p&，则#，$方向有效应力的增量此，！为p P=!a=!p （6）ex er c/根据多孔介质弹性力学理论（2-21，有效应力增大后，#，$方向上的应变#为$=$=%）=仃-；血式中为弹性模量，MPa；%为泊松比。 岩心沿长度方向（z方向）的应变为4.3应用管流模拟渗流多孔介质是由大量的孔隙（毛细管）组成的，渗流过程是通过大量管子中的流动（管流）来实现的。 因此,可以用毛细管束模型来模拟多孔介质22-23，用地层中一束管子的管流来模拟实际岩石中的渗流（见图2）。 图2管流模拟渗流设岩心初始状态、围压增大之后，平均毛细管半径分别为，口，毛细管长度为（p，保持不变，毛细管迂曲度分别为，&.，岩心长度分别为），厶，则有.= （9）.= （10）Z p=&*）0=&11 （11）油气藏岩石是经过压实和胶结作用之后形成的致密介质。 围压增大，岩心压缩。 由于围压一般远小于岩心的屈服强度，岩心不会发生塑性变形；由于岩心总体积与孔隙体积同步压缩，因此孔隙度不变24-25o根据Kozeny-Carman方程22-23，有2*0半 （12）8602*丰 （13）861式中*0，*.分别为岩心初始状态、围压增大之后的渗透率，m2。 式 （9） （13）可得*22*-=%-$#）%-$&） （14）将式 （7）、式 （8）代入式 （14）中，可得i笫1,2%!P&E (15)式 （15）即为初始状态渗透率与围压增大之后渗透率之间的关系式。 由式 （15）可知，渗透率损失百分数与初始状态渗透率的大小无关。 理论研究结果否定了观点2）。 4.4计算讨论由式 （7）、式 （8）可知，岩心应变与围压增量成正比，与弹性模量成反比。 由于弹性模量在数值上远大于围压增量，因此，岩心的应变极小,毛细管半径以及毛细管迂曲度变化也极小，渗透率变化极其微弱。 已知=0.25,%=15000MPa，根据式 （7）计算岩心370断块油气田2019年5月横截面上的应变，根据式 (15)计算渗透率变化量，结果见图3。 定量计算出来的结果十分小，表明应力敏感特别微弱，因此否定了观点1)。 图3围压增量对岩心应变和渗透率变化量的影响应力敏感实验过程中无法直接观测记录岩心孔喉的变化情况，观点5)是主观定性分析的结果。 实验测试施加的围压一般远小于岩心的屈服强度，岩心极小的弹性变形量引起的渗透率变化几乎可以忽略不计。 实验过程中，岩心只产生弹性变形。 渗透率出现不可逆转的损失，是因为围压增大过程中，岩心夹持器发生了塑性变形，导致微间隙减小，围压释放后微间隙不能增大到初始状态。 因此，观点7)是对岩心及岩心夹持器变形机制的误解所致。 5结论1)“低渗透储层存在强应力敏感，且岩石渗透率越低，应力敏感性越强的观点，是由于错误选用Terzaghi有效应力、微间隙影响实验结果所造成的实验假象，并非岩石渗透率的真实特性。 2)Terzaghi有效应力不适用于致密介质，应力敏感实验研究时错误选用Terzaghi有效应力，放大了岩石的应力敏感性。 3)微间隙对渗透率的测试结果及变化规律具有重要影响。 渗透率越低，微间隙的影响作用越大,微间隙是造成岩石应力敏感性被高估的重要原因。 参考文献1赵立翠，王珊珊，高旺来，等.页岩储层渗透率测量方法研究进展J.断块油气田，xx,20 (6):763-767.2XU CY，LIN C，KANG YL，et al.An experimentalstudy onporosity andpermeabilitystress-sensitive behaviorof sandstoneunder hydrostatiompression:characteristics，mechanisms andcontrolling factorsJ.Rock Mechanicsand RockEngineering，2018，51 (8):2321-2338.3李传亮，朱苏阳?关于应力敏感测试方法的认识误区J?岩性油气藏，xx,27 (6)1-4.4傅春梅，唐海，邹一锋，等?应力敏感对苏里格致密低渗气井废弃压力及采收率的影响研究J.岩性油气藏,xx,21 (4)96-98.5姜宇玲，关富佳,胡海燕?川东龙马溪组页岩应力敏感实验研究J.西安石油大学学报(自然科学版)，xx,31 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