页岩应力敏感实验研究及影响因素分析张睿.doc

页岩应力敏感实验研究及影响因素分析张睿 第34卷增1岩石力学与工程学报Vol.34Supp.1xx年5月Chinese Journal of RockMechanics andEngineering May，xxxx0705；修回日期xx0322基金项目高等学校博士学科点专项科研基金项目 (xx0007110012)；教育部科学技术研究重大计划项目 (311008)；中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室自主研究课题(PRP/indep31108)作者简介张睿(1986)，男，xx年毕业于中国石油大学(北京)石油工程专业，现为博士研究生，主要从事非常规气藏开发方面的研究工作。 E-mailvvvbstxx163. DOI10.13722/j.ki.jrme.xx.1120页岩应力敏感实验研究及影响因素分析张睿1，2，宁正福1，2，杨峰1，2，赵华伟1，2，杜立红3，周贤3(1.中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室，北京102249；2.中国石油大学石油工程教育部重点实验室，北京102249；3.中国石油华北油田采油工程研究院，河北任丘062552)摘要页岩储层渗透率极低，富含黏土矿物，压缩性较致密砂岩储层更大，为进一步研究页岩储层的应力敏感机制，对宁夏六盘山盆地和内蒙古雅布赖盆地三块页岩岩芯进行应力敏感评价实验。 结合岩石动力学实验、X射线衍射分析、场发射扫描电镜图像分析和高压压汞实验对页岩岩芯的矿物组分、力学性质及微观孔隙结构进行研究，并分析影响应力敏感的主要因素。 研究结果表明，有效应力与渗透率关系满足乘幂式；页岩泥质含量越高，杨氏模量越低，应力敏感系数越大；页岩储层普遍发育的纳米级片状孔隙在有效应力作用下呈现强应力敏感；高压压汞实验表明孔喉半径为1050nm的孔隙分布频率较高，当对渗透率起主要贡献的孔隙分布在这一范围内时，应力敏感强，当对渗透率起主要贡献的孔隙为大孔时，应力敏感弱。 关键词岩石力学；应力敏感；力学性质；矿物组成；高压压汞；孔隙结构TU45A10006915 (xx)增1261706EXPERIMENTAL STUDYOF STRESSSENSITIVITY OFSHALE RESERVOIRSZHANG Rui1，2，NING Zhengfu1，2，YANG Feng1，2，ZHAO Huawei1，2，DU Lihong3，ZHOU Xian3(1.State Key Laboratory of Petroleum Resourcesand Prospecting，China Universityof Petroleum，Beijing102249，China；2.KeyLaboratoryof PetroleumEngineering ofMinistry ofEducation，China UniversityofPetroleum，Beijing102249，China；3.Petroleum ProductionEngineering instituteof PetroChinaHuabei OilfieldCompany，Renqiu，Hebei062552，China)Abstract Clay-rich shale rock revealsgreater pressibilitythan tightsandstone.Experiments havebeen conductedon LiupanshanYabrai shalecore samplesto selectappropriate correlationsto representpermeability asa functionof effective stress.Mineralogical，mechanical propertiesand microscopic pore structurewere analyzedby rockdynamics mechanicsexperiments，X-ray diffractionanalysis，field emissionscanning electronmicroscope imageanalysis andhigh pressure mercury injectionto investigatestress sensitivitymechanism of shale reservoir.The resultsshow thatthe exponentiationcurve fitthe relationshipof effectivestress andpermeability well；The corewith highclay content，low Young?s moduluspresent relativehigh stress-sensitivity andlarger stress-sensitivity coefficient；shale reservoirswith nanoslotpores andthroats exhibithighly stress-sensitive becauseof theirreversible deformationof easy-pressed throats.An increase in mesoporepermeability contributionis correlatedwith anincreaseinstress sensitivity.Key wordsrock mechanics；stress sensitivity；mechanics property；mineralogical contents；high-pressuremercuryinjection；pore structure?2618?岩石力学与工程学报xx年1引言储层应力敏感是指随着油气采出，地层压力下降，在上覆岩层压力作用下，储层所受有效应力增加，从而发生弹性或塑性变形，使得储层物性发生变化的现象，通常情况下是指渗透率随有效应力变化的情况。 页岩储层渗透率极低，普遍发育纳米级孔隙与片状喉道1-2，且相比于常规砂岩泥质含量较高，压缩性更强。 A.Gangi3以岩石颗粒球体变形的Hertzian理论为基础，认为多孔介质渗透率与有效应力满足多项式关系。 C.R.Mckee等4-6分别对煤样和页岩样品进行了应力敏感测试，结果表明煤样和页岩的渗透率与有效应力呈指数关系变化，同时结合Carman-Kozeny裂缝模型解释了呈现指数关系的原因。 J.J.Dong等7对页岩岩样的孔渗联测结果表明页岩比砂岩的应力敏感更强，且孔隙度与渗透率随有效应力的变化满足乘幂关系。 前人的研究多为针对实验现象的直观解释和拟合，对影响页岩应力敏感的因素分析较少。 笔者在对页岩岩芯进行应力敏感性评价实验的同时，针对页岩储层有别于常规储层的一系列特征，结合岩芯动力学实验与物性分析实验对影响页岩应力敏感的因素进行了分析。 2应力敏感实验实验依据中国石油天然气行业标准SY/T5358xx储层敏感性流动实验评价方法，采用全自动计量岩芯流动实验装置，实验气体为氮气，所用3块岩芯分别为宁夏六盘山盆地的1块及内蒙古雅布赖盆地的2块页岩岩芯，其基本参数见表1。 实验中先将岩样烘干并测量长度、直径。 保持进口压力0.5MPa不变，缓慢的增加围压，使有效压力逐渐增大，待每个压力点稳定后(大约30min)，测样品的气测渗透率，测试最小有效应力为2MPa，此时的渗透率对应为初始渗透率；测试最大有效应力为25MPa，随后缓慢减小围压，使有效压力逐渐减小，待每一压力点稳定后，测样品气测渗透率。 实验数据拟合结果显示有效应力与渗透率的关系满足乘幂关系8，拟合方程为00(/)bk kp p? (1)式中0k为参考压力下的参考渗透率(103m2)；0p为参考压力，取2MPa；b为表征应力敏感强弱程度的常系数，称为应力敏感系数。 在行业标准中，通常采用渗透率的损害率来表征岩石的应力敏感程度，这种方法表征应力敏感程度存在诸多不足9-10，它受到实验设备、压力范围的影响，并且只反映了某一有效应力点下的静态数值。 而用指数b来表征应力敏感程度则可以有效地弥补这些不足，b值的大小反应了岩石物性在整个应力变化过程中的变化规律，将式 (1)两边取对数可得00ln(/)ln(/)k kb pp? (2)由式 (2)可知若无因次有效应力与渗透率满足乘幂关系，则在的双对数图板上满足直线关系，直线的斜率即为应力敏感系数b，由b就可以反求出岩石在任意有效应力条件下的渗透率，拟合出的双对数曲线如图1所示。 由图1可知，实测数据与乘幂关系的拟合关系较好，相关系数分别为0.9931，0.9819和0.9937。 在3块岩芯中，HS1号岩芯的应力敏感程度最强，3块岩芯的应力敏感系数见表1。 3岩石矿物组分分析不同岩石矿物在受压下发生形变的程度存在差异，这主要与岩石的骨架结构和矿物成分有关6。 采用理学标准型D/max2500PC全自动粉末X射线衍射仪对3种页岩岩样进行矿物成分分析，测试结果如表2所示。 由表2可知，页岩样品主要由石英、长石、碳酸盐类矿物(方解石、白云石等)、方沸石、黄铁矿和黏土矿物组成，其中石英含量均低于40%，表1页岩岩样基本参数Table1Petro physicalparameters ofshale cores岩芯编号取心位置取心层位深度/m长度/mm直径/mm初始渗透率/(103um2)应力敏感系数b ZK225六盘山盆地白垩纪乃家河组1022.4950.625.20.003551.1395YC1雅布赖盆地中侏罗统青土井三段2715.0058.725.20.007921.0938HS1雅布赖盆地中侏罗统青土井 二、三段1007.8140.625.20.047441.3708第34卷增1张睿等页岩应力敏感实验研究及影响因素分析?2619?图1渗透率与有效应力双对数曲线Fig.1The ln-ln plotof permeabilityand effectivestress表2岩芯矿物组分及含量Table2Mineralogical contents ofshale cores岩芯编号矿物种类和含量/%石英钾长石斜长石方解石白云石方沸石黄铁矿黏土矿物ZK2217.315.2YC131.88.831.0HS47.9YC1和HS1的黏土矿物含量大于30%，HS11的黏土矿物含量更是达到了47.9%，接近矿物总含量的一半。 将3种岩样的矿物组成绘制成蛛网图，如图2所示。 图2岩芯矿物含量分布图(百分数)Fig.2Spider diagramof mineralogicalcontentsofshale cores图2表明，应力敏感程度最强的HS1号岩芯黏土矿物含量最高；YC1号岩芯石英含量最多，超过了30%，同时黏土矿物的含量也超过了30%；ZK225岩芯石英和黏土矿物含量相对较少，碳酸盐岩矿物含量较多，超过了50%，而YC1岩芯与ZK225岩芯的应力敏感程度相近。 这说明石英、碳酸盐岩和黏土矿物含量是控制岩石压缩性的3种重要的矿物成分。 通常来讲，泥质含量高的岩石比不含泥的岩石更容易发生变形。 同时，孔隙度也随着有效应力的增加而减少，但减少的趋势各不相同，这主要与页岩中碎屑的组分起源和有机组分的分布有关。 总体上讲，石英含量少，黏土含量大，页岩的应力敏感性就越强11。 XRD衍射实验结果表明黏土含量最高的HS1岩芯的应力敏感性最强。 4岩石力学特性分析岩石的力学参数不仅与井壁稳定有着直接的关系，同时也是影响应力敏感的一个重要因素。 因此采用声波时差法对3块岩样的动力学参数进行测试，来进一步研究页岩的动力学性质与应力敏感程度之间的关系。 实验测得3块岩芯的动力学参数如表3所示。 表3岩芯动力学参数Table3Dynamic mechanicsparameters ofshalecores岩芯编号杨氏模量/(104MPa)泊松比ZK2256.050.18YC15.740.11HS14.000.13岩石的杨氏模量是决定储层岩石压缩性的重要参数，李传亮等12-13针对岩石的弹性变形阶段进行了研究，E.Malek14给出了因变量为体积应变，自变量为杨氏模量和泊松比的本构模型，并通过其本构模型推导出了岩石弹性变形阶段体积应变的表达式v gt (1)()()3 (1)x yzx yzC p? (3)式中v?为体积应变；x?，y?，z?分别为x，y，z方向上的应变；t?为上覆应力(MPa)；p为孔隙压力(MPa)；?为泊松比；gC为岩石的骨架压缩系数。 由式 (3)可知，岩石的体积应变与骨架压缩系数成正比，岩石的骨架压缩系数可以表示为g3 (12)CE? (4)式 (4)表明岩石的杨氏模量越大，体积应变就越小，岩石越不容易发生变形。 实验测得3块岩芯的杨氏模量与应力敏感指数的关系如图3所示，由y=1.0938x(R2=0.9931)y=1.1395x(R2=0.9819)y=1.3708x(R2=0.9937)0.40.00.00.81.01.2ln(p/p0)ln(k/k0)ZK225YC1HS1线性(YC1)线性(ZK225)线性(HS1)0204060石英长石碳酸盐方沸石黄铁矿黏土矿物ZK225YC1HS11?2620?岩石力学与工程学报xx年图3可知，YC1与ZK225岩芯杨氏模量相近，为6104MPa左右，二者应力敏感系数相对较低；HS1杨氏模量为4104MPa，应力敏感系数较高，实验结果与理论分析一致。 图3杨氏模量与应力敏感系数的关系Fig.3Young?s moduluswith stress sensitivity coefficient5微观孔隙结构分析页岩的基质渗透率非常低，一般小于0.1103m2，平均喉道半径为纳米级。 美国主要页岩气藏的孔隙度为4.22%6.51%，渗透率为40.9106m214-16。 由于页岩基质的主体孔隙为纳米级孔隙，因此分别从理论和实验两方面对岩石受力过程中微观孔隙结构的变化特征进行研究。 5.1毛管模型与扫描电镜图像分析为了研究孔喉半径与应力敏感的关系，以经典毛管模型为基础推导毛管半径的应力敏感理论模型。 首先定义渗透率随应力的变化系数kC，毛管半径随应力的变化率rC，孔隙度随应力的变化率C?，其表达式分别为1ddkkCk p? (5)1ddrrCr p? (6)1ddCp? (7)由Carman-Kozeny公式，毛管模型的渗透率为28rk? (8)联立式 (5) (8)可得2k rC CC? (9)毛管模型中孔隙度的表达式为2n r? (10)由式 (10)可得1d2d2d drrCCp rp? (11)联立式 (9)， (11)，有4k rCC? (12)联立式 (1)， (5) (12)可得400bpr rp? (13)式 (8) (13)中?为毛管模型的孔隙度；r为毛管半径；n为单位面积毛管数；0r为参考压力为0p时的毛管半径，可由实验测得。 由式 (13)可知有效应力一定时，毛管半径变化越大，应力敏感系数越大，应力敏感程度就越高(见图4)。 随着有效应力的增加，毛管半径变小，但对不同岩石来说，变小的幅度不同。 应力敏感系数高的岩石毛管半径减小较多；反之，较低。 这说明随着有效应力的增加，那些容易压缩的孔隙和喉道所占的比例越大，岩石的应力敏感性就越强。 图4无因次毛管半径与有效应力的关系Fig.4Dimensionless poreradius witheffectivestress页岩储层孔隙结构复杂，多发育纳米级片状孔隙，利用高分辨率场发射环境扫描电镜观察了页岩孔隙结构分布形态(见图5)。 从图5可以看出3块页岩岩样储渗空间多为基质孔隙、黏土矿物解理缝以及二者的混合型孔隙。 基质孔隙较孤立，连通性差，而片状节理缝可以连(a)ZK21.01.202468101214p/p0r/r0b=1.09b=1.14b=1.37345671.01.4应力敏感系数b杨氏模量/(104MPa)YC1ZK225HS1第34卷增1张睿等页岩应力敏感实验研究及影响因素分析?2621?(b)YC1(c)HS11图5页岩场发射扫描电镜图Fig.5BSEM imageryof shales通大多数基质孔隙。 特低渗储层在受压时，首先被压缩的是喉道而非孔隙17。 页岩储层在压实过程中，片状孔隙首先闭合，且在压力恢复过程中很难重新开启。 片状孔隙的闭合一方面降低了孔隙的连通性，另一方面也降低了平均毛管半径。 从场发射扫描电镜图像中可以看到，由于HS11岩芯相较其他两块岩芯发育更多片状节理缝，使得较易受压闭合的孔隙占更大的比例，孔隙连通性变差，毛管半径减小的更多，因而HS11岩芯体现出更强的应力敏感性。 5.2高压压汞实验在研究页岩储层纳米级孔隙结构中，高压压汞法是一种非常有效的手段，杨峰等18-20已经开展了很多实验。 笔者针对应力敏感程度最强的HS1岩芯和应力敏感程度最弱的YC1岩芯进行了高压压汞实验，对取得的毛管力曲线、孔径分布曲线及渗透率贡献率曲线进行分析来研究页岩储层纳米级孔隙结构。 压汞实验采用AutoPore IV9520全自动压汞仪，最大压力228MPa，孔径测量范围5nm1000m。 实验中，最大进汞压力达到约200MPa，对应孔喉半径3.675nm。 实验测得毛管力曲线、孔喉分布频率曲线及渗透率贡献率曲线分别如图68所示。 图6岩芯毛管压力曲线Fig.6Mercury intrusionand extrusioncurves of samples图7岩芯孔径分布频率Fig.7Pore sizedistribution ofsamples图8岩芯渗透率贡献率Fig.8Permeability contributionofsamples由图6可知，HS11与YC1岩芯的排驱压力分别为15.18和0.72MPa，对应孔喉半径分别为48和1021.6nm，远低于超低渗和特低渗透储层的喉道半径，中间进汞段长且平缓，说明孔喉分选性较好。 由图7可知，HS1岩芯中10nm级的孔隙分布最多，在所有级别的孔隙中占主导地位；YC1岩芯中1020nm的孔隙分布最多。 图8表明，HS1岩芯中，半径为1050nm级别的孔隙对渗透率的贡献最大；YC1岩芯中5001000nm级别的孔隙对渗透率的贡献最大。 结合图6，7分析应力敏感产生的原因 (1)小尺寸喉道随有效应力的增加变化更为敏感； (2)在HS1岩芯中，对渗透率提供主要贡献的孔隙为中孔，其分0.0010.010.11101001000020406080100汞饱和度/%毛管压力/MPa HS1进汞曲线HS1退汞曲线YC1进汞曲线YC1退汞曲线0510152025300.0010.010.11101001000孔隙半径/?m渗透率贡献率/%HS1YC10510152025300.0010.010.11101001000孔隙半径/?m孔隙进汞量占总孔隙体积的比例/%HS1YC1?2622?岩石力学与工程学报xx年布频率也最高，因此当有效应力增加时，这部分孔隙的闭合导致渗透率急剧下降；在YC1岩芯中对渗透率提供主要贡献的孔隙为大孔，而大孔分布频率低，随着有效应力的增加，大量中、小孔的闭合对渗透率影响不大，因此HS1应力敏感强于YC1。 6结论 (1)对宁夏六盘山盆地和内蒙古雅布赖盆地的3块页岩岩芯进行了应力敏感性评价实验，拟合结果表明，有效应力与渗透率满足乘幂关系，相关系数均在0.98以上。 (2)页岩应力敏感程度与岩石力学参数和泥质成分含量有关。 泥质成分越高，页岩的杨氏模量就越小，骨架压缩系数越大，越容易被压缩，应力敏感系数也越大。 (3)页岩储层发育大规模纳米量级孔隙，包括为数不少的纳米级片状孔隙。 理论模型与实验均表明随着有效应力的增加，片状孔隙的闭合使孔隙连通性降低，平均毛管半径变小，造成了页岩渗透率降低。 (4)高压压汞实验表明页岩孔喉分选性较好，平均孔喉半径远低于特低渗透超低渗透储层，中孔孔隙分布频率较高，中孔对渗透率贡献大的岩芯应力敏感程度强，中孔对渗透率贡献小的岩芯应力敏感程度弱。 参考文献(References)1邹才能，李建忠，董大忠，等.中国首次在页岩气储集层中发现丰富的纳米级孔隙J.石油勘探与开发，xx，37 (5)508509.(ZOU Caineng，LI Jianzhong，DONG Dazhong，et al.Types，characteristics，genesis andprospects ofconventional andunconventional hydrocarbonaumulationstaking tightoil andtight gasin Chinaas aninstanceJ.Acta PetroleiSinica，xx，37 (5)508509.(in Chinese)2JAVADPOUR F，FISHER D，UNSWORTH M.Nanoscale gasflow inshale gassedimentsJ.Journal ofCanadian PetroleumTechnology，xx，46 (10)5361.3GANGI A.Variation ofwhole andfractured porousrock permeabilitywith confiningpressureJ.International Journal of RockMechanics andMining Sciencesand GeomechanicsAbstracts，1978，15 (5)249257.4MCKEE CR，BUMB AC，KOENIG RA.Stress-dependent permeabilityand porosityof coaland othergeologic formationsJ.SPE FormationEvaluation，1988， (3)8191.5REYES L，OSISANYA SO.Empirical correlationof effectivestress dependentshalerockpropertiesJ.Journal ofCanadian PetroleumTechnology，xx，27 (12)4753.6CHALMERS G，ROSS D，BUSTIN R.Geological controlson matrixpermeability ofDevonian gasshales inthe HornRiver andLiard basins，northeastern BritishColumbia，CanadaJ.International Journalof CoalGeology，xx，103 (14)120131.7DONG JJ，HSU JY，WU WJ，et al.Stress-dependence ofthe permeabilityand porosityof sandstoneand shalefrom TCDPhole-AJ.International Journalof RockMechanics andMining Sciences，xx，47 (7)11411157.8黄远智，王恩志.低渗透岩石渗透率对有效应力敏感系数的试验研究J.岩石力学与工程学报，xx，26 (2)410414.(HUANG Yuanzhi，WANG Enzhi.Experimental studyon coefficientof sensitivenessbetween percolationrate andeffective pressurefor low permeability rockJ.Chinese Journalof RockMechanics andEngineering，xx，26 (2)410414.(in Chinese)9罗瑞兰，冯金德，唐明龙，等.低渗储层应力敏感评价方法探讨J.西南石油大学学报自然科学版，xx，30 (5)161164.(LUO Ruilan，FENG Jinde，TANG Minglong，et al.Probe intoevaluation methodsfor stress sensitivity oflowpermeability reservoirsJ.JournalofSouthwest PetroleumUniversityScience and Technology，xx，30 (5)161164.(in Chinese)10刘仁静，刘慧卿，张红玲，等.低渗透储层应力敏感性及其对石油开发的影响J.岩石力学与工程学报，xx，30(增1)26972702.(LIU Renjing，LIU Huiqing，ZHANG Hongling，et al.Study ofstresssensitivityand its influence onoil developmentin lowpermeabilityreservoirJ.Chinese Journalof RockMechanics andEngineering，xx，30(Supp.1)26972702.(in Chinese)11BUSTIN AM M，BUSTIN RM，CUI X.Importance offabric onthe productionof gasshalesR.SPE114167，xx.12李传亮.岩石应力敏感指数与压缩系数之间的关系式J.岩性油气藏，xx，19 (4)9598.(LI Chuanliang.A theoreticalformula ofstresssensitivityindex withpressibility ofrockJ.Lithologic Reservoirs，xx，19 (4)9598.(in Chinese)13RAGHAVAN R，CHIN LY.Productivity changesin reservoirswith stress-dependent permeabilityJ.SPE ReservoirEvalu