摘要：對于低滲透儲層巖石而言，基于巖石受力變化后發(fā)生線彈性變形的假設與實驗結(jié)果并不相符。為此，采用CMS300覆壓測試、巖石力學性質(zhì)測試、壓汞以及鑄體薄片觀察等實驗手段對低滲透儲層巖石覆壓變形特征進行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)實驗巖樣在應力增大的整個過程中發(fā)生的是軟塑性變形-彈性變形-塑性變形過程。低滲透巖石在覆壓實驗中表現(xiàn)出的強應力敏感性是由其變形特征決定的，巖石在覆壓增大的初始階段發(fā)生微量軟塑性變形是造成滲透率大幅下降的主要原因，其與低滲透巖石的泥質(zhì)及膠結(jié)物含量較高、孔喉通道狹窄有關?；趯嶒炑芯拷Y(jié)果，定義了新的巖石應力敏感系數(shù)來表達滲透率與有效覆壓的關系，與實驗數(shù)據(jù)有更好的相關性，并且能夠方便地將任意常規(guī)巖樣滲透率轉(zhuǎn)換成儲層條件下的滲透率，具有實際的工程應用價值。

關鍵詞：低滲透儲集層；巖石；上覆巖層壓力；變形特征；應力敏感；滲透率；實驗

    在研究變形介質(zhì)油氣滲流理論時，大多引入滲透率模量的概念，采用指數(shù)式來表達滲透率與壓力的關系，這是基于巖石受力變化后發(fā)生線彈性變形的假設提出的。然而對于低滲透儲層巖石，這種假設與實驗結(jié)果并不相符，無法合理解釋實驗現(xiàn)象。筆者采用CMS300覆壓測試、巖石力學性質(zhì)測試、壓汞以及鑄體薄片觀察等實驗手段對低滲透儲層巖石覆壓變形特征進行分析，解釋了低滲透儲層巖石在覆壓實驗中表現(xiàn)出強應力敏感性的原因。

    目前研究者在研究變形介質(zhì)油氣藏滲流理論時，大多數(shù)文獻^[1～7]都采用了指數(shù)形式的滲透率變化式：

    K(p)=K₀exp[-α_k(p₀-p)]    (1)

式(1)形式簡單，能夠很方便地結(jié)合滲流微分方程推導出產(chǎn)能公式，因而得到了廣泛的應用。關于式(1)的來由，是先定義一個理論參數(shù)——滲透率模量(α_k)：

 

    對式(2)積分就可得到式(1)。NUr A.和Yilmaz^[8]較早提出了α_k的定義，他們在1985年定義了α_k的表達式，并假設其保持常數(shù)，以處理滲流模型中的非線性問題，在很大程度上它是一個理論概念，主要應用于理論產(chǎn)能公式研究。

    對α_k表達式進行分析，可發(fā)現(xiàn)它與巖石壓縮系數(shù)具有相似的形式和物理意義，是基于巖石受力變化后發(fā)生線彈性變形的假設提出的，其中有兩點局限性：①完全把滲透率當成一個幾何參數(shù)來處理，而沒有考慮到滲透率實際上是一個功能參數(shù)，不但與巖石的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)有關而且也與滲流過程中的流體密切相關；②對于低滲透巖石來說，假設為常數(shù)(即變形為線彈性變形)與實驗結(jié)果不相符，采用指數(shù)式來回歸實驗數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)的相關性不是很理想。

    儲層巖石是一種特殊的多孔介質(zhì)，它不是由單一的物質(zhì)均勻構(gòu)成，而是由巖石顆粒、巖屑、泥質(zhì)、膠結(jié)物組合構(gòu)成，巖心在鉆切加工過程中，也會因受到外力沖擊而影響其結(jié)構(gòu)。對于低滲透儲層巖石來說，其泥質(zhì)及填隙物含量較高，顆粒分選性差，孔喉通道狹窄，使其受力后發(fā)生的并不是線彈性變形。由于構(gòu)成巖石的這幾種成分強度不同，在受力增大過程中，最先被擠壓的是較軟的泥質(zhì)填充物，使得喉道及微裂隙變小或被完全堵塞，接著發(fā)生變形的是膠結(jié)物，最后發(fā)生變形的是強度最大的巖石顆粒。

   低滲透巖石覆壓實驗中發(fā)生的并非理想的線彈性變形，可以通過一系列實驗來證實。

   圖1是采用CMS300測得的低滲透巖石滲透率與有效覆壓關系曲線。從圖1可看出：①巖樣初始滲透率(K_0’越低，滲透率在有效覆壓增加的過程中的下降幅度越大；②滲透率在有效覆壓增大的初始階段下降幅度最大，覆壓降低后滲透率不能完全恢復，說明巖樣在實驗過程中發(fā)生了微量的軟塑性變形。)

 

    圖2是采用增加圍壓與降低孔隙壓力兩種方法所測得的巖石孔隙壓縮系數(shù)與應力的關系曲線。從圖2中可以看出是變化值而非固定值，初始值很高，隨著圍壓增大、孔隙壓力減小，下降很快，圍壓、孔隙壓力達到一定值后，變化不大，保持穩(wěn)定，這表明在實驗過程中巖石發(fā)生的并非理想的線彈性變形。

    圖3是采用三軸巖石力學測試系統(tǒng)得到的巖石應力-應變關系曲線。從圖3-a可以看出：在應力增大的初始階段，巖石發(fā)生的變形較大，有一定軟塑性變形，隨著軸向應力增大(超過30MPa)，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，最終破壞失穩(wěn)。從圖3-b則可以更明顯地看出巖石在圍壓增大的初始階段變形較大，整個變形過程不是線彈性變形過程。

 

    陳頤先生在巖石物理學^[9]中指出圖4曲線表示了大多數(shù)巖石的本構(gòu)關系。通過前面的實驗分析，可得知低滲透儲層巖石的變形過程符合圖4所示的本構(gòu)關系，其變形過程為：軟塑性變形-彈性變形-塑性變形。由于一般應力敏感測試的圍壓不超過100MPa，未超過巖石的彈性極限，因此在應力敏感測試過程中巖樣發(fā)生的變形過程為：軟塑性變形-彈性變形過程。

 

    圖4中的OA段變形是巖石的軟塑性變形階段，這一梯度，反映在圍壓-滲透率關系曲線和圍壓循環(huán)滲透率關系曲線上則表現(xiàn)為：滲透率下降幅度大穩(wěn)圍壓松弛后滲透率恢復率不高，因此可知低滲巖石的應力敏感性與其變形特征是密切相關的。巖石在受力初始階段發(fā)生的軟塑性變形越強，其應力敏感性越強。

    低滲透巖石的變形特征主要受孔隙結(jié)構(gòu)和巖石成分的影響，可以通過壓汞實驗和鑄體薄片觀察進行對比分析。

2.3.1 孔隙結(jié)構(gòu)的影響

    T₆(K_0’=12.62×10^-3μm²，φ₀=14.8%)和T₇(K_{0’μm²，φ0=3.7%)是孔滲參數(shù)差}=0.079×10^-3異較大的兩塊巖樣。從巖樣的孔徑分布圖與覆壓滲透率變化曲線(圖5、6)可以看出：對于低孔低滲透巖樣，小孔徑占了絕大多數(shù)，在覆壓實驗中，小孔道一旦受到壓縮發(fā)生塑性變形就會嚴重喪失滲流功能，導致巖樣的滲透率大幅下降，表現(xiàn)出較強的應力敏感性。

 

2.3.2 巖石成分影響

    巖石受力過程中，最先發(fā)生變形的是泥質(zhì)和膠結(jié)物，這些物質(zhì)的含量越高，巖石發(fā)生軟塑性變形的程度越大，則巖石在覆壓實驗中滲透率的下降幅度越大。對T₈和T₉兩塊巖樣進行鑄體薄片觀察(圖7)，得知T₉的填隙物含量和泥質(zhì)含量均高于T₈(物性參數(shù)見表1)，從圖8可知T₉的應力敏感性強于T₈。對于不同的油氣藏，因成藏過程不同，其巖石成分有較大差異，因而應力敏感性也會存在差異。

 

   從前面的分析得知低滲透儲層巖石在覆壓實驗中發(fā)生的不是理想線彈性變形，因而按指數(shù)式擬合實驗數(shù)據(jù)相關性不是最佳。為了能更好地利用實驗數(shù)據(jù)，并將其與油氣藏工程相結(jié)合，筆者提出一種新的應力敏感評價指標表征低滲透巖樣滲透率與有效覆壓的關系^[10～11]：

通過實驗數(shù)據(jù)分析，得到應力敏感評價指標(Sp)與巖心初始滲透率(K_{0’為乘冪關系：})

 結(jié)合式(3)和式(4)，可以推導出任意初始滲透率與有效覆壓的關系式為：

 

   大量實驗數(shù)據(jù)表明：與指數(shù)式相比，這種表達式與實驗數(shù)據(jù)有更好的相關性(多數(shù)相關系數(shù)超過0.99)。目前常規(guī)巖樣孔滲都是在地面低圍壓條件下所測得，利用式(5)一方面可將巖樣常規(guī)滲透率轉(zhuǎn)換成原始儲層條件下的滲透率，對原始儲層物性作出正確評價，另一方面可以計算儲層滲透率在開發(fā)過程中的動態(tài)變化規(guī)律，具有實際的工程應用價值。

    需要說明的是由于受力變化范圍不同，油氣儲層的應力敏感性與巖樣在覆壓實驗中表現(xiàn)出的應力敏感性是不一樣的。儲層受到原始上覆壓力的影響，其有效覆壓變化范圍并不是從0MPa開始的，因而雖然低滲透巖心在覆壓實驗中表現(xiàn)出很強應力敏感性，但低滲透儲層在油氣藏條件下并不一定存在很強的應力敏感性。對于常壓油氣藏來說，以2000～4000m埋深的儲層為例，其有效覆壓變化范圍為30.0～100.0MPa，可以判斷在生產(chǎn)過程中，儲層發(fā)生的主要是彈性變形，應力敏感的影響不會很大；對于異常高壓油氣藏，由于其儲層所受的初始有效覆壓較低，可能要經(jīng)歷初期的塑性變形階段，在生產(chǎn)過程中需要考慮應力敏感的影響，-地層壓力系數(shù)越高，其所受的應力敏感影響程度越大。

    1) 低滲透巖石的應力敏感性強于中高滲透巖石，這是由低滲透巖石在覆壓實驗中的變形特征決定的，由于泥質(zhì)及膠結(jié)物含量高，孔喉通道狹窄，低滲透巖石的變形特征為：軟塑性變形-彈性變形-塑性變形，而非理想的線彈性變形。

    2) 基于實驗研究結(jié)果，定義了新的巖石應力敏感系數(shù)來表達滲透率與有效覆壓的關系，其與實驗數(shù)據(jù)有更好的相關性，并能夠方便地將巖心常規(guī)滲透率轉(zhuǎn)換成儲層條件下的滲透率，以便對儲層及油氣井產(chǎn)能作出客觀準確的評價，具有實際的工程應用價值。

K₀為原始地層壓力p₀下的滲透率，10^-3μm²；K(p)為地層孔隙壓力為p時的滲透率，10^-3μm²；α_k為滲透率模量，MPa^-1；S_p為曲線斜率的絕對值，表示應力敏感程度；K_{0’為有效覆壓為σeff0時的滲透率，即巖心初始滲透率(或常規(guī)滲透率)，10^-3μm²；φ0為巖石常規(guī)孔隙度；K為有效覆壓為σeff(即孔隙壓力為p)時的滲透率，10^-3μm²；c、n為擬合系數(shù)；pc為實驗中為圍壓，儲層條件時為儲層上覆壓力，MPa；p為孔隙壓力(地層壓力)，MPa；α為有效應力系數(shù)，在低滲透砂巖儲層條件下其取值范圍為0.9～0.98。}

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(本文作者：羅瑞蘭¹ 程林松² 李熙拮¹ 朱華銀¹ 萬玉金¹ 1.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院；2.中國石油大學(北京)石油天然氣工程學院)