火山岩基质储层应力敏感性实验研究

崔永 CUI Yong；王丽影 WANG Li-ying

（延安大学石油学院，延安 716000）

摘要：目前，储层应力敏感性评价主要建立在常规应力敏感性实验的基础上，也有部分学者开展了变孔隙压力的应力敏感性评价实验，所得结论和常规实验有较大的出入，但并没有给出合理的解释。为了深入研究这一问题，笔者设计了一组变围压的常规应力敏感性和变孔隙压力的高压应力敏感性评价对比实验，并对实验结果进行了详细的对比分析研究。结果表明，Terzaghi有效应力理论用于致密火山岩基质储层有一定的局限性，采用本体有效应力理论计算较为合适。如果采用本体有效应力分析该组对比实验，两种实验方法所得结果具有较高的一致性。实验结果表明，地层衰竭开发过程中，岩石骨架所受应力的变化范围很小，由于应力改变而引起的岩心渗透率变化很小，可以忽略不计。

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关键词：火山岩基质储层；应力敏感性；Terzaghi有效应力；本体有效应力

中图分类号：P618 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）17-0187-03

作者简介：崔永（1990-），男，陕西榆林人，本科，学生，专业：石油工程、油气勘察方向，长期跟老师做《克拉玛依气田火山岩气藏储层评价及渗流机理研究》科研项目；王丽影（1982-），女，河南商丘人，博士，延安大学讲师，毕业于中国科学院渗流流体力学研究所，一直从事低渗油气田开发方向的研究。

0 引言

火山岩油气藏储集空间复杂多样，不考虑裂缝因素，基质一般属于低/特低渗储层。火山岩储层评价参数很多，岩石应力敏感性是其中的一个重要参数。已有大量学者研究了火山岩基质储层的应力敏感性，杨满平[1]等通过常规应力敏感实验分析，认为流纹岩孔隙度的下降幅度为5%~22%，渗透率的下降范围在6%~19%之间，明显要低于一般的沉积岩。朱华银[2]通过常规应力敏感性实验和岩石力学实验分析，认为大庆火山岩应力敏感性不强，渗透率的变化较为复杂，孔隙型火山岩下降率较低，约为10%~20%。郭平[3]通过变外压与变内压恒外压两种测试方法得到的岩芯渗透率的变化规律是一致的。但两种测试方法的测试结果存在一定差异，即变内压恒外压测试表现出的应力敏感更弱，且两种方法的测试结果差异随升降压次数的增加具有加大的趋势，同时岩芯渗透率越低，两种测试方法的测试结果差异越大。

从目前的研究来看，储层应力敏感性评价都建立在常规应力敏感性实验的基础上。也有部分学者开展了变孔隙压力的应力敏感性评价实验，所得结论和常规实验有较大的出入，但并没有合理的解释其原因。本文通过改变围压的常规应力敏感性评价和改变孔隙压力的高压应力敏感性评价对比实验，系统地研究了储层开发过程中应力敏感性的大小，从理论上解释了两种实验结果存在较大差别的原因，指出了应力敏感性研究实验的误区。

1 实验研究

1.1 常规应力敏感性评价实验研究

本次实验气源采用高纯氮气，岩心气测原始渗透率按照标准SY/T5336-1996要求进行测量。在实验过程中，保持进口压力值不变，缓慢增加围压，使净围压依次为20MPa、25MPa、30MPa、35MPa、40MPa、45MPa、50MPa，测量不同围压下对应的岩心渗透率。实验结果如图1所示，在围压从20MPa变化到50MPa的过程中，渗透率伤害范围为19%~24%，这和杨满平[1]、朱华银[2]等的研究结论是一致的。

1.2 变孔隙压力的高压应力敏感性实验

改变孔隙流体压力的高压应力敏感实验气源为高纯氮气，在向岩心充气的过程中，保证围压大于孔隙压力5MPa，缓慢增加围压和孔隙压力，直至孔隙压力增大到30MPa，再增大围压至50MPa。静置1小时，然后开始模拟储层定压差开采实验。保持进出口压差稳定，逐级降低岩心的进出口压力，每一压力点气体渗流稳定后，测试进出口压力及流量，计算其对应的渗透率。所得渗透率与Terzaghi有效应力的关系如图2所示，可以看出，在孔隙平均压力从30.97MPa降低到10.44MPa的过程中，渗透率伤害范围为1.55%~1.79%，渗透率伤害很小，可以忽略不计。

2 实验结果分析与讨论

图3是上面两个实验的结果对比图，可以发现两个实验的研究结果并不一致。常规应力敏感性实验研究结果表明火山岩基质岩心渗透率伤害范围为19%~24%，而变孔隙压力的高压应力敏感实验研究结果表明火山岩基质渗透率伤害范围为1.55%~1.79%。二者结论出入很大。而岩石应力敏感性是岩石本身的属性，其大小应该与测试方法无关。如果实验误差在允许范围内，那么，造成这种差别的原因只能是实验结果分析方法有误。而上面两种实验结果均是采用Terzaghi有效应力理论分析的。该理论是太沙基（K. Terzaghi）在1923年提出的，该理论认为骨架所受有效应力等于上覆岩层总压力减去孔隙流体压力，即PT=σ-Pf。它阐述的是碎散颗粒型多孔介质的受力关系，也就是说它只适用于点接触一类的疏松多孔介质（如土壤）。对于火山岩这样的致密岩石，用Terzaghi有效应力理论分析骨架受力会产生一定的误差。

事实上，自从Terzaghi有效应力方程提出以来，不断有人对这个方程进行改进。而对该公式的改进基本上是通过在孔隙压力项前乘上一个修正系数α来实现的。对于致密岩石这一类多孔介质，比较被接受的是双重有效应力理论[4]，该理论认为岩石骨架变形可分为本体变形和结构变形，骨架颗粒自身的变形而导致的岩石整体变形，称为岩石的本体变形。因骨架颗粒排列方式的改变而导致的岩石整体变形称为岩石的结构变形。使岩石发生本体形变的力称为本体有效应力，使岩石发生结构形变的力称为结构有效应力。储层岩石的变形是本体变形和结构变形的综合。实验岩心只改变孔隙压力或者围压，其岩心变形以本体变形为主，本体有效应力计算方程式为：P本体=σ-?准×Pf，即骨架所受有效应力为上覆岩层压力减去孔隙度与孔隙压力的乘积。

采用本体有效应力对实验数据进行敏感性分析，结果如图4所示。由图4可以看出，改变围压的常规应力敏感性实验中，当围压从20MPa变到50MPa时，岩石骨架所受应力从19.5MPa变到49.5MPa，应力变化范围较大，渗透率变化比较明显。而对于改变孔隙压力的高压应力敏感性实验，当岩心压力从30MPa左右衰竭到10MPa左右时，岩石骨架所受的真实有效应力从46MPa变到50MPa，应力变化范围要小得多，故渗透率变化范围也小得多。表1是两组实验中岩石骨架所受应力变化及渗透率变化统计表，从表中可以看出，用本体有效应力理论分析时，两种实验方法所得结论相符程度高。