儲層應(yīng)力敏感性試驗(yàn)方法和評價指標(biāo)探討

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蘭林康毅力陳一健楊建李前貴胡永東陳家明

（1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)試驗(yàn)室·西南石油學(xué)院；2.中國石油西南油氣田分公司川中油氣礦）蘭林等，儲層應(yīng)力敏感性評價試驗(yàn)方法與評價指標(biāo)探討.鉆井液與完井液.2023，5（2023.11月收稿）

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摘要應(yīng)力敏感性評價參數(shù)是儲層保護(hù)方案設(shè)計、合理工作制度確定的重要依據(jù)。前人關(guān)于評價試驗(yàn)方法、滲透率與有效應(yīng)力的關(guān)系作了大量摸索，但在試驗(yàn)方法、數(shù)據(jù)處理及評價指標(biāo)方面仍存在較大爭議。本文利用四川盆地中部致密砂巖氣層、油層及松遼盆地低滲透砂巖油層共計70塊樣品的應(yīng)力敏感性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了應(yīng)力敏感性系數(shù)與不同初始條件下滲透率損害率的關(guān)系，探討了不同評價方法的優(yōu)缺點(diǎn)。結(jié)果說明，應(yīng)力敏感性系數(shù)與滲透率損害率相關(guān)性強(qiáng)，應(yīng)力敏感性系數(shù)可用于進(jìn)行不同區(qū)塊儲層的應(yīng)力敏感程度對比。文章推薦使用應(yīng)力敏感性系數(shù)來度量儲層的應(yīng)力敏感程度。

主題詞儲層儲層損害應(yīng)力敏感性試驗(yàn)儲層保護(hù)

一、引言

鉆井、完井及開發(fā)過程中，由于有效應(yīng)力變化引起儲層滲透率改變的現(xiàn)象稱為應(yīng)力敏感性。應(yīng)力敏感性評價是儲層保護(hù)方案設(shè)計、合理工作制度確定的重要依據(jù)，特別對于低滲—致密儲層更顯得意義重大。國外在應(yīng)力敏感性評價方面的工作開展較早，Jones(1975)提出了自然裂縫性碳酸鹽巖儲層中巖樣滲透率與有效應(yīng)力之間的關(guān)系式[1]；Jones和Owens（1980）發(fā)現(xiàn)該關(guān)系式也適用于低滲砂巖氣層[2]；進(jìn)一步地，Walsh（1981）提出了裂縫性儲層中滲透率與有效應(yīng)力的關(guān)系式[3]。國內(nèi)近年應(yīng)力敏感性研究發(fā)展很快，張琰和崔迎春（1999）用不同應(yīng)力點(diǎn)的滲透率損害率來解釋低滲氣層的應(yīng)力敏感程度[4]；蔣海軍和鄢捷年（2000）將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸得到滲透率與有效應(yīng)力的指數(shù)關(guān)系，用關(guān)系式中的常數(shù)表示應(yīng)力敏感性程度[5]；我國在2023年發(fā)布的“儲層敏感性滾動試驗(yàn)評價方法（SY/T5358—2023）〞中[6]，對于應(yīng)力敏感性的評價方法也給出了標(biāo)準(zhǔn)。但是，由于應(yīng)力敏感性的特別性，目前關(guān)于應(yīng)力敏感性的數(shù)據(jù)處理及評價標(biāo)準(zhǔn)仍存在較大爭議。本文利用四川盆地中部致密砂巖氣層、油層及松遼盆地低滲透砂巖油層70塊樣品應(yīng)力敏感性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了應(yīng)力敏感性系數(shù)與不同初始條件下滲透率損害率的關(guān)系，探討了不同評價方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

二、試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與評價指標(biāo)對比

目前國內(nèi)常用的應(yīng)力敏感試驗(yàn)方法和評價指標(biāo)主要分為兩種：①.行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)法（SY/T5358—2023）；②.應(yīng)力敏感性系數(shù)法[7]。下面分別探討兩種試驗(yàn)方法及其評價指標(biāo)。1.行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)法

我國在2023年發(fā)布的“儲層敏感性滾動試驗(yàn)評價方法（SY/T5358—2023）〞中，給出了應(yīng)力敏?

四川省青年科技基金項(xiàng)目(編號：02ZQ026-042)資助。

簡介：蘭林，1980年生，碩士研究生，主要從事儲層損害與保護(hù)理論及技術(shù)研究。地址：（610500）成都市新都區(qū)西南石油學(xué)院碩士2023級。電話：（028）83032118，手機(jī)E-mail：lanlinfrac@163.com

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感性試驗(yàn)方法和評價指標(biāo)。該方法系統(tǒng)的闡述了試驗(yàn)條件、試驗(yàn)步驟和試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理評價，但仍存在不足，從以下3個方面來分別論述。

（1）有效應(yīng)力測點(diǎn)范圍的選擇。常規(guī)的應(yīng)力敏感性試驗(yàn)都采用逐漸增加和降低有效應(yīng)力來測定巖樣滲透率的變化，這就涉及終究使用多大的有效應(yīng)力才能讓室內(nèi)試驗(yàn)滿足現(xiàn)場應(yīng)用。石油工程中一般采用

?e????P（1）

。?e,?－有效應(yīng)力，上覆巖層應(yīng)力；P－地層壓力；?－比奧特常數(shù)（一般取1）

來計算有效應(yīng)力。例如，平均上覆巖層密度為2.50g/cm3，地層壓力梯度為1.25MPa/100m，2500m深的原地有效應(yīng)力為31.25MPa?？紤]多數(shù)油氣田的實(shí)際狀況，地層壓力衰竭50％仍能進(jìn)行生產(chǎn)，那么，此時有效應(yīng)力的測點(diǎn)選擇應(yīng)包括原地有效應(yīng)力加上16MPa內(nèi)的點(diǎn)，所以，有效應(yīng)力的上限至少為47MPa。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的有效應(yīng)力測點(diǎn)最大為20MPa，對于一般儲層來說，還未達(dá)到原地有效應(yīng)力，而在油田的鉆井、完井及開發(fā)過程中，工程師最關(guān)注地是有效應(yīng)力在原地有效應(yīng)力附近波動時的儲層滲透率變化狀況，所以，室內(nèi)試驗(yàn)的最大有效應(yīng)力測點(diǎn)應(yīng)根據(jù)具體油氣藏適當(dāng)擴(kuò)大以滿足現(xiàn)場要求。

（2）滲透率損害系數(shù)和臨界有效應(yīng)力。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中對滲透率損害系數(shù)給出了明確的定義，其計算公式如下：DKP?(Ki?Ki?1)(KiPi?1?Pi)（2）

DKP-滲透率損害系數(shù)，MPa1；Ki,Ki?1－第i，i+1個有效應(yīng)力下的巖樣滲透率，10-3?m2；Pi,pi?1－

－第i，i+1個有效應(yīng)力值，MPa。

表示有效應(yīng)力每增加單位應(yīng)力時，巖樣單位滲透率的縮小值。該公式與巖石壓縮系數(shù)具有相近的形式和物理意義，建立了應(yīng)力敏感與其它石油地質(zhì)概念之間的聯(lián)系。滲透率損害系數(shù)是隨有效應(yīng)力變化的滲透率改變率，其最大值范圍一般在2.5～8MPa，這與M.Jin和J.Somerville等得到的結(jié)論相一致[8]。另外，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中把滲透率損害系數(shù)的最大值所對應(yīng)的應(yīng)力值作為臨界應(yīng)力，如圖1所示，而考慮大多數(shù)油氣藏的實(shí)際狀況，儲層的有效應(yīng)力遠(yuǎn)大于臨界應(yīng)力值的范圍，使得臨界應(yīng)力的

0.121.2滲透率損害系數(shù)(MPa-1)(K/K0)1/30.080.8y=-0.4856x+1R2=0.99550.04臨界應(yīng)力0.0002040有效應(yīng)力（Mpa）600.4000.51lg(σ/σ0)1.5

圖1滲透率損害率與有效應(yīng)力的關(guān)系圖2應(yīng)力敏感性系數(shù)擬合圖

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定義只能從數(shù)字上加以理解，而對于實(shí)際應(yīng)用沒有明顯的工程意義。

（3）滲透率損害率的計算。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中采用公式（3）來計算滲透率損害率，該方法的優(yōu)點(diǎn)是明確表達(dá)了滲透率隨有效應(yīng)力增加的降低，可將常規(guī)巖心滲透率轉(zhuǎn)化為原地應(yīng)力狀況下的滲透率，并把應(yīng)力敏感與常規(guī)“五敏〞的計算評價有機(jī)的聯(lián)系起來，但是這樣做忽略了應(yīng)力敏感的特別性－

DK?(K1?Kmin)K1?100%（3）

DK—滲透率損害率。K1—第一個應(yīng)力點(diǎn)對應(yīng)的巖樣滲透率，10-3?m2。Kmin—達(dá)到臨界應(yīng)力后巖

樣滲透率的最小值，10-3?m2。

鉆井、完井及開發(fā)中有效應(yīng)力波動的初始點(diǎn)是原地有效應(yīng)力；另外，最大有效應(yīng)力測點(diǎn)的選擇受到試驗(yàn)人員主觀性的影響和試驗(yàn)儀器最大限壓的限制，那么對于同一塊巖心所得到的滲透率損害率就不統(tǒng)一，給工程的實(shí)際應(yīng)用帶來不必要的麻煩。鑒于上述原因，我們推薦使用原地有效應(yīng)力作為初始計算點(diǎn)，根據(jù)油氣藏實(shí)際生產(chǎn)狀況適當(dāng)擴(kuò)大最大有效應(yīng)力測點(diǎn)，則公式（3）可改寫為：Rdi?(Kin?stiu?Ki)Kin?stiu?100%（4）

Rdi—有效應(yīng)力為iMPa時的滲透率損害率。Kin?stiu—原地有效應(yīng)力對應(yīng)的巖心滲透率，10-3?m2。Ki—各有效應(yīng)力測點(diǎn)的巖心滲透率，10-3?m2。

表1是根據(jù)不同評價指標(biāo)得到某一巖樣的滲透率損害評價，以3MPa為初始點(diǎn)算得的滲透率損害等級為強(qiáng)，以原地應(yīng)力為初始點(diǎn)的滲透率損害等級為中等，所以按行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)得到的評價結(jié)果浮夸了有效應(yīng)力對儲層滲透率的損害。

2.應(yīng)力敏感性系數(shù)法

應(yīng)力敏感性系數(shù)法是通過公式（5）對所測的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到巖心的應(yīng)力敏感性系數(shù)，根據(jù)表1可評價巖樣的應(yīng)力敏感程度。

??K?1/3???（5）Ss??1??lg??K0???0???；?0,K0—SS—應(yīng)力敏感性系數(shù)；?,K—有效應(yīng)力（MPa）,對應(yīng)有效應(yīng)力點(diǎn)的滲透率（10-3?m2）

初始測點(diǎn)的有效應(yīng)力（MPa）和滲透率（10-3?m2）。（1）應(yīng)力敏感性系數(shù)法的數(shù)學(xué)意義

對公式（5）進(jìn)行數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換得到公式（6），式中對有效應(yīng)力和滲透率進(jìn)行無因次化，分別求10?KK0?1/3?1?SSlg?（6）?0為底的對數(shù)和1/3次冪，結(jié)果減小了有效應(yīng)力項(xiàng)的增加，將其控制在1附近，并減小了滲透率項(xiàng)的降低，然后將它們擬合直線，斜率的相反數(shù)即為應(yīng)力敏感性系數(shù)，如圖2所示。

（2）應(yīng)力敏感性系數(shù)的整體性

用于擬合直線的有效應(yīng)力測點(diǎn)既有小于原地應(yīng)力點(diǎn)，又包括大于原地應(yīng)力的點(diǎn)，符合數(shù)據(jù)處理

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的統(tǒng)計要求，所以應(yīng)力敏感性系數(shù)從整體上反映了巖樣的應(yīng)力敏感性強(qiáng)弱。

表1不同指標(biāo)的滲透率損害評價結(jié)果

應(yīng)力敏感性系數(shù)或損害率數(shù)值評價結(jié)果評價標(biāo)準(zhǔn)Ss0.54中等（K3-K20)/K30.83強(qiáng)（K3-K35)/K30.92強(qiáng)（K20-K35)/K200.55中等Dk≤0.3,弱；0.30.7,強(qiáng)SS≤0.3,弱；0.31,極強(qiáng)注：Ki表示iMPa時的巖樣滲透率，原地有效應(yīng)力為20MPa，地層壓力衰竭50％后有效應(yīng)力增為35MPa。

（3）應(yīng)力敏感性系數(shù)的唯一性

應(yīng)力敏感性系數(shù)是由試驗(yàn)得到的全部數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到，每一巖樣對應(yīng)一個應(yīng)力敏感性系數(shù)，該系數(shù)的大小就反映巖樣應(yīng)力敏感性的強(qiáng)弱，其值是唯一的，而滲透率損害率是對應(yīng)某一有效應(yīng)力測點(diǎn)下的值，不同的有效應(yīng)力測點(diǎn)就會得到不同的滲透率損害率，不便于工程應(yīng)用。

雖然應(yīng)力敏感性系數(shù)法有上述優(yōu)點(diǎn)，但其在物理意義上不如滲透率損害率直觀，易于理解。

三、應(yīng)力敏感性系數(shù)與滲透率損害率的關(guān)系

應(yīng)力敏感性系數(shù)和滲透率損害率都可用于評價儲層應(yīng)力敏感程度，建立兩者之間的關(guān)聯(lián)有助于進(jìn)一步闡述應(yīng)力敏感的評價問題。

1.應(yīng)力敏感性系數(shù)與用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)求得的滲透率損害率的關(guān)系

本文對四川盆地中部致密砂巖氣層、油層及松遼盆地低滲透砂巖油層共計70塊樣品進(jìn)行應(yīng)力敏感性試驗(yàn),巖樣類型包括基塊、自然裂縫巖樣和人造裂縫巖樣。利用公式（3）、（5）對應(yīng)力敏感試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分別得到有效應(yīng)力點(diǎn)的滲透率損害率（按行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)法計算）和巖樣的應(yīng)力敏感性系數(shù)，然后把它們進(jìn)行線性回歸得到圖3，可以看出：應(yīng)力敏感性系數(shù)與滲透率損害率有很好的線性

相關(guān)性。表2是它們的擬合公式和相關(guān)系數(shù)，說明應(yīng)力敏感性系數(shù)與各有效應(yīng)力測點(diǎn)的滲透率損害表2應(yīng)力敏感性系數(shù)和滲透率損害率相關(guān)關(guān)系表3損害結(jié)果等級符合率有效應(yīng)力（MPa）7.5101520304050Ss與Kd的直線關(guān)系Kd＝0.9941Ss-0.0419Kd＝1.1694Ss-0.0191Kd＝1.3195Ss+0.0305Kd＝1.3443Ss+0.0938Kd＝1.3328Ss+0.1741Kd＝1.2663Ss+0.2509Kd＝1.2282Ss+0.2919相關(guān)系數(shù)2（R）0.800.900.960.920.900.840.80川中氣層川中油層松遼油層巖心個數(shù)31等級符符合率等級符合率匯總（％）層位合個數(shù)（％）2890.3171588.290.0222090.94

率均有較強(qiáng)的相關(guān)性，反映出應(yīng)力敏感性系數(shù)表征了巖樣的整體應(yīng)力敏感性強(qiáng)弱。文中選用的試驗(yàn)巖樣是取自不同區(qū)塊、不同層位的，將它們的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總擬合，在各有效應(yīng)力測點(diǎn)都表現(xiàn)出滲透率損害率與敏感性系數(shù)強(qiáng)的線性相關(guān)性，那么，應(yīng)力敏感性系數(shù)就可作為不同區(qū)塊、不同層位的應(yīng)力敏感性強(qiáng)弱的對比依據(jù)。

2.應(yīng)力敏感性系數(shù)與以原地應(yīng)力為初始點(diǎn)求得的滲透率損害率的關(guān)系

表1列出了根據(jù)不同評價指標(biāo)算得一巖樣的滲透率損害程度和損害評價結(jié)果，發(fā)現(xiàn)用應(yīng)力敏感性系數(shù)法和原地有效應(yīng)力為初始測點(diǎn)得到的損害等級一致。這里，我們按各區(qū)塊分別統(tǒng)計這一關(guān)系（以原地應(yīng)力作為初始點(diǎn)，地層壓力衰竭50％對應(yīng)的有效應(yīng)力作為最大有效應(yīng)力測點(diǎn)算得的滲透率損害等級和應(yīng)力敏感性系數(shù)算得的損害等級的關(guān)系），總體評價損害等級一致率達(dá)90％（表3）。圖4是應(yīng)力敏感性系數(shù)和以原地應(yīng)力為初始點(diǎn)算得的滲透率損害率的線性擬合圖，表現(xiàn)為較好的相關(guān)性。所以，這兩種方法在儲層應(yīng)力損害等級評價上表現(xiàn)為很好的一致性。

鑒于上述分析，建議使