考虑温度影响的碳酸盐岩储层应力敏感实验研究

何祖清, 李晓益, 龙 武, 潘丽娟, 安 康, 胡景宏

(1.中国石化石油工程技术研究院，北京 100101； 2.中国石化西北油田分公司 工程技术研究院，乌鲁木齐 830011； 3.中国地质大学 非常规天然气地质评价与开发工程北京市重点实验室，北京 100083)

塔河地区奥陶系碳酸盐岩储层埋藏深、温度高、微裂缝发育、非均质性较强[1]。在油气田开采过程中，较强的应力敏感性会造成有效渗流通道闭合，导致储层渗流能力下降，降低油气产量，应力敏感性研究是油气田开发和储层保护中不可回避的问题。已有学者对储层应力敏感性进行了大量研究，并得出一些规律性的认识，拟合了有效围压与渗透率之间的函数关系[2-3]。何健等[4]进行应力敏感实验研究，通过施加人工裂缝，对比裂缝-孔隙型储层和孔隙型储层应力敏感程度，研究结果表明裂缝-孔隙型储层岩样应力敏感系数比孔隙型大。也有研究者通过人工造缝，开展裂缝性碳酸盐岩应力敏感实验并引出应力敏感系数评价指标，研究了裂缝对碳酸盐岩应力敏感的影响程度，得出裂缝是主要储集空间的结论[5-9]。李传亮[10]、罗瑞兰等[11]探讨了低渗透储层应力敏感实验方法和评价标准，提出用应力敏感系数来度量区块裂缝性储层的应力敏感程度。此外，也有学者对不同温度下岩石力学性质进行研究，研究结果表明随着温度不断上升，岩石热膨胀系数呈现指数式增加，岩石的渗透率物性呈现负指数递减[12-13]。

目前国内外针对高温高压下的碳酸盐岩储层，考虑温度影响的应力敏感研究较少，没有得出温度对碳酸盐岩储层渗透率影响的关系式。本文选用塔河油田碳酸盐岩为研究对象，基于“储层敏感性流动实验评价方法(SY/T5358-2010)”行业标准，利用高温高压岩心多参数测量仪展开温度对碳酸盐岩储层应力敏感评价实验，测定目标区碳酸盐岩储层的应力敏感性，研究温度对碳酸盐岩储层的应力敏感影响程度，分析有效围压和温度对碳酸盐岩储层渗透率影响的机理，为制订合理的生产制度提供依据。

1 储层应力敏感实验

1.1 实验岩样与实验方案

塔河油田储层为海相碳酸盐岩，其矿物组分主要为方解石、白云石和石英，其中方解石的质量分数高达90%，黏土矿物含量较少，具有明显的脆性特征[14]，试样如图1所示。实验所用岩样取自目标区X井奥陶系碳酸盐岩储层，岩心按实验设备加工为标准试样：直径(d) 25 mm、长度(l)50 mm。为研究温度对试样应力敏感的影响结果，避免其他干扰因素，本实验选取同一块岩柱上的4块试样进行实验，试样的初始孔隙度(q0)、渗透率(K0)等基本数据如表1所示。

表1 实验样品基本数据Table 1 Basic data of experimental samples

孔隙度、渗透率测试环境为：温度30℃、有效围压30 MPa、驱替压力1 MPa。

利用高温高压岩心多参数测量仪(图2)，在不同温度压力条件下开展渗透率实验。实验装置主要由3部分组成：第一部分是实验驱替装置，用于测试渗透率；第二部分是恒温箱，保证试样的实验条件以模拟储层环境，为避免实验温度对气体产生热膨胀，在实验开始之前对气体加热到预定温度；第三部分是回压装置，保证试样两端压力稳定并计量流体的流量。该实验装置可承受最高温度为150℃，最大有效围压70 MPa，驱替气体为氮气。本实验参数设计为：30 ℃、60 ℃、90 ℃和120 ℃共4个温度点，每个温度点上分别测试有效围压为30 MPa、40 MPa、50 MPa、55 MPa、60 MPa、65 MPa时的渗透率，压力点的设置在高应力区间适当加密。

图1 塔河油田储层试样照片Fig.1 Photographs showing the reservoir carbonate samples from Tahe oilfield

图2 实验装置示意图Fig.2 Schematic diagram showing experimental apparatus

接通仪器电源，然后按如下步骤进行：

a. 连接实验器材。

b. 对试样进行长度和直径的测量，然后放入直径为25 mm的样品夹持器中，闭合恒温箱。

c. 在实验仪器程序界面依次输入试样的长度、直径、温度和压力，待温度稳定后，开始实验。

d. 固定温度为30 ℃，逐渐加载围压使有效应力依次为30 MPa、40 MPa、50 MPa、55 MPa、60 MPa、65 MPa，驱替压力为1 MPa，每次加载至设计压力值需维持10 min以致流动稳定，同时测试渗透率。

e. 保持温度不变，逐渐降低围压使有效围压依次为65 MPa、60 MPa、55 MPa、50 MPa、40 MPa、30 MPa，驱替压力为1 MPa，每次卸载至设计压力值需维持10 min以致流动稳定，同时测试渗透率。

f. 分别在30 ℃、60 ℃、90 ℃和120 ℃的温度下进行实验，重复上述过程，整理仪器记录的数据，得到试样在不同温度、压力下的渗透率。

1.2 评价方法与指标

塔河地区储层岩性主要为泥晶灰岩，储层致密，孔渗性能不佳。为获取试样在不同温度和围压下的渗透率损害程度，基于常规渗透率损害率的评价标准[15]，计算渗透率损害率Dk，对目标区碳酸盐岩储层进行应力敏感评价，应力敏感损害率评价指标如表2所示。

Dk=(K1-Ki)/K1

式中：Dk为渗透率损害率；K1为初始压力下的渗透率；Ki为某一有效围压下的渗透率。

表2 应力敏感损害率评价Table 2 Evaluation of stress sensitive damage rate

2 实验结果

表3为4块试样在不同温度和有效围压下的渗透率实验结果。4块试样的渗透率损害率分别为0.53、0.54、0.58、0.65，参照渗透率损害率评价表，目标储层岩石的应力敏感属于中等偏强型。

图3为4个碳酸盐岩试样在不同温度下应力敏感实验典型曲线，显示4个试样在不同温度条件下应力敏感变化趋势一致，在有效围压加载初始阶段试样渗透率下降较快，随着有效围压逐渐增大，渗透率下降趋势趋于平缓。当试样从30 ℃升高至120 ℃时，渗透率损害率从0.53增长到0.65，温度敏感性增强23%。

卸压后，渗透率回升的幅度较小，对比不同温度下实验结果，温度越高回升幅度越小。4块试样卸压后分别在30 ℃、60 ℃、90 ℃、120 ℃时实验得到的渗透率损害率是0.38、0.42、0.48、0.55，卸压后的试样渗透率远达不到加载之前的渗透率水平，存在严重的渗透率滞后效应。随着温度的升高试样渗透率损害越大，温度敏感性增幅约45%，可见温度升高会加强岩石的应力敏感程度。

图4为4块试样在加载围压实验过程中渗透率随温度的变化关系，试样在不同围压下的渗透率随温度的升高呈现一致的负指数递减规律，这一结果与前人研究的结果[16]一致。以有效围压30 MPa为例，随着温度的升高渗透率降低约43%，这是因为温度升高岩石矿物膨胀变形，有效渗流通道发生改变导致渗透率降低。将图4曲线进行拟合得出研究区试样渗透率随温度变化的数学模型，拟合结果如表4所示。该模型建立了在特定有效围压下渗透率随温度变化的数学关系，为产量预测提供了理论依据。

表3 不同温度、有效围压下试样渗透率实测数据Table 3 Experimental data of rock sample permeability under different temperature and pressure

图3 应力敏感性实验典型曲线Fig.3 Typical curve of stress sensitivity experiment

3 讨 论

3.1 应力敏感机理

储层的应力敏感程度是指岩样在有效围压或温度变化下渗透率的变化程度，实质上反映的是岩石内部有效渗流通道的开合[17]。通过对试样的观察，试样表面肉眼可见的裂缝连通性并不理想，试样孔隙度又极小，在30 MPa的围压情况下，测得试样渗透率为0.92×10-3μm2左右，对于该类碳酸盐岩心，在该温压情况下，存在一些肉眼不可见的但相互连通的微裂缝，这些微裂缝为流体流动提供了通道。李大奇等[18]在研究塔河碳酸盐岩应力敏感性时，通过应力敏感测试也得到同样的结论。且由图3可知，随着有效围压逐渐增加，试样渗透率降低的幅度逐渐趋于平缓，表明试样在围压加载的作用下，内部连通的细微裂缝逐渐闭合，渗透率逐渐降低；卸压后，原先内部连通的裂缝产生的变形难以恢复，渗透率难以回升到加载前的水平。

表4 不同温度条件下渗透率与有效围压的拟合关系Table 4 Fitting relationship between permeability and effective confining pressure at different temperature

图4 不同有效围压条件下渗透率与温度的关系曲线Fig.4 Relation curve between permeability and temperature under different effective confining pressure conditions

由热应力理论[19]可知，温度升高矿物膨胀相互约束而产生热应力，温度对试样的应力敏感性影响机理正是岩石矿物随着温度的升高会发生膨胀，矿物颗粒膨胀而相互约束，进而增加有效围压，导致渗透率下降。郭肖等[16]根据热应力理论，分析了温度对储层应力敏感的影响机理，也得出一致的结论。从温度对试样应力敏感性的影响规律来看，图4展示了不同有效围压条件下渗透率与温度的关系，渗透率随着温度的升高下降幅度越来越大。表4建立了渗透率与温度的数学关系式，显示在不同有效围压下，渗透率与温度呈负指数递减关系，并且有效围压越大，温度对渗透率的影响程度逐渐降低。

3.2 应力敏感影响因素分析

应力敏感影响是储层开发过程中必不可少的研究过程，尤其对于超深高温裂缝性储层，应力敏感的研究显得尤为重要。应力敏感性体现的是岩石内部渗流通道随应力状态的变化，影响储层岩石应力敏感的因素主要有岩石内部和外部两方面。

内部因素主要有岩石矿物组分、岩石压缩系数和孔隙结构等。不同的岩石矿物发生形变的应力值不同，硬度越低、压缩系数越大，孔隙喉道越容易变形，应力敏感性越强。

外部因素主要有有效围压、温度、工作液侵入等。有效围压是引发岩石渗流通道变形导致渗透率变化的决定性因素；温度对渗透率影响的实质是岩石矿物受热膨胀导致有效围压增加从而使渗透率下降；工作液与岩石矿物接触发生物化反应，改变原孔隙结构，影响岩石渗透率的变化。

4 结 论

a. 通过应力敏感评价实验得出目标区奥陶系碳酸盐岩应力敏感程度属于中等偏强型。

b. 从温度对试样应力敏感性的影响规律来看，储层试样渗透率与温度呈负指数递减关系，当试样从30 ℃升高至120 ℃时，渗透率损害率从0.53增长到0.65，温度敏感性增强23%，温度升高会加强岩石的应力敏感程度。

c. 温度对储层岩石应力敏感影响的机理是岩石矿物随着温度的升高发生膨胀，矿物颗粒间产生热应力而相互约束，进而增加有效围压，导致有效渗流通道降低，渗透率下降。