异常高压气藏应力敏感性研究

第27卷 第10期

岩石力学与工程学报 Vol.27 No.10

2008年10月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Oct.，2008

异常高压气藏应力敏感性研究

董平川1，江同文2，唐明龙2

(1. 中国石油大学 石油工程教育部重点实验室，北京 102249；2. 塔里木油田公司 勘探开发研究院，新疆 库尔勒 841000)

摘要：克拉2异常高压气藏是目前我国探明的最大整装干气气藏，属于异常高压气藏。对于这种具有极高异常压力的气藏，在衰竭式开采过程中，地层压力逐渐下降，作用在岩石颗粒上的有效应力增加。这种效应有可能产生岩石形变，产生应力敏感，使得岩石物性参数孔隙度、渗透率减小，从而影响到气藏流体的流动动态及气井产能，给高效、合理地开发带来许多困难和问题。为此，设计模拟地层条件下储层应力敏感的试验流程与试验方法，以克拉2异常高压气藏的砂岩岩芯为试验对象，进行不同有效应力下储层物性应力敏感性试验以及应力敏感岩芯往复试验研究。试验结果表明，初始渗透率越低，则应力敏感性越强，孔隙度对有效应力的敏感性低于渗透率的应力敏感性。同时，通过三轴高温、高压岩石变形与渗透试验仪得到岩石典型的全应力–应变曲线，定量描述地层压力降低后，岩石出现永久塑性变形的特征，这是储层物性产生应力敏感性的原因。这些研究对该气藏合理开发是非常必要的，对气藏动态储量的计算、产能评价及合理生产工作制度的确定具有重要意义。 关键词：石油工程；异常高压气藏；储层物性；有效应力；应力敏感；塑性变形

中图分类号：TE 112.23 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2008)10–2087–07

RESEARCH ON STRESS-SENSITIVITY IN ABNORMAL

HIGH PRESSURE GAS RESERVOIR

DONG Pingchuan1，JIANG Tongwen2，TANG Minglong2

(1. Key Laboratory of Petroleum Engineering，Ministry of Education，China University of Petroleum，Beijing 102249，China；

2. Exploration and Development Research Institute of Tarim Oilfield Company，Ltd.，Kuerle，Xinjiang 841000，China)

Abstract：Kela 2 gas reservoir is the largest dry gas reservoir so far discovered in China. It has such features as high pressure and pressure coefficient，and gas reservoirs with a pressure coefficient of over 2.0 are not commonly found. The abnormal high-pressure gas reservoirs are quite different in characteristics and performance during the process of depletion exploitation. During the depletion exploitation，the formation pressure depletes slowly；but the effective stress to the rock grain increases. The effective stress may cause rock to deform，resulting in the elastic or plastic deformation；and this deformation makes the rock physical property parameters such as porosity and permeability become quite sensitive to effective stress. Therefore，it is necessary to know the property of stress sensitivity for this abnormal high-pressure reservoir. The testing chart and method being used to study the property of stress sensitivity are designed. By means of testing porosity and permeability of sand rock core sample of Kela 2 gas reservoir under different effective stresses，the reduction property of porosity and permeability is obtained. The results demonstrate that the rock permeability behaves in an exponential manner with the effective stress variation，and the lower initial permeability would lead to the stronger stress sensibility；the same variation has been found for the porosity，but the magnitude of the effective stress sensibility of porosity is lower than that for permeability.

收稿日期：2008–04–09；修回日期：2008–07–11

基金项目：国家自然科学基金资助项目(50574059，50004002)；国家“十五”科技攻关项目(2004BA616A02–03–01–02)

作者简介：董平川(1967–)，男，博士，1986年毕业于昆明理工大学，现任副教授，主要从事复杂油气藏渗流机制与理论、油藏数值模拟、油气田开发等方面的教学与研究工作。E-mail：[email protected]

• 2088 • 岩石力学与工程学报 2008年

The complete stress-strain curve is obtained through triaxial high temperature and high pressure rock deformation- seepage test. The characteristic of permanence plastic deformation with the dropping of the formation pressure can be quantitatively described；this is the reason of the stress sensibility of reservoir physical property. These results offer a very important base and guide for researching and designing the production performance of an abnormal high-pressure gas reservoir.

Key words：petroleum engineering；abnormal high-pressure gas reservoir；physical property；effective stress；stress-sensitivity；plastic deformation

1 引 言

油气开采过程中，在储层上部的岩层荷重，一部分由岩石骨架承受，另一部分由孔隙流体承担。随着油气的不断开采，必然造成储层孔隙压力的降低，使得岩石骨架的有效应力增大，而岩石的变形受有效应力的控制[1

～4]

。同时，上部岩层的荷重大

部分转移到岩石骨架上，这样将导致储层的弹塑性压实变形。当油层产生弹塑性变形或压实时，对油气生产将造成不利影响，使得油藏的渗流物性参数——孔隙度和渗透率降低，进而使油井的产能降低，这就是为什么油气藏采用衰竭式开采时，产量不断下降的主要原因[5

，6]

。由于应力敏感的存在，

在油气田开发时应选择合理的生产压差，控制好井底流压，关注地层压力的下降，并保持合理的地层压力。

关于有效应力对岩石渗透率的变化，已开展了一些研究工作[7

～9]

。而国内外对于储层的应力敏感

性研究，主要集中于储层物性参数如孔隙度、渗透率以及孔隙压缩系数随地层压力变化的规律，而且多数是在常温下进行的，施加的压力也不是太高[10

～17]

。

同时，在地层条件下进行应力敏感研究，以及针对异常高压油气藏的应力敏感与岩石弹塑性变形特征的研究也鲜见报道。

克拉2异常高压气藏是目前我国探明的最大整装干气气藏，具有地层压力高(74.35 MPa)、地层温度高(119.8 ℃)、压力系数高(2.022)以及单井产能高等特点，属于异常高压气藏。对于这种具有极高异常压力的气藏，在衰竭式开采过程中，地层压力逐渐下降，作用在岩石颗粒上的有效应力增加。这种效应有可能产生岩石形变，产生应力敏感，使得岩石物性参数孔隙度和渗透率减小，从而影响到气藏流体的流动动态及气井产能，给高效、合理开发带来了许多困难和问题。

针对克拉2异常高压气藏，采用OPP高压孔渗仪及恒温箱进行不同有效应力下储层应力敏感性试验，开展应力敏感岩芯往复试验研究。同时，采用美国TERRATIK公司研制生产的全自动伺服拟三轴高温、高压岩石变形–渗透试验仪。得到了岩石典型的全应力–应变曲线，定量描述了地层压力降低后，岩石出现永久塑性变形的特征。这些对该气藏合理开发是非常必要的，并且对动态储量计算、评价及合理生产工作制度的确定具有重要意义。

2 试验设备和方法

2.1 试验设备

试验采用直径为2.5 cm的岩样，高温、高覆压下孔隙度、渗透率的测定采用OPP高压孔渗仪(见图1)，其最高工作压力70 MPa，恒温箱温度0 ℃～150 ℃，孔隙压力泵最高工作压力70 MPa，体积计量精度为0.001 mL。试验流程见图2。

图1 OPP高压孔渗仪

Fig.1 High-pressure OPP poro-permeability equipment

2.2 试验方法

克拉2异常高压气藏中，储层岩石处于欠压实状态，岩石物性参数及其变化规律与常规气藏(正常压力、温度系统下)有不同的规律。异常高压气藏投

第27卷 第10期 董平川，等. 异常高压气藏应力敏感性研究 • 2089 •

图2 试验流程图

Fig.2 Flowchart of stress-sensitivity test

入开发后，随着储层压力的降低，地下岩石骨架承受的有效应力增大而受到压实作用，储集层的孔隙性将发生显著变化，该变化又会影响到储集层的渗流特性，从而影响到气藏的开发动态及效果。为了模拟实际地层压力(74.35 MPa)和地层温度(119.8 ℃)，设计了如下试验步骤：

(1) 试验采用岩石为克拉2异常高压气藏实际储层中的砂岩，其渗透率K的变化大致可以分成4种类型：K＞3.0 mD，0.5 mD＜K≤3.0 mD，0.1 mD＜ K≤0.5 mD和K≤0.1 mD。

(2) 从全直径岩芯中顺层面沿水平方向取直径2.54 mm、长度5～8 cm的岩芯柱塞。将柱塞两端切好磨平，用苯+酒精(1∶4)清洗5～7 d，然后在 90 ℃条件下烘干6 h后放置备用。

(3) 常温条件下测量孔隙度和渗透率。孔隙度测量原理为波马定律

[18]

，在测量前首先对仪器压力

传感器、仪器死体积和系统的压缩性标定。渗透率的测量原理为达西定律，试验前首先测量岩芯的长度和直径，对仪器初始压力调0，然后把岩芯放入岩芯夹持器，加围压，计量岩芯两端的压差和通过岩芯的流量，计算渗透率，并外推求克氏渗透率[18

，19]

。

(4) 按常温常压下测量的渗透率值高、中和低来进行岩芯分类。

(5) 试验采用在高温条件下来测量孔隙度和渗透率在试验前首先系统升温到120 ℃，等温度稳定后，再测量孔隙度和渗透率，试验步骤同(3)。高温下的渗透率测量要准确测量温度，由此计算高温下的气体黏度。

由于压力变化对岩芯造成的伤害可能具有不可恢复性，所以在一个有效覆压下必须同时测量孔隙度和渗透率，测量完后然后测量下一个有效覆压下

的孔隙度和渗透率。

3 试验结果与分析

通过试验测定了克拉2异常高压气藏岩石在不

同上覆压力下储层物性参数的变化。 3.1 渗透率和孔隙度的应力敏感性

克拉2异常高压气藏白垩系巴什基奇克组储层原始地层压力为74.346 9 MPa，上覆岩层的平均密度为2.3 g/cm2，上覆岩层压力Pe=2.3×3 750/

101.971 6= 84.582 4 MPa。这样，对应于原始地层压力的有效应力σt=84.5824−74.3469=10.235 5

MPa。

为了能在今后气藏的产能计算和数值模拟方面更好应用，进行归一化处理。具体处理方法是：定义原始地层压力条件的归一化渗透率KDi=K/Ki

(Ki为原始油藏压力(对应的有效应力为10 MPa)下渗透率)。

归一化处理后4种渗透率区间的渗透率与有效应力的关系如图3所示。从图3中可以看出，初始渗透率越低，则应力敏感性越强，有效应力从10 MPa增大到50 MPa时，4种渗透率区间K＞3.0 mD，0.5

mD＜K≤3.0 mD，0.1 mD＜K≤0.5 mD，K≤0.1 mD 的渗透率分别下降9%，29%，58%和70%。通过回归可以得到这4种渗透率区间的渗透率应力敏感的表达式：

1.2

1.0

0.8

) f (iD0.6K 0.4 0.2

0.0

010

20

304050

60

有效应力/MPa

图3 不同渗透率区间无次因渗透率与有效应力的关系 Fig.3 Relationship between rock permeability and effective

stresses in different permeability intervals

• 2090 • 岩石力学与工程学报 2008年

K0.06081Di=1.15200σ−e

(R2

=0.9999，K＞3.0 mD) (1)

K.21643Di=1.65756σ−0e

(R2=0.9996，0.5 mD＜K≤3.0 mD) (2) K0.51063

Di=3.29622σ

−e

(R2=0.9995，0.1 mD＜K≤0.5 mD) (3) KDi=6.35190σ−0.78974e

(R2=0.9986，K≤0.1 mD) (4) 由此可见，KDi与有效应力σe具有较好的幂函数关系。

对于储层孔隙度的应力敏感性，分为2组类型研究：(1)

K＞1.0 mD；(2)

K≤1.0 mD。同渗透率归一化处理方法一样，得到归一化处理后上述2种渗透率区间孔隙度与有效应力的关系如图4所示。从图4中可以看出，初始渗透率越低的岩样，其孔隙度的应力敏感性越强，有效应力从10 MPa增大到50 MPa时，渗透率区间K＞1.0 mD，K≤1.0 mD孔隙度分别下降4%和6%。

) f ( iDϕ 0102030 40 5060

有效应力/MPa

图4 不同渗透率区间孔隙度与有效应力的关系

Fig.4 Relationship between rock porosity and effective

stresses in different permeability intervals

通过回归可以得到这两种渗透率区间的孔隙度应力敏感的表达式：

ϕ−0.02631Di=1.06312σe

(R2=0.9999，K＞0.1 mD) (5)

ϕ−0.03838Di=1.09310σe

(R2=0.9996，K≤1.0

mD) (6) 由此可见，得到的2组ϕDi与σe之间具有较好

的幂函数关系。

由图3，4可知，储层渗透率的应力敏感性比孔隙度的应力敏感性强。这一特性对气藏的开发、产能的评价、合理生产压差的确定尤为重要。 3.2 克拉2异常高压气藏渗透率和孔隙度敏感性规律

不同渗透率变化区间的厚度统计见表1。

表1 不同渗透率变化区间的厚度统计 Table 1 Thicknesses of different permeability intervals

项目

类型 渗透率K/mD

h/∑h( f ) 1

＞3.0

0.663 8

渗透率

2 0.5～3.0 0.159 9 敏感性

3 0.1～0.5 0.072 5 4

≤0.1 0.103 8 孔隙度1 ＞1.0

0.714 7

敏感性

2

≤1.0 0.285 3

注：h为不同渗透率区间储层厚度，∑h( f )为储层总厚度。

将前述4种渗透变化类型，2种孔隙度变化类型按表1的厚度分数权重综合起来，得到最终储层渗透率和孔隙度的平均下降规律如图5，6所示。

) f (iDK 0

10

20

3040 50

60

有效应力/MPa

图5 全区渗透率的应力敏感性

Fig.5 Stress sensitivity due to permeability in whole area

) f (iDϕ0

10

20

30405060

有效应力 /MPa

图6 全区孔隙度的应力敏感性

Fig.6 Stress sensitivity due to porosity in whole area

通过回归得到不同有效应力下储层渗透率和孔隙度的平均下降规律分别用下式来描述：

第27卷 第10期 董平川，等. 异常高压气藏应力敏感性研究 • 2091 •

K48Di=1.51355σ−0.173e (R2=0.9862) (7)

ϕDi=1.07155σ−0.02974e (R2=1.0000) (8)

由式(7)，(8)可以得到克拉2异常高压气藏储层物性参数随压降变化(见表2及图7)。

表2 克拉2异常高压气藏储层物性参数随压降变化 Table 2 Changes of the physical property with pressure

builddown in Kela 2 gas reservoir

地层压力 KDi( f )

ϕDi( f )

P/MPa

(1) (2) (3) (4) 平均 (1) (2) 平均

74.346 9 1.000 0 1.000 0 1.000 0 1.000 0 1.000 0 1.000 0 1.000 01.000 070.000 0 0.978 8 0.928 1 0.838 9 0.765 2 0.950 8 0.990 8 0.986 30.989 560.000 0 0.948 2 0.828 9 0.642 6 0.506 6 0.868 5 0.977 2 0.966 70.974 250.000 0 0.928 7 0.769 9 0.539 8 0.386 9 0.818 5 0.968 5 0.954 10.964 440.000 0 0.914 5 0.728 7 0.474 1 0.316 6 0.783 3 0.962 0 0.944 90.957 130.000 0 0.903 3 0.697 5 0.427 6 0.269 8 0.756 2 0.956 9 0.937 50.951 420.000 0 0.894 1 0.672 5 0.392 4 0.236 3 0.734 5 0.952 7 0.931 50.946 610.000 0 0.886 3 0.651 9 0.364 6 0.210 9 0.716 4 0.949 1 0.926 40.942 6

图7 克拉2异常高压气藏储层物性随压降的变化曲线 Fig.7 Change curves of physical property under pressure

dropping in Kela 2 gas reservoir

由表2和图7可知，随着地层压力的降低(有效应力增大)，克拉2异常高压气藏平均渗透率减小的强度大于平均孔隙度的减少强度。当地层压力从70

MPa降到10 MPa时，地层的平均渗透率约减小30%；相比之下，孔隙度随着地层压力的降低幅度较小，约9%。

3.3 渗透率、孔隙度随有效应力增、减的变化规律

为了研究气井生产过程中开关井时，有效应力往复变化对渗透率和孔隙度的影响，这有助于选择合理的开采方式和确定有效的工作制度。通过对克拉205井7块岩样进行的覆压循环回路试验，即有效应力先增后减再增再减构成循环回路，观测岩样渗透率和孔隙度的下降和恢复情况(见图8，9)。试验结果表明，当有效应力由小增大时，储层渗透率和孔隙度由大变小，其下降幅度由大到小；当有效应力由大变小时，储层渗透率和孔隙度由小变大，即向原始值的方向恢复，但无法恢复到原来的数值水平。这主要是岩石变形中包含有部分塑性变形的缘故，使得储层岩石留下了部分不可恢复的永久变形。当有效应力再由小增大时，渗透率和孔隙度的下降变化曲线不能顺原路返回。

) f (sk/k

5

10

15

有效应力

/MPa 图8 储层渗透率随有效应力增减变化(K = 1.66 mD) Fig.8 Influence curves of permeability on effective stress

reciprocating change(K = 1.66 mD)

1.010 1.005 1.0000.995

) 0.990f (0.985sφ/φ0.980 0.975 0.970 0.9650.960

5

10

15202530

35

有效应力

/MPa

图9 储层孔隙度随有效应力增减变化(K = 1.64 mD) Fig.9 Influence curves of porosity on effective stress

reciprocating change(K = 1.64 mD)

为了定量描述了地层压力降低后，岩石出现永久塑性变形的特征，采用美国TERRATIK公司研制生产的全自动伺服拟三轴高温高压岩石变形–渗透

• 2092 • 岩石力学与工程学报 2008年

试验仪。取克拉2异常高压气藏典型岩样进行试验， 得到储层典型的全应力–应变曲线如图10所示。从图10中可以看出，随着有效应力的增加，岩石试样不仅在轴向产生变形，而且在径向方向产生变形，当卸载后岩样在这2个方向均产生了不可恢复的塑性变形，由此对岩石的渗流物性产生了伤害。

－0.010 －0.005

0.0000.0050.010 0.015 0.020

径向应变

轴向应变

图10 储层典型的全应力–应变曲线

Fig.10 Representative complete stress-strain curves of core

sample in Kela 2 gas reservoir

有效应力的增大和减小(或地层压力下降和恢复)所导致的岩石塑性变形现象，对异常高压气藏的生产有很重要的指导意义。若用大油嘴放喷时，会使近井区域造成明显的渗透率降低，气井反复多次改变工作制度会使气井产能发生不可逆的变化。从生产应用角度来说，对于低渗透高压气藏采用反复关井的方法虽然能够恢复地层压力，但每一轮次都会给渗透率带来不同程度的不可逆伤害，因此气井的产量会越来越低，对于像克拉2异常高压气藏这样的高压气藏来说，这种情况会更为典型。

4 结 论

针对克拉2异常高压气藏的储层物性的应力敏感试验与分析，得出如下主要结论：

(1) 初始渗透率越低，则应力敏感性越强，有效应力从10 MPa增大到50 MPa时，4种渗透率区间K＞3.0 mD，0.5 mD＜K≤3.0 mD，0.1 mD＜K≤0.5

mD，K≤0.1 mD的渗透率分别下降9%，29%，58%和70%。

(2) 随着地层压力的降低，克拉2异常高压气藏平均渗透率减小的强度大于平均孔隙度的减少强度。当地层压力从70 MPa降到10 MPa时，地层的

平均渗透率约减小30%；相比之下，孔隙度随着地层压力的降低幅度较小，约9%。

(3) 当有效应力由小增大时，储层渗透率和孔隙度由大变小。当有效应力由大变小时，储层渗透率和孔隙度由小变大，即向原始值的方向恢复，但无法恢复到原来的数值水平。

(4) 全应力–应变曲线展现了在有效应力的作用下岩石产生了的不可恢复的塑性变形，说明对储层物性造成的伤害是永久性的和不可逆的，这对异常高压气藏的生产有很重要的指导意义。因此，克拉2异常高压气藏在生产和测试等过程中必须严格控制生产压差，确保开发效果。 参考文献(References)：

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下期《岩石力学与工程学报》将主要发表下列内容的文章： (1) 四川汶川8.0级地震地表破裂与震害特点； (2) 开挖荷载释放的瞬态特性研究； (3) 统一强度理论的试验数据拟合及评价； (4) 卸荷条件下花岗岩力学特性试验研究； (5) 岩石卸围压强度特性研究；

(6) 南沙群岛珊瑚礁礁灰岩力学特性研究；

(7) 基于三维力学模型的大范围自然边坡稳定性的概率评价方法； (8) 深部围岩分区破裂化理论和实践——论坛交流与讨论； (9) 仪器设备研制。

下期内容预告