缝洞型碳酸盐岩储层开展地质条件下应力实验的必要性
——以四川盆地川中地区LY气藏为例

鄢友军 刘义成 徐 伟 邓 惠 罗文军

国家能源高含硫气藏开采研发中心

1 概述

在碳酸盐岩气藏衰竭开采过程中，随着气藏流体压力下降，净应力也会随之逐渐增大，这必然要引起岩石骨架和储集介质（孔隙、溶洞和裂缝）的变形，从而造成岩石孔隙结构的改变。这种变化将会较大地影响储层中流体的渗流能力。缝洞型碳酸盐岩储层又多发育交叉网状、扁平板状裂缝。裂缝开度低，溶蚀孔洞之间多为细小喉道沟通。在净应力增大过程中裂缝和细小喉道作为主要的渗流通道，其闭合将更大地影响流体的渗流能力[1]。因此在此类型储层气藏开发前期应当及时开展应力敏感性评价实验，以便能客观地了解在开采过程中，储层在净应力改变时孔喉喉道、溶洞和裂缝变形的过程，以及由此导致的储层渗流能力变化情况。

赖枫鹏等认为传统的应力敏感实验与地层真实情况存在较大差异，通过进行有/无孔隙内压力的三轴应力变形实验对比分析，推导出由三轴应力实验结果计算的渗透率变化的数学模型[2]。高树生等开展了震旦系灯影组四段气藏储层岩心的渗流实验，认为应力敏感和高速非达西效应是影响渗流的主要因素；王海洋等在进行深层致密双重介质气藏应力敏感实验分析后，发现高渗岩心应力敏感程度要高于低渗岩心[3]。徐新丽对含微裂缝的低渗储层进行应力敏感实验研究，得出该类储层岩心应力敏感程度很弱，不会造成产能的大幅度变化的结论[4]。这些国内应力敏感性研究结果表明：在气藏开采过程中，渗透率应力敏感性强弱与储层的压力和温度有较大的关系。然而，高温高压地层条件下，气藏在开采过程中，受到的净应力比常温常压或低压条件下更强，作为主要渗流通道的裂缝是否会产生更为显著的变形，连通孔洞的喉道是否会易于闭合、形成更多的封闭气，从而使得常温低压下的渗透率应力敏感性实验结果与地层高温高压条件下的结果存在明显的差异[5]等等，这些问题都不是仅能通过常规条件下的室内实验能解答的。因此，需要开展地层条件下的岩心应力敏感实验来明确研究区储层的应力敏感程度及对生产的影响。

四川盆地川中地区LY气藏为深层缝洞型碳酸盐岩气藏，缝洞发育明显，且非均质性较强(图1)。以此气藏储层为例进行高温高压条件与常温低压条件下的应力敏感实验并对实验结果进行对比，可以为是否有必要开展地层条件下应力敏感实验提供进一步的参考实例。

图1 储层岩心中的溶洞和裂缝

2 常规应力敏感实验结果

在勘探初期受实验条件的制约，川中地区LY气藏未能开展地层条件下的岩心应力敏感实验，只能是用常规中低压条件下应力敏感实验结果来推知其在高温高压条件下应力敏感的趋势。

实际气藏开发过程中上覆岩层压力基本维持不变，变化的主要是流体流动压力，为了更好模拟碳酸盐岩气藏开采过程中应力变化过程，常规中低压条件下的应力敏感实验采用变流体压力的方式来实现净应力的增长。实验过程首先测试流压30 MPa下岩心渗透率，然后按照流压从大到小测试不同净应力下岩心渗透率，绘制不同净应力下渗透率应力敏感曲线。

计算不同净应力下岩样渗透率的损失变化率的公式为：

式中D表示净应力增加过程中渗透率损失率；K0表示初始渗透率，mD；Km表示不同净应力下岩心渗透率，mD；

渗透率应力敏感性评价指标参照行业标准《SY/T 5358-2010 储层敏感性流动实验评价方法》中的渗透率应力敏感性损害程度评价指标。图2为依据变流压实验获得的归一化应力敏感曲线，可以看出，渗透率保持率与净应力呈幂函数关系，归一化应力敏感曲线拟合的幂指数约为-0.583。根据归一化后的应力敏感曲线拟合结果，不同净应力下渗透率与地层应力p的拟合关系为[6]：

图2 归一化后应力敏感曲线图

式中σs表示上覆岩层压力，MPa；p表示地层压力，MPa；C表示地层应力敏感常数。

将已知实验条件下的p=p0、K=K0带入公式（3），可求出常数项C，确定常规实验条件下LY气藏储层应力敏感数学模型为：

式中K0表示实验条件下测得的渗透率，mD；p0表示实验条件下的流动压力，MPa。

根据公式（3）建立的常规渗透率与地层条件下渗透率关系式，计算得到不同地层压降下渗透率损失率（图3）。随着气藏地层压力下降，渗透率损失逐渐增加，地层压力降至废弃压力10 MPa时应力敏感造成渗透率损失约为27%。

图3 储层岩心渗透率损失率曲线

同样根据上述的应力敏感模型，确定出储层覆压条件下的渗透率（即覆压渗透率）与常规渗透率换算关系。测试常规渗透率的净应力为2.0 MPa，LY气藏初始净应力约为64 MPa，根据应力敏感数学模型公式（3）得出：

式中Kc表示常规渗透率，mD。

即地层条件下的渗透率约为常规渗透率的13%。

但这是在未考虑到地层中实际上覆压力和流动压力以及温度的理论化结果。在地层高温高压条件下，气体黏度有所增加（实验测试的氮气55 MPa、110℃下氮气黏度约为0.032 mPags ，30 MPa、24℃时约为0.024 mPags，增加幅度约为33%），使得相同流速数值下渗透率略有增加；但考虑到开采过程中净应力的增大又可能使得缝洞型储层中的孔喉和裂缝闭合，造成的相同压差下流动性的减弱。这两方面的影响因素使得渗透率变化趋势相反，不能简单判定哪个因素的影响更大一些。

考虑到在实际地层中不仅是气相渗流的流态有可能发生变化（从远井到近井），气体的偏差系数、密度、黏度、相态都是在变化中[7]，常规应力敏感测试结果与高温高压地层条件应力敏感测试结果可能存在一定的差异[8]，所以针对碳酸盐岩缝洞型储层，应当开展高温高压条件下应力敏感实验，才能反映和分析实际地层中流体的流动特征，进而为现场生产措施的制定提供的较为真实依据。

3 地层条件下渗流实验的难点

目前常规条件下实验结果仍在大量应用于气藏的实际生产中，而地层条件下的流动实验开展较少，究其原因是因为：开展高温高压条件下渗流实验和进行渗流机理分析研究存在一些难点和困难，主要表现在以下几方面：①实验仪器要求高，实验仪器要求能在高温高压条件下工作，对实验仪器和配件的磨损率较高（图4）。②在计量时误差控制难度大，为了安全和耐压，通常仪器的管线和仪器壁面都做得比较厚，有效体积小，这样就带来了较大的计量误差，精度难以保证。③实验流程设计和操作要求高，高温高压条件下渗流分析实验的规范尚在摸索中。其中任何一个步骤失误都有可能使实验失败。④实验周期长，对实验操作人员技术要求较高，实验失败率也较高。为了完成一次实验，除了准备和收尾工作外，由于岩心低渗透或致密的影响，实验过程比较漫长，不同岩样的岩性、类型都相同，需要先期进行摸索找到一些规律性的操作经验，才能开展进一步的实验。

图4 高温高压流动实验过程中套筒与密封圈损坏情况照片

4 地层条件下应力敏感实验及分析

LY气藏储层高温高压条件下应力敏感实验装置使用改进的TC-180型气藏超高压多功能驱替系统（图5）。该装置选用高精度的计量器具和耐温耐压配件，提高实验仪器高温高压下适应能力，改进了高温高压流动实验流程，减少管线长度和人为测试误差。

图5 应力敏感实验装置流程图

利用该仪器测试地层条件下的岩心渗透率，与常规条件下测试结果进行对比（表3）。从表3中的对比结果可以看出，地层条件下的岩心渗透率与常规条件下测试结果的比值均小于0.132 6。这就说明，在地层条件下储层流体的渗流能力变化与常温中低压条件下测试的变化规律有明显的差别。依据常规条件下测试出的数据经理论推导的结果（Km=0.132 6 Kc）并不能代表在地层条件下渗透率变化的趋势。鉴于此，为了能真实地掌握地层条件下气藏开采时储层应力敏感的程度，有必要开展地层条件下的储层岩心应力敏感实验。

地层条件下应力敏感实验的岩样为LY气藏的缝洞型和孔洞型全直径岩心，实验压力为：上覆压力135 MPa，初始孔隙压力为55 MPa，以孔隙压力10 MPa为废弃压力点。实验温度为110℃。实验参考行业标准《SY/T 5358-2010储层敏感性流动实验评价方法》和《SY/T 6385-2016覆压下岩石孔隙度和渗透率测定方法》的规定及行业内研究人员的实验方法[5,9-16]进行。通过改变（降低或升高）岩心内流动压力的实验方法来模拟储层衰竭式开采过程中受到的净应力变化情况[2]。由于储层岩石骨架具有塑/弹性的变形，并且实际生产过程中存在反复开关井的情况，因此考虑将回路最终恢复点的不可逆损害值作为应力敏感伤害评价值。

从应力敏感结果（表4）中可以得知，孔洞型岩心和缝洞型岩心渗透率应力敏感结果都为中等（偏强或偏弱）。从归一化的岩心应力敏感实验曲线中可以看到（图6）：随着净应力的升高，两类岩心渗透率呈逐渐下降的趋势。当净应力增加到最大净应力125 MPa时，渗透率达到过程1曲线的最低值。回路过程2的渗透率最终恢复到初始值的57%左右，即不可逆损害率约为43%，储层应力敏感性总体表现为中等偏弱。从岩心渗透率应力敏感分析结果可以看出，在地层条件下储层的应力敏感性无论是在净应力增加还是减少方向，应力敏感伤害程度比常温中、低压条件下测得的结果都高。

5 储层应力敏感程度对气井产能的影响

根据国内外研究人员在理论和实验方面对渗透率应力敏感进行的深入研究[5,17-19]，并结合以上实验的结果，得到岩心渗透率随净应力的变化规律，用指数关系式的方式来表现：

表3 实测不同条件下岩心渗透率对比

表4 全直径岩心渗透率应力敏感实验结果对比

图6 地层条件下应力敏感实验岩心渗透率保持率与净应力关系图

式中K表示储层当前渗透率，mD；Ki表示原始地层压力下的渗透率，mD；pi表示原始地层压力，MPa；αk表示应力敏感系数，MPa-1。

其中αk由实验数据获得，其物理意义为净应力改变时对应渗透率变化的百分数。αk越大，应力敏感性越强。LY气藏高温高压条件下岩心应力敏感实验结果计算得到储层的应力敏感系数（αk）平均值为0.026 1，而常规中低压应力敏感实验结果得到的αk为0.021 7，将公式（5）渗透率表达式代入到考虑应力敏感对产能影响的多重介质稳态产能方程中去。得到这两种不同应力敏感系数对产能的影响分析结果（图7）。

LY气藏M31井缝洞型储层为主力产层。从考虑应力敏感影响的气井产能随井底流压变化的模拟曲线可以看出（图7）：高温高压条件下应力敏感性比常规中低压条件的结果对产能的影响更大。应力敏感为中等时，当气井生产压差（井底流压的下降值）大于20 MPa，应力敏感影响较为明显，气井产能损失逐渐加大，气井产能降幅在15%以上。而常温中低压条件下得到应力敏感性为弱的结果，那么随着开采的深入，加大生产压差对产能影响小，气井生产压差大于24 MPa左右才能看到相似的明显影响。因而可能会误导生产，提高生产压差，使气井受到不必要的应力敏感伤害，减少产能，甚至使后续增产稳产措施失效。所以，只有开展地层条件下的应力敏感实验研究，综合气藏储层的实际情况进行分析，才能认清应力敏感对生产的真实影响，制定合理的配产制度。

图7 LY-M31井应力敏感对产能的影响对比分析图

6 结论

通过LY气藏高温高压地层条件下和常温中低压条件的岩心应力敏感性实验结果进行对比，并分析不同应力敏感系数下产能变化的情况可以得出以下结论：

1）采用地层条件下得到的应力敏感系数与常规实验的结果差异明显，如果按常规应力敏感实验的结果指导生产，可能会误导生产措施的制定带来不可挽回的后果，因此有必要开展缝洞型碳酸盐岩储层应力敏感实验研究，才能为渗流特征和生产动态研究提供更为准确的参考依据。

2）缝洞发育的LY气藏碳酸盐岩储层总体表现为中等强度应力敏感特征，生产压差增加到20 MPa后，随着应力敏感性的增加，产能损失较为明显。为了避免在应力较集中的井筒附近产生更大的伤害，在衰竭式开采初期应适当控制井底压力和产量。

3）一些深层碳酸盐岩气藏储层中存在束缚水，建议在实验分析中需要考虑束缚水带来的影响，开展含束缚水的地层条件流动实验，更能反映气藏流体的真实流动特征。