摘 要：目前国内外对低渗透储层岩石渗透率应力敏感性的评价方法主要是以岩心实验为主，而实验条件与实际地层条件有较大的差别。为此，运用岩石力学理论对储层上覆岩层进行力学分析，建立了储层开发过程中上覆岩石压力的计算方法，提出了储层上覆岩石压力修正系数。研究结果表明：目前关于储层上覆岩石压力的计算方法是按照流体力学的传压方式，适用于研究对象是流体或者研究区域无穷大，而实际储层之上的地层均为具有抗弯、抗剪能力的岩石，具有相互的约束力，并且气井在生产过程中压降漏斗是有限的，即上覆岩石压力是作用在限压力降区域，故而上覆岩石压力的计算公式存在较大误差，从而导致应力敏感评价误差较大；所提出的修正系数表示储层上覆岩层本身所具有的抗弯及抗剪强度，并对储层多孔介质的有效应力进行了修正；现行的实验过程中，岩石围压始终保持在一个恒定值并压在岩心上，这与实际地层情况不符，实验结果在一定程度上夸大了应力敏感的影响。
关键词：储集层 上覆岩石压力 岩石围压 应力敏感 有效应力 压力修正系数 评价 观点
Error analysis of experimental evaluation methods for stress sensitivity of reservoirs
Abstract：The current evaluation methods at home and abroad for the stress sensitivity of low-permeability reservoirs are mainly dorainated by core experiments．However，there is a great difference between experimental conditions and actual forillation conditions．Therefore，the rock mechanics theory is used to make a dynamic analysis of the reservoir overlying rocks；the calculation method is established of the overlying rocks’stress in the process of reservoir development；0n this basis，such a correction factor is pre8ented．According to this study，the current calculation method of overlying rock pressure is in accordance with the fluid mechanics and is fitfor studies with fluids as an objective or those with an infinite field．But in reality，those overlying rocks with mutual binding forcehave a high resistance to flexure and shearing strength．Moreover，the pressure conductive ability is limited in the gas well production process，namely，the overlying rock pressure only affects the pressure drop in a limited area． As aresult，a great error occurs in this calculation method，leading to a rather big error in the stress evaluation system．The referred correction factor indicates the resistance of the overlying rocks to flexure and shearing strength，with correction also to the effective stress of porous media：but in the actual experiment，the rock confining pressure is always imposed on the core at a stable value，which is inconsistent with that of the really existed bed rocks．In this respect，the experimental results exaggerate the effect of stress sensitivity to some extent．
Key words：reservoir，overlying rock pressure，rock confining pressure，stress sensitivity，effective stress，pressure correction factor，evaluation，viewpoint
目前国内外对低渗透储层岩石渗透率应力敏感性的研究已有很多[1-9]，应力敏感的评价方法主要是以室内岩心实验为主，而室内实验条件与实际地层条件有较大的差别，最大的差别体现在实验中岩心的围压，也就是开发过程巾储层上覆压力的计算方法。笔者依据岩石力学理论对上覆岩层进行力学分析，建立了储层开发过程中上覆压力的计算方法，指出了目前应力敏感评价方法的误差，对评价油气藏开发过程中的应力敏感问题具有一定的指导意义。
1 上覆岩石压力分析
本文参考文献[1，2，10-13]提出关于储层上覆岩石压力的计算公式为：
PR = Pair + ρrgh (1)
式中Pair为大气压，MPa；ρr为上覆岩石的密度，kg／m3；h为储层的深度，m。
如果研究的对象是流体，或者研究区域无穷大，这个结论是对的。而实际研究的对象是具有抗弯、抗剪能力的岩石，上覆各岩层都受到相互约束力的作用，并且气井在生产过程中压降漏斗是有限的，即上覆压力是作用在限压力降区域，因此，上覆岩石的自身重力可以被岩石的内应力相互抵消一部分(图1)。
对上覆岩层进行力学分析(图2)，上覆岩层可以通过岩石的本身抗弯、抗剪的内力平衡岩石自身的重力，岩石的内力可以分解为水平方向与垂直方向的力，垂向上的分力，岩石的重力Pv＝ζsinθ=GR、岩石内力以及下方的支撑力在垂向上满足关系式：
P′R + ζsinθ = GR (2)
式中GR为岩层的重力，MPa；P′R为岩层下方支撑力，MPa；ζ为岩石内力，MPa。
可见，储层之上的所谓上覆压力，并不是完全靠储层来平衡，在岩石内力平衡岩层自身重力的过程中，岩石内力也不是恒定的，在岩石内力达到自身的破裂压力之前，内力是可以随岩石所受净载荷的增大而增大的，如图3所示。
根据图3，岩石所受载荷P1、P2存在关系式：
P1 ﹥ P2 (3)
根据岩石受力平衡关系式：
P′R1 + ζ1sinθ = P1 (4)
P′R2 + ζ2sinθ = P2 (5)
两式相减，可以得m：
P′R1 - P′R2 =( P1 - P2) - ( ζ1sinθ - ζ2sinθ) (6)
由于ζ1>ζ2，即
(P′R1 - P′R2) < ( P1 - P2) (7)
从式(7)可以看出，岩石内应力可以随着载荷的增大而增大，增加的载荷并不能完全作用下方的支撑上。
在考虑上覆各岩层内应力时，上覆岩层产生的向下的作用力为岩石自身的重力与岩石内应力的合力，该合力可以表示为：
P′Ri =ρrighi–ξi (i=1,2,3,…,n) (8)
式中P′Ri为各岩层的向下作用力，MPa；ξi为各岩层向上的内应力，MPa；ρri为各岩层的密度，kg／m3；hi为各岩层的厚度，m。
根据式(8)可以看出，如果ξi≥ρrighi则岩层自身的重力将完全被内应力平衡，不会产生向下的作用力；如果手：ξi<ρrighi，则内应力ξi只能平衡一部分的重力作用，因此，储层的上覆岩层压力不能简单的采用PR=Pair+ρrgh来计算。
2 上覆岩石压力修正系数
对于投产目的层段的有效储层来说，上覆岩石压力应为地层中各岩层合力的叠加，表达式为：
根据式(10)可以看出，在初始状态时岩石天然应力处于平衡状态，可以认为ω＝l，而当岩石中力学平衡体系发生变化之后，上覆岩石压力系数面的取值为0<ω<1，可见在岩石内应力的作用下，有效储层上覆岩石压力大大低于上浮岩石自身的重力。
因此，在油气藏开发的过程中，随着孔隙流体压力的降低，储层所承受的上覆压力并不是恒定不变的，即储层骨架颗粒所承受的有效应力的变化小于孔隙流体压力的变化。
3 实验方法的误差
目前应力敏感实验装置如图4所示，岩心径向加围压方向与橡胶筒接触，轴向上通过刚性柱塞加流体压差[1，14-16]。
这种实验装置的误差在于岩心在由橡胶制成的岩心套中受压变形，如图5所示，流体压力P1>P2>P3，而岩心的围压始终为P保持不变，导致岩心尺寸在实验过程中发生较大改变P1>P2>P3。在真实储层中由于上覆岩层的内力可以屏蔽大部分的上覆压力，上覆压力不会直接作用于有效储层中，而试验中的围压是恒定不变的加在橡皮套筒上，而橡皮套筒抗弯性很弱，导致岩心所受到的压力很大。因此，目前的实验结果夸大了应力敏感的影响。
4 结论
1)通过对储层上覆岩层进行力学分析得出，目前关于上覆岩石压力的计算方式适用于研究对象是流体或者研究区域无穷大，而实际储层之上的岩石均为具有抗弯、抗剪能力的岩石，上覆各岩层都受到构造应力的作用，并且气井在生产过程中压降漏斗是有限的，即上覆压力是作用在限压力降区域，因此，储层上覆岩石压力的计算公式存在较大误差。
2)通过对储层上覆岩石进行力学分析，提出了储层上浮岩石压力修正系数，该修正系数表示储层上覆岩层所受构造应力及抗弯及抗剪强度。
3)通过对目前应力敏感实验方法的分析表明，在实验的过程中岩石围压是始终保持在一个恒定值压在岩心上，与实际地层情况不符，实验结果夸大了应力敏感的影响。
参考文献
[1] 张李．考虑应力敏感影响的气藏数值模拟研究[D]．成都：西南石油大学，2007．
ZHANG Li．The numerical simulation study that considering affect of stress sensitive[D]．Chengdu：Southwest Petroleum University，2007．
[2] 罗瑞兰．对“低渗透储层不存在强应力敏感”观点的质疑[J]．石油钻采工艺，2006，28(2)：78-80．
LUO Ruilan．The question that no stress sensitive in low permeability formation[J]．Oil Drilling and Production Technology，2006，28(2)：78-80．
[3] 李传亮．低渗储层不存在应力敏感[J]．石油钻采工艺，2005，27(4)：61-63．
LI Chuanliang．There is no stress sensitive in low permea bility formation[J]．Oil Drilling and Production Technology，2005，27(4)：61-63．
[4] 罗瑞兰，朱华银．岩石应力敏感对苏里格气井的影响[J]．天然气技术，2008，2(6)：19-21．
LUO Ruilan，ZHU Huayin．The affect of stress sensitive to production in Sulige gas field[J]．Natural Gas Technology，2008，2(6)：19-21．
[5] 杨滨，姜汉桥，陈民锋．应力敏感气藏产能方程研究[J]．西南石油大学学报：自然科学版，2008，30(5)：158-160．
YANG Bin，JIANG Hanqiao，CHEN Minfeng．The deliverability equation study of stress sensitive gas reservoir[J]．Journal of Southwest Petroleum University：Science& Technology Edition，2008，30(5)：158-160．
[6] 李传亮．岩石应力敏感指数与压缩系数之间的关系式[J]．岩性油气藏，2007，19(4)：95-97．
LI Chuanliang．The relationship of rock stress sensitive in dex and compression factor[J]．Lithologic Reservoir，2007，19(4)：95-97．
[7] 窦宏恩，白喜俊．低渗储层和高渗储层都存在应力敏感[J]．石油钻采工艺，2009，3l(2)：121-123．
DOU Hongen，BAI Xijun．There is stress sensitive both in low permeability and high permeability formation[J]．Oil Driling and Production Technology，2009，31(2)：121-123．
[8] 宋艳波．低渗气藏岩石变形渗流机理及应用研究[D]．北京：中国地质大学(北京)，2005．
SONG Yanbo．The study of filtration mechanics and Application in low permeability gas reservoir[D]．Beijing：China University of Geosciences，2005．
[9] 郝斐，张公社，程林松，等．携液气井产能方程研究[J]．天然气工业，2006，26(6)：92-94．
HAO Fei，ZHANG Gongshe，CHENG Linsong,et al．Study on production equation about gas well with liquid[J]．Natural Gas Industry，2006，26(6)：92-94．
[10] FATT l．Pore volume compressibilities of sandstone reservoir rocks[J]．Journal of Petroleum Technology，1958，10(3)：64-66．
[11] Van der KNAAP W．Nonlinear behavior of elastic porous media[J]．Trans．AIME，l959，216：l79-187．
[12] HUBBERT M K，RUBEY W W．Role of fluid pressure in mechanics of ovderthrust faulting[J]．Bulletin Geological Society of America，1960，70：ll5-205．
[13] 吴凡，孙黎娟，乔国安，等．气体渗流特征及启动压力规律的研究[J]．天然气a业，2001，21(1)：82-84．
WU Fan，SUN Lijuan，QIAO Guo’an，et al．The study of gas filtration feature and threshold pressure law[J]．Natural Gas industry，2001，21(1)：82-84．
[14] 张卫国．气藏开发过程中渗流可逆性研究[J]．天然气工业，2007，27(6)：15-29．
ZHANG Weiguo．The study of filtration reversibility in the gas reservoir developing process[J]．Natural Gas In dustry，2007，27(6)：l5-29．
[15] LADE P V，BOER R D．The concept of effective stress for soil，concrete and rock[J]．Geotechnique，1997，47(1)：61-78．
[16] 孙来喜，李成勇．低渗透气藏应力敏感与气井产量分析[J]．天然气工业，2009，29(4)：74-76．
SUN Laixi，LI Chengyong．Strees sensitivity effect of low permeability gas reservoirs and production analysis of gas wells[J]．Natural Gas Industry，2009，29(4)：74-76．
本文作者：李乐忠 李相方
作者单位：中海石油气电集团技术研发中心
中国石油大学石油丁程教育部重点实验室
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