摘要：对于低渗透储层岩石而言，基于岩石受力变化后发生线弹性变形的假设与实验结果并不相符。为此，采用CMS300覆压测试、岩石力学性质测试、压汞以及铸体薄片观察等实验手段对低渗透储层岩石覆压变形特征进行分析，结果发现实验岩样在应力增大的整个过程中发生的是软塑性变形-弹性变形-塑性变形过程。低渗透岩石在覆压实验中表现出的强应力敏感性是由其变形特征决定的，岩石在覆压增大的初始阶段发生微量软塑性变形是造成渗透率大幅下降的主要原因，其与低渗透岩石的泥质及胶结物含量较高、孔喉通道狭窄有关。基于实验研究结果，定义了新的岩石应力敏感系数来表达渗透率与有效覆压的关系，与实验数据有更好的相关性，并且能够方便地将任意常规岩样渗透率转换成储层条件下的渗透率，具有实际的工程应用价值。

关键词：低渗透储集层；岩石；上覆岩层压力；变形特征；应力敏感；渗透率；实验

    在研究变形介质油气渗流理论时，大多引入渗透率模量的概念，采用指数式来表达渗透率与压力的关系，这是基于岩石受力变化后发生线弹性变形的假设提出的。然而对于低渗透储层岩石，这种假设与实验结果并不相符，无法合理解释实验现象。笔者采用CMS300覆压测试、岩石力学性质测试、压汞以及铸体薄片观察等实验手段对低渗透储层岩石覆压变形特征进行分析，解释了低渗透储层岩石在覆压实验中表现出强应力敏感性的原因。

    目前研究者在研究变形介质油气藏渗流理论时，大多数文献^[1～7]都采用了指数形式的渗透率变化式：

    K(p)=K₀exp[-α_k(p₀-p)]    (1)

式(1)形式简单，能够很方便地结合渗流微分方程推导出产能公式，因而得到了广泛的应用。关于式(1)的来由，是先定义一个理论参数——渗透率模量(α_k)：

 

    对式(2)积分就可得到式(1)。NUr A.和Yilmaz^[8]较早提出了α_k的定义，他们在1985年定义了α_k的表达式，并假设其保持常数，以处理渗流模型中的非线性问题，在很大程度上它是一个理论概念，主要应用于理论产能公式研究。

    对α_k表达式进行分析，可发现它与岩石压缩系数具有相似的形式和物理意义，是基于岩石受力变化后发生线弹性变形的假设提出的，其中有两点局限性：①完全把渗透率当成一个几何参数来处理，而没有考虑到渗透率实际上是一个功能参数，不但与岩石的性质和结构有关而且也与渗流过程中的流体密切相关；②对于低渗透岩石来说，假设为常数(即变形为线弹性变形)与实验结果不相符，采用指数式来回归实验数据时，数据的相关性不是很理想。

    储层岩石是一种特殊的多孔介质，它不是由单一的物质均匀构成，而是由岩石颗粒、岩屑、泥质、胶结物组合构成，岩心在钻切加工过程中，也会因受到外力冲击而影响其结构。对于低渗透储层岩石来说，其泥质及填隙物含量较高，颗粒分选性差，孔喉通道狭窄，使其受力后发生的并不是线弹性变形。由于构成岩石的这几种成分强度不同，在受力增大过程中，最先被挤压的是较软的泥质填充物，使得喉道及微裂隙变小或被完全堵塞，接着发生变形的是胶结物，最后发生变形的是强度最大的岩石颗粒。

   低渗透岩石覆压实验中发生的并非理想的线弹性变形，可以通过一系列实验来证实。

   图1是采用CMS300测得的低渗透岩石渗透率与有效覆压关系曲线。从图1可看出：①岩样初始渗透率(K_0’越低，渗透率在有效覆压增加的过程中的下降幅度越大；②渗透率在有效覆压增大的初始阶段下降幅度最大，覆压降低后渗透率不能完全恢复，说明岩样在实验过程中发生了微量的软塑性变形。)

 

    图2是采用增加围压与降低孔隙压力两种方法所测得的岩石孔隙压缩系数与应力的关系曲线。从图2中可以看出是变化值而非固定值，初始值很高，随着围压增大、孔隙压力减小，下降很快，围压、孔隙压力达到一定值后，变化不大，保持稳定，这表明在实验过程中岩石发生的并非理想的线弹性变形。

    图3是采用三轴岩石力学测试系统得到的岩石应力-应变关系曲线。从图3-a可以看出：在应力增大的初始阶段，岩石发生的变形较大，有一定软塑性变形，随着轴向应力增大(超过30MPa)，逐渐过渡到稳定的弹性变形阶段，超过弹性极限后，岩石进入塑性变形阶段，最终破坏失稳。从图3-b则可以更明显地看出岩石在围压增大的初始阶段变形较大，整个变形过程不是线弹性变形过程。

 

    陈颐先生在岩石物理学^[9]中指出图4曲线表示了大多数岩石的本构关系。通过前面的实验分析，可得知低渗透储层岩石的变形过程符合图4所示的本构关系，其变形过程为：软塑性变形-弹性变形-塑性变形。由于一般应力敏感测试的围压不超过100MPa，未超过岩石的弹性极限，因此在应力敏感测试过程中岩样发生的变形过程为：软塑性变形-弹性变形过程。

 

    图4中的OA段变形是岩石的软塑性变形阶段，这一梯度，反映在围压-渗透率关系曲线和围压循环渗透率关系曲线上则表现为：渗透率下降幅度大稳围压松弛后渗透率恢复率不高，因此可知低渗岩石的应力敏感性与其变形特征是密切相关的。岩石在受力初始阶段发生的软塑性变形越强，其应力敏感性越强。

    低渗透岩石的变形特征主要受孔隙结构和岩石成分的影响，可以通过压汞实验和铸体薄片观察进行对比分析。

2.3.1 孔隙结构的影响

    T₆(K_0’=12.62×10^-3μm²，φ₀=14.8%)和T₇(K_{0’μm²，φ0=3.7%)是孔渗参数差}=0.079×10^-3异较大的两块岩样。从岩样的孔径分布图与覆压渗透率变化曲线(图5、6)可以看出：对于低孔低渗透岩样，小孔径占了绝大多数，在覆压实验中，小孔道一旦受到压缩发生塑性变形就会严重丧失渗流功能，导致岩样的渗透率大幅下降，表现出较强的应力敏感性。

 

2.3.2 岩石成分影响

    岩石受力过程中，最先发生变形的是泥质和胶结物，这些物质的含量越高，岩石发生软塑性变形的程度越大，则岩石在覆压实验中渗透率的下降幅度越大。对T₈和T₉两块岩样进行铸体薄片观察(图7)，得知T₉的填隙物含量和泥质含量均高于T₈(物性参数见表1)，从图8可知T₉的应力敏感性强于T₈。对于不同的油气藏，因成藏过程不同，其岩石成分有较大差异，因而应力敏感性也会存在差异。

 

   从前面的分析得知低渗透储层岩石在覆压实验中发生的不是理想线弹性变形，因而按指数式拟合实验数据相关性不是最佳。为了能更好地利用实验数据，并将其与油气藏工程相结合，笔者提出一种新的应力敏感评价指标表征低渗透岩样渗透率与有效覆压的关系^[10～11]：

通过实验数据分析，得到应力敏感评价指标(Sp)与岩心初始渗透率(K_{0’为乘幂关系：})

 结合式(3)和式(4)，可以推导出任意初始渗透率与有效覆压的关系式为：

 

   大量实验数据表明：与指数式相比，这种表达式与实验数据有更好的相关性(多数相关系数超过0.99)。目前常规岩样孔渗都是在地面低围压条件下所测得，利用式(5)一方面可将岩样常规渗透率转换成原始储层条件下的渗透率，对原始储层物性作出正确评价，另一方面可以计算储层渗透率在开发过程中的动态变化规律，具有实际的工程应用价值。

    需要说明的是由于受力变化范围不同，油气储层的应力敏感性与岩样在覆压实验中表现出的应力敏感性是不一样的。储层受到原始上覆压力的影响，其有效覆压变化范围并不是从0MPa开始的，因而虽然低渗透岩心在覆压实验中表现出很强应力敏感性，但低渗透储层在油气藏条件下并不一定存在很强的应力敏感性。对于常压油气藏来说，以2000～4000m埋深的储层为例，其有效覆压变化范围为30.0～100.0MPa，可以判断在生产过程中，储层发生的主要是弹性变形，应力敏感的影响不会很大；对于异常高压油气藏，由于其储层所受的初始有效覆压较低，可能要经历初期的塑性变形阶段，在生产过程中需要考虑应力敏感的影响，-地层压力系数越高，其所受的应力敏感影响程度越大。

    1) 低渗透岩石的应力敏感性强于中高渗透岩石，这是由低渗透岩石在覆压实验中的变形特征决定的，由于泥质及胶结物含量高，孔喉通道狭窄，低渗透岩石的变形特征为：软塑性变形-弹性变形-塑性变形，而非理想的线弹性变形。

    2) 基于实验研究结果，定义了新的岩石应力敏感系数来表达渗透率与有效覆压的关系，其与实验数据有更好的相关性，并能够方便地将岩心常规渗透率转换成储层条件下的渗透率，以便对储层及油气井产能作出客观准确的评价，具有实际的工程应用价值。

K₀为原始地层压力p₀下的渗透率，10^-3μm²；K(p)为地层孔隙压力为p时的渗透率，10^-3μm²；α_k为渗透率模量，MPa^-1；S_p为曲线斜率的绝对值，表示应力敏感程度；K_{0’为有效覆压为σeff0时的渗透率，即岩心初始渗透率(或常规渗透率)，10^-3μm²；φ0为岩石常规孔隙度；K为有效覆压为σeff(即孔隙压力为p)时的渗透率，10^-3μm²；c、n为拟合系数；pc为实验中为围压，储层条件时为储层上覆压力，MPa；p为孔隙压力(地层压力)，MPa；α为有效应力系数，在低渗透砂岩储层条件下其取值范围为0.9～0.98。}

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(本文作者：罗瑞兰¹ 程林松² 李熙拮¹ 朱华银¹ 万玉金¹ 1.中国石油勘探开发研究院廊坊分院；2.中国石油大学(北京)石油天然气工程学院)