摘 要

摘　要：目前國內外對低滲透儲層巖石滲透率應力敏感性的評價方法主要是以巖心實驗為主，而實驗條件與實際地層條件有較大的差別。為此，運用巖石力學理論對儲層上覆巖層進行力學分

摘　要：目前國內外對低滲透儲層巖石滲透率應力敏感性的評價方法主要是以巖心實驗為主，而實驗條件與實際地層條件有較大的差別。為此，運用巖石力學理論對儲層上覆巖層進行力學分析，建立了儲層開發(fā)過程中上覆巖石壓力的計算方法，提出了儲層上覆巖石壓力修正系數。研究結果表明：目前關于儲層上覆巖石壓力的計算方法是按照流體力學的傳壓方式，適用于研究對象是流體或者研究區(qū)域無窮大，而實際儲層之上的地層均為具有抗彎、抗剪能力的巖石，具有相互的約束力，并且氣井在生產過程中壓降漏斗是有限的，即上覆巖石壓力是作用在限壓力降區(qū)域，故而上覆巖石壓力的計算公式存在較大誤差，從而導致應力敏感評價誤差較大；所提出的修正系數表示儲層上覆巖層本身所具有的抗彎及抗剪強度，并對儲層多孔介質的有效應力進行了修正；現行的實驗過程中，巖石圍壓始終保持在一個恒定值并壓在巖心上，這與實際地層情況不符，實驗結果在一定程度上夸大了應力敏感的影響。

關鍵詞：儲集層 上覆巖石壓力 巖石圍壓 應力敏感 有效應力 壓力修正系數 評價 觀點

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

目前國內外對低滲透儲層巖石滲透率應力敏感性的研究已有很多^[1-9]，應力敏感的評價方法主要是以室內巖心實驗為主，而室內實驗條件與實際地層條件有較大的差別，最大的差別體現在實驗中巖心的圍壓，也就是開發(fā)過程巾儲層上覆壓力的計算方法。筆者依據巖石力學理論對上覆巖層進行力學分析，建立了儲層開發(fā)過程中上覆壓力的計算方法，指出了目前應力敏感評價方法的誤差，對評價油氣藏開發(fā)過程中的應力敏感問題具有一定的指導意義。

1　上覆巖石壓力分析

本文參考文獻[1，2，10-13]提出關于儲層上覆巖石壓力的計算公式為：

P_R = P_air + ρ_rgh                       (1)

式中P_air為大氣壓，MPa；ρ_r為上覆巖石的密度，kg／m³；h為儲層的深度，m。

如果研究的對象是流體，或者研究區(qū)域無窮大，這個結論是對的。而實際研究的對象是具有抗彎、抗剪能力的巖石，上覆各巖層都受到相互約束力的作用，并且氣井在生產過程中壓降漏斗是有限的，即上覆壓力是作用在限壓力降區(qū)域，因此，上覆巖石的自身重力可以被巖石的內應力相互抵消一部分(圖1)。

 

對上覆巖層進行力學分析(圖2)，上覆巖層可以通過巖石的本身抗彎、抗剪的內力平衡巖石自身的重力，巖石的內力可以分解為水平方向與垂直方向的力，垂向上的分力，巖石的重力Pv＝ζsinθ=G_R、巖石內力以及下方的支撐力在垂向上滿足關系式：

P′_R + ζsinθ =  G_R             　　          (2)

式中G_R為巖層的重力，MPa；P′_R為巖層下方支撐力，MPa；ζ為巖石內力，MPa。

 

可見，儲層之上的所謂上覆壓力，并不是完全靠儲層來平衡，在巖石內力平衡巖層自身重力的過程中，巖石內力也不是恒定的，在巖石內力達到自身的破裂壓力之前，內力是可以隨巖石所受凈載荷的增大而增大的，如圖3所示。

 

根據圖3，巖石所受載荷P₁、P₂存在關系式：

P₁﹥　P₂                 (3)

根據巖石受力平衡關系式：

P′_R1 + ζ₁sinθ =  P₁                           (4)

P′_R2 + ζ₂sinθ =  P₂                           (5)

兩式相減，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)

從式(7)可以看出，巖石內應力可以隨著載荷的增大而增大，增加的載荷并不能完全作用下方的支撐上。

在考慮上覆各巖層內應力時，上覆巖層產生的向下的作用力為巖石自身的重力與巖石內應力的合力，該合力可以表示為：

P′_Ri =ρ_righ_i–ξ_i        (i=1,2,3,…,n)   　　   (8)

式中P′_Ri為各巖層的向下作用力，MPa；ξ_i為各巖層向上的內應力，MPa；ρ_ri為各巖層的密度，kg／m³；h_i為各巖層的厚度，m。

根據式(8)可以看出，如果ξ_i≥ρ_righ_i則巖層自身的重力將完全被內應力平衡，不會產生向下的作用力；如果手：ξ_i<ρ_righ_i，則內應力ξ_i只能平衡一部分的重力作用，因此，儲層的上覆巖層壓力不能簡單的采用P_R=P_air+ρ_rgh來計算。

2　上覆巖石壓力修正系數

對于投產目的層段的有效儲層來說，上覆巖石壓力應為地層中各巖層合力的疊加，表達式為：

 

 

根據式(10)可以看出，在初始狀態(tài)時巖石天然應力處于平衡狀態(tài)，可以認為ω＝l，而當巖石中力學平衡體系發(fā)生變化之后，上覆巖石壓力系數面的取值為0<ω<1，可見在巖石內應力的作用下，有效儲層上覆巖石壓力大大低于上浮巖石自身的重力。

因此，在油氣藏開發(fā)的過程中，隨著孔隙流體壓力的降低，儲層所承受的上覆壓力并不是恒定不變的，即儲層骨架顆粒所承受的有效應力的變化小于孔隙流體壓力的變化。

3　實驗方法的誤差

目前應力敏感實驗裝置如圖4所示，巖心徑向加圍壓方向與橡膠筒接觸，軸向上通過剛性柱塞加流體壓差^{[1，14-16]}。

 

這種實驗裝置的誤差在于巖心在由橡膠制成的巖心套中受壓變形，如圖5所示，流體壓力P₁>P₂>P₃，而巖心的圍壓始終為P保持不變，導致巖心尺寸在實驗過程中發(fā)生較大改變P₁>P₂>P₃。在真實儲層中由于上覆巖層的內力可以屏蔽大部分的上覆壓力，上覆壓力不會直接作用于有效儲層中，而試驗中的圍壓是恒定不變的加在橡皮套筒上，而橡皮套筒抗彎性很弱，導致巖心所受到的壓力很大。因此，目前的實驗結果夸大了應力敏感的影響。

 

4　結論

1)通過對儲層上覆巖層進行力學分析得出，目前關于上覆巖石壓力的計算方式適用于研究對象是流體或者研究區(qū)域無窮大，而實際儲層之上的巖石均為具有抗彎、抗剪能力的巖石，上覆各巖層都受到構造應力的作用，并且氣井在生產過程中壓降漏斗是有限的，即上覆壓力是作用在限壓力降區(qū)域，因此，儲層上覆巖石壓力的計算公式存在較大誤差。

2)通過對儲層上覆巖石進行力學分析，提出了儲層上浮巖石壓力修正系數，該修正系數表示儲層上覆巖層所受構造應力及抗彎及抗剪強度。

3)通過對目前應力敏感實驗方法的分析表明，在實驗的過程中巖石圍壓是始終保持在一個恒定值壓在巖心上，與實際地層情況不符，實驗結果夸大了應力敏感的影響。

 

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本文作者：李樂忠  李相方

作者單位：中海石油氣電集團技術研發(fā)中心

中國石油大學石油丁程教育部重點實驗室