储层应力敏感性试验方法和评价指标探讨

本文格式为Word版，下载可任意编辑——储层应力敏感性试验方法和评价指标探讨储层应力敏感性评价试验方法与评价指标探讨?

兰林康毅力陈一健杨建李前贵胡永东陈家明

（1.油气藏地质及开发工程国家重点试验室·西南石油学院；2.中国石油西南油气田分公司川中油气矿）兰林等，储层应力敏感性评价试验方法与评价指标探讨.钻井液与完井液.2023，5（2023.11月收稿）

1

1

1

1

1

2

2

摘要应力敏感性评价参数是储层保护方案设计、合理工作制度确定的重要依据。前人关于评价试验方法、渗透率与有效应力的关系作了大量摸索，但在试验方法、数据处理及评价指标方面仍存在较大争议。本文利用四川盆地中部致密砂岩气层、油层及松辽盆地低渗透砂岩油层共计70块样品的应力敏感性试验数据，分析了应力敏感性系数与不同初始条件下渗透率损害率的关系，探讨了不同评价方法的优缺点。结果说明，应力敏感性系数与渗透率损害率相关性强，应力敏感性系数可用于进行不同区块储层的应力敏感程度对比。文章推荐使用应力敏感性系数来度量储层的应力敏感程度。

主题词储层储层损害应力敏感性试验储层保护

一、引言

钻井、完井及开发过程中，由于有效应力变化引起储层渗透率改变的现象称为应力敏感性。应力敏感性评价是储层保护方案设计、合理工作制度确定的重要依据，特别对于低渗—致密储层更显得意义重大。国外在应力敏感性评价方面的工作开展较早，Jones(1975)提出了自然裂缝性碳酸盐岩储层中岩样渗透率与有效应力之间的关系式[1]；Jones和Owens（1980）发现该关系式也适用于低渗砂岩气层[2]；进一步地，Walsh（1981）提出了裂缝性储层中渗透率与有效应力的关系式[3]。国内近年应力敏感性研究发展很快，张琰和崔迎春（1999）用不同应力点的渗透率损害率来解释低渗气层的应力敏感程度[4]；蒋海军和鄢捷年（2000）将试验数据进行回归得到渗透率与有效应力的指数关系，用关系式中的常数表示应力敏感性程度[5]；我国在2023年发布的“储层敏感性滚动试验评价方法（SY/T5358—2023）〞中[6]，对于应力敏感性的评价方法也给出了标准。但是，由于应力敏感性的特别性，目前关于应力敏感性的数据处理及评价标准仍存在较大争议。本文利用四川盆地中部致密砂岩气层、油层及松辽盆地低渗透砂岩油层70块样品应力敏感性试验数据，分析了应力敏感性系数与不同初始条件下渗透率损害率的关系，探讨了不同评价方法的优缺点。

二、试验数据处理与评价指标对比

目前国内常用的应力敏感试验方法和评价指标主要分为两种：①.行业标准法（SY/T5358—2023）；②.应力敏感性系数法[7]。下面分别探讨两种试验方法及其评价指标。1.行业标准法

我国在2023年发布的“储层敏感性滚动试验评价方法（SY/T5358—2023）〞中，给出了应力敏?

四川省青年科技基金项目(编号：02ZQ026-042)资助。

简介：兰林，1980年生，硕士研究生，主要从事储层损害与保护理论及技术研究。地址：（610500）成都市新都区西南石油学院硕士2023级。电话：（028）83032118，手机E-mail：lanlinfrac@163.com

1

感性试验方法和评价指标。该方法系统的阐述了试验条件、试验步骤和试验数据处理评价，但仍存在不足，从以下3个方面来分别论述。

（1）有效应力测点范围的选择。常规的应力敏感性试验都采用逐渐增加和降低有效应力来测定岩样渗透率的变化，这就涉及终究使用多大的有效应力才能让室内试验满足现场应用。石油工程中一般采用

?e????P（1）

。?e,?－有效应力，上覆岩层应力；P－地层压力；?－比奧特常数（一般取1）

来计算有效应力。例如，平均上覆岩层密度为2.50g/cm3，地层压力梯度为1.25MPa/100m，2500m深的原地有效应力为31.25MPa。考虑多数油气田的实际状况，地层压力衰竭50％仍能进行生产，那么，此时有效应力的测点选择应包括原地有效应力加上16MPa内的点，所以，有效应力的上限至少为47MPa。行业标准中规定的有效应力测点最大为20MPa，对于一般储层来说，还未达到原地有效应力，而在油田的钻井、完井及开发过程中，工程师最关注地是有效应力在原地有效应力附近波动时的储层渗透率变化状况，所以，室内试验的最大有效应力测点应根据具体油气藏适当扩大以满足现场要求。

（2）渗透率损害系数和临界有效应力。行业标准中对渗透率损害系数给出了明确的定义，其计算公式如下：DKP?(Ki?Ki?1)(KiPi?1?Pi)（2）

DKP-渗透率损害系数，MPa1；Ki,Ki?1－第i，i+1个有效应力下的岩样渗透率，10-3?m2；Pi,pi?1－

－第i，i+1个有效应力值，MPa。

表示有效应力每增加单位应力时，岩样单位渗透率的缩小值。该公式与岩石压缩系数具有相近的形式和物理意义，建立了应力敏感与其它石油地质概念之间的联系。渗透率损害系数是随有效应力变化的渗透率改变率，其最大值范围一般在2.5～8MPa，这与M.Jin和J.Somerville等得到的结论相一致[8]。另外，行业标准中把渗透率损害系数的最大值所对应的应力值作为临界应力，如图1所示，而考虑大多数油气藏的实际状况，储层的有效应力远大于临界应力值的范围，使得临界应力的

0.121.2渗透率损害系数(MPa-1)(K/K0)1/30.080.8y=-0.4856x+1R2=0.99550.04临界应力0.0002040有效应力（Mpa）600.4000.51lg(σ/σ0)1.5

图1渗透率损害率与有效应力的关系图2应力敏感性系数拟合图

2

定义只能从数字上加以理解，而对于实际应用没有明显的工程意义。

（3）渗透率损害率的计算。行业标准中采用公式（3）来计算渗透率损害率，该方法的优点是明确表达了渗透率随有效应力增加的降低，可将常规岩心渗透率转化为原地应力状况下的渗透率，并把应力敏感与常规“五敏〞的计算评价有机的联系起来，但是这样做忽略了应力敏感的特别性－

DK?(K1?Kmin)K1?100%（3）

DK—渗透率损害率。K1—第一个应力点对应的岩样渗透率，10-3?m2。Kmin—达到临界应力后岩

样渗透率的最小值，10-3?m2。

钻井、完井及开发中有效应力波动的初始点是原地有效应力；另外，最大有效应力测点的选择受到试验人员主观性的影响和试验仪器最大限压的限制，那么对于同一块岩心所得到的渗透率损害率就不统一，给工程的实际应用带来不必要的麻烦。鉴于上述原因，我们推荐使用原地有效应力作为初始计算点，根据油气藏实际生产状况适当扩大最大有效应力测点，则公式（3）可改写为：Rdi?(Kin?stiu?Ki)Kin?stiu?100%（4）

Rdi—有效应力为iMPa时的渗透率损害率。Kin?stiu—原地有效应力对应的岩心渗透率，10-3?m2。Ki—各有效应力测点的岩心渗透率，10-3?m2。

表1是根据不同评价指标得到某一岩样的渗透率损害评价，以3MPa为初始点算得的渗透率损害等级为强，以原地应力为初始点的渗透率损害等级为中等，所以按行业标准得到的评价结果浮夸了有效应力对储层渗透率的损害。

2.应力敏感性系数法

应力敏感性系数法是通过公式（5）对所测的试验数据进行处理，得到岩心的应力敏感性系数，根据表1可评价岩样的应力敏感程度。

??K?1/3???（5）Ss??1??lg??K0???0???；?0,K0—SS—应力敏感性系数；?,K—有效应力（MPa）,对应有效应力点的渗透率（10-3?m2）

初始测点的有效应力（MPa）和渗透率（10-3?m2）。（1）应力敏感性系数法的数学意义

对公式（5）进行数学转换得到公式（6），式中对有效应力和渗透率进行无因次化，分别求10?KK0?1/3?1?SSlg?（6）?0为底的对数和1/3次幂，结果减小了有效应力项的增加，将其控制在1附近，并减小了渗透率项的降低，然后将它们拟合直线，斜率的相反数即为应力敏感性系数，如图2所示。

（2）应力敏感性系数的整体性

用于拟合直线的有效应力测点既有小于原地应力点，又包括大于原地应力的点，符合数据处理

3

的统计要求，所以应力敏感性系数从整体上反映了岩样的应力敏感性强弱。

表1不同指标的渗透率损害评价结果

应力敏感性系数或损害率数值评价结果评价标准Ss0.54中等（K3-K20)/K30.83强（K3-K35)/K30.92强（K20-K35)/K200.55中等Dk≤0.3,弱；0.30.7,强SS≤0.3,弱；0.31,极强注：Ki表示iMPa时的岩样渗透率，原地有效应力为20MPa，地层压力衰竭50％后有效应力增为35MPa。

（3）应力敏感性系数的唯一性

应力敏感性系数是由试验得到的全部数据进行拟合得到，每一岩样对应一个应力敏感性系数，该系数的大小就反映岩样应力敏感性的强弱，其值是唯一的，而渗透率损害率是对应某一有效应力测点下的值，不同的有效应力测点就会得到不同的渗透率损害率，不便于工程应用。

虽然应力敏感性系数法有上述优点，但其在物理意义上不如渗透率损害率直观，易于理解。

三、应力敏感性系数与渗透率损害率的关系

应力敏感性系数和渗透率损害率都可用于评价储层应力敏感程度，建立两者之间的关联有助于进一步阐述应力敏感的评价问题。

1.应力敏感性系数与用行业标准求得的渗透率损害率的关系

本文对四川盆地中部致密砂岩气层、油层及松辽盆地低渗透砂岩油层共计70块样品进行应力敏感性试验,岩样类型包括基块、自然裂缝岩样和人造裂缝岩样。利用公式（3）、（5）对应力敏感试验数据进行处理，分别得到有效应力点的渗透率损害率（按行业标准法计算）和岩样的应力敏感性系数，然后把它们进行线性回归得到图3，可以看出：应力敏感性系数与渗透率损害率有很好的线性

相关性。表2是它们的拟合公式和相关系数，说明应力敏感性系数与各有效应力测点的渗透率损害表2应力敏感性系数和渗透率损害率相关关系表3损害结果等级符合率有效应力（MPa）7.5101520304050Ss与Kd的直线关系Kd＝0.9941Ss-0.0419Kd＝1.1694Ss-0.0191Kd＝1.3195Ss+0.0305Kd＝1.3443Ss+0.0938Kd＝1.3328Ss+0.1741Kd＝1.2663Ss+0.2509Kd＝1.2282Ss+0.2919相关系数2（R）0.800.900.960.920.900.840.80川中气层川中油层松辽油层岩心个数31等级符符合率等级符合率汇总（％）层位合个数（％）2890.3171588.290.0222090.94

率均有较强的相关性，反映出应力敏感性系数表征了岩样的整体应力敏感性强弱。文中选用的试验岩样是取自不同区块、不同层位的，将它们的试验数据进行汇总拟合，在各有效应力测点都表现出渗透率损害率与敏感性系数强的线性相关性，那么，应力敏感性系数就可作为不同区块、不同层位的应力敏感性强弱的对比依据。

2.应力敏感性系数与以原地应力为初始点求得的渗透率损害率的关系

表1列出了根据不同评价指标算得一岩样的渗透率损害程度和损害评价结果，发现用应力敏感性系数法和原地有效应力为初始测点得到的损害等级一致。这里，我们按各区块分别统计这一关系（以原地应力作为初始点，地层压力衰竭50％对应的有效应力作为最大有效应力测点算得的渗透率损害等级和应力敏感性系数算得的损害等级的关系），总体评价损害等级一致率达90％（表3）。图4是应力敏感性系数和以原地应力为初始点算得的渗透率损害率的线性拟合图，表现为较好的相关性。所以，这两种方法在储层应力损害等级评价上表现为很好的一致性。

鉴于上述分析，建议使