低渗透储层应力敏感性及其对石油开发的影响

矿物桥连，承压能力特别弱[11-12]。因此，假设应力
发生改变时，孔隙半径不改变，仅喉道发生变化，
则
dφ dp
=
nπrt
drt dp
(11)
孔隙度随应力变化的系数 C1 ， C2 分别为
C1
=1 φ
dφ dp
=
2rt rp2 + rt2
drt dp
(12)
图 1 变径毛管束模型示意图 Fig.1 Sketch of capillary bundle model with varying diameters
∆pp
=
rt4 ∆pt rp4
(7)
由于
∆pt + ∆pp = ∆p
(8)
∆pt
=
rp4 ∆p rp4 + rt4
(9)
结合达西公式，可得渗透率 K 为
K = nπ rt4rp4
(10)
4 rt4 + rp4
根据铸体薄片及扫描电镜结果可知：孔隙呈多
边形或椭圆形状，具有拱形结构，抗压能力强，而
喉道多为片状、弯片状，反拱形结构，并常有黏土
第 30 卷 增 1
刘仁静等：低渗透储层应力敏感性及其对石油开发的影响
• 2699 •
度和孔隙配位数等参数的影响，渗透率随应力的变 化率更大。因此，中高渗透油藏的应力敏感性较弱， 而低渗透油藏的应力敏感现象更加明显。
3 室内试验研究
为了更准确地反映地下岩石的应力变化情况， 采用保持围压不变、改变流体压力的测试方法对不 同渗透率的砂岩岩样进行试验。试验中测试温度为 20 ℃，围压为 20 MPa。试验采用回压阀来控制流 体压力，试验设备及流程如图 2 所示，其基本数据 如表 1 所示。
(Beijing) Co.，Ltd.，Beijing 100004，China)
Abstract：To deeply research the stress sensitivity of low permeability reservoir，the strong stress sensibility of low permeability reservoir is theoretically proved based on the capillary bundle model with varying diameters. The effects of effective stress，pore structure，stress loading mode on permeability are studied by laboratory experiments with varying fluid pressures，while keeping confining pressure steady. The effects of stress sensitivity on oilfield development under different formation conditions are studied by numerical simulation. The results show that：The effect of stress variation on porosity is very small，but its influence on permeability is very large. Comparing with high permeability reservoir，stress sensitivity of low permeability reservoir is stronger. Stress sensitivity is closely relative to effective stress，pore structure and stress loading mode. The stress sensitivity increases as the permeability decreases，the effective stress and the stress loading velocity increase. There exists permanent damage on permeability while the effective stress reduces，and the permeability cannot recover to the initial value. The producing pressure drop of the production well has a good exponential relationship with stress sensitive coefficient. The stronger the reservoir′s heterogeneity is and the lower the average permeability is，the larger the stress sensitivity is，and thus its effect on oil production is larger. However，the effect of rhythmicity on stress sensitivity is small. These results have guidance to develop low permeability reservoir reasonably. Key words：rock mechanics；low permeability reservoir；stress sensitivity；capillary bundle model；laboratory experiment；producing pressure drop；heterogeneity
影响；在此基础上，利用数值模拟技术详细研究不同储层条件下的应力敏感性对油田生产的影响。研究结果表明：
应力变化对孔隙度的影响较弱，而对渗透率的影响较大，低渗透储层渗透率应力敏感性更强；储层应力敏感性与
孔隙结构、有效应力及其加载方式密切相关；渗透率越小、有效应力越大、应力加载速度越快，则储层的应力敏
感性越大，且随着有效应力的减小，渗透率存在永久伤害，难以恢复至初始值；生产井的生产压差与应力敏感系
STUDY OF STRESS SENSITIVITY AND ITS INFLUENCE ON OIL DEVELOPMENT IN LOW PERMEABILITY RESERVOIR
LIU Renjing1，2，LIU Huiqing2，ZHANG Hongling2，TAO Ye3，LI Ming2
(1. International Petroleum Exploration and Production Corporation，Sinopec，Beijing 100083，China；2. MOE Key Laboratory of Petroleum Engineering，China University of Petroleum，Beijing 102249，China；3. CITIC Petroleum Technology and Development
2 变径毛管束模型理论研究
为充分考虑喉道半径的影响，本文提出了变径 毛管束模型，如图 1 所示。图中，大直径毛管代表 孔隙，半径为 rp；小直径毛管代表喉道，半径为 rt。 为简化研究，设其孔隙配位数(每个孔道所连通的喉 道数)为 2，孔隙和喉道的长度均为 L，单位面积中 的毛管数量为 n，迂曲度(流体实际流经的路程长度 与岩石外观长度之比)为 1，喉道两端的压差为 ∆pt， 孔隙两端的压差为 ∆pp，流道两端总压差为 ∆p。
(1. 中石化国际石油勘探开发有限公司，北京 100083；2. 中国石油大学 石油工程教育部重点实验室，北京 102249； 3. 中信石油技术开发(北京)有限公司，北京 100004)
摘要：为更深入研究低渗透储层的应力敏感性，以变径毛管束模型为基础，从理论上证明低渗透储层的强应力敏
感性；并通过保持围压不变、改变流体压力的试验方法研究有效应力、孔隙结构及应力加载方式对储层渗透率的
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6
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(6) 重复步骤(5)，直至进口压力升至试验初始 压力值时结束。 3.1 有效应力影响
试验结果如图 3 所示。从图 3 中可以看出，渗 透率随有效应力(围压与孔隙流体应力之差)的增加 呈阶梯状减小，但减小的程度不断减缓。如 29#岩 芯，在加载初期，有效应力从 4.8 MPa 上升至 6.7 MPa，有效应力变化占总有效应力变化的 20%，但 渗透率减小值却占总渗透率减小值的 62%。这主要 是因为在低有效应力阶段，随着有效应力的增加， 岩石中部分闭合压力阀值较低的孔喉受其影响而闭 合，从而导致了岩石渗流能力的显著降低，而后期 由于这种类型的喉道数量的减小，因此对渗流能力 的影响较弱。随着流体压力的恢复，渗透率难以恢 复至原来的水平，说明岩石的孔隙结构发生了塑性 形变，破坏了原有的渗流通道，造成永久性伤害， 具有不可逆性。
第 30 卷 增 1 2011 年 5 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.30 Supp.1 May，2011
低渗透储层应力敏感性及其对石油开发的影响
刘仁静 1，2，刘慧卿 2，张红玲 2，陶 冶 3，李 明 2
根据高才尼–卡尔曼公式，喉道渗透率 kt 与孔
隙渗透率 kp 分别为
kt
=
rt2 8
(2)
kp
=
rp2 8
(3)
根据达西公式，喉道流量 qt 与孔隙流量 qp 分别 为
qt
=
πrt4 ∆pt 8µ L
(4)
qp
=
πrp4 ∆pp 8µ L
(5)
由孔隙与喉道间质量守恒定律，可得
qt = qp
(6)
整理得
根据孔隙度的定义，该模型的孔隙度φ 为
φ
=
⎛ nπ ⎜⎜⎝
rp2
+ 2
rt2
⎞ ⎟⎟⎠
(1)
C2
=
1 K
dK dp
=
4rp4 rt (rp4 + rt4 )
drt dp
(13)
由于 rp>>rt，由式(12)，(13)可知，孔隙度随应 力的变化系数接近于 0，因此孔隙度受应力变化的 影响较弱。该结论与 S. C. Jones 等[13-16]的试验研究结 果相一致。而渗透率随应力的变化而急剧变化，喉道 半径越小，渗透率变化程度越大。若考虑孔隙迂曲
数呈指数关系，储层非均质性越强、渗透率越小，应力敏感性越大，对油田生产的影响越大，而油藏韵律性对储
层应力敏感影响较小。该研究结果对于合理开发低渗透油藏具有一定的指导作用。
关键词：岩石力学；低渗透储层；应力敏感性；毛管束模型；室内试验；生产压差；非均质性
中图分类号：TU 45
文献标识码：A
文章编号：1000–6915(2011)增 1–2697–06
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岩石力学与工程学报
2011 年
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ1引言
流体在岩石中渗流时，除流体自身性质外，岩 石的特征及其相互作用对流体渗流也存在巨大影 响。随着流体的采出或注入，岩石骨架的受力情况 可能发生变化，导致其变形，从而影响储层的物性 参数[1-6]。然而，目前大多数应力敏感性的研究仅限 于室内渗透率随应力变化的测试[7-9]，缺乏相应的理 论基础研究。应力敏感性的存在使得岩石渗透率下 降，极大地影响油田的正常生产[10-11]，但是目前关 于应力敏感对油田生产的影响还缺乏定量研究，难 以指导油田的合理开发。本文以变径毛管束模型为 基础，从理论上分析了孔隙度及渗透率随应力变化 的规律，论证了低渗透储层的强应力敏感性，通过 室内试验的方法研究了岩石内部孔隙结构、外部有 效应力的大小及加载方式对渗透率应力敏感性的影 响，并在此基础上对不同储层条件下的应力敏感性 作了深入研究，为低渗透油田开发方案的合理制定 提供了理论及试验依据。
收稿日期：2010–05–10；修回日期：2010–07–14 基金项目：“十一五”国家科技支撑计划项目(2007BAB17B05) 作者简介：刘仁静(1982–)，男，博士，2010 年于中国石油大学油气田开发专业获博士学位，主要从事低渗透渗流机制及提高采收率等方面的研究工 作。E-mail：liurj1982@hotmail.com