Question

储层应力敏感性机理

Answer 1

（一）岩石变形机制

岩石由固体骨架颗粒和粒间孔隙构成，岩石变形实际上是通过骨架颗粒的变形和排列方式的改变来实现的。岩石存在两种基本的变形机制，即本体变形和结构变形。岩石的实际变形是这两种基本变形的各种组合^[112-115]。

1.本体变形

所谓本体变形，是指因骨架颗粒本身的变形而导致的岩石整体变形。在本体变形过程中，骨架颗粒的排列方式并不发生变化，变化的是骨架颗粒自身的体积（图4-4-18）。骨架颗粒的变形是由于颗粒本身的应力，即骨架应力的变化所致，骨架应力决定岩石的本体变形。用ε_p表示岩石的本体应变，用σ_s表示骨架应力，则应力～应变关系为ε_p=f（σ_s）。

图4-4-18 岩石本体变形示意图

2.结构变形

所谓结构变形，是指因骨架颗粒排列方式的改变而导致的岩石整体变形。在结构变形过程中，骨架颗粒的体积并不发生变化，变化的是骨架颗粒的排列方式（图4-4-19）。岩石的变形量与骨架颗粒之间的相对移动有关，而骨架颗粒之间的相对位移是由于颗粒之间的接触应力变化所致。接触应力决定岩石的结构变形，若用ε_s表示岩石的结构变形，用σ_c表示骨架之间的接触应力，则应力～应变关系为ε_s=f（σ_c）。骨架应力与接触应力不仅存在数值上的巨大差别，其物理意义也完全不同（图4-4-20）。

图4-4-19 岩石结构变形示意图

图4-4-20 骨架应力和接触应力示意图

岩石的本体变形是由于骨架颗粒的变形所致，这种变形属于弹性变形范畴，应力卸除后变形可以恢复，是可逆变形。岩石的结构变形是由于岩石的结构变化，即岩石骨架颗粒排列方式的改变所致，这种变形属于塑性变形范畴，在应力卸除后不能恢复，是不可逆的。

疏松岩石或者土介质以结构变形为主，应力作用使得颗粒由松散排列趋于紧凑排列。应力卸除后，颗粒的排列方式不能由紧凑排列恢复到疏松排列。因而岩石的结构变形是不可逆的。结构变形实际是一种破坏，因为骨架颗粒的接触处是应力最为集中的地方，也是最容易发生破坏的地方。

油气藏岩石一般属于致密介质，致密介质的变形以本体变形为主，应力作用使得岩石和岩石颗粒体积受到压缩。应力卸除，颗粒体积由膨胀恢复到原始状态，因而岩石的本体变形是一种可逆的弹性变形。压缩弹性变形过程中骨架颗粒的排列不发生变化，岩石体积、岩石孔隙体积和岩石骨架体积同步增大或者减小，岩石的孔隙度基本不发生变化。

实验中发现，有效应力增加过程中渗透率变化比有效应力降低过程渗透率变化大。在相同的净覆压力下，有效应力增加过程的渗透率值比有效应力降低过程的渗透率值高。造成这种结果的原因主要有两个方面：一是虽然发生的变形以本体变形为主，但仍然存在一定事实上的结构变形；二是如果实验前岩心老化不充分，也会导致初始渗透率偏大的假象。

（二）岩石有效应力

1.Terzaghi有效应力方程

Terzaghi在1923年提出有效应力公式为

深层高压低渗透油田开发：以东濮凹陷文东油田沙三段油藏为例

式中：

为有效应力；σ为上覆岩层压力；P为孔隙压力。

该公式对疏松地层的应用可以得到满意的结果，但对于地下致密岩层，其计算结果不够准确。

岩石是一种不同于普通固体材料的多孔介质，岩石由大量的固体颗粒和粒间孔隙构成，无论是颗粒、还是孔隙，其空间几何形态都特别复杂，复杂到难以用数学方法进行精确描述。通常情况下，岩石的孔隙都饱和了流体，这就使得岩石的受力状态变得更为复杂。与普通固体材料不同，岩石通常受到外部应力（围压σ）和内部应力（孔隙压力P）的共同作用。复杂的应力状态使得固体力学的许多理论不能直接应用于岩石力学研究。若要应用固体力学理论解决岩石力学问题，必须通过某种方法简化岩石的应力状态，进而求得岩石在地层条件下的有效应力。

与岩石的两种变形机制相对应，岩石存在两个有效应力：本体有效应力和结构有效应力。本体有效应力决定岩石的本体变形，研究岩石的本体应变行为应采用本体有效应力。结构有效应力决定岩石的结构变形即岩石的破坏，研究岩石的结构应变行为（包括岩石的破坏）应采用结构有效应力。

2.本体有效应力

岩石除了受外应力和内应力作用之外，在连续介质意义上岩石中任一点还存在骨架应力（σ_s）。但是，骨架应力（σ_s）并不是孤立存在的，它是岩石内、外应力作用的结果，即σ_s是σ和P的函数。根据公式，岩石是否产生本体变形取决干σ_s，与σ和P的大小没有直接关系。因此，只要知道了σ_s，就能确定岩石的本体应变行为。然而，σ_s是不可测量的，它必须通过一定的计算得出。

图4-4-21为岩石剖面图，在任一截面OO′上部岩石的外应力为σ，外应力作用面积为A。因此，岩石受到的总外力为σA。OO′面下部的骨架应力为σ_s，骨架应力的作用面积为（1－φ）A，骨架对OO′面的总作用力为σ（1－φA。OO′面下部的孔隙压力为P，孔隙压力的作用面积为φ A，孔隙中流体对OO ′面的总作用力为PφA。根据力平衡原理，OO′面的上、下作用力相等：

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即

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上述方程为岩石应力关系方程。由上述方程可求出骨架应力值，再把骨架应力折算到整个岩石横截面上，得到岩石本体有效应力及本体应变量的计算方程：

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3.结构有效应力

接触应力决定岩石的结构变形。为确定岩石的结构变形量，必须首先计算出岩石的接触应力值。岩石骨架之间的接触应力（σ_c）不是独立存在的，它是岩石内、外应力作用的结果，即σ_c是σ和P的函数。根据计算公式，岩石是否产生结构变形取决于σ_c的值，与σ和P的大小没有直接关系。因此，只要知道了σ_c，就能确定岩石的结构应变行为。σ_c是不可测量的，必须通过一定的公式计算得出。

图4-4-22为岩石剖面图，在任一截面OO′上部岩石的外应力为σ，外应力的作用面积为A，因此，岩石受到的总外力为σA。任一曲面QQ′下部的垂向接触应力为σ_c，垂向接触应力的作用面积为（1－φ_c）A，垂向接触应力对QQ′面的总作用力为σ_c（1－φ_c）A。令QQ′面趋于OO′面，根据静力平衡原理，OO′面的上部作用力和QQ ′面的下部作用力相等，即满足方程：σA＝σ_c（1－φ_c）A+Pφ_cA。整理得。

图4-4-21 岩石应力关系图（I）

图4-4-22 岩石应力关系图（Ⅱ）

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将该方程求出的接触应力折算到整个岩石面积上，得到岩石的结构有效应力及结构变形量计算公式：

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结构有效应力计算公式中的φ_c是岩石触点孔隙度，计算公式为

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式中：A_c为QQ′面上岩石骨架颗粒接触面积的垂向投影面积；A为QQ′面上岩石总面积的垂向投影面积。A_c和A的比值为骨架的胶结程度，用符号δ_c表示。

触点孔隙度的数值大于（体积）孔隙度，但仍小于1：φ＜φ_c<1。当φ_c→0时，φ→0，表明岩石的孔隙特征消失，岩石趋于普通固体材料。此时，本体有效应力和结构有效应力都趋于岩石的外应力。当P→0时，表明岩石中无承压流体。此时，本体有效应力和结构有效应力也趋于岩石的外应力。当φ_c→1时，岩石趋于疏松状态，颗粒与颗粒间为点接触。结构有效应力为

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本体有效应力和结构有效应力是多孔介质的两个有效应力，合称为多孔介质的双重有效应力，它适用于所有的多孔介质。

深层高压低渗油藏多孔介质在巨大的上覆压力作用下已经发生了塑性变形（结构变形），颗粒与颗粒之间以紧凑方式排列，紧凑方式排列的颗粒之间一般不会发生相对位移，塑性变形（结构变形）很弱。除了结构变形外还有岩石骨架颗粒本身的变形，这部分变形同岩石的结构变形不同，是本体（弹性）变形，本体弹性变形是可以恢复的。将Terzaghi有效应力方程应用到油藏工程中，就会得出增加围压和降低孔隙压力（增加的围压值与降低的孔隙压力值相等）的作用相同。而以本体变形为主的油藏工程研究的多孔介质增加围压和降低孔隙压力的作用不同，增加围压比降低孔隙压力有效应力增加明显得多。一般油藏孔隙度在10%～20%之间，故实验中以增加围压的方法模拟净覆压力增加过程夸大了实际生产中油藏的净覆压力。这也就是室内模拟与实际油藏生产的差异。

（三）围压条件储层渗透率变化机理

由渗透率（渗透率百分数）与净覆压力的关系表明：①低渗透岩石渗透率对围压比较敏感（低围压段尤为突出），岩石渗透率的降低幅度最大。随围压继续增加岩石渗透率下降幅度变缓。②低渗透岩石初始渗透率越低，随围压变化其渗透率总体下降幅度越大。

低渗透砂岩在围压作用下渗透率下降的本质是岩石的孔隙结构发生变化，引起流体渗流通道的变异和破坏。低渗透岩石孔隙结构发生变化主要与岩石孔隙结构特征和岩石骨架特征有关。

1.低渗透储层孔隙结构特征

低渗岩石孔隙结构与中、高渗岩石有较大差异。中、高渗透储层孔隙结构类型通常为大孔粗喉型，大孔隙体积占总孔隙体积的比例很大。低渗透和特低渗透储层孔隙结构通常为小孔细喉型，大孔隙体积占总孔隙体积的比例很小。文东油田沙三中储层毛管压力曲线以Ⅱ型、Ⅲ型为主（图3-2-1）。低渗岩心的有效孔隙由几何尺寸绝对值较小的孔隙组成。对岩心渗透率起主要贡献的孔道是其中相对较大的孔道。在围压增大的情况下，一旦孔道被压缩，产生微小变化，岩心的渗透率就会明显下降。相反，高渗透岩心的有效孔隙比低渗岩心高1个数量级，孔道的微小变化对岩心渗透率影响不大。根据泊谡叶毛细管渗流模型，岩石渗透率与毛细管平均半径的4次方成正比。毛细管平均半径的少量变化（例如变小）都将引起渗透率的显著变化（变小）。因此，低渗透岩石的孔隙结构变化特征是其随围压上升渗透率下降的原因之一。由文东沙三中油藏毛管压力曲线，低渗储层Ⅲ型曲线进汞饱和度对进汞压力敏感性最强，强于Ⅰ型、Ⅱ型曲线。同样的进汞压力范围，Ⅲ型孔隙结构控制的汞饱和度最低。故生产中同样的生产压差，Ⅲ型孔隙结构储层所动用的油气量最少。要想动用同样的含油气饱和度，Ⅲ型孔隙结构储层所需的生产压差大于I型、Ⅱ型。

由储层微现孔隙结构特征，低渗储层孔喉分布峰值低，分布范围宽，峰值不够尖锐。中、高渗储层大孔喉具有优势分布且峰值高，峰值分布具有绝对优势。高渗储层孔喉大小较低渗储层高一个数量级，故受应力的影响小。低渗储层因喉道分布范围宽，无优势喉道分布，故临界喉道数量较多（临界喉道，即刚刚可以渗流的孔喉）。低渗储层生产时，有效应力的微小变化都会使临界孔喉转化为无效孔喉。故低渗储层生产时应力变化快，渗透率下降快，产能下降快。

2.低渗透岩石骨架结构特征

构成岩石骨架的基本物质是碎屑颗粒和胶结物。低渗储层岩石骨架颗粒偏细、胶结物含量较高，胶结类型以基底胶结和孔隙胶结为主。低渗储层岩石骨架对渗透率的影响主要表现为两个方面：一是岩石骨架颗粒细小，比表面大；二是岩石骨架力学性质的显著特点。

（1）渗透率与岩石骨架颗粒的关系

岩石骨架颗粒越小，岩石的比表面越大。根据Krumbein和Monk的经验公式：

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式中：C为常系数，与岩石成熟度有关；d为骨架颗粒平均直径，μm;a为骨架颗粒的标准偏差；K为渗透率，10^-3μm²。

岩石渗透率与平均颗粒直径的平方成正比，与颗粒的分选性成反比。在围压作用下岩石骨架颗粒有变小的趋势。因此，在围压作用下岩石渗透率趋于降低。

（2）岩石骨架力学性质

岩石受力时，骨架结构容易变异，进而引起岩石孔隙结构的变化。岩石骨架结构变异特征通常以岩石应力－应变关系曲线^[116]（图4-4-23）表示。含一定量胶结物的岩石，因胶结物强度低于骨架颗粒，受力时首先发生变化。图4-4-23中OA段曲线稍向上凹表明，围压作用下胶结物结构发生变化（压实变形），颗粒间的距离相对减小，进而引起孔隙喉道缩小。OA段变形具有软塑性变形特点，围压复原后，压实和变形的胶结物不能恢复原状。OA应力－应变段反映在围压－渗透率关系曲线和围压循环－渗透率关系曲线上，渗透率下降幅度大和围压松弛后渗透率恢复率不高。

随围压增加，连结颗粒的胶结物进一步被压实，其强度趋近于岩石骨架颗粒的强度，其变形空间和程度也与岩石骨架颗粒趋于一致。图4-4-23中AB段曲线的斜率为常数或接近常数，具有弹性变形特点。在围压松弛后，岩石骨架结构变形基本可以恢复。由此可见，岩石的骨架结构特征与岩石的力学特征有关。

图4-4-23 典型应力－应变关系曲线

（3）岩石微裂缝、微孔隙低压闭合现象

图4-4-23曲线表示了大多数岩石的本构关系。对图4-4-23曲线的OA段和AB段做如下描述：

OA段——“做功硬化”阶段，该曲线向上弯曲，表明随应力的增加，应变增长速度减慢，仿佛岩石随应力增加（做功）而变硬。从微观机制来看，OA段的弯曲是由于岩石中存在的许多微孔隙和微裂隙在应力作用下闭合而造成的。另外，还存在一些软塑性矿物的压缩、压实。

AB段——线弹性阶段，AB的斜率（即岩石的有效杨氏模量）由岩石固态物质的弹性常数和包含的孔隙情况确定。

假设岩石由两类孔隙组成，一部分为易变形的软孔隙，另一部分为具有一定弹性的硬孔隙。当围压较低时，岩心内软孔隙开始变形、缩小甚至闭合。所以，该阶段岩石的渗透率显著降低，且恢复率不高。当围压进一步升高时，软孔隙变形基本结束，剩余的弹性硬孔隙在围压作用下只发生少量的弹性变形。因此，这一阶段岩石渗透率随围压升高呈线性降低，且随围压松弛可恢复。

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