2. 中国石油长庆油田公司勘探开发研究院;
3. 低渗透油气田勘探开发国家工程实验室
, Feng Shengbin2,3 , Wang Jiong2,3 , Niu Xiaobing2,3 , You Yuan2,3 , Liang Xiaowei2,3 , Wang Weibin2,3
2. Exploration and Development Research Institute of PetroChina Changqing Oilfield Company;
3. National Engineering Laboratory of Low-permeability Oil & Gas Exploration and Development
鄂尔多斯盆地上三叠统延长组长7段致密油是中国陆相致密油的典型代表，初步评价资源量达20×108t，并于2014年探明了新安边亿吨级致密油田，致密油是该油田可持续稳产的重要资源保障[1]。针对长7段致密油的成藏控制因素和富集规律，前人从生烃条件、砂体成因与分布特征、储层微观孔喉特征及成藏动力方面开展过大量的研究工作[1-9]；对长7段致密油开发影响因素的分析，目前主要从水平井体积压裂工艺参数方面探讨对致密油产能和开发效果的影响，而对储层非均质性、储层渗流特征及储层应力敏感性等地质参数涉及较少[10-14]。致密油产能预测模型及生产矿场实例分析结果表明，储层的压敏效应对致密油的产能影响较大[15-16]。长7段致密油开发已建成了3个先导性试验区，水平段+体积压裂开发模式的生产动态数据揭示，水平井单井初期产量高，含水率低，但递减率较大，一些井区第一年产量递减率达30%以上，其中，有效补充地层能量保持地层压力水平是目前实现致密油经济有效开发的关键措施[11]，这种结果可能预示着长7段致密油储层存在应力敏感性，并对致密油产能具有重要的影响。由此可见，有必要对鄂尔多斯盆地长7段致密油储层的应力敏感性及其控制因素展开研究。本文选取盆地长7段致密油不同类型储层的岩心样品，开展致密油储层应力敏感性与物性、岩石学特征和微观孔隙结构等测试分析，揭示长7段致密油储层的应力敏感性特征，并探讨其控制因素。
1 长7段致密油储层基本特征鄂尔多斯盆地延长组长7段致密油砂岩储层主要为形成于半深湖的三角洲和深湖的重力流沉积，岩性主要为岩屑长石砂岩，其次为长石岩屑砂岩；砂岩粒径主要为0.063~0.18mm，分选中等—较差，为细粒—极细粒砂岩；磨圆度以次棱角状为主；填隙物含量较高，平均为16.8%，填隙物由水云母、铁白云石、铁方解石和绿泥石组成，其中水云母含量最高（平均达8.5%）；胶结类型以孔隙式胶结为主，加大—孔隙式胶结次之，局部地区发育薄膜式胶结；在偏光显微镜下可见的孔隙类型主要为长石溶孔和粒间孔，面孔率较低，平均为1.61%；储层孔喉细小，喉道中值半径主要为40~150nm，孔隙半径主要为2~8μm；储层孔隙度主要为5%~12%，平均为9.2%；渗透率主要为0.01~0.40mD，平均为0.12mD。
2 长7段致密油储层应力敏感性本次在鄂尔多斯盆地致密油发育区内H196井、Z376井、Z193井和W233井的长7段致密油储层层位，选取了11个砂岩岩心样品，开展应力敏感性测试，部分样品进行铸体薄片、恒压和恒速压汞、场发射扫描电镜、微米CT成像等配套分析。
长7段致密油储层埋深一般在1700~2300m，地层压力主要为10.34~19.53MPa，其中，长7段致密油有利区储层平均埋深为2000m，地层压力平均为15.27MPa。已有研究成果表明，考虑初始有效应力下的储层应力敏感性实验，更符合实际地层情况下的渗透率变化和生产实际特征[17-18]。以长7段致密油有利区储层的平均埋深和平均地层压力计算，其储层的初始有效应力达32.16MPa；另外，根据油气田在地层压力衰减50%仍可进行生产的实际情况[18-19]计算，长7段致密油有利区储层的有效应力上限至少为39.80MPa。可见，石油天然气行业标准SY/T 5358—2010中净应力值最大为20MPa的设置不能满足长7段致密油储层的实际情况。因此按照长7段致密油储层的实际特征，本次应力敏感性实验设定3.5MPa、5MPa、10MPa、20MPa、30MPa、40MPa等6个净应力测试点。应力敏感性实验分析设备采用CMS-400型高压孔渗分析仪器。
实验结果表明，当净应力由3.5MPa升至40MPa时，测试样品的孔隙度和渗透率均呈减小趋势（图 1），相比较，孔隙度的变化幅度较小（孔隙度损失率平均为30.53%），渗透率的变化幅度大（渗透率损失率平均达81.05%），这说明长7段致密油储层应力敏感性主要表现为渗透率的应力敏感性。兰林等[18]应用不同初始条件下的渗透率损失率和应力敏感性系数两种方法，对低渗透率与致密砂岩储层的应力敏感性进行对比研究，评价结果表明应力敏感性系数能客观反映储层的应力敏感性强弱，可作为不同类型储层的应力敏感性评价指标。因此，本文采用应力敏感性系数法评价长7段致密油储层的应力敏感性特征。应用应力敏感性系数求取方法[18]对测试样品的实验数据进行处理，得到长7段致密油储层样品的应力敏感性系数（表 1）。根据应力敏感性评价标准[18]，分析长7段致密油储层样品应力敏感性属弱到中等强度，其中，中等强度可细分为中等偏弱和中等偏强两种类型。为进一步分析应力敏感性的变化规律，绘制了应力敏感性系数与孔隙度和渗透率关系散点图（图 2），由图 2可见，长7段致密油储层的应力敏感性随孔隙度和渗透率的减小呈增强的趋势，且当孔隙度小于8%、渗透率小于0.08mD时，应力敏感性偏强；反之，则应力敏感性偏弱。
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图 1 鄂尔多斯盆地长7段致密油储层样品孔隙度（左图）、渗透率（右图）随净应力的变化规律 |
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表 1 鄂尔多斯盆地长7段致密油储层样品应力敏感性分析结果 |
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图 2 鄂尔多斯盆地长7段致密油储层样品应力敏感性系数与孔隙度（左图）、渗透率（右图）交会图 |
在有效应力作用下的结构变形和本体变形是导致岩石出现应力敏感的主要原因[20]，而这两种变形主要受岩石组分、胶结物类型、岩石颗粒接触方式、孔隙类型、孔隙结构等因素的影响[21-24]，因此本文主要讨论岩石组分、填隙物组合和储层微观孔隙结构等内部因素对长7段致密油储层应力敏感性的控制作用。
3.1 储层岩石学特征对应力敏感性的影响对应弱、中等偏弱和中等偏强3种应力敏感性强度类型，对储层样品的岩石学分析数据进行了统计（表 2至表 5）。
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表 2 鄂尔多斯盆地长7段不同应力敏感性致密油储层岩石组成对比表 |
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表 3 鄂尔多斯盆地长7段不同应力敏感性致密油储层填隙物组成对比表 |
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表 4 鄂尔多斯盆地长7段不同应力敏感性致密油储层岩石粒度分析对比表 |
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表 5 鄂尔多斯盆地长7段不同应力敏感性致密油储层样品孔隙类型对比表 |
鄂尔多斯盆地长7段致密油砂岩储层岩石骨架颗粒主要由石英、长石、云母和变质岩屑组成，但不同应力敏感性强度的储层，其骨架颗粒组成和含量存在差异（表 2）。弱应力敏感性砂岩储层中抗压强度大的石英和长石含量达58.20%，而中等偏弱和中等偏强应力敏感性砂岩储层中，石英和长石的含量小于50%；弱应力敏感性砂岩储层，沉积岩屑组分不发育，相反，中等偏弱和中等偏强应力敏感性砂岩储层中，含有沉积岩屑组分，且变质岩屑的含量增高，并且力学性质不稳定的片岩、千枚岩和板岩等变质岩屑含量较高，由此致使中等偏弱和中等偏强应力敏感性砂岩储层中的塑性组分含量约是弱应力敏感性砂岩储层中的两倍。
由表 2、表 3可见，长7段不同应力敏感性强度的砂岩储层中填隙物的含量相近，但填隙物的组合类型及其含量存在较大的差异。弱应力敏感性砂岩储层中填隙物以高岭石和硅质为主（图 3a），中等偏强应力敏感性砂岩储层中填隙物以丝缕状形态充填于孔隙中的水云母为主（图 3b），另外，弱和中等偏弱应力敏感性砂岩储层中发育垂直于孔隙壁生长的包壳状或衬边状绿泥石（图 3c）。
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图 3 鄂尔多斯盆地长7段致密油储层样品显微照片 （a）H196号样品，2354.98m，溶蚀孔、粒间孔较发育，高岭石充填孔隙并发育晶间孔，发育硅质胶结物；(b）Z393-2号样品，2076.78m，丝缕状水云母充填孔隙；(c）W233号样品，1915.48m，衬边状绿泥石垂直孔隙壁生长；(d）Z376-1样品，2328.82m，溶蚀孔、粒间孔较发育，高岭石充填孔隙并发育晶间孔；(e）Z193-3号样品，1736.16m，水云母充填孔隙，粒间孔和溶蚀孔不发育，发育微裂隙；(f）Z376-3号样品，2329.9m，水云母充填孔隙，发育少量的溶蚀孔 |
表 4表明，不同应力敏感性强度的砂岩储层在岩石颗粒粒径、分选性和粒级分布等方面具有较大的差异。相比中等偏弱和中等偏强应力敏感性砂岩储层，弱应力敏感性砂岩储层岩石颗粒粒径粗、细砂粒级的含量高、粉砂和泥质的含量低、分选性好。
另外，在偏光显微镜下，弱和中等偏弱应力敏感性砂岩储层中孔隙直径较大的长石溶蚀孔和粒间孔相对发育，面孔率较高（表 5、图 3a、c、d）；相反，中等偏强应力敏感性砂岩储层中可见孔不发育，但发育微裂隙，面孔率极低（图 3e、f）。
上述分析表明，岩石骨架颗粒组分及其含量、填隙物类型及其含量、岩石颗粒粒径和粒级分布、孔隙类型对长7段致密油储层的应力敏感性具有重要的影响，其中塑性组分和水云母发育、粒径小、分选差、可见孔含量低的储层应力敏感性强；相反，高岭石和绿泥石发育、细砂粒级和可见孔含量高、分选好的储层应力敏感性弱。
3.2 储层微观孔隙结构与应力敏感性的关系3种应力敏感性典型储层岩心的恒压压汞分析结果表明（图 4），弱和中等偏弱应力敏感性储层的排驱压力相对较低（小于1.8MPa）、孔喉分选较好且偏向粗歪度、渗透率贡献值最大的孔喉半径主要分布于0.25~1μm；中等偏强应力敏感性储层的排驱压力较高（大于2.0MPa）、孔喉分选较差且偏向细歪度、渗透率贡献值最大的孔喉半径主要分布于0.1~0.4μm。
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图 4 鄂尔多斯盆地长7段不同应力敏感性致密油储层毛细管压力和渗透率贡献值曲线 |
恒速压汞实验数据显示，不同应力敏感性强度的储层在喉道半径与孔喉半径比值（孔隙半径/喉道半径）存在较大的差异（图 5、图 6）。弱应力敏感性储层的喉道半径主要分布于0.2~0.6μm，孔喉半径比值主要分布于330~570；中等偏弱应力敏感性储层的喉道半径主要分布于0.3~0.5μm，孔喉半径比值主要分布于300~480；中等偏强应力敏感性储层的喉道半径主要分布于0.15~0.25μm，孔喉半径比值相对较大，主要分布于590~840。
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图 5 鄂尔多斯盆地长7段不同应力敏感性致密油储层喉道半径分布 （a）弱应力敏感性储层；(b）中等偏弱应力敏感性储层；(c）中等偏强应力敏感性储层 |
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图 6 鄂尔多斯盆地长7段不同应力敏感性致密油储层孔喉半径比值分布 （a）弱应力敏感性储层；(b）中等偏弱应力敏感性储层；(c）中等偏强应力敏感性储层 |
选择具弱、中等偏弱、中等偏强3类应力敏感性强度的典型储层岩心样品进行了微米CT扫描成像分析，建立研究样品的喉道三维立体结构模型（图 7），发现在同一尺度（棱长为0.4mm的立方体）和同一分辨率（0.35~0.5μm）下，弱和中等偏弱应力敏感性储层中，喉道数量多（2536~6158个），在三维空间中广泛分布；相反，中等偏强应力敏感性储层的喉道数量（1526个）远小于前两种应力敏感性储层，且在三维空间分布不均。
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图 7 鄂尔多斯盆地长7段致密油储层样品喉道三维立体结构模型 （a）弱应力敏感性储层；(b）中等偏弱应力敏感性储层；(c）中等偏强应力敏感性储层 |
由此可见，储层的喉道数量、喉道半径和孔喉半径比值、喉道的三维空间分布特征影响其应力敏感性，喉道半径越小、孔喉半径比值越大、三维空间中喉道不发育的储层在有效应力作用下，喉道变形或闭合的可能性就越大、渗透率损失率越大，从而应力敏感性越强。
4 生产意义对长7段致密油开发先导试验区的油藏压力动态变化监测发现，X233井区的3口水平井在投产4个月后，比距离其300m的监测井的地层压力低3.7 MPa，这预示着长7段致密油储层由于喉道细微、渗流能力差，致使水平井压裂裂缝改造区域外的储层基质补给能量难，地层压力下降快，在短期内开发单元油层所承受的有效压力大于其初始有效应力。因此，虽然长7段致密油储层应力敏感性属弱和中等强度，但目前长7段致密油开发主要采用水平井体积压裂准自然能量开发方式[11-12]，这无疑加大了储层应力敏感性对致密油产能递减速度的影响。由此可见，长7段致密油在开发过程中应控制初期产液量和生产压差，延长体积压裂滞留液的能量补充作用，保持相对较长时期的油藏压力水平，从而降低储层应力敏感性对产能的影响。
岩石组分、填隙物组合和储层微观孔隙结构与储层应力敏感性耦合关系的研究说明，长7段致密油砂岩储层因碎屑成分及其含量、填隙物类型及其含量、岩石颗粒粒径和粒级分布、孔隙结构差异导致应力敏感性存在不同，而这种差异的本质是受长7段储集砂体的沉积成因类型和物源体系控制所致[1]，其中，东北物源体系控制的砂岩主要为三角洲水下分流河道成因类型，其长石碎屑组分含量高，填隙物组合以绿泥石、高岭石和硅质为主；粒间孔和溶蚀孔发育，喉道半径大，孔喉半径比值小，因而储层的应力敏感性总体表现为弱—中等偏弱；西南物缘体系控制的砂岩分为砂质碎屑流和浊积岩两种重力流成因类型，总体以长石含量低、填隙物以水云母为主、岩屑中发育沉积岩屑为特征，但砂质碎屑流与浊流沉积在砂岩分选、砂岩粒径、水云母和塑性组分的含量等方面具有较大的不同，相比较，砂质碎屑流沉积砂岩的分选好、粒径粗、水云母和塑性组分含量低，因此，砂质碎屑流沉积砂岩储层的应力敏感性表现为中等偏弱为主，而浊流沉积砂岩储层应力敏感性总体表现为中等偏强。另外，研究发现长7段致密油砂岩储层存在以孔隙度8%、渗透率0.08mD为界限的应力敏感性强弱变化规律。因此，在开发过程中需针对不同物源体系、不同成因类型、不同物性的砂岩储层制定不同的开发技术方案，以降低应力敏感性对致密油产能的影响程度。
5 结论(1) 在地层压力条件下，对鄂尔多斯盆地长7段致密油储层开展了应力敏感性实验。长7段致密油储层主要表现为渗透率的应力敏感性，应力敏感性属弱到中等强度，且应力敏感性随着储层物性变差而增强。
(2) 储层岩石骨架颗粒组分及其含量、填隙物类型及其含量、岩石颗粒粒径和粒级分布、孔隙结构差异是长7段致密油储层应力敏感性不同的主要控制因素。塑性组分和水云母发育、粒径小、分选差、可见孔含量低、喉道尺度小、孔喉半径比值大的储层应力敏感性强；高岭石和绿泥石发育、细砂粒级和可见孔含量高、砂岩分选好、喉道尺度大、孔喉半径比值小的储层应力敏感性弱。
(3) 长7段致密油储层喉道细微与渗流能力差导致储层基质补给能量难，水平井压裂裂缝改造区域的储层在短期内地层压力快速下降，储层应力敏感性对井的石油产量和产能递减速度产生明显的影响，因此针对长7段致密油不同应力敏感性储层需制定不同的开发技术方案，以降低应力敏感性对致密油产能的影响程度。
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