0 引言
“十三五”以来，国内油气勘探不断向深层—超深层进军，复杂油气藏、非常规油气藏等领域的研究逐渐深入，取得了大量的成果［1］，其中新疆准噶尔盆地南缘地区的下成藏组合深层勘探获得重大突破，显示出良好的勘探前景［2-3］。准噶尔盆地南缘地区LT1井的实际测试结果表明，不同试采阶段的气井测试产量与压差关系存在差异，且不同试采阶段的相同压差条件下，气井测试产量呈下降趋势，这说明储层表现出一定的应力敏感特征，不利于该地区油气勘探进程。储层应力敏感性是储层岩石渗透率随有效应力增加而产生损害的现象，而如何避免或降低储层应力敏感性对渗透率的伤害程度，是十分重要的研究内容。在有效应力作用影响下，储层岩石孔隙空间会发生变化，这种变化会影响其渗透率大小［4-5］，对储层后续的开发方案及储层保护的措施有一定影响，因此，有必要针对储层应力敏感性及其影响因素进行更深入的研究。
目前，部分学者通过变围压实验或变孔压实验研究了储层应力敏感性并取得了一定认识：尹丛彬［6］系统研究了页岩裂缝类型、裂缝面粗糙程度、层理等因素对裂缝渗透率的影响；吴建发等［7］开展了不同铺砂浓度、排采制度和生产制度条件下渗透率变化规律模拟实验；房好青等［8］通过页岩酸蚀裂缝渗透率测试实验探究了支撑剂对页岩酸蚀剪切裂缝渗透率的影响；邹雨时等［9］对压裂后的裂缝导流能力进行测试，研究了支撑剂的嵌入规律进而判断其有效性；陈文滨等［10］讨论了张裂缝和剪裂缝应力敏感性差异对致密砂岩储层产能的影响。同时，部分学者借助数值模拟的方法也对应力敏感性开展了相关研究：王珂等［11］采用储层裂缝数值模拟方法对克深气田裂缝性储层的应力敏感性进行了研究，并分析了应力敏感性的影响因素；冯建伟等［12］、庞铭等［13］利用有限元方法开展了有效应力作用下裂缝闭合规律的研究，并模拟了有效应力下酸蚀对裂缝渗流的影响，以评估裂缝中的渗透率变化；杨峰等［14］运用COMSOL模拟了流体在岩石孔隙中的渗流特征， 研究了致密砂岩的渗流特征及应力敏感性；考佳玮等［15］对缝洞型碳酸盐岩储层人工裂缝的扩展进行了数值模拟研究；朱海燕等［16］通过DEM-CFD模型建立了模拟裂缝数值模型，研究了裂缝闭合应力、储层弹性模量、铺砂浓度和支撑剂组合形式对裂缝渗流能力的影响；DENG等［17］采用颗粒离散元数值模拟方法研究了不同条件下裂缝的开度变化规律。这些研究成果有助于人们认识储层裂缝应力敏感性及其影响因素，利于油气藏的高效开发。然而，深层储层的应力环境较为复杂，其有效应力变化范围大，开采过程中地层有效应力的变化对其人工裂缝渗透率的影响程度还有待深入研究。
因此，以准噶尔盆地南缘地区清水河组深层致密砂岩储层为研究对象，综合物理实验和数值模拟的方法，系统研究破坏模式、支撑剂、裂缝角度、地层孔隙压力、水平主应力差等因素对裂缝开度、裂缝闭合量和裂缝渗透率的影响，讨论了这些因素对致密砂岩人工裂缝应力敏感性的影响，为准噶尔盆地南缘地区深层致密砂岩储层勘探开发提供一定依据。
1 实验样品及实验方案
1.1 实验样品
以准噶尔盆地南缘地区清水河组深层致密砂岩储层为研究对象，取样深度为6 437~6 539 m，通过单/三轴压缩力学实验获得劈裂破坏模式岩样P-1、P-2及剪切破坏岩样S-1、S-2，不同破坏模式岩样如图1（a）所示。为了研究支撑剂铺设对人工裂缝应力敏感性的影响，选用70/140目的陶粒作为裂缝岩样的支撑剂，设置铺砂浓度为1 kg/m2，对不同破坏模式裂缝岩样进行单层均匀铺置，如图1（b）所示，实验样品的基本参数如表1所示。研究区块的清水河组地层压力分布范围为1.92~2.33 MPa/100 m，水平最小主应力分布范围为2.31~2.63 MPa/100 m，水平最大主应力分布范围为2.39~2.70 MPa/100 m，该储层具有高孔压、高应力的特征，以及开采过程中有效应力变化大的特点。为了更好地研究地层应力条件下储层人工裂缝的应力敏感性变化规律，综合采用室内实验和数值模拟手段研究破坏模式、支撑剂、裂缝角度、地层孔隙压力、水平主应力差等因素的影响。
表1 岩心基本参数Table 1 Basic parameters of core |
| 样品 编号 | 原始 | 破坏后 | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 长度/（10-3 m） | 直径/（10-3 m） | 孔隙度/% | 渗透率/（10-3 µm2） | 长度/（10-3 m） | 直径/（10-3 m） | 孔隙度/% | 渗透率/（10-3 µm2） | |
| P-1 | 50.01 | 25.01 | 3.00 | 0.004 1 | 49.99 | 25.02 | 18.46 | 68.00 |
| P-2 | 50.03 | 25.03 | 2.25 | 0.002 8 | 50.05 | 25.00 | 19.33 | 72.02 |
| S-1 | 50.00 | 24.98 | 2.99 | 0.004 6 | 50.01 | 25.00 | 15.23 | 50.86 |
| S-2 | 50.01 | 25.00 | 1.05 | 0.001 1 | 50.00 | 25.04 | 14.44 | 45.21 |
1.2 室内实验
岩样的渗透率测试介质采用高纯氮气，且实验过程中控制有效应力变化方法为保持岩心内的孔隙压力不变，改变施加的围压。在实验中，通过作用于岩心侧面的围压模拟上覆地层压力，通过岩心内孔隙压力模拟地层孔隙压力，其中由岩心两端压力取平均来确定孔隙压力。随着油气被开采，地层孔隙压力逐渐降低，地层有效应力逐渐增强，但中浅层地层的有效应力增长幅度低于深层地层，其渗透率下降幅度也低于深层地层。深层和中浅层地层的差异主要体现在前者的应力环境复杂，其有效应力变化更大，本文通过有效应力变化幅度大小来反映深层地层和中浅地层的差异。本文实验设置的有效应力从5 MPa到60 MPa，级差为5 MPa，分别记录加压和卸压过程中各有效应力点下的岩心渗透率，在卸压过程中同一有效应力状态至少保持1 h，以保证在卸压过程中岩样具有足够的时间恢复变形。同时，为了研究支撑剂对人工裂缝应力敏感性的影响，开展了支撑剂铺置前后的人工裂缝应力敏感性实验。待P-1、P-2、S-1、S-2等岩心渗透率测试完毕后，分别对其进行铺砂处理，命名为P-1*、P-2*、S-1*、S-2*，对铺砂后岩心以相同方式测试加压和卸压过程中各有效应力点下的岩心渗透率。此外，为了进一步分析不同破坏模式、铺设支撑剂对人工裂缝应力敏感性的影响，开展各有效应力条件下岩样人工裂缝的等效裂缝开度［式（1） ］和裂缝闭合量［式（2） ］［18-19］的变化规律研究。
式中： 为有效应力 时渗透率，10-3 µm2； 为初始等效裂缝开度，μm； 为有效应力 时等效裂缝开度，μm； 为岩样直径，cm； 为有效应力 时裂缝闭合量，%。
1.3 数值模拟
基于离散元模拟软件PFC2D，以粒径范围为0.01~0.02 mm的微小颗粒建立了长、宽分别为50 mm×50 mm 的地层基质模型，在模型中设置长、宽分别为20 mm×0.2 mm的裂缝（裂缝角度为裂缝与水平最大主应力方向间的夹角），共32 683个单元，且为了模拟地层条件，在模型X、Y方向分别施加水平最小主应力145 MPa、水平最大主应力150 MPa，地层孔隙压力为120 MPa，如图3所示，并利用Image J软件对数值模拟结果图进行裂缝识别、参数提取，计算得到模型中裂缝的面积，从而获得裂缝的等效裂缝开度和裂缝闭合量。为了研究地层孔隙压力、水平应力差、裂缝角度等对裂缝应力敏感性的影响，开展各有效应力条件下裂缝的等效裂缝开度和裂缝闭合量变化规律的研究，设置3套模拟方案：①保持水平主应力和地层孔隙压力不变，设置裂缝角度以级差10°逐渐从0°增加到90°；②保持裂缝角度和水平主应力不变，按照0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%逐渐减小地层孔隙压力；③保持裂缝角度和地层孔隙压力不变，在模型Y方向上逐渐增大应力，设置不同水平应力差，以级差5 MPa逐渐从0 MPa增加到40 MPa。
2 结果与讨论
2.1 破坏模式的影响
不同破坏模式下岩样归一化渗透率随有效应力的变化规律如图4所示，岩样等效裂缝开度和裂缝闭合量随有效应力的变化规律如图5所示。从图中可看出，随着有效应力增大，岩样归一化渗透率逐渐减小，岩样等效裂缝开度逐渐减小、裂缝闭合量逐渐增大，且有效应力较低时渗透率下降幅度大，较高时渗透率降低幅度小，其中当有效应力增加到20 MPa时，劈裂破坏岩样归一化渗透率下降至0.01左右，剪切破坏岩样归一化渗透率下降至0.19左右。这是因为较低有效应力时，裂缝面上高强度凸起支撑裂缝，随着有效应力增加，壁面高强度凸起被破坏，岩样等效裂缝开度减小、裂缝闭合量增大，造成裂缝逐渐闭合，使岩样渗透率下降速度快。当有效应力达到最大值后开始卸载，随有效应力的减小，岩样渗透率逐渐恢复，但无法恢复至初始状态，在相同有效应力条件下卸载时渗透率远小于加载。其中劈裂破坏岩样归一化渗透率恢复到0.15左右，而剪切破坏岩样归一化渗透率恢复到0.4左右。同时，从图中还可看出，不同破坏模式岩样随有效应力增加的归一化渗透率变化规律存在较大差异，劈裂破坏岩样的下降速度和幅度明显大于剪切破坏，其中对于劈裂破坏岩样，当有效应力小于15 MPa时，渗透率下降幅度较大，应力敏感性较强，而当有效应力大于15 MPa时，渗透率下降幅度较小，应力敏感性较低；对于剪切破坏岩样，当有效应力小于35 MPa时，渗透率下降幅度较大，应力敏感性较强，而当有效应力大于35 MPa时，渗透率下降幅度较小，应力敏感性较低。此外，当有效应力低于15 MPa时，裂缝岩心的等效裂缝开度较大，随着有效应力的增大，裂缝岩心由于压实作用的影响内部孔隙逐渐变小，裂缝闭合量增大，造成岩心裂缝逐渐闭合，引起岩样渗透率下降幅度大，其应力敏感性较强；当有效应力介于15~35 MPa之间时，由于压实作用的减弱，岩石支撑缝渗透率虽继续降低，但降低幅度逐渐减小，其应力敏感性相对更弱；当有效压力增加到使裂缝闭合后，压实作用对支撑缝渗透率的影响较小，基质中孔隙会在有效压力的作用下压缩，引起岩样渗透率极小幅度的下降，其应力敏感性较弱。
劈裂破坏岩样的应力敏感性明显强于剪切破坏岩样的原因是实验过程中应力是近似垂直于劈裂破坏岩样的裂缝面，而与剪切破坏岩样的裂缝面呈一定夹角，这会造成前者裂缝面受到的应力要大于后者，导致前者裂缝壁面上凸起更易被破坏，使得前者裂缝面闭合速度快，且剪切裂缝被错位的凸起点支撑，使其裂缝开度大和裂缝闭合量小，即劈裂破坏岩样的等效裂缝开度小于剪切破坏岩样，劈裂破坏岩样裂缝闭合量大于剪切破坏岩样。
图6 加载过程中不同破坏模式岩样渗透率损害率Fig.6 Permeability damage rate of rock samples with different failure modes during loading process |
表3 加载过程中不同破坏模式下渗透率损害评价Table 3 Evaluation of permeability damage under different failure modes during loading process |
| 样品编号 | 初始渗透率 /（10-3 µm2） | 残余渗透率 /（10-3 µm2） | 卸载后渗透率 /（10-3 µm2） | 最大渗透率 损害率/% | 不可逆渗透率 损害率/% |
|---|---|---|---|---|---|
| P-1 | 68.00 | 1.20×10-4 | 10.75 | 99.99 | 84.19 |
| P-2 | 72.02 | 3.35×10-4 | 8.56 | 99.99 | 88.11 |
| S-1 | 50.86 | 7.62×10-1 | 20.63 | 98.50 | 59.44 |
| S-2 | 45.21 | 2.60×10-1 | 15.85 | 99.42 | 64.94 |
| P-1* | 201.63 | 81.02 | 127.55 | 59.82 | 36.74 |
| P-2* | 380.30 | 70.26 | 248.08 | 81.53 | 34.77 |
| S-1* | 304.29 | 156.56 | 238.67 | 48.55 | 21.56 |
| S-2* | 314.85 | 231.57 | 272.79 | 26.45 | 13.36 |
|
2.2 支撑剂的影响
铺设支撑剂后岩样归一化渗透率随有效应力的变化规律如图7所示。综合图4和图7可看出，铺设支撑剂后岩样归一化渗透率随着有效应力增加下降的趋势，且卸载后岩样归一化渗透率逐渐恢复，其中劈裂破坏岩样归一化渗透率下降幅度大和恢复程度小，这与未铺设支撑剂时的变化规律相似，即随着有效应力增大至60 MPa，劈裂破坏岩样归一化渗透率平均值降至 0.3左右，剪切破坏岩样归一化渗透率平均值降至0.6左右；当有效应力恢复到初始状态时，劈裂破坏岩样归一化渗透率恢复到0.64，剪切破坏岩样归一化渗透率恢复到0.82。这是因为随着有效应力增加，支撑剂破损率呈增加趋势，且支撑剂会不同程度嵌入到裂缝面内及支撑剂的重新排列，造成岩样人工裂缝渗透率的下降，从而导致人工裂缝渗透率出现应力敏感现象。同时，结合表3可以看出，在支撑剂作用下，岩样归一化渗透率的下降速度和下降幅度均明显减小，即岩样初始渗透率和残余渗透率显著提高，岩样最大渗透率损害率、不可逆渗透率大幅度下降，铺设、未铺设支撑剂的平均最大渗透率损害率分别为99.48%和54.1%，平均不可逆损害率分别为26.61%和74.17%，卸载后恢复渗透率大幅度提高。这说明压裂后没有支撑剂支撑的人工裂缝，在生产过程中地层的裂缝将容易闭合，渗透率下降速度快，难以达到提高产量的目的。
铺设支撑剂后岩样等效裂缝开度和裂缝闭合量随有效应力的变化规律如图8所示。从图中可以看出，随着有效应力增加，等效裂缝开度逐渐减小，裂缝闭合量逐渐增大，其中劈裂破坏岩样等效裂缝开度减小的速度、裂缝闭合量增大的速度更快，且在相同有效应力下剪切破坏岩样等效裂缝开度更大、裂缝闭合量更小，即剪切破坏岩样人工裂缝应力敏感性弱于劈裂破坏；与未铺设岩样相比，相同有效应力下，铺设支撑剂后岩样等效裂缝开度明显增大和裂缝闭合量明显减小，这显著地降低了人工裂缝的应力敏感性，使人工裂缝保持较高的导流能力。这是因为裂缝壁面上支撑剂支撑裂缝，使得等效裂缝开度增大和裂缝闭合量减小，且劈裂破坏岩样裂缝面上有效应力大，造成裂缝面上支撑剂破碎率和嵌入程度大，使得其等效裂缝开度小和裂缝闭合量大，从而导致劈裂破坏岩样渗透率下降幅度大。
加载过程中铺设支撑剂后岩样渗透率损害率结果如图9所示。从图中可以看出，铺置支撑剂后岩样的渗透率损害率低于未铺置支撑剂岩样；与未铺置支撑剂岩样相比，当有效应力较低时，铺置支撑剂岩样渗透率损害率增大的速度较低。这说明支撑剂能增强地层中裂缝渗透率，提高裂缝开度，降低裂缝闭合量及裂缝渗透率损害率，地层中被压开裂缝如果缺少支撑剂的支撑，在后续生产过程中渗透率下降速度快且渗透率损害程度大，裂缝易发生闭合，在实施提高渗透率的增产措施时地层渗透率恢复的能力也较弱；对裂缝铺设支撑剂不仅增强地层的渗透性，降低了储层中裂缝的应力敏感性，还有利于储集层的后续开发。
2.3 裂缝角度的影响
2.4 地层孔隙压力的影响
2.5 水平应力差的影响
3 结论
（1）随着有效应力的增大，岩石支撑缝渗透率降低，支撑缝渗透率损害率增大，其中深层地层有效应力变化幅度更大，其对岩石渗透率的伤害更大，应力敏感性更显著，且剪切破坏岩样应力敏感性小于劈裂破坏岩样，生产过程中地层剪切裂缝更有利于后期的生产开发。
（2）支撑剂对岩样支撑缝渗透率影响较大，支撑剂能为裂缝面提供有效的支撑作用，铺设支撑剂后裂缝岩样的最大渗透率损害率、不可逆渗透率均大幅度下降，但卸载后渗透率恢复较高，减缓裂缝开度闭合的速度，降低裂缝应力敏感性，使裂缝渗透率得到保持。
（3）随着人工裂缝与水平最大主应力间夹角的增大、地层孔隙压力的减小或水平应力差的增大，裂缝面上受到的应力增大，造成等效裂缝开度减小和裂缝闭合量增大，使得支撑缝渗透率降低。
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