2015, Vol. 37
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温度对岩石渗透率的影响在岩石领域已经得到大量研究，但得出的结论并不一致。李志强等[1]认为，低围压下随温度升高渗透率会增大，主要是热膨胀微裂缝张开、岩石体积增大造成；高围压条件下随温度升高渗透率下降，主要是因为岩石杨氏模量降低。张渊等[2]得出在温度升高过程中，砂岩渗透率变化分为低温段、阈值温度前段、阈值温度后段、稳定段和高温段5个阶段，每个阶段砂岩渗透率的变化不同。贺玉龙等[3]发现，有效应力一定的情况下，随着温度的升高，砂岩岩样的渗透率减小幅度很大。梁冰等[4]认为在温度达到门槛值以后渗透率随温度的增大快速增大，而温度低于门槛值时渗透率随着温度变化不是很明显。Somerton W H等[5]分别在大气压力、油藏压力以及高温条件下对砂岩岩样进行加热实验，得出砂岩岩样的渗透率增加了50%以上的结论。Morrow C等[6]发现花岗岩的渗透率随温度增加而下降，高温下矿物成分熔解度的增加及热膨胀现象是主要原因。Casse F J和Ramey H J J研究表明[7]，温度对低渗砂岩渗透率的影响与流体性质有关，当饱和流体为气体时渗透率不受温度的影响。刘向君等[8]发现在一定温度(25~80 ℃)、压力(5.0~55.0 MPa)范围内，两组低渗透砂岩随温度、围压升高，孔隙度、渗透率都减小。Mohammed S B和Mohammed M A[9]对碳酸盐岩进行研究发现，温度100 ℃、围压28 MPa时渗透率约为25 ℃、围压5.0 MPa时的40%。李传亮[10]认为，不发生热裂变前岩石渗透率随着温度的升高增加，增大的幅度很小。曾平等[11]认为，有效应力越大，温度对岩样渗透率的影响越小，有效应力达到一定值后温度对渗透率的影响几乎可以忽略不计。左建平等[12]研究了不同温度作用下平顶山砂岩的热开裂，发现在温度小于150 ℃时，砂岩基本不会发生热开裂现象。
温度对岩石渗透率的影响存在不同的认识的主要原因有实验测试的温度、压力条件不同，对驱替介质的黏度没有校正以及敏感评价方法的不同。本文在消除实验封套的误差后开展不同压力、温度条件下低渗透砂岩储层渗透率随应力、温度的变化，实验数据处理时对驱替介质氮气进行不同温度、压力下黏度的校正，以储层真实压力条件进行应力敏感性评价。研究结果对石油/天然气的开采以及放射性废料地质深埋处置等工程安全性评价具有参考意义。
1 实验方法 1.1 实验仪器设备实验采用高温高压油气水相渗测试仪(温度200 ℃，压力120 MPa)，实验流程如图 1所示。
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| 图1 应力敏感实验流程 Fig. 1 Stress sensitivity experiment flow |
实验岩芯：孔隙度为8.2%，原始地层渗透率为0.85 mD，岩石密度2.54 g/cm3，岩芯横截面积4.7 cm2，岩芯长度5.2 cm。岩芯岩石的主要矿物成分为：长石62.80%~52.50%，平均57.60%；石英29.00%~24.40%，平均26.90%；岩屑4.70%~1.90%，平均3.10%；黑云母14.1%~1.90%，平均6.00%。
1.2实验数据处理方法
实验渗透率计算采用达西公式
| $ K = \dfrac{{0.1{p_0}L}}{A} \cdot \dfrac{\mu }{{\overline p }} \cdot \dfrac{{{Q_0}}}{{\Delta p}} $ | (1) |
式中：
K－渗透率，D；
Q0－出口气体流量，cm3/s；
L－岩芯长度，cm；
p0－标准大气压力，MPa；
p－平均压力，MPa；
A－岩芯横截面积，cm2；
Δp－驱替压差，MPa；
μ－黏度，mPa·s。
实验驱替介质采用氮气，在实验过程中氮气黏度的校正曲线如图 2所示。
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| 图2 氮气黏度校正曲线 Fig. 2 Nitrogen viscosity calibration |
实验在恒温(30 ℃)下进行，将表面粗糙的无渗透率的死岩芯装入岩芯夹持器中。岩芯入口压力设置为0.5 MPa，出口压力设置为0.3 MPa，围压从3.0 MPa以2.0 MPa为步长逐渐增加到9.0 MPa，再以2.0 MPa为步长从9.0 MPa逐渐降低到3.0 MPa，依次测量渗透率。
1.3.2 死岩芯温度敏感性实验将表面粗糙的无渗透率的死岩芯装入岩芯夹持器中，实验岩芯入口压力设置为0.5 MPa，出口压力设置为0.3 MPa，围压设置为3.0 MPa，温度从30 ℃以30 ℃为步长逐渐增加至150 ℃，再以30 ℃为步长从150 ℃降低至30 ℃，依次测量各个变化点渗透率。
1.3.3 渗透率温度敏感性实验第一组实验将入口压力设置为0.5 MPa，出口压力设置为0.3 MPa，围压恒压为3.0 MPa，分别测定温度为30，60，90，120，150 ℃时的岩芯渗透率；第二组实验将入口压力设置为5.0 MPa，出口压力设定4.8 MPa，围压分别恒定为10.0 MPa和20.0 MPa，分别测定温度为30，60，90，120，150 ℃时的岩芯渗透率。
1.3.4 温度对渗透率应力敏感性影响实验采用恒定内压变围压应力敏感实验测试方法。实验将岩芯入口压力设置为0.5 MPa，出口压力设置为0.3 MPa，第一组实验将温度恒定为30 ℃，测定围压为2.0，5.0，10.0，15.0，20.0，30.0 MPa时的岩芯渗透率；第二组实验将温度恒定为150 ℃测定围压为2.0，5.0，10.0，15.0，20.0，30.0 MPa时的岩芯渗透率。
2 实验结果分析 2.1 死岩芯实验从死岩芯应力敏感性实验结果(图 3)可知：用表面粗糙无渗透率的死岩芯代替真实岩芯，依然可以测到微弱的渗透率值，认为是由岩芯与封套之间的微间隙贡献的。图 3微间隙贡献的渗透率值最高可达0.016 mD，随着有效应力的增大，微间隙贡献的渗透率急剧减小，当有效应力大于9.0 MPa后微间隙贡献的渗透率已经无法测到，可以认为围压大于9.0 MPa后封套密封性完好。
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| 图3 死岩芯应力敏感性实验 Fig. 3 False core stress sensitive experiment |
从温度敏感性实验结果(图 4)可知，围压为3.0 MPa时，随着温度的升高，假岩芯的渗透率不断降低，温度从30 ℃增加到150 ℃渗透率从0.012 mD降低到0.004 mD。通过死岩芯实验测试发现：低围压阶段封套对渗透率的测定有一定影响，实验测试数据需要校正。因此，进行驱替实验测试时建议将围压值设置大于9.0 MPa，以消除封套的影响。
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| 图4 死岩芯温度敏感性实验 Fig. 4 False core temperature sensitive experiment |
图 5是平均内压0.4 MPa，围压3.0 MPa时渗透率随温度的变化曲线。由图 5可知：温度从30 ℃增加到70 ℃时岩芯的渗透率略有下降，温度从70 ℃到150 ℃时，随着温度的增加，渗透率降低。死岩芯测试表明，低围压阶段封套与岩芯之间存在微间隙，随着温度的增加封套发生热膨胀，微间隙缩小会导致渗透率下降。这一现象对渗透率的影响为0.008 mD，图 5中温度从30 ℃增加到150 ℃渗透率从2.020 mD降低到1.740 mD，下降了0.280 mD。消除封套等外界影响因素，在低围压条件下，随着温度的升高渗透率是下降的，温度从30 ℃增加到150 ℃渗透率降低了13.47%。
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| 图5 低围压条件下渗透率温度敏感性 Fig. 5 Permeability sensitivity to temperature at low confining pressure |
图 6是平均内压为4.9 MPa，围压分别为10.0 MPa和20.0 MPa条件下渗透率随温度的变化曲线。由图 6可知：在围压分别为10.0 MPa和20.0 MPa条件下，随着温度的增加岩芯渗透率几乎不变，说明在实际储层围压达到20.0 MPa后温度对砂岩渗透率的影响可以忽略不计。通过对比图 5和图 6可知：特低渗砂岩储层渗透率对温度并不敏感，实验室测试到随着温度的增加渗透率快速下降的现象不能代表油气田的实际开发过程。
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| 图6 高围压条件下渗透率温度敏感性 Fig. 6 Permeability sensitivity to temperature at high confining pressure |
图 7为不同温度下砂岩渗透率应力敏感性实验。从图 7可知：温度分别为30 ℃和150 ℃条件下，围压从2.0 MPa增加到10.0 MPa渗透率均快速下降，围压从10.0 MPa增加到30.0 MPa渗透率缓慢下降。实际储层围压一般都远大于10.0 MPa，以文献[13]和[14]特低渗砂岩应力敏感评价方法评价得出该砂岩应力敏感程度为中等。同时可以发现，温度在150 ℃条件下岩芯的应力敏感程度略大于温度为30 ℃时的应力敏感性，温度从30 ℃增加到150 ℃储层渗透率应力敏感性伤害程度增加了3.8%。通过图 5、图 6、图 7同时可得出：低围压(3.0 MPa)下随着温度升高渗透率减小，高围压(20.0 MPa)下随着温度的升高渗透率几乎不变；温度对岩芯渗透率应力敏感性存在一定的影响，高温条件比低温条件下应力敏感性略强。
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| 图7 温度对应力敏感影响 Fig. 7 Effect of temperature on sensitivity to stress |
(1) 围压低于9.0 MPa时封套对特低渗岩芯驱替实验存在微弱的影响。
(2) 在低围压(3.0 MPa)时，随着温度的升高，渗透率呈下降趋势，温度从30 ℃增加到150 ℃渗透率降低了13.47%。
(3) 温度对渗透率应力敏感性有一定影响：应力敏感对渗透率损害随温度的升高而增加。
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