致密砂岩气层孔喉细小，地层能量随气藏开发而逐渐衰竭，引起有效应力增加，孔喉及裂缝受到压缩，气藏渗透率和产能明显降低(康毅力和罗平亚，2007；Archer，2008；王厉强等，2009；孙东生等，2012).以往致密砂岩应力敏感性研究多集中于渗透率等物性参数随有效应力改变的变化规律上，而针对与孔隙结构密切相关的岩石电学参数对有效应力变化的响应特征研究还不够(张浩等，2004a；康毅力等，2006；游利军等，2006；于忠良等，2007；李闽等，2009).完全饱和地层水致密砂岩的电学性质与其复杂的孔隙结构特征密切相关(毛志强等，1997；张明禄和石玉江，2005；石玉江等，2010；刘堂晏等，2013)，故通过测试不同有效应力作用下饱和地层水致密砂岩的电学参数，不仅从岩石电学实验的角度客观反映了变有效应力条件下致密砂岩骨架结构的形变程度，同时，可以更好地反映致密砂岩气藏开发过程中的电学性质变化规律，有助于改善Archie公式等电法测井解释模型的应用效果.

本文选取鄂尔多斯盆地上古生界二叠系典型致密砂岩气藏岩样，开展了不同有效应力下的致密砂岩电学实验研究.

本文以鄂尔多斯盆地上古生界二叠系典型致密砂岩气藏为研究对象，气藏储层孔隙类型多样、结构复杂，非均质性强，粉砂岩、泥质粉砂岩较多，黏土矿物以伊利石、高岭石、绿泥石及伊/蒙间层矿物为主.选取实验岩样71块，使用西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室自研设备SCMS-C1型全自动岩心孔渗测量系统测定了原地有效应力(25.86 MPa)下的岩样孔隙度(Φ)和渗透率(K)，孔隙度为1.1%~15.3%，渗透率为(0.0001~11.1)×10^-3μm²(图 1).

图 1

Fig. 1

图 1 实验岩样孔渗交汇图 Fig. 2 Samples permeability vs. porosity

实验用40 g/L的NaCl溶液模拟地层水.岩样抽真空(真空度-0.098 MPa以上)加压(30 MPa)饱和地层水，并维持该饱和压力72 h.

岩心电阻测量装置为西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室自研设备SCMS-J型声电测试仪(图 2)，通过TH2810B型LCR数字电桥仪(测试频率1 kHz)和计算机电阻采集系统，获取岩心在不同有效应力下的电阻值.

具体实验步骤：(1)根据行业标准制备实验岩心，其中综合蒸馏抽提法及抽真空加压溶剂冲洗法对岩心进行充分洗盐和洗油；(2)使用SCMS-C1型全自动岩心孔渗测量系统测定4个围压(3.5 MPa，7 MPa，15 MPa，25.86 MPa)下岩心的孔隙度和渗透率；(3)岩心抽真空，并加压饱和地层水；(4)使用SCMS-J型声电测试仪测量岩心电阻，从低到高设定4个围压(3.5 MPa，7 MPa，15 MPa，25.86 MPa)，待某个围压的电阻稳定后再升至下一个围压，直至得到原地条件(25.86 MPa)下的电阻.

常规疏松砂岩Archie公式中通常a=1，m=2(Archie，1942)，而71块100%饱和地层水岩样在4个围压(3.5 MPa，7 MPa，15 MPa，25.86 MPa)下的实验结果(图 3~图 6)表明，地层因素F与孔隙度Φ之间的关系在不同有效应力作用下存在较大差异：

(1)有效应力为3.5 MPa时，F=14.68Φ^-0.77，即a=14.68，m=0.77；

(2)有效应力为7 MPa时，F=18.13Φ^-0.72，即a=18.13，m=0.72；

(3)有效应力为15 MPa时，F=21.11Φ^-0.71，即a=21.11，m=0.71；

(4)有效应力为25.86 MPa时，F=39.69Φ^-0.52，即a=39.69，m=0.52.

使用SCMS-J型声电测试仪测量岩心电阻时，利用配套的计算机电阻采集系统获取了71块岩样在4个围压(3.5 MPa，7 MPa，15 MPa，25.86 MPa)下的电阻值动态变化，实验过程中发现：

(1)一定有效应力状态下，岩心的电阻需要一段时间才能稳定，即岩心电阻稳定具有时间效应；

(2)岩心电阻稳定所需时间随有效应力的增大而增加，即高有效应力状态下的电阻达到稳定值所需测试时间更长；

(3)岩心的物性不同，在实验过程中表现出的这种时间效应也存在相应的差异，通常情况下，岩心孔隙度、渗透率越低，其电阻稳定所需时间越长.

图 7所示为其中一块原地有效应力(25.86 MPa)下的孔隙度和渗透率分别为2.4%和0.0016×10^-3 μm²的致密砂岩在4个围压条件下的电阻值采集结果，其直观地表明，围压越高，电阻越大，电阻稳定所需时间越长.

致密砂岩电学性质是对流体分布状态和各种矿物导电性能的综合反映，在饱和流体性质不变的前提下，致密砂岩电学性质取决于孔隙结构特征和矿物类型、产状及分布.针对本文研究的致密砂岩样品，由于岩心100%饱和地层水，所以当有效应力改变时，岩心电阻发生变化的唯一原因即为孔隙结构特征被改变.

由于致密砂岩具有应力敏感性的根本原因是其孔隙结构在变有效应力条件下会发生改变，基于此，研究完全饱和地层水致密砂岩电学参数对有效应力变化的响应，不仅有助于改善Archie公式等电法测井 解释模型的应用效果，也是致密砂岩应力敏感研究领域的新探索.

图 2

Fig. 2

图 2 SCMS-J型声电测试仪 Fig. 2 SCMS-J Equipment for acoustics- resistivity measurement

图 3

Fig. 3

图 3 孔隙度与地层因素关系(3.5 MPa) Fig. 3 Formation factor vs. porosity(3.5 MPa)

图 4

Fig. 4

图 4 孔隙度与地层因素关系(7 MPa) Fig. 4 Formation factor vs. porosity(7 MPa)

图 5

Fig. 5

图 5 孔隙度与地层因素关系(15 MPa) Fig. 5 Formation factor vs. porosity(15 MPa)

图 6

Fig. 6

图 6 孔隙度与地层因素关系(25.86 MPa) Fig. 6 Formation factor vs. porosity(25.86 MPa)

图 7

Fig. 7

图 7 不同有效应力下的岩心电阻变化 Fig. 7 Change of core resistance with different confining pressure

图 8

Fig. 8

图 8 有效应力与岩电参数关系 Fig. 8 Effective stress vs. rock-electro parameters

图 9

Fig. 9

图 9 毛细管束导电模型示意图 Fig. 9 Schematic bundle of capillary tubes pack

71块岩样在4个围压(3.5 MPa，7 MPa，15 MPa，25.86 MPa)下的实验结果(图 3~图 6)表明，随着有效应力增加，Archie公式中的岩性系数a增大，地层胶结指数m减小，且这两个参数与有效应力呈现出相关性很好的二次多项式关系，即有效应力越大，岩电参数变化越明显，原地有效应力(25.86 MPa)下a和m分别是常压(3.5 MPa)下的2.7和0.7倍(图 8)，这里的a增大和m减小反映出高有效应力状态下致密砂岩愈发明显的片状或弯片状喉道特征(Byrnes et al., 2008；张丽华等，2010).这表明有效应力的改变对于致密砂岩气藏等非均质性强的复杂孔隙结构储层的电学性质影响较大，孔隙结构的复杂化与变有效应力等因素的综合作用大大增加了Archie公式等电法测井解释模型的岩电参数取值范围.

同时，综合对比图 3~图 6所示的71块岩样中的低孔隙度岩心与高孔隙度岩心的数据点，可以明显观察到，随着有效应力增加，孔隙度越低的岩心，其所对应的实验数据点偏离孔隙度较高岩心越严重，即表现出地层因素与孔隙度在双对数坐标系下不服从线性关系的趋势越明显.这表明，岩心越致密，其电阻率受有效应力影响越大，并且可由此判定，与常规砂岩相比，致密砂岩电学性质受有效应力影响更大.

由于致密砂岩往往具有孔喉细小且喉道多为片状的特点，作者认为将毛细管束模型Leverett，1941(；罗蛰潭和王允诚，1986；毛志强和高楚桥，2000；刘向君等，2007)作为致密砂岩导电模型比较合适，根据该模型，岩石电阻是各导电介质电阻并联的结果(图 9)，由于岩石骨架以及油气等介质的电阻率与地层水相比太大，对岩石导电性起绝对主导作用的是其毛管中的地层水，故可近似认为岩石电阻即反映了其中地层水的电阻，如果岩石中充满了地层水，即地层水饱和度达到了100%，那么岩石骨架结构的变形程度就能够直接由其电阻变化幅度表征.

实验中发现，在一定有效应力作用下，岩心电阻需要一定时间才能稳定(图 7).分析认为变有效应力条件下岩心电阻产生变化的原因主要有两个：

(1)岩石为多孔介质，致密砂岩又具有非均质性突出等特点，故在一定有效应力作用下其骨架结构需要一段时间的变形才能稳定.实验结果也表明，岩样越致密，电阻稳定所需时间就越长；

(2)地层水饱和度偏离100%的程度越大，其电阻稳定所需时间就越长.因为有效应力的改变必然影响饱和流体在孔喉中的分布状态，而经过该实验的抽真空加压饱和过程，足以保证地层水进入绝大多数微小孔喉，岩样的地层水饱和度至少已达95%~98%，故含水饱和度的影响可以忽略，实验中产生的电阻变化基本反映了岩石孔隙结构的变化.

由此可见，完全饱和地层水后，通过对比分析同一岩心在不同有效应力及不同岩心在相同有效应力下的电阻变化规律，可以快捷对比分析致密砂岩的骨架变形程度.室内往往通过铸体薄片等岩心分析方法对比实验前后岩样的孔隙结构，该方法准确直观，但比较耗费时间，且无法客观反映加压过程中岩石骨架的变形程度，而在岩电实验过程中发现，通过监测完全饱和地层水致密砂岩在一定有效应力作用下的电阻变化是判断岩石骨架结构变形程度的一种快捷且行之有效的方法，即电阻变化幅度直接表征了致密砂岩骨架结构变形程度.

目前，致密砂岩应力敏感性的时间效应已经得到证实，但相关实验主要体现在有效应力作用时间对岩样渗透率的影响方面(张浩等，2004b；王业众等，2007；杨胜来等，2008).有效应力作用时间是影响致密砂岩孔隙结构变化程度的重要因素，而渗透率和电阻的变化又是孔隙结构发生改变的直接反映(刘忠华等，2013)，作者之所以引入岩石电阻来表征应力敏感的时间效应，一是因为致密砂岩渗透率测量困难，且难以实现加压时的全过程测量，二是因为岩石骨架细微的变形也能明显改变其电阻，且整个加压过程中的孔隙结构变化都能被直观地反映出来.

因此，通过监测完全饱和地层水岩心在加压过程中的电阻变化是快速表征致密砂岩骨架变形程度的实验方法，也是研究致密砂岩应力敏感时间效应的必要手段.

致 谢 审稿专家及贵刊编辑部老师对论文提出了诸多建设性修改意见，谨致衷心感谢！