不同滲透率儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性試驗(yàn)對(duì)比

劉均一，邱正松，黃維安，邢希金，羅 洋

(1.中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院，山東青島266580;2.中海油研究總院，北京100027)

隨著油氣勘探工作進(jìn)入“低、深、難”階段，在已探明的油氣地質(zhì)儲(chǔ)量中，低滲、超低滲油氣藏所占比例超過60%，因此低滲、超低滲油氣藏將成為中國油氣資源的重點(diǎn)接替產(chǎn)能。近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)低滲、超低滲儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性開展了大量的理論與試驗(yàn)研究［1-7］。當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為中、高滲透儲(chǔ)層具有應(yīng)力敏感性，并通過試驗(yàn)和理論兩方面進(jìn)行了證實(shí)。然而對(duì)于低滲、超低滲儲(chǔ)層是否具有應(yīng)力敏感性，以及較之中、高滲透儲(chǔ)層是否具有更強(qiáng)的應(yīng)力敏感性仍然存在很大的爭議［8-14］。筆者以室內(nèi)評(píng)價(jià)試驗(yàn)為基礎(chǔ)，對(duì)比研究不同滲透率天然砂巖儲(chǔ)層巖心的應(yīng)力敏感性損害程度，揭示儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性損害機(jī)制，并進(jìn)一步計(jì)算應(yīng)力敏感性損害對(duì)低滲、超低滲油田產(chǎn)能的影響。

1 試驗(yàn)方法及流程

選取10塊已洗油的天然砂巖儲(chǔ)層巖心開展室內(nèi)評(píng)價(jià)試驗(yàn)，巖心的基礎(chǔ)參數(shù)如表1所示。由表1可以看出，所選天然儲(chǔ)層巖心從0.718×10－3μm2的超低滲巖心到1854.98×10－3μm2的特高滲透巖心均有所分布，保證了不同滲透率儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

表1 試驗(yàn)巖心基礎(chǔ)參數(shù)Table 1 Basic data of experimental cores

參照最新版中國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5358-2010設(shè)計(jì)室內(nèi)評(píng)價(jià)試驗(yàn)，采用中國石油大學(xué)(華東)自行設(shè)計(jì)的YBH-I多功能儲(chǔ)層保護(hù)試驗(yàn)儀進(jìn)行儲(chǔ)層敏感性流動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)流程如圖1所示。試驗(yàn)過程中，通過調(diào)節(jié)圍壓泵與上、下游壓力傳感器實(shí)現(xiàn)有效應(yīng)力的改變，在不同有效應(yīng)力條件下，試驗(yàn)流體以一定流速流過巖心，同時(shí)數(shù)據(jù)采集與處理終端實(shí)時(shí)獲取巖心滲透率的變化情況。

圖1 試驗(yàn)流程圖Fig.1 Flow chart of experiment

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

在室內(nèi)評(píng)價(jià)試驗(yàn)過程中，測定不同有效應(yīng)力條件下巖心滲透率，并對(duì)滲透率進(jìn)行了歸一化處理(圖2)。由圖2可知，隨著有效應(yīng)力的增加，所有天然巖心的滲透率均有所下降。當(dāng)有效應(yīng)力增加至20 MPa時(shí)，中、高滲儲(chǔ)層巖心(如No.1)滲透率絕對(duì)損害值為227.38×10－3μm2，但滲透率相對(duì)損害值較小，僅為12.36%，即儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性較弱;而低滲、超低滲儲(chǔ)層巖心(如No.10)則恰恰相反，當(dāng)有效應(yīng)力增加至20 MPa時(shí)，巖心滲透率絕對(duì)損害值僅為0.267× 10－3μm2，但滲透率相對(duì)損害值高達(dá)37.11%，即儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性較強(qiáng)。

圖2 巖心滲透率隨有效應(yīng)力的變化Fig.2 Variation of permeability with effective stress

在應(yīng)力恢復(fù)試驗(yàn)過程中，當(dāng)有效應(yīng)力由20 MPa恢復(fù)到5 MPa時(shí)，中、高滲儲(chǔ)層巖心(如No.1)滲透率恢復(fù)了93.90%，而低滲、超低滲儲(chǔ)層巖心(如No.10)滲透率僅恢復(fù)了80.23%，這就說明由于應(yīng)力狀態(tài)改變，巖石發(fā)生了不同程度的塑性變形，從而對(duì)油氣藏產(chǎn)生了永久性損害。

試驗(yàn)結(jié)果還表明，無論中、高滲儲(chǔ)層，還是低滲、超低滲儲(chǔ)層，都存在不同程度的應(yīng)力敏感性，尤其是低滲、超低滲儲(chǔ)層具有較強(qiáng)的應(yīng)力敏感性。除此之外，這兩類儲(chǔ)層的應(yīng)力敏感性損害程度雖然相差較大，但均對(duì)儲(chǔ)層產(chǎn)生了不可逆轉(zhuǎn)的損害，嚴(yán)重影響了油井產(chǎn)能。

2.2 經(jīng)驗(yàn)公式建立

根據(jù)儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性試驗(yàn)結(jié)果，經(jīng)數(shù)據(jù)擬合發(fā)現(xiàn)巖心滲透率與有效應(yīng)力之間存在二次多項(xiàng)式經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，即

式中，k為不同有效應(yīng)力下巖心滲透率，10－3μm2;k0為巖心初始滲透率，10－3μm2;pe為有效應(yīng)力，MPa;A0、A1和A2為多項(xiàng)式擬合系數(shù)。

數(shù)據(jù)擬合結(jié)果(表2)表明，擬合相關(guān)系數(shù)平均值可達(dá)99.50%，表明所建立的二次多項(xiàng)式經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式能較準(zhǔn)確地描述巖心所受有效應(yīng)力與其滲透率變化之間的規(guī)律。

表2 經(jīng)驗(yàn)公式數(shù)據(jù)擬合結(jié)果Table 2 Data-fitting results of empirical formula

2.3 應(yīng)力敏感性損害模式分析

選取 No.1、No.4 及 No.10 巖心，構(gòu)建不同有效應(yīng)力下巖心單次滲透率損害率直方圖與累積滲透率損害率曲線見圖3。由圖3可知，隨著有效應(yīng)力的增加，中、高滲儲(chǔ)層巖心No.1和 No.4的滲透率平緩下降，單次滲透率損害率不超過5.00%，20 MPa條件下累積滲透率損害率均小于15.00%，屬于“緩慢下降”型應(yīng)力敏感性損害模式;對(duì)于超低滲儲(chǔ)層巖心No.10，當(dāng)有效應(yīng)力增加至3.5 MPa時(shí)，其滲透率迅速下降，單次滲透率損害率高達(dá)14.33%，當(dāng)有效應(yīng)力繼續(xù)增加至某一門限值后，巖心滲透率的下降速度趨于平緩，但單次滲透率損害率仍大于中、高滲儲(chǔ)層，20 MPa條件下累積滲透率損害率為37.10%，屬于“先快后慢”型應(yīng)力敏感性損害模式。

圖3 不同有效應(yīng)力下巖心滲透率的單次損害率及累積損害率Fig.3 Single and accumulative permeability damage of cores at different effective stress

造成上述現(xiàn)象的原因在于低滲、超低滲儲(chǔ)層多發(fā)育微細(xì)孔喉及微裂縫，當(dāng)?shù)貙訅毫﹂_始下降時(shí)，細(xì)孔喉或裂縫表面的微凸起在有效應(yīng)力作用下發(fā)生彈塑性形變［15］，致使?jié)B透率迅速降低;隨著地層壓力的進(jìn)一步下降，巖石骨架不斷被壓實(shí)，儲(chǔ)層巖石受壓收縮量顯著降低，因此滲透率的下降趨勢逐漸變得平緩。

3 應(yīng)力敏感性損害機(jī)制

根據(jù)巖石孔隙與喉道變形理論［16］可知，儲(chǔ)層巖石作為一種致密多孔介質(zhì)，在未受壓條件下，其中的孔隙與喉道并存。當(dāng)巖石開始受壓時(shí)，巖石中的喉道首先閉合，而孔隙基本不閉合，即喉道的受壓閉合是儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性損害的主要原因。因此，筆者以儲(chǔ)層微觀孔喉結(jié)構(gòu)及其尺寸分布作為切入點(diǎn)，分析不同滲透率儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性損害機(jī)制。

3.1 微觀孔喉結(jié)構(gòu)分析

利用S-4800冷場掃描電鏡，直觀分析了巖心的微觀孔喉結(jié)構(gòu)，如圖4所示。分析試驗(yàn)圖片可知，中、高滲儲(chǔ)層(如No.1巖心)以粒間孔隙為主，是砂巖在沉積時(shí)期形成的原生孔隙，喉道斷面是孔隙縮小的部分，喉道較粗，當(dāng)有效應(yīng)力增加時(shí)，不易發(fā)生受壓閉合，孔喉尺寸也不會(huì)大幅減小，即應(yīng)力敏感性較弱。低滲、超低滲儲(chǔ)層(如No.10巖心)也以粒間孔隙為主，但喉道多呈片狀、彎片狀構(gòu)造，填隙物較多，此類喉道對(duì)壓力十分敏感，當(dāng)有效應(yīng)力稍有增加時(shí)極易發(fā)生受壓閉合，造成孔喉尺寸大幅減小，滲透率迅速降低，嚴(yán)重影響油井產(chǎn)能。

圖4 巖心掃描電鏡分析圖片F(xiàn)ig.4 SEM photos of cores

3.2 微觀孔喉尺寸分布

利用高壓恒速壓汞儀測定毛管壓力曲線，可以獲取巖心孔喉分布等系列特征參數(shù)，確定各個(gè)孔喉區(qū)間對(duì)滲透率的貢獻(xiàn)。試驗(yàn)巖心No.1和No.10的壓汞試驗(yàn)曲線如圖5所示。分析可知，中、高滲儲(chǔ)層(如巖心No.1)孔喉半徑分布范圍相對(duì)較廣，對(duì)滲透率具有貢獻(xiàn)的孔喉半徑為16.0～75.4 μm，且多為大孔喉，隨著有效應(yīng)力的增加，孔喉尺寸緩慢減小，對(duì)儲(chǔ)層滲透率影響不大。低滲、超低滲儲(chǔ)層(如巖心No.10)孔喉半徑分布范圍相對(duì)集中，對(duì)滲透率具有貢獻(xiàn)的孔喉半徑為0.4～2.5 μm，且以片狀微細(xì)孔喉為主。由于微細(xì)孔喉對(duì)有效應(yīng)力的變化十分敏感，地層壓力一旦開始下降，這部分儲(chǔ)滲空間便會(huì)迅速閉合，導(dǎo)致儲(chǔ)層滲透率大幅降低，而且微細(xì)孔喉所占比例越大，滲透率下降幅度越大，即儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性越強(qiáng)。當(dāng)有效應(yīng)力增加至某一閥值后，未閉合的喉道多為不易受壓閉合的喉道，故儲(chǔ)層滲透率的下降速度趨于平緩。上述分析結(jié)果揭示了中、高滲儲(chǔ)層與低滲、超低滲儲(chǔ)層具有不同應(yīng)力敏感性損害模式的原因。

圖5 巖心壓汞試驗(yàn)曲線Fig.5 Curves of mercury-injection test in cores

綜上所述，儲(chǔ)層孔喉結(jié)構(gòu)特征及其尺寸分布是儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性損害的主要控制因素。由于地層壓力降低，破壞了儲(chǔ)層巖石的原始應(yīng)力平衡狀態(tài)，即有效應(yīng)力增加，導(dǎo)致巖石喉道受壓閉合，尤其是低滲、超低滲儲(chǔ)層發(fā)育的片狀、彎片狀微細(xì)喉道極易受壓閉合，致使儲(chǔ)層原始儲(chǔ)滲空間體積減小，滲透率降低，最終產(chǎn)生永久性的、不可逆轉(zhuǎn)的儲(chǔ)層損害。

4 應(yīng)力敏感性對(duì)低滲油田產(chǎn)能的影響

在低滲、超低滲油氣藏勘探開發(fā)過程中，由于地層壓力降低而導(dǎo)致的應(yīng)力敏感性損害不可避免［17］。為了提高油氣采收率，需要保持合理的井底流壓，盡可能地減輕儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性損害。

根據(jù)平面徑向流滲流理論，結(jié)合所建立的二次多項(xiàng)式經(jīng)驗(yàn)公式，可得滲透率近似分布公式為

油井產(chǎn)量公式為

其中

式中，Q為儲(chǔ)層產(chǎn)量，m3/d;Q0為平面徑向流理論產(chǎn)量，m3/d;pb為井底流壓，MPa;p0為儲(chǔ)層原始孔隙壓力，MPa;pov為儲(chǔ)層上覆巖層壓力，MPa;Re為設(shè)定邊界距離，取2000 m;R0為井眼半徑，m;R為任意位置到井眼的距離，m。

由式(1)～(3)以及 No.10巖心的擬合系數(shù)(A0，A1，A2)即可得到圖 6。

分析圖6可知，由于存在應(yīng)力敏感性損害，在井壁附近區(qū)域，低滲、超低滲儲(chǔ)層滲透率變化較大，下降了約30%，而在遠(yuǎn)離井底區(qū)域，滲透率變化較小，即存在“滲透率漏斗”效應(yīng)。圖6描述了不同井底流壓條件下油井產(chǎn)量的變化規(guī)律。可以看出，隨著井底流壓的不斷降低，即有效應(yīng)力增加，油井產(chǎn)量不斷下降。當(dāng)井底流壓由10 MPa下降到5 MPa，即有效應(yīng)力達(dá)5 MPa時(shí)，油井產(chǎn)量損失了近17%。因此，在低滲、超低滲油氣藏勘探開發(fā)過程中，需要根據(jù)實(shí)際情況保持合理的生產(chǎn)壓差，以提高油井產(chǎn)能和最終采收率。

圖6 應(yīng)力敏感性損害引起的滲透率和油井產(chǎn)量變化Fig.6 Variation of permeability and oil productivity due to stress sensitivity damage

5 結(jié)論

(1)無論中、高滲儲(chǔ)層還是低滲、超低滲儲(chǔ)層都存在不同程度的應(yīng)力敏感性。

(2)隨著有效應(yīng)力的增加，中、高滲儲(chǔ)層損害屬于“緩慢下降”型應(yīng)力敏感性損害模式，損害程度較低;低滲、超低滲儲(chǔ)層損害則屬于“先快后慢”型應(yīng)力敏感性損害模式，損害程度較高。

(3)儲(chǔ)層孔喉結(jié)構(gòu)特征及其尺寸分布是儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性損害的主要控制因素。其中，中、高滲儲(chǔ)層喉道較粗，不易發(fā)生受壓閉合，對(duì)儲(chǔ)層滲透率影響不大;低滲、超低滲儲(chǔ)層多發(fā)育片狀、彎片狀微細(xì)喉道，極易受壓閉合，產(chǎn)生永久性儲(chǔ)層損害。

(4)在低滲、超低滲油氣藏勘探開發(fā)過程中，需要根據(jù)實(shí)際情況保持合理的生產(chǎn)壓差，盡可能地減輕應(yīng)力敏感性損害，以提高油井產(chǎn)能和最終采收率。

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