壓力敏感性儲層超前注水開發(fā)研究

孔凡順

（大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院，黑龍江大慶163712）

隨著油田開發(fā)的不斷深入，影響低滲透油藏開發(fā)效果的壓敏效應(yīng)研究日益加強(qiáng)。壓力敏感性指儲層滲透率隨儲層壓力的變化而發(fā)生改變的現(xiàn)象。儲集層的壓力敏感性對儲集層滲透率產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響產(chǎn)能，最終影響油藏的開發(fā)，這種現(xiàn)象就稱為壓敏效應(yīng)。目前國內(nèi)外很多學(xué)者已經(jīng)對低滲透油藏壓敏效應(yīng)做了物理模擬實(shí)驗(yàn)研究［1－4］，但是沒有定量揭示壓力敏感性效應(yīng)給油田實(shí)際產(chǎn)量帶來的影響，也沒有研究超前注水在壓力敏感性儲層開發(fā)中的應(yīng)用效果，本文以具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論研究為基礎(chǔ)，研究低滲透壓力敏感儲層開發(fā)過程中儲層滲透率及產(chǎn)量隨地層壓力的變化規(guī)律，結(jié)合油田開發(fā)實(shí)際，分析壓力敏感性儲層超前注水開發(fā)效果，以便為油田的生產(chǎn)實(shí)際提供更為準(zhǔn)確的指導(dǎo)。

1 壓力敏感性

1.1 壓力敏感性實(shí)驗(yàn)

1.1.1 實(shí)驗(yàn)方法 用低滲透砂巖油藏天然巖心，參照氣測滲透率實(shí)驗(yàn)方法［5］，改變巖心圍壓，測定相應(yīng)條件下的巖心空氣滲透率，采用2個循環(huán)法研究壓力變化與儲層巖心滲透率變化規(guī)律。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 壓力敏感性不僅表征了地面與地層條件下儲集層物性測定值之間的差異，還顯示了儲集層物性隨應(yīng)力變化的特性。在實(shí)驗(yàn)中，主要研究滲透率與地層壓力變化的關(guān)系，用圍壓來模擬上覆巖層的壓力，繪圖時(shí)用圍壓的變化值表示地層壓力下降值（見表1和圖1）。

表1 壓力敏感性室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Results of pressure－sensitivity experiment

試驗(yàn)室做了大量的壓敏性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果具有很好的一致性。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在第一次升壓－降壓循環(huán)中，隨著圍壓的增大，滲透率不斷降低；隨著圍壓的減小，滲透率開始慢慢恢復(fù)，不斷升高，但最終值低于原始滲透率值。通過對比不同巖心滲透率隨圍壓的變化曲線，可以發(fā)現(xiàn)初始滲透率越低，加壓過程中，降低的幅度越大，降壓過程中恢復(fù)的程度越小。說明低滲透砂巖油藏具有壓敏效應(yīng)。在第二次升壓－降壓循環(huán)中，隨著圍壓的增大，滲透率不斷降低；隨著圍壓的減小，滲透率開始慢慢恢復(fù)，但最終值與第一次循環(huán)結(jié)束值基本接近。說明壓敏效應(yīng)給儲層帶來的傷害在第一次升壓－降壓循環(huán)壓力降低值范圍內(nèi)是一次性的，即在第二循環(huán)時(shí)，儲層滲透率具有可恢復(fù)性。

1.2 滲透率與地層壓力的關(guān)系

通過升壓—降壓第一循環(huán)實(shí)驗(yàn)，得到巖心滲透率隨壓差的變化規(guī)律。圖1為巖心的滲透率在升壓和降壓過程中隨地層壓力的變化關(guān)系。

對不同巖心的滲透率與壓差關(guān)系曲線第一次循環(huán)的加壓階段進(jìn)行非線性擬合的結(jié)果表明，滲透率與地層壓力的變化值之間存在較好的指數(shù)關(guān)系，可以得到低滲透油藏滲透率與地層壓力的關(guān)系為：

式中：K 為原始地層壓力下降至p 時(shí)的滲透率，μm2；Ki為原始地層壓力下的滲透率，μm2；b為滲透率形變因子，1／MPa；pi為原始地層壓力，MPa。

圖1 滲透率與圍壓之間的關(guān)系Fig.1 Relation between permeability and confining pressure

1.3 地層壓力恢復(fù)過程中滲透率變化規(guī)律

根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究滲透率與地層壓力變化關(guān)系，可分別得出地層壓力下降和恢復(fù)時(shí)的滲透率變化曲線，進(jìn)而研究地層壓力下降到某中間值（pa）時(shí)開始恢復(fù)的儲層滲透率變化規(guī)律。根據(jù)滲透率與地層壓力變化關(guān)系公式（公式1）分別得出環(huán)壓上升和下降過程，即地層壓力下降和上升過程中滲透率的變化曲線：

式中：Kd為地層壓力下降至pd時(shí)的儲層滲透率，μm2；Kr為地層壓力恢復(fù)至pr時(shí)的儲層滲透率，μm2；Kii為地層壓力恢復(fù)至原始地層壓力時(shí)的滲透率，μm2；b1、b2為地層壓力下降和恢復(fù)時(shí)滲透率變形因子，1／MPa。

假設(shè)地層壓力下降到某中間值（pa）后，然后開始恢復(fù)，則地層壓力恢復(fù)曲線為（見圖2）：

式中：Kra為地層壓力下降至pa后恢復(fù)到pra時(shí)的滲透率，μm2；Kiii為地層壓力下降pa至后恢復(fù)至原始地層壓力下時(shí)的滲透率，μm2；b2為滲透率變形因子，1／MPa。

圖2 滲透率隨地層壓力的變化示意圖Fig.2 Relation between permeability and reservoir pressure

當(dāng)原始地層壓力下降到pa時(shí)，儲層的滲透率為Ka，由式（2）得：

因?yàn)辄c(diǎn)（（pi－pa），Ka）為壓力下降與恢復(fù)曲線的交點(diǎn)，所以（5）式帶入（4）式得出：

由（6）式得出：

利用地層壓力下降的幅度，由差值法得出滲透率變形因子ba：

綜合（4）、（7）、（8）式得出地層壓力下降到任意壓力pa后，逐漸恢復(fù)時(shí)儲層滲透率變化規(guī)律曲線：

由（9）式可以得出若使降低后的儲層滲透率恢復(fù)到原始值，地層壓力下降到任意壓力pa與地層壓力應(yīng)恢復(fù)水平之間關(guān)系：

盡管VCR具有強(qiáng)大的矯形能力，能切除整個椎體及其附件，但是不能治療脊髓內(nèi)的病變；傳統(tǒng)VCR需要前后路聯(lián)合進(jìn)行，而在胸椎、胸腰段及腰椎行前路手術(shù)時(shí)，因解剖入路不同，術(shù)者需要具備豐富的解剖知識及精湛的手術(shù)技術(shù)。

計(jì)算結(jié)果如圖3所示，由圖3可以看出，壓敏性儲層滲透率的降低與恢復(fù)過程呈非線性關(guān)系。即若要使地層壓力降低后的儲層滲透率恢復(fù)到原始值，地層壓力需恢復(fù)到遠(yuǎn)高出原始地層壓力水平，即壓力敏性儲層壓力下降后，儲層產(chǎn)油能力很難恢復(fù)到初始狀態(tài)。因此，壓力敏感性儲層開發(fā)應(yīng)盡量保持地層壓力開采，超前注水開發(fā)是保持地層壓力開采的有效措施［13－15］。

圖3 地層降壓壓差與地層升壓壓差之間的關(guān)系Fig.3 The relation curve between pressure difference of relief and boost

把巖石儲集層視為具有強(qiáng)烈變形性質(zhì)時(shí)，儲層孔隙度、滲透率是隨儲層壓力變化而變化的［10］。同理，得出超前注水地層壓力上升時(shí)儲層滲透率變化規(guī)律公式：

式中：Kro為地層壓力上升至po時(shí)的滲透率，μm2。

2 油田開發(fā)實(shí)例

某低滲透油藏基本參數(shù)如下（實(shí)驗(yàn)用巖心1號巖心取自該油田）：pe＝22.7 MPa；re＝150m，pw＝3.0 MPa，rw＝0.127m，h＝10m，K＝1.95×10－3μm2，μ＝3.03mPa·s，Bo＝1.073。下面根據(jù)油田的實(shí)際參數(shù)，研究壓敏效應(yīng)對油井產(chǎn)能的影響。

區(qū)塊為先導(dǎo)性開發(fā)生產(chǎn)試驗(yàn)區(qū)，滯后注水井區(qū)，開始投產(chǎn)時(shí)為天然能量采油，平均井底流壓3.5 MPa，平均單井產(chǎn)量10.3m3／d；生產(chǎn)1a后，平均地層壓力降至17.4 MPa，平均井底流壓3.1 MPa，平均單井產(chǎn)量7.8m3／d；注水1a后地層壓力恢復(fù)至19.6 MPa，平均井底流壓3.2 MPa，平均單井產(chǎn)量6.8m3／d。

根據(jù)達(dá)西產(chǎn)量公式：

式中：Qo為 單 井 日 產(chǎn) 油 量，m3／d；B 為 體 積 系 數(shù)；r為井筒半徑，m；h為儲層有效厚度，m；Kro為油相相對滲透率，無因次；μo 為原油黏度，mPa·s。

由式（12）計(jì)算原始地層壓力條件下、井底流壓為3.5 MPa時(shí)，油井的產(chǎn)量為9.8m3／d；地層壓力為17.4 MPa條件下、井底流壓為3.1 MPa時(shí)，油井的產(chǎn)量為7.3m3／d；地層壓力為19.6 MPa條件下、井底流壓為3.2 MPa時(shí)，油井的產(chǎn)量為8.4m3／d?？紤]儲層壓力敏感性，根據(jù)公式（9）計(jì)算地層壓力下降到17.4 MPa后，恢復(fù)至19.6 MPa時(shí)，儲層滲透率變化為1.51×10－3μm2。根據(jù)公式（12）計(jì)算滲透率為1.51×10－3μm2、地層壓力為19.6 MPa條件下、井底流壓為3.2 MPa時(shí)，油井的產(chǎn)量為6.5m3／d。

超前注水井區(qū)，超前注水3個月后生產(chǎn)井投產(chǎn)，投產(chǎn)時(shí)，地層壓力上升至24.8 MPa，井底流壓3.6 MPa，平均單井產(chǎn)量10.8m3／d，生產(chǎn)1a后，平均地層壓力降至21.3 MPa，平均井底流壓3.3 MPa，平均單井產(chǎn)量8.8m3／d；投產(chǎn)2a后地層壓力下降至18.6 MPa，平均井底流壓3.0 MPa，平均單井產(chǎn)量7.1m3／d。理論計(jì)算投產(chǎn)初期、1a、2a的產(chǎn)量分別為11.2、9.1、7.5m3／d，與實(shí)際比較接近（見圖4）。

由圖4可知，超前注水井區(qū)比滯后注水井區(qū)實(shí)際平均單井產(chǎn)量高；超前注水、滯后注水的實(shí)際單井產(chǎn)量與考慮儲層壓力敏感性時(shí)計(jì)算的產(chǎn)量差距較小，與不考慮儲層壓力敏感性時(shí)計(jì)算的產(chǎn)量相差較大。從計(jì)算結(jié)果可以看出，超前注水井區(qū)比滯后注水井區(qū)平均單井產(chǎn)量高14.5%～23.9%，對油井產(chǎn)量的影響較大，可見低滲透壓力敏感性儲層超前注水開發(fā)效果明顯。

圖4 產(chǎn)量隨地層壓力變化關(guān)系Fig.4 The curve of production with the change of formation pressure

3 結(jié)論

（1）低滲透砂巖儲層存在壓力敏感性特征，且初始滲透率越低，壓力敏感性越強(qiáng)；

（2）隨著地層壓力的降低，壓敏效應(yīng)對儲層滲透率的影響增大，儲層滲透率恢復(fù)的難度越大；

（3）壓敏效應(yīng)給儲層帶來的傷害在第一次升壓－降壓循環(huán)壓力降低值范圍內(nèi)是一次性的；

（4）超前注水開發(fā)可使壓力敏感性砂巖油藏保持較高的產(chǎn)能水平，達(dá)到更好的開發(fā)效果。

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