低滲透率儲層流度計算改進(jìn)方法探討

張國棟, 陳忠云, 張志強(qiáng)

(1.中海石油(中國)有限公司上海分公司, 上海 200030; 2.中海油田服務(wù)股份有限公司, 河北 三河 065201)

0 引 言

流度值是表征儲層滲透性大小和進(jìn)行產(chǎn)能預(yù)測的關(guān)鍵參數(shù),通過測壓獲得的流度信息能夠真實反映井眼環(huán)境下儲層的滲透能力,以此開展儲層產(chǎn)能評價等工作[1-5]。近年來,針對低滲透率儲層,在西湖凹陷進(jìn)行了大量的測壓作業(yè),目的是通過流度值進(jìn)行儲層物性評價和天然氣產(chǎn)能預(yù)測[6],以及指導(dǎo)測試工藝優(yōu)化,因此流度數(shù)值的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。低滲透率儲層流度計算存在兩大難點,一是儲層滲流能力差,壓力恢復(fù)難以出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)流;二是受超壓影響,壓力值難以恢復(fù)穩(wěn)定,致使計算得到的流度值往往偏大。本文深入剖析了低滲透率儲層難以出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)流的原因,提出了具體改進(jìn)措施,取得了良好應(yīng)用效果,使低滲透率儲層測壓獲得的流度值更加精確。

1 低滲透率儲層壓降流度偏大原因分析

1.1 流度定義與計算

流度為滲透率除以黏度,mD/cP*非法定計量單位,1 mD=0.987×10-3 μm2;1 cP=1 mPa·s,下同,它是基于達(dá)西定律推導(dǎo)出來的,數(shù)學(xué)推導(dǎo)公式為

達(dá)西公式

(1)

流度計算公式[7]

(2)

式中,K為滲透率;μ為黏度;Q為流速;L為長度;S為面積;Δp為壓差;Cpf為儀器形狀系數(shù),使用不同的探針有不同的數(shù)值;V為抽吸體積;t為流動時間。

流度是基于達(dá)西定律的物理參數(shù),在測壓時必須滿足2個基本條件:①要出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)流;②有穩(wěn)定的壓力差,即壓力恢復(fù)要穩(wěn)定。圖1是標(biāo)準(zhǔn)的壓力時間恢復(fù)曲線示意圖。一次完整的測壓作業(yè)可分為5個階段,即坐封、泵抽、流體流入管線、壓力恢復(fù)和解封。測壓時,如果可以出現(xiàn)圖1所示的穩(wěn)態(tài)流段,則可以通過壓降流度公式得到準(zhǔn)確的流度值。然而,在實際測壓過程中,低滲透率儲層基本無法出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)流階段。

圖1 單點測壓壓力時間曲線

1.2 低孔隙度滲透率儲層測壓流型分析

相比于中、高孔隙度滲透率的儲層,低滲透率儲層的特點是單位面積下的供液能力小,在探針抽吸速度一定,或者抽吸時間有限的情況下,難以使地層供液速率達(dá)到抽吸速率,也就無法出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)流。一般情況下,低滲透率儲層測壓時會有a、b這2種壓力時間恢復(fù)曲線流型(見圖2)。a流型為當(dāng)抽吸速率小于地層最大流速,但是抽吸時間不夠長,壓力下降幅度還沒有達(dá)到出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)流時,便停止抽吸;b流型為當(dāng)抽吸速率大于地層在最大壓差下的流速,即地層在最大壓差下也難使其供液速率達(dá)到抽吸速率。例如,測壓時用的最小抽吸速率是30 cm3/min,抽吸體積是5～10 cm3,如果在一定的抽提時間和壓差下,地層的供液能力達(dá)不到30 cm3/min,此時無法出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)流。

圖2 低滲透率儲層測壓壓力時間曲線流型示意圖

1.3 非穩(wěn)態(tài)流下的壓降流度值

非穩(wěn)態(tài)流情況下不能使用達(dá)西定律計算流度,由于在測壓時無法測量地層真正的地層流動速率Qf,使用的是抽吸速率Qdd,對于低滲透率儲層Qf值遠(yuǎn)小于Qdd值,如果將Qdd帶入式(3)計算,那么得到的流度就會偏大。因為只有出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)流時Qf=Qdd。

(3)

DX27-5井是西湖凹陷1口深層探井,其主要目的層在4 300 m以下,基本為低滲透率儲層。該井在4 336 m和4 341 m進(jìn)行了電纜測壓,2個點的物性大小基本相當(dāng),其中子—密度孔隙度在11%左右。測壓時,分別選用了不同的測壓參數(shù),4 336 m處抽吸體積為5 cm3,抽速約為1.8 cm3/s,測壓過程沒有出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)流,計算得到的流度為10.1 mD/cP;4 341 m處抽吸體積為10 cm3,抽速約為0.8 cm3/s,該點出現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)態(tài)流曲線,其計算得到的流度為5.6 mD/cP,具體壓力恢復(fù)曲線如圖3所示。

從上述2點的應(yīng)用實例可以看出,當(dāng)測壓無法得到穩(wěn)態(tài)流時,計算得到的流度值會明顯偏大,這樣就會高估儲層物性,誤導(dǎo)后續(xù)測試決策。

圖3 DX27-5井4 336 m和4 341 m處壓力恢復(fù)曲線圖

2 低滲透率儲層流度計算改進(jìn)方法

2.1 面積積分法

(4)

圖4 理想穩(wěn)態(tài)流壓力時間曲線*非法定計量單位,1 psi=6.89×103 Pa,下同

公式改進(jìn)后,既能反映壓力降落過程的壓力變化情況,也可反映壓力恢復(fù)過程的壓力變化情況。但是該公式仍然是基于穩(wěn)態(tài)流計算理論,它只是通過數(shù)學(xué)的方法對未出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)流的壓力響應(yīng)情況做了數(shù)學(xué)校正,計算得到流度值相對準(zhǔn)確,結(jié)果仍會偏大。圖5是2種流度計算方法效果對比,對于低滲透儲層同一測壓點,面積法計算得到的流度為0.59 mD/cP,常規(guī)計算方法得到的流度為0.94 mD/cP,兩者數(shù)值相差18%。

圖5 非穩(wěn)態(tài)流情況下2種流度計算方法效果對比

2.2 流速校正法

Qac=Qf-Qdd

(5)

(6)

(7)

式中,Qac為管線中的流速;Qf為地層的流速;Qdd為泵抽的流速;Ct為壓縮系數(shù);p*為地層壓力;p(t)為測量的壓力;K/μ為地層流度;G0為幾何因子;rp為探針半徑。

通過式(5)、式(6)求得Qf值,根據(jù)式(7)繪制壓力和地層流速中的直線關(guān)系圖(見圖6),從圖6中能夠得到斜率和截距p*(地層壓力),根據(jù)回歸得到斜率值,可以計算地層的流度值以及回歸的地層壓力。

圖6 FRA算法測試壓力與地層流量關(guān)系圖

實際作業(yè)過程中,低滲透率儲層測壓點難以回歸出相關(guān)度高的公式(見圖7),數(shù)據(jù)點呈波浪狀分布,數(shù)據(jù)點相關(guān)度非常低。分析認(rèn)為是由于儲層滲透率非均質(zhì)性很強(qiáng),隨著抽吸的進(jìn)行,球形流波及到的不同深度地層的滲透率有所變化,從而造成了數(shù)據(jù)點不穩(wěn)定,地層流速與時間散點圖能比較直觀地體現(xiàn)(見圖8)。如果不能回歸出相關(guān)度較高的關(guān)系式,利用RFA算法計算儲層流度值也不準(zhǔn)確,為此提出了校正方法。以DX27-5-1井4 341.01 m處測壓數(shù)據(jù)為例說明校正方法和過程。

圖7 DX27-5井4 336 m處壓力與地層流速關(guān)系圖

圖8 DX27-5井4 336 m處時間與地層流速關(guān)系圖

(1) 首先將流速時間曲線進(jìn)行面積補(bǔ)償平滑,得到平滑后回歸的曲線公式(見圖9)。

圖9 流速—時間曲線數(shù)據(jù)回歸

(2) 根據(jù)平滑后回歸公式,將各個點的流量進(jìn)行重新計算。

(3) 將重新計算的流量和壓力數(shù)值進(jìn)行回歸,可以得到相對更加準(zhǔn)確的回歸曲線(見圖10)。

圖10 壓力—流速曲線數(shù)據(jù)回歸

表1是DX27-5-1井測壓點校正前后流速和流度的對比,校正前12個測壓點的平均流度是4.1 mD/cP,校正后平均流度為2.3 mD/cP?？梢?如果不進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)流度校正,將會明顯高估儲層的滲透能力。

FRA算法在求取地層流速時是基于達(dá)西定律的,但實際測壓時,坐封后管線中的壓力和地層壓力存在一定的壓力差,這個和達(dá)西的實驗存在一定的區(qū)別,所以第1次抽吸時Qac=Qf-Qdd并不是一個完全相等的公式,當(dāng)井筒壓力與地層壓力基本相當(dāng)或者略高于地層壓力時,使用FRA才比較準(zhǔn)確,所以使用第2次抽吸的數(shù)據(jù)進(jìn)行流度計算才更加準(zhǔn)確。另外對于一些非均質(zhì)性很強(qiáng)的特低滲透率氣層,隨著抽吸的進(jìn)行,球形流波及到的不同深度地層的滲透率有所變化,也能造成流速的不穩(wěn)定(見圖8)。

2.3 測壓參數(shù)統(tǒng)一法

不管是面積法和FRA計算方法都存在一定的缺陷。在實際測壓作業(yè)中,不同公司、不同工程師,在遇到低滲透率儲層時,采用的測壓參數(shù)不盡相同,抽速不同、體積不同、等待時間不同,最后得到的流度值大小無法進(jìn)行對比,特別是一些較致密的點,壓力恢復(fù)難以穩(wěn)定,問題就更加突出,大大降低了測壓的價值。據(jù)此,提出了統(tǒng)一測壓測量參數(shù)方法。例如,在DX27-5井測壓前,根據(jù)電阻率和三孔隙度數(shù)據(jù),以及區(qū)域資料,對測壓點的儲層物性做一個預(yù)判,若屬于低滲透率儲層,則采取如下參數(shù)。

表1 DX27-5井測壓點校正前后流速與流度對比表

圖11 統(tǒng)一測量參數(shù)不同低滲透率點流度值對比

(1) 抽吸速度盡可能小,0.5 cm3/s,如果儀器允許,抽吸速率還可以更低。

(2) 抽吸次數(shù)3次,抽吸次數(shù)越多,超壓現(xiàn)象越輕,壓力值越穩(wěn)定。

(3) 第1次抽吸量5 cm3,抽速為1 cm3/s,恢復(fù)5～7 min;第2次抽吸10 cm3,抽速為0.5 cm3/s,恢復(fù)8～10 min或穩(wěn)定,第3次抽吸5 cm3,抽速為0.5 cm3/s,恢復(fù)5～7 min或穩(wěn)定。

當(dāng)所有點的測壓參數(shù)統(tǒng)一后,可以確保在無法獲得絕對流度值的情況下得到不同測壓點之間較為準(zhǔn)確的數(shù)值(見圖11)。統(tǒng)一測量參數(shù)后,每個點絕對流度值可能是不準(zhǔn)確的,但是可以保證不同點間的相對大小準(zhǔn)確;從而能夠利用流度值在1口井或不同井間進(jìn)行物性對比,能更大限度地發(fā)揮測壓的作用。

3 結(jié)論與認(rèn)識

(1) 低滲透率儲層無法出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)流原因在于單位面積供液速率達(dá)不到抽吸速率,致使壓降法得到的流度值偏大。在低滲透率儲層測壓時,抽吸速率要盡可能低,抽吸時間要更長,才有可能在低滲透率點測壓時獲得穩(wěn)態(tài)流壓力恢復(fù)曲線,目前斯倫貝謝MDT儀器和貝克休斯RCI儀器其最小抽吸速率為0.25～0.5 cm3/s,測壓精度偏低,很難適用于1 mD/cP流度以下儲層測壓。

(2) XPT是斯倫貝謝新一代測壓儀器,特點是管儲效應(yīng)更小,只有30 cm3,壓力計精度更高,最小抽吸速率可以達(dá)到0.02 cm3/s,該儀器技術(shù)指標(biāo)參數(shù)能夠滿足低滲透率儲層測壓時低管儲效應(yīng)、低軸速要求,建議今后針對低滲透率儲儲層采用XPT儀器。

(3) 面積積分法和FRA算法都能在一定程度上使流度值更加精確,但還存在一定的局限性。面積法只是數(shù)學(xué)修正,沒有實際物理意義;FRA算法實際應(yīng)用時,需對流速進(jìn)行人為校正。

(4) 低滲透率儲層測壓時,采用參數(shù)統(tǒng)一法更具有實際意義,只有在流度值相對大小確定后才能開展不同深度段、不同井之間的物性對比,為測試選層,產(chǎn)能預(yù)測提供更加準(zhǔn)確的參考依據(jù)。

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