基于時間尺度的致密儲層應力敏感實驗研究

聶向榮，王成龍，劉　姣

[1.陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院，陜西西安 710075；2.延長油田股份有限公司，陜西延安 716000]

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基于時間尺度的致密儲層應力敏感實驗研究

聶向榮1，王成龍2，劉姣2

[1.陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院，陜西西安 710075；2.延長油田股份有限公司，陜西延安 716000]

采用長時間加載圍壓的方法，模擬了致密儲層長時間承壓的應力敏感效應。研究表明，圍壓加載時間越長，致密儲層的應力敏感越嚴重。建立了基于時間尺度的致密儲層應力敏感評價方法，將致密儲層的應力敏感在時間尺度上劃分為兩個階段，即瞬時應力敏感段和延時應力敏感段，致密儲層常規(guī)應力敏感評價方法只考慮了瞬時應力敏感，而忽略了延時應力敏感。實驗結果顯示，兩者的差值最高可達30%，說明在長時間的開發(fā)過程中，延時應力敏感不容忽視。在致密儲層應力敏感評價時，有效應力加載時間應達到延時應力敏感段中的延時衰減敏感段，直到擬合出指數(shù)衰減方程為止，依據(jù)指數(shù)衰減方程和實際生產情況計算礦場生產時間尺度的延時應力敏感。新建立的評價方法能夠更準確地模擬致密儲層的實際應力敏感特征，對致密儲層的合理開發(fā)具有重要指導意義。

致密儲層；應力敏感；有效應力；滲透率

隨著地層流體的開采，巖石骨架承受的有效應力增大，會導致儲層發(fā)生變形，降低儲層的孔隙度和滲透率，對油氣田的開發(fā)產生不利影響[1-4]。對此，許多學者研究了致密儲層的應力敏感問題。Jose[5]通過室內物理模擬發(fā)現(xiàn)，圍壓較大時，致密巖心的滲透率損失程度達到90%，說明致密儲層的應力敏感問題十分嚴重，致密儲層開發(fā)過程中應力敏感問題不容忽視。Lei通過實驗定量分析了致密儲層有效應力和滲透率之間的定量關系，結果表明，致密儲層滲透率和有效應力呈二項式關系，掃描電鏡結果顯示，有效應力增大對孔隙度的影響不大，但對喉道影響很大，嚴重影響滲透率[6]。向陽通過全直徑巖心研究了致密砂巖氣藏的應力敏感特征，結果表明，致密砂巖氣藏高速開發(fā)時，儲層的滲透率會形成嚴重損害[7]。康毅力[8]研究發(fā)現(xiàn)，巖屑、溫度和含水飽和度都會明顯影響致密儲層的應力敏感。楊朝蓬[9]認為，滲透率越小，致密儲層的應力敏感越嚴重。

致密儲層的開采是一個大時間尺度的過程，儲層承壓時間跨度長，常規(guī)的應力敏感評價方法只模擬了短時間的過程，未能反映出大時間尺度應力敏感特征。本文從時間尺度研究了致密儲層應力敏感變化特征，反映致密儲層在開采過程中持續(xù)的應力敏感特征[10]。

1 時間尺度應力敏感效應

儲層應力敏感指儲層滲透率等參數(shù)隨著應力條件變化而變化。巖石骨架同時承受上覆巖層的壓力和孔隙內流體壓力，隨著儲層流體被采出，孔隙內流體壓力減小，巖石骨架的有效應力增大，巖石骨架和孔隙均被壓縮，其滲透率也降低。在時間尺度上，致密儲層的應力敏感分為瞬時應力敏感和延時應力敏感。

1.1 瞬時應力敏感效應

常規(guī)應力敏感評價方法認為，儲層受壓變形是在很短的時間內完成的，因此石油與天然氣行業(yè)標準將評價應力敏感時的承壓時間定為30min[11]。隨著流體的采出，儲層有效應力增大，儲層在很短時間內產生變形，發(fā)生應力敏感，本文將這種短時間內產生的應力敏感現(xiàn)象命名為瞬時應力敏感效應。

1.2 延時應力敏感效應

在一定的上覆巖層壓力和孔隙壓力下，儲層承受的有效應力恒定；但是隨著時間的延長，儲層孔隙持續(xù)被壓縮，滲透率持續(xù)降低，本文將這種持續(xù)的應力敏感現(xiàn)象命名為延時應力敏感效應。本文將通過實驗，證明這種延時應力敏感效應的存在。

2 實驗部分

2.1 實驗準備

實驗采用美國Temco公司制造的OPP-1型高壓孔滲儀，該儀器具有高精度、自動測量和記錄的功能。巖心取自新疆某致密油田，實驗采用的3塊巖心(Z1、Z2和Z3)基本物性參數(shù)見表1。

表1　巖心物性參數(shù)表

將準備好的巖心放入巖心夾持器中，在2MPa圍壓下測量初始滲透率，然后將圍壓增大到預設值，每隔一段時間測量一次滲透率值。

2.2 實驗結果

Z1、Z2和Z3巖心的有效應力分別為23.7MPa、36.4MPa、44.1MPa。在不同的有效應力下，這3塊巖心測量的滲透率隨時間變化曲線見圖1。在0.5小時時，3塊巖心的滲透率都急劇減小；在0.5小時以后，隨著時間的延長，滲透率下降速率越來越小，最后趨于平緩。

3 實驗結果分析

以Z1巖心為例進行詳細分析，加壓0.5小時時，滲透率出現(xiàn)了急速下降，由0.0154mD減小到0.0122mD，損失率達到20.78%；當由0.5小時加壓到126小時時，滲透率由0.0122mD減小到0.0105mD，滲透率損失率為13.93%。基于前文的分析，將前0.5小時之前應力敏感稱為瞬時應力敏感段，將0.5小時之后的應力敏感稱為延時應力敏感段。

延時應力敏感段滲透率的損失速率也不同，從0.5小時到10小時滲透率快速下降，從10小時到126小時滲透率平緩下降，對這兩段的數(shù)據(jù)分別進行擬合，結果見圖2。由此可知，0.5～10小時滲透率下降速度較快，稱之為延時過渡應力敏感段；10～126小時，滲透率下降速度逐漸趨于平緩，稱之為延時衰減應力敏感段。

對Z1巖心的時間尺度滲透率應力敏感擬合結果進行歸納，其滲透率K隨著時間t變化，可以用K(t)表示。

(1)

由式(1)可以看出，當儲層承壓時間超過10小時后，滲透率符合指數(shù)衰減方程。一般致密儲層的開發(fā)都采用衰竭式開采，儲層流體壓力連續(xù)降低，儲層有效應力持續(xù)增大，但在較短的時間內可認為儲層有效應力變化不大。本文取30天進行模擬計算，得到隨時間變化的滲透率應力敏感損失率D(t)。

(2)

Z1巖心的計算結果見圖3，模擬30天后滲透率應力敏感損失率達到52.78%，而常規(guī)方法測量得到的滲透率應力敏感損失率只有20.78%，顯然常規(guī)方法低估了致密儲層應力敏感。采用相同方法對Z2巖心和Z3巖心進行擬合，擬合結果見圖4，模擬計算公式見表2。

注：t1—延時過渡應力敏感段起始時刻；t2—延時衰減應力敏感段起始時刻。

根據(jù)表2中的公式對Z2巖心和Z3巖心進行30天滲透率應力敏感計算，得到隨時間變化的滲透率應力敏感損失率結果(圖5、表3)。由圖5可見，隨著承壓時間的延長，3塊巖心的滲透率損失程度逐漸增大。將30天后的滲透率應力敏感損失率D30d和0.5小時的滲透率應力敏感損失率D0.5h進行對比，常規(guī)方法評價的瞬時滲透率應力敏感損失率和本文評價的延時滲透率應力敏感損失率相差較大，說明行業(yè)標準只評價0.5小時滲透率應力敏感損失率的方法不能準確反映儲層長時間真實應力敏感。

注：D0.5h—0.5h的滲透率應力敏感損失率；D30d—30d后的滲透率應力敏感損失率。

4 結束語

(1)地層能量的虧空導致儲層有效應力加大，孔喉閉合，但孔喉閉合是一個隨時間逐漸發(fā)展的過程，因而滲透率傷害是隨著時間逐漸加重的。

(2)提出了基于時間尺度的致密儲層應力敏感評價方法，將儲層應力敏感在時間尺度上劃分為兩個階段，分別為瞬時應力敏感段和延時應力敏感段。

(3)致密儲層應力敏感評價時，有效應力加載時間應達到延時應力敏感段中的延時衰減敏感段，直到擬合出指數(shù)衰減方程為止，然后根據(jù)擬合出的指數(shù)衰減方程，結合實際生產情況，計算礦場生產時間尺度的延時應力敏感。

[1]Fatt I，Davis D H. Reduction in permeability with overburden pressure [J]. Petroleum Transactions，1952，4(12)：34 -41.

[2]Mckee C R，Bumb A C，Koenig R A. Stress dependent permeability and porosity of coal and other geologic forma-tions [J]. SPE Formation Evaluation，1988，3(1)：81-91.

[3]Iscan A G，Kok M V，Bagc A S. Estimation of permeability and rock mechanical properties of limestone reservoir rocks under stress conditions by strain gauge [J]. Journal of Petroleum Science and Engineering，2006，53(1)：13-24.

[4]李培超，孔祥言，李傳亮，等. 地下各種壓力之間關系式的修正[J]. 巖石力學與工程學報，2002，21(10): 1551-1553.

[5]Jose G. Numerical simulation of coupled fluid-flow/ geomechanical behavior of tight gas reservoirs with stress sensitive permeability[C]. Latin American and Caribbean Petroleum Engineering Conference. Society of Petroleum Engineers, 1997.

[6]Lei Q, Xiong W, Yuang J,etal. Analysis of stress sensitivity and its influence on oil production from tight reservoirs[C]. Eastern Regional Meeting. Society of Petroleum Engineers, 2007.

[7]向陽，向丹，杜文博. 致密砂巖氣藏應力敏感的全模擬試驗研究[J].成都理工學院學報，2002，29(6): 617-619.

[8]康毅力，張浩，陳一健，等. 鄂爾多斯盆地大牛地氣田致密砂巖氣層應力敏感性綜合研究[J]. 天然氣地球科學，2006，17(3):335-338.

[9]楊朝蓬，高樹生，郭立輝，等. 致密砂巖氣藏應力敏感性及其對產能的影響[J]. 鉆采工藝，2013，36(2):58- 61.

[10]姚健歡. 考慮多種效應的致密氣藏不對稱裂縫井產能模型[J].非常規(guī)油氣，2014,1(2)：50-54.

[11]朱斌，羅蔓莉. 石油和天然氣行業(yè)標準SY/T 5358—2002儲層敏感性流動實驗評價方法[S]. 北京: 石油工業(yè)出版社， 2002.

Experimental Study on Stress Sensitivity for Tight Reservoirs Based on Time Scale

Nie Xiangrong1，Wang Chenglong2，Liu Jiao2

[1.ResearchInstituteofShannxiYanchangPetroleum(Group)Co.，Ltd.，Xi′an，Shaanxi710075，China；2.YanchangOilfieldCo.,Ltd.Yan′an,Shaanxi716000,China]

Experiments about tight reservoirs are performed by confining pressure to simulate tight reservoirs under pressure for a long time during production process. The results show that the stress sensitivity is increasing with compression time extended. Evaluation method for stress sensitivity about tight reservoirs was established based on time scale. The stress sensitivity for tight reservoirs was divided into two feature segments from time scale, which were named instantaneous stress sensitivity and delayed stress sensitivity. The conventional evaluation method for stress sensitivity about tight reservoirs has only considered the instantaneous stress sensitivity, and the delayed stress sensitivity has been ignored. The difference of the two is up to 30%, which shows that the delayed stress sensitivity can not be neglected. When evaluated stress sensitivity for tight reservoir level, the load time of stress effective should continue until delayed attenuation stress sensitivity comes, and the exponential decay equation shouled be got. The exponential decay equation and the actual production conditions will leverage to caculate the dalayed stress senstitivity under in-site production time scale. The new method can more accurately simulate the stress sensitivity for tight reservoir, which has great guiding significance in rational development for tight reservoir.

Tight reservoirs; stress sensitivity; effective stress; permeability

聶向榮(1986年生)，博士，工程師，現(xiàn)從事油氣田開發(fā)方向研究工作。郵箱：nxrcup@163.com。

TE311

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