異常高壓油藏開(kāi)發(fā)方式及滲流特征室內(nèi)研究

李豐輝，劉暉，田楠，鄭旭，張繼偉，張洋

（1.中海石油（中國(guó)）有限公司曹妃甸作業(yè)公司，天津 300461；2.中國(guó)石化中原油田分公司采油二廠，河南 濮陽(yáng) 457532）

異常高壓油藏開(kāi)發(fā)方式及滲流特征室內(nèi)研究

李豐輝1，劉暉1，田楠1，鄭旭1，張繼偉1，張洋2

（1.中海石油（中國(guó)）有限公司曹妃甸作業(yè)公司，天津 300461；2.中國(guó)石化中原油田分公司采油二廠，河南 濮陽(yáng) 457532）

根據(jù)有效壓力原理，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和加壓方式的變化，模擬在不同開(kāi)發(fā)方式下，地層壓力下降不同時(shí)對(duì)儲(chǔ)層傷害的影響。通過(guò)巖心在不同受力情況下的變形特征及滲流特性分析認(rèn)為：對(duì)異常高壓油藏，可以通過(guò)改變初期油井工作制度（如開(kāi)關(guān)井、控制采油速度、減小快速開(kāi)采）引起的壓力快速下降，減小對(duì)儲(chǔ)層的傷害，進(jìn)而減小對(duì)油井產(chǎn)能的影響。文中研究結(jié)果為此類(lèi)油藏科學(xué)合理的開(kāi)發(fā)提供了理論依據(jù)。

異常高壓；開(kāi)發(fā)方式；巖石變形；有效壓力；滲流

異常高壓油藏開(kāi)采初期，由于油藏壓力高，注水難度大，從而利用天然能量彈性開(kāi)采。此類(lèi)油藏出現(xiàn)明顯的開(kāi)采特征是，初期產(chǎn)量高、地層壓力下降快、產(chǎn)量遞減快。秦積舜等［1-5］通過(guò)室內(nèi)覆壓孔滲實(shí)驗(yàn)，研究油藏物性與覆壓的變化關(guān)系認(rèn)為，異常高壓油藏產(chǎn)量遞減快的主要原因是在油藏開(kāi)采過(guò)程中，孔隙壓力降低，儲(chǔ)層所受有效壓力不斷增加發(fā)生彈塑性形變，儲(chǔ)層滲透率、孔隙度發(fā)生部分不可逆或完全不可逆變化造成的。為了更好地認(rèn)識(shí)異常高壓油藏儲(chǔ)層隨有效壓力變化的本質(zhì)，減小此類(lèi)油藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中對(duì)儲(chǔ)層造成的傷害，本文選用某一異常高壓油田的巖心，通過(guò)改變有效壓力加壓方式，研究不同開(kāi)發(fā)方式下的儲(chǔ)層傷害、物性變化和滲流規(guī)律，為探索高效開(kāi)發(fā)異常高壓油藏及油井初期生產(chǎn)制度的制定和調(diào)整提供理論支持。

1　變壓力下巖心變形和滲流實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

巖心準(zhǔn)備：鉆取，測(cè)量基本參數(shù)，洗油（酒精、苯體積比1∶3），烘干，抽真空，飽和地層水，稱重。

主要檢測(cè)儀器：壓力表、雙聯(lián)恒溫箱、高壓巖心夾持器、皂沫流量計(jì)、113型氦孔隙度儀、112型高低滲透率儀、高壓計(jì)量泵、高壓恒速泵、量筒、秒表。

1.2實(shí)驗(yàn)中有效壓力及方案設(shè)計(jì)

有效壓力的模擬：根據(jù)取心區(qū)塊油藏壓力數(shù)據(jù)、飽和壓力、巖心密度及油藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中壓力變化趨勢(shì)確定。初始有效壓力：按平均取心深度3 400 m，上覆巖石平均密度2.25 g/cm3，計(jì)算上覆壓力為76.5 MPa，原始油藏壓力為55.0～68.0 MPa，飽和壓力為29.7～35.1 MPa。根據(jù)有效壓力原理，計(jì)算原始條件下儲(chǔ)層受到的有效壓力為8.5～21.5 MPa，開(kāi)采到飽和壓力時(shí)有效壓力為41.4～46.8 MPa。再根據(jù)油藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中的壓力下降和物性變化規(guī)律，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中不同有效壓力點(diǎn)，分別為 1.5，5.0，10.0，15.0，20.0，25.0，30.0，35.0，40.0 MPa，研究不同加壓方式，儲(chǔ)層物性隨有效壓力變化規(guī)律。為了保證巖心變形的有效性，在有效壓力每次變化時(shí)，間隔20 min左右讀取1個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，直到2次測(cè)得的滲透率或孔隙度值相同為止。

設(shè)計(jì)以下3套加壓方式來(lái)模擬油田的開(kāi)發(fā)方式：方案1，有效壓力單向增加，模擬異常高壓油藏衰竭或注水不足情況下，地層壓力不斷下降時(shí)儲(chǔ)層物性變化規(guī)律；方案2，快、慢速加壓，研究異常高壓油藏開(kāi)發(fā)初期，采油速度快慢對(duì)儲(chǔ)層造成傷害的差異；方案3，循環(huán)加壓，模擬異常高壓油藏開(kāi)發(fā)初期，采取不同的工作制度，儲(chǔ)層的變化規(guī)律。

1.3滲流介質(zhì)

采用氮?dú)夂偷貙铀?種介質(zhì)作為流動(dòng)介質(zhì)，進(jìn)行變有效壓力下的巖心孔隙度和滲透率測(cè)試。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1巖心變形時(shí)間確定

前蘇聯(lián)的A.T.戈?duì)柌贾Z夫［6］及國(guó)內(nèi)的李傳亮［7］通過(guò)研究認(rèn)為，巖石的變形主要由孔隙變形和基質(zhì)變形兩部分組成。巖石的變形特性分為彈性變形、塑性變形和彈-塑性變形等3種類(lèi)型。巖石的變形有時(shí)滯效應(yīng)，在滲透率較高的砂巖地層中，變形在地層壓力變化后10～40 min就終止。而在低滲透巖石中，對(duì)形變能持續(xù)人的時(shí)間研究較少。在有效壓力對(duì)儲(chǔ)層物性的影響研究中，測(cè)得各個(gè)壓力下變形穩(wěn)定點(diǎn)時(shí)的儲(chǔ)層物性至關(guān)重要。實(shí)驗(yàn)選用滲透率為38.1×10-3μm2的巖心進(jìn)行加壓實(shí)驗(yàn)，分別測(cè)試在有效壓力20.0，40.0 MPa時(shí)，巖心滲透率隨時(shí)間的變化情況。有效壓力20.0 MPa時(shí)，巖心變形穩(wěn)定時(shí)間130 min左右；有效壓力為40.0 MPa時(shí)，巖心變形穩(wěn)定時(shí)間在240 min左右（見(jiàn)圖1）。隨著有效壓力的增加，變形的時(shí)滯效應(yīng)有延長(zhǎng)的趨勢(shì)。

圖1　不同有效壓力下巖心滲透率隨時(shí)間變化

2.2單向加壓下物性變化

2.2.1儲(chǔ)層物性隨有效壓力的增大呈非線性減小

以氮?dú)鉃榱鲃?dòng)介質(zhì)，分別對(duì)6塊和9塊巖心逐步增加有效壓力時(shí)的孔隙度和滲透率變化進(jìn)行測(cè)試。

設(shè)初始最小壓力下的孔隙度和滲透率為φ0，K0，有效壓力為n時(shí)的孔隙度和滲透率為φn，Kn，計(jì)算孔隙度和滲透率隨有效壓力變化率分別為

測(cè)試后發(fā)現(xiàn)：隨有效應(yīng)力增大，孔隙度和滲透率值隨之減小，且在有效壓力20 MPa之前下降較快，隨后趨向穩(wěn)定，變化幅度變小（見(jiàn)圖2）。

圖2　孔隙度和滲透率隨有效應(yīng)力的變化情況

2.2.2孔隙度和滲透率與有效壓力呈冪函數(shù)關(guān)系

前蘇聯(lián)的A.T.戈?duì)柌贾Z夫［6］、國(guó)內(nèi)的秦積舜、郝春山等人［1，8-11］通過(guò)分析低滲透儲(chǔ)層滲透率與有效壓力的變化關(guān)系，得出的主要數(shù)學(xué)關(guān)系式有指數(shù)式、二重指數(shù)和多項(xiàng)式等多種形式。

對(duì)14塊巖心孔隙度和滲透率隨有效壓力的變化擬合分析發(fā)現(xiàn)，孔隙度和滲透率與有效壓力之間符合冪函數(shù)關(guān)系，關(guān)系式為

式中：K0，K分別為有效壓力為p0，pe時(shí)的滲透率值，10-3μm2；φ0，φ分別為有效壓力為 p0，pe時(shí)的孔隙度值；pe為有效壓力，MPa；n為擬合指數(shù)，小于0。

式（3）表明在有效壓力趨近某一值時(shí)，巖石的孔隙度和滲透率均應(yīng)該趨近于0，符合巖石變形規(guī)律。巖心6-1的孔隙度和滲透率隨有效壓力變化的擬合結(jié)果（見(jiàn)圖3）。

圖3　孔隙度和滲透率隨有效壓力變化規(guī)律

2.2.3物性越差，壓力敏感性越強(qiáng)

根據(jù)取心區(qū)塊深度、壓力系數(shù)、巖心密度和油藏飽和壓力，計(jì)算出巖心在原始條件下，儲(chǔ)層受到的有效壓力為8.5～21.5 MPa，開(kāi)采到飽和壓力時(shí)為41.4～46.8 MPa。為了真實(shí)模擬開(kāi)采過(guò)程中由于油藏壓力的變化導(dǎo)致儲(chǔ)層的變化，以有效壓力10 MPa時(shí)作為孔隙度和滲透率的初始值，以此值為基準(zhǔn)，計(jì)算不同有效壓力孔隙度和滲透率的損失率。6塊巖心的滲透率介于7.1× 10-3～24.9×10-3μm2，孔隙度介于8.6%～20.2%，加壓到40 MPa時(shí)滲透率和孔隙度的損失率見(jiàn)圖4。

圖4　孔隙度和滲透率損失率隨有效壓力變化

由圖4可知，滲透率的損失率介于5.0%～13.9%，孔隙度損失率介于1.7%～2.5%。相同壓力下，孔隙度損失率小于滲透率的損失率，說(shuō)明滲透率的壓力敏感性強(qiáng)于孔隙度。在相同的壓力下，物性初值越小，損失率越大，即物性越差，壓力敏感性越強(qiáng)。

對(duì)照SY/T 5358—2002中壓力敏感性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，敏感性強(qiáng)弱按滲透率損失率判斷，認(rèn)為該區(qū)塊巖石壓力敏感性并不強(qiáng)。

2.3快、慢加壓時(shí)的物性變化規(guī)律

本文主要研究油藏開(kāi)發(fā)初期，由于采油速度快、壓力下降快對(duì)儲(chǔ)層造成的傷害程度。本文選取巖心2-1和2-2來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，因?yàn)閮烧邔儆谕簧疃赛c(diǎn)，孔隙度和滲透率值相近。巖心2-1進(jìn)行壓力點(diǎn)依次按照1.5，20.0，40.0，20.0，1.5 MPa進(jìn)行快速加壓和泄壓實(shí)驗(yàn)；巖心2-2起始?jí)毫?.5 MPa開(kāi)始，加壓到5.0 MPa后，按照5 MPa一個(gè)間隔，最大加壓至40.0 MPa，達(dá)到40.0 MPa后再5.0 MPa一個(gè)間隔泄壓到初始值1.5 MPa進(jìn)行慢速加壓實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，快速與慢速相比，加壓到40.0 MPa時(shí)滲透率損失率分別為13.3%和12.2%，差別并不明顯。但是對(duì)比泄壓可逆實(shí)驗(yàn)后，二者不可逆滲透率分別為7.7%和4.6%，恢復(fù)值相差3.1百分點(diǎn)（見(jiàn)圖5）。由此得出，對(duì)于異常高壓油藏，采油速度快慢，對(duì)儲(chǔ)層物性的傷害大小基本相同。泄壓實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于異常高壓油藏，通過(guò)后期注水壓力的恢復(fù)，可使儲(chǔ)層物性有一定程度的恢復(fù)，但是初期壓力下降快，對(duì)儲(chǔ)層造成的不可逆的永久傷害大于緩慢降壓過(guò)程。因此，控制異常高壓油藏初期的采油速度和初期油井生產(chǎn)壓差，減緩油藏壓力降低的速度，放緩儲(chǔ)層所受有效壓力的增加速度，一定程度上可以減小儲(chǔ)層物性的損失，保證油井產(chǎn)能，同時(shí)有利于后期注水跟上后儲(chǔ)層物性的恢復(fù)。

圖5　巖心滲透率變化率與有效壓力關(guān)系

2.4循環(huán)加壓時(shí)的物性變化

異常高壓油藏由于初期壓力高，壓力恢復(fù)快，初期多采用自噴生產(chǎn)，通過(guò)調(diào)整其工作制度，可減緩初期壓力過(guò)快對(duì)儲(chǔ)層造成的傷害。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的有效壓力的值點(diǎn)依次為1.5，5.0，10.0，15.0，20.0，25.0，30.0 MPa。加壓過(guò)程是按照設(shè)計(jì)的有效壓力點(diǎn)，依次加壓到上述的某個(gè)有效壓力值，然后再按相反的順序降低有效壓力到1.5 MPa，再進(jìn)入下一個(gè)加壓—降壓循環(huán)。

對(duì)2塊巖心連續(xù)循環(huán)加壓滲透率測(cè)試，結(jié)果表明：初期有效壓力增加，滲透率下降明顯，有效壓力降低后，滲透率恢復(fù)程度??；隨著圍壓循環(huán)數(shù)不斷增加，滲透率下降幅度逐漸減小，有效壓力降低后，滲透率恢復(fù)程度增加，且在循環(huán)加壓整個(gè)過(guò)程滲透率的損失比單次加壓小。滲透率為8.1×10-3μm2的3-2巖心，循環(huán)加壓到30 MPa的滲透率變化趨勢(shì)見(jiàn)圖6。從圖6可以看出，通過(guò)多次的循環(huán)加壓，當(dāng)有效壓力達(dá)到30 MPa時(shí)，滲透率差值為8.2%。對(duì)比圖5，滲透率值接近的2塊滲透率分別為7.1×10-3，10.0×10-3μm2的巖心，在有效壓力達(dá)到30 MPa時(shí)的滲透率差值在12%左右，顯然，循環(huán)加壓的滲透率變化值要小。若油井開(kāi)發(fā)初期生產(chǎn)壓差大，近井地帶能量釋放快，會(huì)造成近井地帶滲透率顯著下降，并且恢復(fù)程度小。在實(shí)際油井生產(chǎn)過(guò)程中，若注水跟不上，可以通過(guò)“生產(chǎn)—關(guān)井—生產(chǎn)—關(guān)井”循環(huán)，逐漸降低油藏壓力，從而減小對(duì)地層的傷害，保證油井產(chǎn)能。

圖6　巖心滲透率變化率與有效應(yīng)力連續(xù)循環(huán)變形曲線

3　滲流特征

以地層水作為流動(dòng)介質(zhì)，對(duì)5塊巖心在不同有效壓力下進(jìn)行滲流實(shí)驗(yàn)測(cè)試。考慮到巖心的滲流通道是孔隙結(jié)構(gòu)，按照式（4）計(jì)算了不同有效壓力下的真實(shí)流動(dòng)速度，繪制出真實(shí)流速與壓力梯度關(guān)系曲線（見(jiàn)圖7）。

圖7　巖心真實(shí)流速與壓力梯度關(guān)系

式中：vs為真實(shí)流速，cm/s；A為巖心界面面積，cm2；Q為流量，mL/s；φc為巖心孔隙度。

該曲線并未出現(xiàn)如文獻(xiàn)［11-13］中所描述的典型低速非達(dá)西滲流的滲流特征，而滲流曲線的反向延長(zhǎng)線沒(méi)有超過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)，出現(xiàn)了“擬啟始?jí)毫μ荻取?。與相同壓力梯度下對(duì)比，隨著有效壓力的增加，真實(shí)流速變小。

4　結(jié)論

1）儲(chǔ)層變形存在時(shí)滯效應(yīng)，且時(shí)滯效應(yīng)的長(zhǎng)短與有效壓力的大小有關(guān)。

2）單向增加有效壓力的過(guò)程中，孔隙度、滲透率隨有效壓力呈非線性的冪函數(shù)關(guān)系。

3）儲(chǔ)層物性的變化主要發(fā)生在有效壓力0～20 MPa，控制油田開(kāi)發(fā)初期的壓力下降，是保證此類(lèi)油田產(chǎn)能穩(wěn)定的關(guān)鍵。

4）單向加壓、多次循環(huán)加壓、快慢速加壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表明，若初期注水難度大，為了減小地層壓力下降對(duì)物性及油井產(chǎn)能的影響，開(kāi)采初期油井生產(chǎn)制度可以通過(guò)控制生產(chǎn)壓差或者開(kāi)關(guān)井的循環(huán)，減小由于地層壓力的下降對(duì)儲(chǔ)層的傷害。

5）異常高壓油藏的儲(chǔ)層物性，可以通過(guò)注水恢復(fù)油藏壓力，但壓力恢復(fù)的大小與初期壓力下降的快慢有關(guān)，壓力下降越快，造成的不可逆?zhèn)υ酱蟆?/p>

6）巖心滲流實(shí)驗(yàn)表明，隨著有效壓力的增加，真實(shí)的滲流速度減小，且存在擬啟動(dòng)壓力梯度。

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（編輯石愛(ài)萍）

Laboratory study on development method and seepage characteristics for abnormal high pressure reservoir

Li Fenghui1，Liu Hui1，Tian Nan1，Zheng Xu1，Zhang Jiwei1，Zhang Yang2
（1.Caofeidian Operation Company of CNOOC Ltd.，Tianjin 300461，China；2.No.2 Oil Production Plant，Zhongyuan Oilfield Company，SINOPEC，Puyang 457532，China）

According to the effective pressure theory，the influence of different pressure drop on reservoir damage under different development methods is simulated by experiment and pressing mode.By analyzing the deformation and seepage characteristics of core under different effective pressure，it is considered that for the abnormal high pressure reservoir，by changing the work system for initial oil well，such as opening-shutting well，controlling the oil production rate and reducing the rapid extraction，the reservoir damage caused by fast pressure drop and the influence of oil well productivity can be reduced.Study results can provide theoretical basis for the scientific and reasonable development ofsuch reservoir.

abnormal high pressure；development method；rock deformation；effective pressure；seepage

中國(guó)海洋石油總公司“十二五”重大專項(xiàng)“中國(guó)近海低孔低滲油藏勘探開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)踐”（CNOOC-KJ125ZDXM07）

TE33

A

10.6056/dkyqt201503019

2014-11-20；改回日期：2015-03-15。

李豐輝，男，1980年生，碩士，目前主要從事油藏研究、生產(chǎn)管理和動(dòng)態(tài)分析方面的工作。E-mail：lfh2@cnooc.com.cn。

引用格式：李豐輝，劉暉，田楠，等.異常高壓油藏開(kāi)發(fā)方式及滲流特征室內(nèi)研究［J］.斷塊油氣田，2015，22（3）：356-360. Li Fenghui，Liu Hui，Tian Nan，et al.Laboratory study on development method and seepage characteristics for abnormal high pressure reservoir［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2015，22（3）：356-360.