高溫高壓氣藏應(yīng)力敏感表征及礦場(chǎng)應(yīng)用

魯瑞彬，胡 琳，王雯娟，楊 柳，張 騫

(中海石油(中國(guó))有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057)

0 引 言

應(yīng)力敏感伴隨氣藏開(kāi)發(fā)整個(gè)過(guò)程，對(duì)氣藏開(kāi)發(fā)方案研究、指標(biāo)預(yù)測(cè)都有較大影響，通常采用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)應(yīng)力敏感進(jìn)行研究[1-4]。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中常采用變圍壓定內(nèi)壓及定圍壓變內(nèi)壓2種實(shí)驗(yàn)方法來(lái)模擬實(shí)際開(kāi)發(fā)過(guò)程中的應(yīng)力敏感，前人[5-9]實(shí)驗(yàn)研究較多，但在實(shí)驗(yàn)結(jié)果及實(shí)驗(yàn)代表性等認(rèn)識(shí)上存在一定差異。2種實(shí)驗(yàn)方法均采用干巖心開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，未能真正模擬地層存在束縛水下的滲流情況，且已有應(yīng)力敏感研究多是基于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)[7，10-11]，缺乏對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和氣藏開(kāi)發(fā)實(shí)踐認(rèn)識(shí)的對(duì)比分析，無(wú)法解決南海西部高溫高壓氣藏開(kāi)發(fā)實(shí)踐應(yīng)力敏感程度較實(shí)驗(yàn)結(jié)果弱的問(wèn)題。

南海西部高溫高壓氣藏物性差，試井滲透率多在20.00 mD以下(部分區(qū)塊試井滲透率小于3.00 mD)，壓力系數(shù)大于1.90，開(kāi)發(fā)過(guò)程中存在一定的應(yīng)力敏感現(xiàn)象。通過(guò)優(yōu)選變內(nèi)壓建立束縛水應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)，結(jié)合南海西部高溫高壓氣藏開(kāi)發(fā)應(yīng)力敏感認(rèn)識(shí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，從而指導(dǎo)探井、生產(chǎn)井試井解釋及合理配產(chǎn)。

1 應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)方法及影響因素研究

1.1 應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)方法優(yōu)選

變圍壓和變內(nèi)壓是目前常用的應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)方法[12]，2種方法均存在不能準(zhǔn)確模擬氣藏開(kāi)發(fā)生產(chǎn)實(shí)際過(guò)程的問(wèn)題。通過(guò)開(kāi)展不同方式應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)，對(duì)比分析各實(shí)驗(yàn)結(jié)果差異，從而確定最佳實(shí)驗(yàn)。

(1)變圍壓應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)。變圍壓實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，是目前應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)最普遍的方法[13-15]。該實(shí)驗(yàn)?zāi)M的是有效應(yīng)力隨上覆壓力的變化而變化，與實(shí)際氣藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中有效應(yīng)力隨孔隙壓力的減小而變化存在一定差異，且有效應(yīng)力計(jì)算存在較大爭(zhēng)議[9,16-17]，綜合分析認(rèn)為變圍壓應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)代表性差。

(2)變內(nèi)壓應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)。變內(nèi)壓應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)一般設(shè)定入口壓力等于地層壓力，出口和入口保持一定壓差，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出口和入口端壓力同步下降[18]。該方法雖然能夠很好模擬氣藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中地層壓力的變化情況，但沒(méi)有考慮開(kāi)發(fā)過(guò)程中地層束縛水對(duì)儲(chǔ)層物性變化的影響。

(3)定圍壓變內(nèi)壓建立束縛水應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)。定圍壓變內(nèi)壓同時(shí)建立束縛水實(shí)驗(yàn)不但能夠很好地模擬地層壓力的變化，還可以考慮隨著壓力的下降束縛水對(duì)物性的影響，因此，采用該應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)開(kāi)展研究。

1.2 應(yīng)力敏感影響因素

從機(jī)理上分析，有效應(yīng)力變化量及組成巖石的礦物成分是影響儲(chǔ)層應(yīng)力敏感強(qiáng)弱的決定因素[10]。在實(shí)際研究過(guò)程中，應(yīng)力敏感程度還受實(shí)驗(yàn)溫度、實(shí)驗(yàn)方式、巖心滲透率、裂縫發(fā)育程度等因素影響。結(jié)合南海西部地質(zhì)油藏特征(裂縫不發(fā)育)及各影響因素主次關(guān)系，重點(diǎn)研究實(shí)驗(yàn)方式、礦物含量、巖心滲透率對(duì)應(yīng)力敏感的影響。

1.2.1 不同實(shí)驗(yàn)方式對(duì)應(yīng)力敏感的影響

由于變圍壓和變內(nèi)壓的應(yīng)力作用機(jī)理不同，變圍壓增大了有效應(yīng)力的變化量，導(dǎo)致變圍壓應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)結(jié)果大于變內(nèi)壓實(shí)驗(yàn)，放大了氣藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中的應(yīng)力敏感效應(yīng)[9,15-17]。

在變內(nèi)壓實(shí)驗(yàn)中，巖心是否建立束縛水影響應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)結(jié)果，大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，巖心建立束縛水較不建立束縛水應(yīng)力敏感更強(qiáng)。在建立束縛水應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)中，在孔隙被壓縮后，會(huì)造成一定程度的束縛水運(yùn)移，運(yùn)移量小，無(wú)法移出巖心，只在巖心內(nèi)部重新分布，堵塞較小的孔隙，增加小喉道氣體的滲流阻力，造成巖心滲透率降低。因此，對(duì)于低滲透巖心，建立束縛水與不建立束縛水巖心應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差較大。

1.2.2 巖心礦物含量對(duì)應(yīng)力敏感的影響

巖心中高硬度礦物含量越高，應(yīng)力敏感越弱，影響巖心應(yīng)力敏感性的主要礦物成分為石英、長(zhǎng)石、黏土礦物等，其中，石英硬度最強(qiáng)，長(zhǎng)石次之，黏土最弱。

1.2.3 初始滲透率對(duì)應(yīng)力敏感的影響

南海西部大量應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)結(jié)果及前人[19]研究成果均表明初始滲透率越低，應(yīng)力敏感越強(qiáng)。

2 研究區(qū)應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)

利用變內(nèi)壓建立束縛水實(shí)驗(yàn)開(kāi)展研究區(qū)氣田應(yīng)力敏感研究，改進(jìn)應(yīng)力敏感表征方法，獲得研究區(qū)應(yīng)力敏感評(píng)價(jià)系數(shù)。

2.1 應(yīng)力敏感表征

目前常用的評(píng)價(jià)儲(chǔ)層應(yīng)力敏感的方法有滲透率損失率[12]、滲透率損害系數(shù)和數(shù)學(xué)回歸等方法。

(1)

(2)

式中：Dstn為有效應(yīng)力增加過(guò)程中不同有效應(yīng)力下的滲透率損害率；Ki為初始滲透率，mD；Kn為有效應(yīng)力增加過(guò)程中不同有效應(yīng)力下的巖心滲透率，mD；Dkp為滲透率損害系數(shù)，MPa-1；pn為有效應(yīng)力增加過(guò)程中不同有效應(yīng)力值，MPa。

式(2)用來(lái)表征氣藏開(kāi)發(fā)過(guò)程(應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)過(guò)程)中不同開(kāi)發(fā)(實(shí)驗(yàn))階段應(yīng)力敏感的強(qiáng)弱，計(jì)算結(jié)果是連續(xù)的，過(guò)程比較復(fù)雜，且指導(dǎo)應(yīng)用意義較差，目前應(yīng)用較少。對(duì)式(2)進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，用隨有效應(yīng)力增加過(guò)程中滲透率下降的比例來(lái)表征氣藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中不同階段應(yīng)力敏感的強(qiáng)弱。

(3)

式中：Δσ為有效應(yīng)力變化量，MPa。

利用式(3)計(jì)算氣藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中不同開(kāi)發(fā)階段應(yīng)力敏感的強(qiáng)弱更為簡(jiǎn)單，只涉及氣藏初始狀態(tài)和目前開(kāi)發(fā)狀態(tài)，與中間過(guò)程無(wú)關(guān)，與式(2)相比簡(jiǎn)單易用、推廣性較強(qiáng)。

在南海西部高溫高壓氣藏應(yīng)力敏感研究中，以冪律關(guān)系式來(lái)表征不同氣藏、不同應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)的強(qiáng)弱程度，指導(dǎo)氣藏開(kāi)發(fā)，如式(4)所示；利用式(3)對(duì)比分析氣藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中不同開(kāi)發(fā)階段應(yīng)力敏感的強(qiáng)弱，用于分析高溫高壓氣藏應(yīng)力敏感變化規(guī)律。

(4)

式中：a為系數(shù)；γ為應(yīng)力敏感冪律系數(shù)。

2.2 研究區(qū)應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)結(jié)果

研究區(qū)F氣田為中孔中低滲氣藏，儲(chǔ)層埋深約為2 700 m，壓力系數(shù)為1.95。以研究區(qū)實(shí)際壓力數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，開(kāi)展8塊巖心變內(nèi)壓建立束縛水應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)(表1)，其中，圍壓設(shè)置為67.5 MPa，最大孔隙壓力為51.5 MPa，最小孔隙壓力為6.5 MPa左右，初始有效應(yīng)力為16.0 MPa，最大有效應(yīng)力為61.0 MPa，有效應(yīng)力變化量為0.0～45.0 MPa，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。對(duì)8塊巖心的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，得到研究區(qū)實(shí)驗(yàn)應(yīng)力敏感冪律系數(shù)為0.176。

表1 巖心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖1 研究區(qū)巖心應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 研究區(qū)應(yīng)力敏感校正

以南海西部高溫高壓F氣田生產(chǎn)井歷次試井解釋結(jié)果數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果與礦場(chǎng)實(shí)際應(yīng)力敏感程度差異，并推導(dǎo)得出實(shí)驗(yàn)應(yīng)力敏感校正系數(shù)，從而可以有效指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)結(jié)果在氣藏生產(chǎn)中的應(yīng)用。

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與礦場(chǎng)實(shí)際對(duì)比

F氣田經(jīng)過(guò)多次壓力恢復(fù)測(cè)試的井共3口，均表現(xiàn)出一定的應(yīng)力敏感效應(yīng)，3口井歷次試井解釋結(jié)果見(jiàn)表2。分析3口井歷次試井解釋結(jié)果，并作歸一化處理，得到研究區(qū)實(shí)際應(yīng)力敏感冪律系數(shù)為0.094(圖2)。

綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果及研究區(qū)試井解釋結(jié)果，分別得到研究區(qū)實(shí)驗(yàn)應(yīng)力敏感方程和實(shí)際試井解釋?xiě)?yīng)力敏感方程，如式(5)和式(6)所示，應(yīng)力敏感冪律系數(shù)分別為0.176和0.094，應(yīng)力敏感程度存在較大差別(圖3)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果夸大了高溫高壓氣藏應(yīng)力敏感程度，不能直接應(yīng)用到實(shí)際氣田開(kāi)發(fā)生產(chǎn)中。

(5)

(6)

式中：Kn實(shí)驗(yàn)為實(shí)驗(yàn)有效應(yīng)力增加過(guò)程中不同有效應(yīng)力下的巖心滲透率，mD；Ki實(shí)驗(yàn)為實(shí)驗(yàn)巖心初始滲透率，mD；Kn實(shí)際為試井解釋有效應(yīng)力增加過(guò)程中不同有效應(yīng)力下的試井滲透率，mD；Ki實(shí)際為氣井投產(chǎn)初期試井滲透率，mD。

表2 F氣田各井歷次試井解釋結(jié)果

圖2 研究區(qū)實(shí)際應(yīng)力敏感曲線

圖3 實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)井實(shí)際應(yīng)力敏感對(duì)比

3.2 應(yīng)力敏感校正系數(shù)

實(shí)驗(yàn)與實(shí)際應(yīng)力敏感存在差異的原因?yàn)閷?shí)驗(yàn)誤差、試井解釋誤差、巖心代表性、儲(chǔ)層非均質(zhì)性及氣藏開(kāi)發(fā)實(shí)際過(guò)程中有效應(yīng)力變化的計(jì)算方法等，各因素難以定量表征，因此，無(wú)法針對(duì)具體因素開(kāi)展應(yīng)力敏感校正。為方便開(kāi)發(fā)應(yīng)用，提出滲透率校正系數(shù)η來(lái)表征實(shí)驗(yàn)和實(shí)際之間的差異。

η為地層壓力下降的函數(shù)，目前研究區(qū)地層壓力下降約17 MPa，得到實(shí)際儲(chǔ)層滲透率為實(shí)驗(yàn)滲透率的1.26倍，實(shí)際應(yīng)力敏感程度僅為實(shí)驗(yàn)值的79%。

(7)

式中：η為滲透率校正系數(shù)。

進(jìn)一步分析高溫高壓氣藏應(yīng)力敏感特征，利用應(yīng)力敏感方程計(jì)算滲透率損害系數(shù)，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 滲透率損害系數(shù)計(jì)算結(jié)果

由圖4可知，高壓氣藏前期滲透率下降速度較快，應(yīng)力敏感表現(xiàn)較強(qiáng)，當(dāng)研究區(qū)有效應(yīng)力變化達(dá)到25 MPa之后，滲透率下降幅度明顯降低，整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程呈現(xiàn)“兩段式”應(yīng)力敏感，曲線為“先陡后緩”型。

3.3 應(yīng)力敏感校正系數(shù)驗(yàn)證

南海西部LD氣田為高溫高壓低滲氣田，滲透率為5.00 mD左右，LD-1井為該氣田的一口生產(chǎn)井，2017年2月投產(chǎn)，投產(chǎn)初期試井滲透率為7.60 mD，該井于2018年12月進(jìn)行壓力恢復(fù)測(cè)試，解釋結(jié)果表明該井地層壓力下降為16.4 MPa，滲透率為6.30 mD，下降1.30 mD。

利用該氣田變內(nèi)壓、建立束縛水應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到實(shí)驗(yàn)應(yīng)力敏感方程為：

(8)

利用式(8)，帶入相關(guān)參數(shù)，計(jì)算得到該井滲透率為5.20 mD，利用式(7)計(jì)算得到該氣田實(shí)驗(yàn)應(yīng)力敏感校正系數(shù)為1.260，進(jìn)而計(jì)算得到該井實(shí)驗(yàn)滲透率為6.54 mD，與實(shí)測(cè)滲透率6.30 mD相比，誤差僅為3.8%，計(jì)算精度較高。

4 指導(dǎo)應(yīng)用

4.1 指導(dǎo)高溫高壓氣井配產(chǎn)

以式(6)和產(chǎn)能方程為基礎(chǔ)，進(jìn)行應(yīng)力敏感對(duì)產(chǎn)能影響研究(圖5)。由圖5可知，隨著應(yīng)力敏感冪律系數(shù)的增大，氣井產(chǎn)能不斷降低，無(wú)阻流量降低比例與應(yīng)力敏感冪律系數(shù)增加比例基本呈線性關(guān)系，從而指導(dǎo)不同應(yīng)力敏感下高壓氣井配產(chǎn)。

圖5 不同應(yīng)力敏感冪律系數(shù)下的氣井流入動(dòng)態(tài)曲線

4.2 指導(dǎo)高溫高壓氣井試井解釋

應(yīng)力敏感研究成果可以很好地指導(dǎo)高溫高壓氣藏生產(chǎn)井及探井的試井解釋，已在南海西部4口生產(chǎn)井及3口探井中成功應(yīng)用。

以L-3高溫高壓探井為例，該井地層壓力為90 MPa，溫度為194 ℃，壓力系數(shù)為2.28。采用一開(kāi)一關(guān)測(cè)試制度，開(kāi)井產(chǎn)能測(cè)試階段歷經(jīng)5個(gè)油嘴工作制度共36 h，壓力恢復(fù)關(guān)井21 h。該井物性差，開(kāi)井壓降漏斗陡峭，壓差大，依據(jù)應(yīng)力敏感認(rèn)識(shí)結(jié)果，解釋采用徑向復(fù)合模型，井周25 m范圍內(nèi)壓差大，應(yīng)力敏感強(qiáng)，外圍壓差小，應(yīng)力敏感弱，外圍物性好于井周，雙對(duì)數(shù)曲線見(jiàn)圖6。應(yīng)力敏感認(rèn)識(shí)結(jié)果對(duì)于探井、生產(chǎn)井的試井解釋起到很好的指導(dǎo)作用。

5 結(jié) 論

(1)開(kāi)展變內(nèi)壓建立束縛水應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)研究，有效模擬氣藏開(kāi)發(fā)實(shí)際，明確高壓氣藏“兩段式”應(yīng)力敏感變化規(guī)律，改進(jìn)滲透率損害系數(shù)表征方法，并建立了實(shí)驗(yàn)、開(kāi)發(fā)實(shí)踐應(yīng)力敏感方程。

圖6 L-3井雙對(duì)數(shù)曲線圖

(2)對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)應(yīng)力敏感和開(kāi)發(fā)認(rèn)識(shí)應(yīng)力敏感差異，建立了南海西部高溫高壓氣藏應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)校正方程，獲得靶區(qū)應(yīng)力敏感校正系數(shù)，解決了南海西部應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)難以直接應(yīng)用到礦場(chǎng)實(shí)踐的問(wèn)題。

(3)基于研究區(qū)應(yīng)力敏感認(rèn)識(shí)指導(dǎo)高溫高壓氣藏氣井配產(chǎn)及試井解釋，為南海西部高溫高壓氣藏合理開(kāi)發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。