疏松砂巖稠油油藏巖石應(yīng)力敏感性對(duì)蒸汽驅(qū)的影響
——以BZA 油田為例

陽(yáng)曉燕，劉美佳，張 博，趙漢卿，劉 超

（中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津 300459）

疏松砂巖油藏隨著開(kāi)采的進(jìn)行，原油不斷被采出，地層壓力逐漸降低，巖石骨架所承受的凈上覆地層壓力增加，會(huì)對(duì)巖石滲透率造成影響，進(jìn)而產(chǎn)生應(yīng)力敏感性[1-2]；同時(shí)，油氣儲(chǔ)層的應(yīng)力敏感性對(duì)油氣田開(kāi)發(fā)過(guò)程中產(chǎn)能、滲流規(guī)律等均具有較大影響[3-5]，因此，研究巖石應(yīng)力敏感性對(duì)油田開(kāi)發(fā)生產(chǎn)具有重大意義。巖石變形主要由骨架所受有效應(yīng)力控制，不同儲(chǔ)層的應(yīng)力敏感性相差很大。關(guān)于有效 覆壓對(duì)滲透率的影響，前人已經(jīng)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)定和研究[6-7]，但大部分立足于低滲油氣藏[8-9]。本文首次針對(duì)稠油高滲疏松砂巖油藏進(jìn)行應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)，并開(kāi)展應(yīng)力敏感性對(duì)蒸汽驅(qū)開(kāi)發(fā)效果的影響分析。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及材料

物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置主要由物理模型模塊、供液控制模塊和壓力流量測(cè)量模塊三大模塊組成。其中，物理模型模塊主要由蒸汽發(fā)生器、圍壓泵、回壓泵、三軸圍壓巖心夾持器、水釜、油釜組成，供液控制模塊主要由ISCO-260D 高精度驅(qū)替泵（驅(qū)替精度為0.01 mL/min）組成，壓力流量測(cè)量模塊主要由壓力精密傳感器、液體計(jì)量裝置組成（圖1）。實(shí)驗(yàn)巖心為BZA 油田天然巖心，分別選取有代表性的低滲巖心（滲透率為50×10-3μm2）和高滲巖心（滲透率為1 700×10-3μm2）；實(shí)驗(yàn)用油為BZA 油田地面脫氣原油，實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行脫水及過(guò)濾處理，地層溫度下原油黏度為353.0 mPa·s；實(shí)驗(yàn)用水根據(jù)BZA 油田地層礦化度進(jìn)行配制，礦化度為5 800 mg/L，地層水黏度為0.4 mPa·s。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2 實(shí)驗(yàn)方案及步驟

應(yīng)力敏感的基本原理是模擬油氣藏有效覆壓，對(duì)巖心進(jìn)行加壓，加載到一定值后逐漸卸壓，最后恢復(fù)到初始覆壓，研究滲透率隨覆壓變化的非穩(wěn)態(tài)過(guò)程。近似取上覆巖石壓力與巖石內(nèi)孔隙流體壓力之差為有效覆壓，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中用圍壓來(lái)模擬上覆巖層壓力，以增加圍壓的方式來(lái)模擬地層孔隙壓力不斷下降而導(dǎo)致巖石骨架所承受的有效覆壓逐漸增加。實(shí)驗(yàn)使用的流體介質(zhì)為蒸餾水，由于實(shí)驗(yàn)中孔隙壓力不超過(guò)0.2 MPa，因此在本實(shí)驗(yàn)中近似認(rèn)為圍壓即為儲(chǔ)層巖石的有效覆壓。

本次實(shí)驗(yàn)主要包括兩部分，應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)及蒸汽驅(qū)實(shí)驗(yàn)。其中，設(shè)計(jì)應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)兩組（低滲巖心、高滲巖心各一組），設(shè)計(jì)4 組不同有效覆壓條件下的蒸汽驅(qū)實(shí)驗(yàn)，有效覆壓分別選取21.0，25.0，30.0，35.0 MPa。

實(shí)驗(yàn)前檢查實(shí)驗(yàn)儀器，確保誤差在允許范圍內(nèi)，清洗管線以保證沒(méi)有堵塞。

2.1 應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)

（1）將低滲巖心放入巖心夾持器，將有效覆壓調(diào)整到設(shè)計(jì)的有效覆壓，穩(wěn)定后測(cè)定滲透率。

（2）緩慢增大圍壓即增大有效覆壓，由2.5 MPa逐漸增至25.0 MPa，測(cè)定9 個(gè)不同覆壓下的滲透率，每一個(gè)壓力點(diǎn)持續(xù)30 min 后再測(cè)定。

（3）有效覆壓從25.0 MPa 逐漸降低返回至2.5 MPa，再測(cè)定8 個(gè)不同覆壓下的滲透率，每一個(gè)壓力點(diǎn)持續(xù)1 h 后再測(cè)定，然后停止低滲巖心測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

（4）繼續(xù)測(cè)定高滲巖心應(yīng)力敏感性，重復(fù)步驟（1）～（3）。

2.2 蒸汽驅(qū)實(shí)驗(yàn)

（1）前期準(zhǔn)備。選取與BZA 油田物性相近的巖心進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，巖心孔隙度為31.5%、滲透率為2 062×10-3μm2。清洗巖心，烘干后稱(chēng)干重，抽真空時(shí)間不短于24 h。

（2）飽和地層水。為避免水釜帶來(lái)的誤差，采用自吸水的方法來(lái)進(jìn)行飽和水。

（3）飽和油。考慮實(shí)驗(yàn)原油黏度較大，將模型升溫至80 ℃進(jìn)行飽和油實(shí)驗(yàn)。飽和油時(shí)，驅(qū)替速度設(shè)定為0.5 mL/min，初始圍壓設(shè)定為21.0 MPa。待壓力穩(wěn)定、出口端產(chǎn)油速度與進(jìn)口端設(shè)定速度一致時(shí)結(jié)束，計(jì)算束縛水飽和度與初始含油飽和度。為了凸顯圍壓引起的敏感性問(wèn)題，把圍壓升高至不同圍壓時(shí)需靜置2 h。

（4）蒸汽驅(qū)實(shí)驗(yàn)過(guò)程。設(shè)置參數(shù)，包括注汽壓力、蒸汽發(fā)生器的溫度、注汽速度。在驅(qū)替之前打開(kāi)蒸汽發(fā)生器旁邊的排氣閥，使管線放氣，吹出凝結(jié)水，待蒸汽連續(xù)穩(wěn)定后再進(jìn)行恒速（2.0 mL/min）汽驅(qū)。記錄不同時(shí)刻（注汽PV 數(shù)）巖心入口端的壓力，以及巖心出口端的產(chǎn)液量、產(chǎn)油量，直到巖心出口端含水率大于98%時(shí)結(jié)束（大約注汽25 PV）；見(jiàn)水初期要加密記錄。

（5）根據(jù)實(shí)驗(yàn)油水乳化程度，將油水分離并計(jì)量油水產(chǎn)量，產(chǎn)出液先靜置一段時(shí)間，使油水自然分離，然后采用離心機(jī)分離油水。

（6）分別進(jìn)行不同圍壓（25.0，30.0，35.0 MPa）條件下的蒸汽驅(qū)實(shí)驗(yàn)，重復(fù)步驟（1）～（5）。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力敏感性對(duì)滲透率影響

無(wú)論是低滲巖心還是高滲巖心，隨著有效覆壓的增加，滲透率逐漸降低，滲透率變化與覆壓有關(guān)（圖2、圖3）。儲(chǔ)層條件不同，其應(yīng)力敏感的強(qiáng)弱程度也不同。對(duì)于低滲巖心，隨著有效覆壓增加，滲透率初期降幅較小。當(dāng)有效覆壓增加到一定值時(shí)，巖石顆粒之間發(fā)生彈塑性變形，孔喉半徑發(fā)生變化，滲透率大幅下降。加壓后期（10.0～25.0 MPa），滲透率變化變緩。對(duì)于高滲巖心，隨著有效覆壓增加，滲透率持續(xù)降低，當(dāng)有效覆壓增加到10.0 MPa 后，滲透率降低幅度逐漸變緩。

無(wú)論是低滲巖心還是高滲巖心，隨有效覆壓的恢復(fù)，滲透率有所恢復(fù)，但卻不能恢復(fù)到初始有效覆壓所對(duì)應(yīng)的滲透率值。對(duì)于低滲巖心，滲透率能恢復(fù)到原始滲透率的57.1%，這是因?yàn)榈蜐B透儲(chǔ)層的滲流通道相對(duì)狹窄，隨有效應(yīng)力的增加，滲流通道變得更加狹小，流體的流動(dòng)更加艱難，滲透率下降幅度更大。對(duì)于高滲巖心，滲透率能恢復(fù)到原始滲透率的74.7%。整體來(lái)說(shuō)，儲(chǔ)層的受壓變形不是彈性的，存在塑性影響，且滲透率越低傷害性越大。

圖2 滲透率隨有效覆壓的變化曲線（低滲巖心）

圖3 滲透率隨有效覆壓的變化曲線（高滲巖心）

3.2 應(yīng)力敏感對(duì)蒸汽驅(qū)效果影響

應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)高滲巖心、低滲巖心分別進(jìn)行蒸汽驅(qū)實(shí)驗(yàn)，在同等條件下再各自重復(fù)做一組儲(chǔ)層不受傷害的蒸汽驅(qū)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明（圖4、圖5），儲(chǔ)層物性對(duì)采收率影響較大，同等條件下高滲儲(chǔ)層蒸汽驅(qū)采收率較低滲儲(chǔ)層高15.8%；隨著驅(qū)替倍數(shù)的增加采出程度逐漸降低，不同條件下產(chǎn)油量均集中在早期。低滲儲(chǔ)層被傷害后，初期采出程度高；高滲儲(chǔ)層被傷害后，初期采出程度影響不大。隨著驅(qū)替倍數(shù)增加，不論是低滲儲(chǔ)層還是高滲儲(chǔ)層，儲(chǔ)層傷害后的采出程度總是低于未受傷害儲(chǔ)層的采出程度。儲(chǔ)層傷害對(duì)采收率影響較大，相同條件下，未受傷害的高滲儲(chǔ)層蒸汽驅(qū)采收率較受傷害后的高滲儲(chǔ)層蒸汽驅(qū)采收率高12.0%。

圖4 不同條件下瞬時(shí)采出程度與驅(qū)替倍數(shù)關(guān)系曲線

圖5 不同條件下累計(jì)采出程度與驅(qū)替倍數(shù)關(guān)系曲線

3.3 上覆巖層壓力對(duì)蒸汽驅(qū)效果影響

稠油油藏開(kāi)采過(guò)程中，無(wú)論有效覆壓大小如何，蒸汽未突破前，都存在一個(gè)短暫的無(wú)水采油期（圖6），隨著有效覆壓的增加，無(wú)水采油期越來(lái)越短；蒸汽未突破前，瞬時(shí)采出程度較高，見(jiàn)水后，采出程度逐漸降低，隨著有效覆壓的增加，無(wú)水采油期的原油采出量增加，主要是因?yàn)殡S有效覆壓增加，對(duì)巖石的孔隙進(jìn)行壓縮，彈性能增大，從而利于前期原油的采出。但是，隨著開(kāi)采的進(jìn)行，有效覆壓越高，瞬時(shí)采出程度越低，原因是應(yīng)力敏感性對(duì)儲(chǔ)層造成一定傷害，有效覆壓越大對(duì)儲(chǔ)層傷害越嚴(yán)重，儲(chǔ)層滲流能力越小。

圖6 不同有效覆壓下含水率與驅(qū)替倍數(shù)的關(guān)系曲線

隨著驅(qū)替倍數(shù)增加，采出程度增大，有效覆壓越高，驅(qū)油效率越低（圖7）。主要原因是隨著有效覆壓的增加，巖心受到擠壓加重，孔隙結(jié)構(gòu)變形嚴(yán)重，孔隙空間以及滲透率均發(fā)生變化，致使儲(chǔ)層滲透率和滲流能力降低，呈現(xiàn)較強(qiáng)應(yīng)力敏感性。隨著有效覆壓的增加，壓力梯度逐漸增加，變化趨勢(shì)幾乎呈線性增加（圖8），主要原因是圍壓的增大，使得巖心的滲透率降低，驅(qū)替壓差增大。

圖7 不同圍壓下采出程度與驅(qū)替倍數(shù)的關(guān)系曲線

圖8 突破壓差與上覆壓力的關(guān)系曲線

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

BZA 油田主力含油層段位于明化鎮(zhèn)組下段Ⅱ油組，油藏埋深1 200 m，平均孔隙度33.0%，平均滲透率2 602×10-3μm2，具有高孔高滲的儲(chǔ)集物性特征。壓力系數(shù)為0.94，屬正常壓力系統(tǒng)，原始地層壓力11.6 MPa，飽和壓力3.2 MPa，地層原油黏度353 mPa·s。開(kāi)發(fā)前期采用多元熱流體吞吐（N2、CO2、水蒸汽和熱水等組成的高壓多元熱流體混合物），注入溫度230 ℃。該油藏經(jīng)過(guò)多輪次吞吐后，地層壓力低于7.0 MPa，具備轉(zhuǎn)驅(qū)條件。

由于地層壓力下降較多，對(duì)儲(chǔ)層造成一定傷害，存在應(yīng)力敏感。在蒸汽驅(qū)前期，應(yīng)力敏感對(duì)采出程度具有促進(jìn)作用，后期應(yīng)力敏感則會(huì)制約采收率，因此，可通過(guò)在蒸汽驅(qū)過(guò)程中逐步恢復(fù)地層壓力，從而降低應(yīng)力敏感傷害。利用油藏工程方法，開(kāi)展注采比與壓力恢復(fù)速度關(guān)系研究，最終確定初期以注采比1.0∶1.1 進(jìn)行驅(qū)替，一年后，注采比調(diào)整為1.0∶1.2，直至地層壓力恢復(fù)至原始地層壓力的95%時(shí)，再保持注采比1.0∶1.0 進(jìn)行驅(qū)替。

近兩年來(lái)，通過(guò)實(shí)施變注采比蒸汽驅(qū)，BZA 油田綜合遞減率由23%下降至2%，日增油達(dá)到120 m3，含水率整體下降5%，取得了較好的開(kāi)發(fā)效果和經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

（1）應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，無(wú)論是低滲巖心還是高滲巖心，隨著有效覆壓的增加，滲透率逐漸降低；隨著有效覆壓的恢復(fù)，滲透率有所恢復(fù)，但不能恢復(fù)到初始有效覆壓所對(duì)應(yīng)的滲透率值。低滲巖心，滲透率能恢復(fù)到原始滲透率的57.1%；高滲巖心，滲透率能恢復(fù)到原始滲透率的74.7%；原始滲透率越低對(duì)儲(chǔ)層傷害性越大。

（2）巖心發(fā)生應(yīng)力敏感后，內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使得后期滲流能力下降，有效覆壓對(duì)驅(qū)油效率、累計(jì)油氣比、含水率等均有重要影響。

（3）應(yīng)力敏感性對(duì)儲(chǔ)層傷害存在兩面性，在開(kāi)采初期，有利于采收率的提高；在開(kāi)采后期，制約采收率的提高。綜合評(píng)價(jià)認(rèn)為，應(yīng)力敏感性對(duì)儲(chǔ)層的傷害不利于采收率提高。

（4）通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析了BZA 油田稠油油藏儲(chǔ)層的應(yīng)力敏感性，以及應(yīng)力敏感性對(duì)蒸汽驅(qū)開(kāi)發(fā)的影響，對(duì)于掌握油田開(kāi)發(fā)規(guī)律，在稠油油藏開(kāi)發(fā)中后期進(jìn)行開(kāi)發(fā)方案及技術(shù)的調(diào)整、制定提供了技術(shù)依據(jù)。