高地飽壓差油藏應(yīng)力敏感特征及定量表征研究

賈 品，李 壯，尹恒飛，程林松

(中國石油大學(xué)(北京)，北京 102249)

0 引 言

20世紀(jì)20年代，國外已經(jīng)開始研究儲層滲透率隨有效應(yīng)力的變化關(guān)系，Terzaghi[1]提出有效應(yīng)力公式，即有效應(yīng)力等于地應(yīng)力與孔隙壓力之差，為之后實(shí)驗(yàn)?zāi)M巖心受力條件提供理論基礎(chǔ)。1953年，Hall[2]通過研究砂巖和石灰?guī)r巖樣，對結(jié)果分析后作出了孔隙度與孔隙壓縮系數(shù)的關(guān)系曲線，并制作了Hall圖版，此圖版在油藏工程中有著廣泛應(yīng)用。1980年，Jones 和Owens[3]提出了一種應(yīng)力敏感系數(shù)，并通過此系數(shù)來評價不同儲層的應(yīng)力敏感性強(qiáng)弱程度。中國學(xué)者對于應(yīng)力敏感同樣進(jìn)行了大量研究。2001年，劉建軍和劉先貴[4]通過實(shí)驗(yàn)求得巖心滲透率與孔隙度隨有效應(yīng)力的變化曲線，提出巖心在卸壓后會存在滲透率與孔隙度的不可逆損失。張新紅和秦積舜[5]認(rèn)為，低滲透油藏的滲透率隨有效應(yīng)力呈指數(shù)變化關(guān)系，但不同巖心具有不同的應(yīng)力敏感系數(shù)。2019年，王永凱和李煉民[6]對異常高壓油藏巖心進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，提出若考慮壓敏疊加效應(yīng)，在異常高壓中高滲油藏中，應(yīng)力敏感現(xiàn)象較為嚴(yán)重。綜合分析國內(nèi)外對于應(yīng)力敏感的研究，可見研究對象多為低滲油藏[7-9]，對于具備中高滲特征的高地飽壓差油藏應(yīng)力敏感特征研究較為匱乏。因此，文中以墾利油田為例，開展此類油藏應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)研究，并建立適用于此類油藏的應(yīng)力敏感表征方法，為油田油井工作制度的制訂提供依據(jù)。

墾利10-1油田位于萊州灣凹陷北部，新生代地層自下而上發(fā)育5個層組，其中位于沙河街組的沙三段油氣資源豐富，整體為層狀構(gòu)造油藏。主力油藏埋深為2 300～2 800 m，儲層平均孔隙度為20%，滲透率為25～380 mD，屬于中孔中高滲儲層。主力油藏壓力系數(shù)為1.01，原始地層壓力為24.3 MPa，地層流體飽和壓力為9.3 MPa，地飽壓差高達(dá)15.0 MPa，由于高地飽壓差的特點(diǎn)，該類油藏開發(fā)前期通常采用衰竭開發(fā)方式，地層壓力下降幅度大，使得此類油藏的儲層所受有效應(yīng)力變化較大，應(yīng)力敏感現(xiàn)象較為明顯。因此，應(yīng)對該類油藏天然巖心進(jìn)行應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)以探究其滲透率變化規(guī)律。

1 中高滲巖心應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)研究

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理

在油藏開發(fā)過程中，儲層中巖石所受的力主要為地層上覆壓力與孔隙流體壓力，巖石所受有效應(yīng)力即為兩者之差。隨著開發(fā)的進(jìn)行，儲層內(nèi)流體排出，孔隙流體壓力會逐漸變小，與此同時巖石所受的有效應(yīng)力逐漸增大。在室內(nèi)模擬儲層應(yīng)力敏感性時，往往會給巖心施加圍壓來模擬巖心所受外壓，即地層上覆壓力，巖心所加的驅(qū)替壓力來模擬孔隙流體壓力，二者之差即為巖心所受有效應(yīng)力[10]。在實(shí)驗(yàn)過程中保持巖心驅(qū)替壓力不變，通過增大巖心所受圍壓以達(dá)到增大巖心有效應(yīng)力的目的。對于中高滲巖心，在增加有效應(yīng)力時，巖心可能出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，因此，采用緩慢加壓的方法，保證巖心在實(shí)驗(yàn)中的完整性。根據(jù)中國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《SY/T 5358—2010儲層敏感性流動實(shí)驗(yàn)評價方法》，對墾利油田所取巖樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，應(yīng)力敏感設(shè)備如圖1所示。

圖1 應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 The physical photo of stress sensitive experimental device

1.2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備及基本步驟

1.2.1 天然巖心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

選取墾利油田A、B井與C井共9塊巖心，將巖心進(jìn)行洗油處理并干燥后，進(jìn)行氣測滲透率實(shí)驗(yàn)。由于所取巖心的滲透率為20～380 mD，為更具針對性地研究此區(qū)塊儲層應(yīng)力敏感性，將巖心按滲透率大小分為3個量級，即30、100、300 mD，以便后期結(jié)果處理更利于反映應(yīng)力敏感規(guī)律。所取巖心的氣測滲透率為20～300 mD，孔隙度為20%左右。取樣巖心基本參數(shù)如表1所示。

表1 取樣巖心基本參數(shù)Table 1 The basic parameters of core sample

1.2.2 實(shí)驗(yàn)具體步驟

(1) 測量所使用巖心的直徑與長度，將巖心放入巖心夾持器中固定。

(2) 根據(jù)圖1連接儀器設(shè)備，檢查實(shí)驗(yàn)裝置氣密性。

(3) 將驅(qū)替壓力定為2.0 MPa，待氣體流量計(jì)讀數(shù)平穩(wěn)后，旋轉(zhuǎn)圍壓泵以改變巖心圍壓，從而改變巖心有效應(yīng)力。

(4) 升壓過程中，每次升高圍壓為2.0 MPa，待氣體流量計(jì)讀數(shù)平穩(wěn)后記錄讀數(shù)。

(5) 當(dāng)圍壓增至52.0 MPa，即巖心有效應(yīng)力增至50.0 MPa后讀數(shù)，隨后進(jìn)入降壓階段，仍保持2.0 MPa變化量，記錄氣體流量計(jì)讀數(shù)。

(6) 分別對9塊巖心重復(fù)進(jìn)行3次升降壓過程，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進(jìn)行克式矯正。

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在直角坐標(biāo)系中繪制出每塊巖心所受有效應(yīng)力σeff與巖心在此有效應(yīng)力下的滲透率同初始滲透率的比值K/K0的關(guān)系曲線，如圖2所示，巖心在單次升降壓過程中，隨著有效應(yīng)力的升高，滲透率不斷降低，但存在一個閾值，當(dāng)有效應(yīng)力升至30.0 MPa后，滲透率降幅趨于穩(wěn)定。30、100、300 mD巖心最大滲透率損失率分別為35%、27%、15%。降壓過程中，隨有效應(yīng)力的降低，滲透率逐步恢復(fù)，3類巖心分別恢復(fù)至初始滲透率的90%、95%、97%，即存在滲透率不可逆損失。多次升降壓過程中，巖心滲透率與有效應(yīng)力變化規(guī)律與單次升降壓過程類似，但隨升降壓次數(shù)增大，滲透率的不可逆損失逐漸增大。

圖2 巖心單次及多次升降壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.2 The experiment results of single and multiple times of pressure rise and fall

對比3種級別滲透率巖心的應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可發(fā)現(xiàn)隨著巖心初始滲透率的降低，巖心在升壓過程中的滲透率損失越大，即應(yīng)力敏感現(xiàn)象越明顯，有效應(yīng)力升高造成的滲透率不可逆損失也越大。因此，在地層滲透率相對較低目標(biāo)區(qū)，油田開發(fā)過程中的升降壓必定會造成較為嚴(yán)重的應(yīng)力敏感，從而影響生產(chǎn)井的產(chǎn)能。

2 高地飽壓差油藏應(yīng)力敏感定量表征

2.1 應(yīng)力敏感系數(shù)及評價

采用乘冪式[11-12]對巖心滲透率與有效應(yīng)力的關(guān)系進(jìn)行分析擬合，并定義新的應(yīng)力敏感系數(shù)。對巖心滲透率及其所受有效應(yīng)力進(jìn)行無因次化處理后，可得乘冪式的基本形式：

(1)

式中：σeff為巖石所受有效應(yīng)力，MPa；σeff0為巖石所受初始有效應(yīng)力，MPa；K為巖石所受有效應(yīng)力為σeff的巖石滲透率，mD；K0為原始地層壓力下的巖石滲透率，mD；α為有效應(yīng)力系數(shù)；S為應(yīng)力敏感系數(shù)。

將K=K0，σeff=σeff0代入式中，可得α=1，應(yīng)力敏感系數(shù)S的表達(dá)式：

(2)

由式(2)可知，K/K0與σeff/σeff0在雙對數(shù)坐標(biāo)系下為一條過點(diǎn)(1，1)，斜率為-S的直線，對K/K0與σeff/σeff0的關(guān)系進(jìn)行擬合，可以得到應(yīng)力敏感系數(shù)S。采用乘冪式，對于每一塊巖心，其應(yīng)力敏感系數(shù)具有唯一性，且應(yīng)力敏感系數(shù)的大小與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量以及巖心所受最大圍壓無關(guān)，更有利于探究應(yīng)力敏感系數(shù)與巖心初始滲透率之間存在的相應(yīng)關(guān)系。

由表2可知，應(yīng)力敏感系數(shù)隨巖石初始滲透率

表2 不同初始滲透率巖心的應(yīng)力敏感系數(shù)Table 2 The stress sensitivity coefficients ofcores with different initial permeability

的增大而降低，即巖石初始滲透率越低，應(yīng)力敏感系數(shù)越大，其應(yīng)力敏感性越強(qiáng)，符合油藏應(yīng)力敏感規(guī)律。圖3給出了K/K0與σeff/σeff0的雙對數(shù)圖。由前文分析可知，對于一塊確定的巖心，其數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布近似為一條過點(diǎn)(1，1)的直線，直線斜率即為-S，相關(guān)性系數(shù)均為0.95以上，大部分巖心高達(dá)0.98，擬合效果較好。

圖3 不同巖心乘冪式應(yīng)力敏感系數(shù)擬合結(jié)果Fig.3 The fitting results of power-based stress sensitivity coefficients for different cores

2.2 應(yīng)力敏感定量表征方法

將表2中6塊巖心的初始滲透率及其所對應(yīng)的應(yīng)力敏感系數(shù)代入直角坐標(biāo)系中，如圖4所示，可見儲層的應(yīng)力敏感系數(shù)與初始滲透率呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，對其進(jìn)行擬合求得：

圖4 應(yīng)力敏感系數(shù)與巖心初始滲透率關(guān)系曲線Fig.4 The curve of relationship between stress sensitivitycoefficient and initial core permeability

S=aK0+b

(3)

式中：a、b為實(shí)驗(yàn)擬合所得常數(shù)，a=-0.000 3，b=0.143 7。

在此實(shí)驗(yàn)中，巖心的初始有效應(yīng)力為2.0 MPa，即σeff0=2.0 MPa。將式(3)代入式(1)，即可獲得中高滲儲層應(yīng)力敏感表征公式：

(4)

3 高地飽壓差油藏應(yīng)力敏感及產(chǎn)能圖版

由式(4)可以得到中高滲地層應(yīng)力敏感圖版(圖5)。利用此圖版可以在確定某區(qū)塊不同地層初始滲透率的應(yīng)力敏感變化特征曲線，由圖版可得，對于高地飽壓差油藏，當(dāng)巖心初始滲透率低于100 mD時，滲透率最大損失大于30%，在后續(xù)開發(fā)過程中應(yīng)考慮應(yīng)力敏感的影響。

在現(xiàn)場中，應(yīng)力敏感表征公式往往應(yīng)用于油藏產(chǎn)能公式的計(jì)算中，通過得出考慮應(yīng)力敏感的產(chǎn)能公式，進(jìn)而明確應(yīng)力敏感對產(chǎn)能的影響，并在油藏開發(fā)方案制訂中加以考慮。將所得應(yīng)力敏感表征式代入產(chǎn)能計(jì)算公式中，可以得到考慮應(yīng)力敏感與脫氣的擬穩(wěn)態(tài)單井產(chǎn)能公式[13]，并得到不同初始地層滲透率下的產(chǎn)能變化曲線，進(jìn)而繪出高地飽壓差油藏考慮應(yīng)力敏感與脫氣的擬穩(wěn)態(tài)產(chǎn)能圖版(圖5)。根據(jù)所得的應(yīng)力敏感與產(chǎn)能圖版，可以進(jìn)一步明確地層瞬時滲透率隨地層有效應(yīng)力的變化關(guān)系以及單井產(chǎn)量受應(yīng)力敏感的影響程度，進(jìn)一步指導(dǎo)不同地層壓力水平下的合理井底流壓及配產(chǎn)大小，為高地飽壓差油藏井生產(chǎn)制度的制訂提供依據(jù)。

圖5 高地飽壓差油藏應(yīng)力敏感圖版及產(chǎn)能圖版Fig.5 The stress sensitivity map and productivity map of oil reservoir with high formation saturation pressure difference

4 結(jié) 論

(1) 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可得，有效應(yīng)力升至30.0 MPa后，滲透率損失達(dá)到最大值，隨巖心初始滲透率降低，滲透率損失率越大。卸壓后巖心滲透率存在不可逆損失，巖心初始滲透率越高，不可逆損失比例越小。

(2) 對于高地飽壓差油藏，該文通過對其實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到其應(yīng)力敏感特征較為符合乘冪式關(guān)系，并以此為基礎(chǔ)設(shè)立應(yīng)力敏感系數(shù)來表征應(yīng)力敏感強(qiáng)弱程度，應(yīng)力敏感系數(shù)越大，儲層應(yīng)力敏感性越強(qiáng)。

(3) 通過探究應(yīng)力敏感系數(shù)隨巖心初始滲透率的變化關(guān)系，得到二者存在良好的線性關(guān)系，并求得油藏的應(yīng)力敏感表征公式、高地飽壓差油藏的應(yīng)力敏感與產(chǎn)能圖版，為確定油藏的合理井底流壓及配產(chǎn)提供依據(jù)。