基于應(yīng)力敏感的中深層油藏產(chǎn)能研究

陽曉燕 王 龍 宮平志 楊貫虹 崔龍濤

中海石油(中國)有限公司天津分公司, 天津 300459

0 前言

KLA油田是渤海典型的中深層整裝油藏,主要目的層為沙河街組,沙河街組為薄互層沉積儲層[1],縱向上儲層單層厚度薄,儲層物性差,平面上非均質(zhì)性強,連通關(guān)系復(fù)雜。在開發(fā)過程中,由于注水效果差,地層壓力逐漸下降,有效應(yīng)力增加,儲層產(chǎn)生應(yīng)力敏感[2-5]。祝明謙、張楠等人研究表明油井產(chǎn)能受儲層應(yīng)力敏感性的影響[6-10],研究成果主要針對單相時的產(chǎn)能進行分析,未針對油水兩相的產(chǎn)能影響進行系統(tǒng)研究;王坤、湯勇等人研究了應(yīng)力敏感對低滲儲層滲流規(guī)律的影響,但未進一步研究滲流規(guī)律對開發(fā)生產(chǎn)的影響[11-15]。為進一步了解應(yīng)力敏感在油田開發(fā)過程對單相以及多相產(chǎn)能的影響,以及滲流規(guī)律的變化,以便進一步改善油田開發(fā)效果,提出應(yīng)力敏感室內(nèi)實驗。根據(jù)實驗結(jié)果定量表征應(yīng)力敏感對滲透率的影響,進一步建立應(yīng)力敏感影響下的產(chǎn)能方程,筆者在基于滲透率降低對低滲透油井產(chǎn)能方程影響的基礎(chǔ)上,首次考慮了應(yīng)力敏感對油水相滲的影響,并建立油水兩相產(chǎn)能方程,進一步明確油井生命周期內(nèi)的產(chǎn)能變化情況,新方程更能反映中深層油藏的實際生產(chǎn)情況,對合理開發(fā)中深層油藏具有一定的指導(dǎo)意義,并指導(dǎo)油田合理壓力保持水平及壓力恢復(fù)方案制定。

1 實驗裝置及材料

實驗裝置由恒溫箱、ISCO高精度驅(qū)替泵、圍壓泵、回壓泵、壓力傳感器、巖心夾持器、水釜、油釜、計量裝置組成,見圖1。其中實驗巖心取自KLA油田的天然巖心(選取油田具有代表性的9組巖心,滲透率范圍25.5×10-3～333.9×10-3μm2),實驗用油選取KLA油田的地面脫氣原油,地層原油黏度為2.72 mPa·s,實驗用水根據(jù)油田地層水礦化度進行配制,地層水礦化度為8 300 mg/L,地層水黏度為0.4 mPa·s。

圖1 實驗裝置圖Fig.1 Diagram of experimental setup

2 方案設(shè)計

應(yīng)力敏感的基本原理是模擬油氣藏有效覆壓[16-18],對巖心進行加壓,加載到一定值后逐漸降壓恢復(fù)到初始覆壓,研究滲透率隨覆壓變化的非穩(wěn)態(tài)過程。本次實驗主要分為兩類：應(yīng)力敏感實驗及油水相滲實驗。其中應(yīng)力敏感實驗設(shè)計9組,巖心數(shù)據(jù)見表1；油水相滲實驗選取滲透率為108.5×10-3μm2的巖心做4組不同有效覆壓條件下的相滲曲線,有效覆壓分別選取2 MPa、5 MPa、10 MPa、15 MPa。

表1 應(yīng)力敏感巖心基本參數(shù)表

3 實驗結(jié)果及數(shù)據(jù)處理

3.1 應(yīng)力敏感實驗結(jié)果分析

對9組天然巖心應(yīng)力敏感實驗所得數(shù)據(jù)進行處理,實驗結(jié)果表明隨有效覆壓升高,滲透率不斷降低,巖心滲透率越低,隨有效覆壓增加所導(dǎo)致的滲透率降幅越大;隨有效覆壓降低,滲透率逐步回升,最大回升幅度至0.93,滲透率出現(xiàn)不可逆的損失,見圖2。

圖2 典型巖心滲透率隨有效覆壓的變化圖Fig.2 Typical core permeability changes with effectiveover pressure

實驗結(jié)果表明不同滲透率級別的巖心都存在應(yīng)力敏感,滲透率的差異決定應(yīng)力敏感程度,整體來看不同有效覆壓下的滲透率與有效覆壓成乘冪式關(guān)系:

(1)

式中:K0為初始滲透率,10-3μm2;Ki為有效覆壓下的滲透率,10-3μm2;σ為有效覆壓,MPa;s為應(yīng)力敏感系數(shù)；a為回歸系數(shù)。

通過各塊巖心乘冪式擬合,可以得出不同儲層物性條件下的應(yīng)力敏感系數(shù)s,再將應(yīng)力敏感系數(shù)s與巖心初始滲透率K0建立定量關(guān)系,見圖3。得出KLA油田儲層應(yīng)力敏感系數(shù)與初始滲透率呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系,且成負(fù)相關(guān)。不同物性條件下,所產(chǎn)生的儲層應(yīng)力敏感存在差異,儲層滲透率越小,應(yīng)力敏感系數(shù)越大,物性越差,儲層應(yīng)力敏感性越強,為了定量表征該油田不同儲層物性的應(yīng)力敏感情況,進而建立該油田儲層應(yīng)力敏感定量表征式:

圖3 不同滲透率下的應(yīng)力敏感系數(shù)分布圖Fig.3 Distribution of stress sensitivity coefficientsunder different permeabilities

(2)

式中:σ0為初始有效覆壓,MPa。

3.2 應(yīng)力敏感對油水相滲曲線的影響分析

利用JBN方法對相滲數(shù)據(jù)進行處理,實驗結(jié)果見圖4。圖4表明應(yīng)力敏感對油水相對滲透率曲線影響較大:1)隨著有效覆壓的增加,束縛水飽和度變大,主要是因為應(yīng)力敏感導(dǎo)致巖心滲透率降低,巖石具有親水的特性,飽和油的過程中,油驅(qū)水困難,導(dǎo)致束縛水飽和度增加；2)隨著有效覆壓的增加,等滲點降低,且整體左移,油水兩相共滲區(qū)變窄,主要是因為應(yīng)力敏感導(dǎo)致喉道變窄,有效滲流能力降低,進一步導(dǎo)致驅(qū)油效率降低；3)隨著有效覆壓的增加,油相滲透率急劇下降,滲流能力減弱,產(chǎn)能降低；4)隨著有效覆壓的增加,水相滲透率、殘余油飽和度均增加,但增幅較小。

圖4 應(yīng)力敏感對油水相滲曲線影響曲線圖Fig.4 Curves of influence of stress sensitivity onoil-water permeability curve

4 建立考慮應(yīng)力敏感的產(chǎn)能方程

油井平面徑向穩(wěn)定滲流方程:

(3)

式中:Q為產(chǎn)量,m3/d,pe為地層壓力,MPa;pw為井底流壓,MPa;h為油層厚度,m;μo為原油黏度,mPa·s;B為原油體積系數(shù);re為供給半徑,m;rw為井半徑,m。

考慮油井生產(chǎn)過程中,地層壓力下降導(dǎo)致儲層應(yīng)力敏感,儲層滲透率隨著地層壓力的降低而降低,將式(2)代入(3)得:

(4)

隨著生產(chǎn)的進行,含水率逐漸增加,產(chǎn)能公式表示為:

Qo=Q·(1-fw)

(5)

式中:fw為含水率;Qo為含水率fw下的產(chǎn)量,m3/d。

在油田動態(tài)分析中,含水率是一個重要的指標(biāo),即Leverett函數(shù)表達(dá)式[19-20]為：

(6)

式中:Kro為油相相對滲透率；Krw為水相相對滲透率;μw為地層水黏度,mPa·s。

考慮受儲層應(yīng)力敏感影響:

(7)

為了便于應(yīng)用,一般是將油水相對滲透率的比值表示為含水飽和度的函數(shù):

(8)

式中:Sw為含水飽和度;a,b為線性回歸參數(shù)。

進一步建立見水后的產(chǎn)能方程:

(9)

根據(jù)理論推導(dǎo)結(jié)合實驗研究結(jié)果,將油田的基本參數(shù)帶入式(4)、式(9)進一步建立油田不同滲透率下的產(chǎn)能隨壓降變化圖版,見圖5～6。

圖5 應(yīng)力敏感對產(chǎn)能降幅影響圖(單相生產(chǎn))Fig.5 Impact of stress sensitivity on productivityreduction(single-phase production)

圖6 同一滲透率下應(yīng)力敏感對產(chǎn)量影響圖(油水兩相生產(chǎn))Fig.6 Impact of stress sensitivity on production underthe same permeability(oil-water two-phase production)

由圖5～6可以看出，應(yīng)力敏感對產(chǎn)能有較大影響,滲透率小于300×10-3μm2時,應(yīng)力敏感對產(chǎn)能產(chǎn)生影響,且滲透率越低,應(yīng)力敏感對產(chǎn)能降幅影響越嚴(yán)重。在油田開發(fā)中,隨著地層壓力降低,能量不足,產(chǎn)能快速遞減,對物性較差的儲層,當(dāng)?shù)貙訅毫捣^10 MPa時,遞減率出現(xiàn)極值點。從油水兩相生產(chǎn)時產(chǎn)能隨壓降變化圖版看出,應(yīng)力敏感致使油井穩(wěn)產(chǎn)期大幅縮短,嚴(yán)重影響油井產(chǎn)能。

5 現(xiàn)場應(yīng)用

KLA油田平面井區(qū)多,有多個獨立的壓力系統(tǒng),主力井區(qū)以四點法井網(wǎng)為主,由于注水井投注滯后,地層壓力下降明顯,隨著地層壓力的降低,導(dǎo)致儲層中部分孔隙和喉道閉合,孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,產(chǎn)生應(yīng)力敏感,滲透率降低,進而導(dǎo)致油井產(chǎn)能遞減大。為了及時降低應(yīng)力敏感對油田開發(fā)造成的負(fù)面影響,提出三類治理策略。

首先對物性較差、應(yīng)力敏感較強的井，通過酸化壓裂措施及時改造近井地帶儲層,改善儲層滲透率。以A10井為例,該井平均滲透率為80×10-3μm2,初期產(chǎn)能穩(wěn)定,由于注水井投注滯后,地層壓力下降明顯,油井產(chǎn)能遞減大。后續(xù)注水井投注后,提出對該井進行酸化壓裂,改善井周滲透性,措施后油井產(chǎn)能由17 m3/d提高至 40 m3/d,產(chǎn)能增幅達(dá)135%,單井實現(xiàn)年增油6 000 m3，A10井開采曲線見圖7。

圖7 A10井開采曲線圖Fig.7 Mining curves of Well A10

其次對儲層物性滲透率在100×10-3μm2左右的油井,及時優(yōu)化井組注采比,逐步恢復(fù)地層壓力,能量充足后,通過優(yōu)化工作制度恢復(fù)油井產(chǎn)能。2019年通過一井一策治理,總計調(diào)整產(chǎn)液結(jié)構(gòu)井次達(dá)17次,年增油5.8×104m3,見表2。

表2 產(chǎn)液結(jié)構(gòu)調(diào)整明細(xì)表

另外針對還未投入開發(fā)的低滲斷塊,采取“超前注水”策略,使區(qū)塊保持較高的壓力水平,進而保證后續(xù)投產(chǎn)后油井產(chǎn)能的平穩(wěn)。通過近三年的治理,油井酸化措施15井次,優(yōu)化注采比30輪次,地層壓力恢復(fù)3 MPa,累增油近15×104m3,較好地改善了油田開發(fā)水平。

6 結(jié)論

1)通過應(yīng)力敏感實驗,首次明確了KLA油田的儲層應(yīng)力敏感情況,并建立了應(yīng)力敏感系數(shù)與儲層物性的表征模型,明確了油田不同儲層物性條件下的應(yīng)力敏感影響。

2)在油田開發(fā)過程中,儲層應(yīng)力敏感對滲流規(guī)律影響較大,進一步導(dǎo)致油井產(chǎn)能降低,首次建立了考慮應(yīng)力敏感對相滲曲線影響的產(chǎn)能方程,并繪制產(chǎn)能隨壓降變化圖版。

3)研究成果有效指導(dǎo)KLA油田低產(chǎn)油井酸化壓裂,井組注采比優(yōu)化,同時對未開發(fā)的低滲區(qū)塊采取“超前注水”策略,大幅改善油田水驅(qū)開發(fā)效果,對類似油田開發(fā)策略的制定有重要借鑒意義。