大牛地氣田致密砂巖應(yīng)力敏感性研究及應(yīng)用

王瑞陽

（中石化華北油氣分公司石油工程技術(shù)研究院實(shí)驗(yàn)中心， 河南 鄭州 450000）

大牛地氣田位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡北部，氣田內(nèi)上古生界為一套海相-海陸過渡相-陸相沉積，具有良好的天然氣成藏條件，發(fā)育多套致密砂巖儲層[1-2]。由于致密砂巖氣藏生產(chǎn)中，壓降快，儲層基質(zhì)膨脹大，導(dǎo)致儲層應(yīng)力敏感性強(qiáng)，對氣井產(chǎn)能影響較大[3]。目前國內(nèi)外學(xué)者針對儲層應(yīng)力敏感開展了大量實(shí)驗(yàn)工作，但研究條件和研究方法差異較大。本文通過固定圍壓，改變回壓的方式模擬了致密砂巖儲層有效應(yīng)力增大時，大牛地氣田不同特征儲層的應(yīng)力敏感性特征，并將其與氣井產(chǎn)能聯(lián)系起來，對研究致密砂巖氣藏產(chǎn)能預(yù)測和開發(fā)動態(tài)具有指導(dǎo)意義。

1 致密砂巖儲層物性特征

如表1所示，大牛地氣田下石盒子組、山西組、太原組為低孔低滲儲層，盒2+3段物性相對最好，平均孔隙度10.27%、平均滲透率1.36 mD；其次是太2段，平均孔隙度為8.58%，平均滲透率0.7 mD；而盒1、山2、山1段物性相對較差[3-4]，平均孔隙度大都小于8%。在實(shí)驗(yàn)研究中，以8%為界限，將巖心按孔隙度大小分為兩類進(jìn)行分析。

表1 大牛地氣田不同層位儲層孔滲特征

2 致密砂巖應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)

氣藏開發(fā)過程中，隨著地層流體產(chǎn)出，儲層巖石骨架承受的有效上覆壓力增大，巖石受壓變形，孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而使巖石的物性特征（孔隙度、滲透率等）發(fā)生變化，尤其是致密低滲氣藏和異常高壓氣藏，往往這種變化較大，對氣田的生產(chǎn)和產(chǎn)能預(yù)測將產(chǎn)生較大的影響[4-6]，需要通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究，分析不同有效應(yīng)力條件下的儲層巖石孔隙度和滲透率變化特征，為儲層評價和開發(fā)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)依據(jù)。

對于某一儲層，上覆巖層壓力為一固定值，只是在氣藏開發(fā)過程中孔隙流體壓力不斷減小，因此儲層巖石承受的有效上覆壓力不斷增大[7-8]。為高度契合致密砂巖氣藏氣井生產(chǎn)實(shí)際，本文采用固定圍壓，改變回壓的方式開展了大牛地氣田致密砂巖儲層敏感性研究。實(shí)驗(yàn)過程中圍壓大小不變，巖心夾持器出口施加回壓，初始回壓大小與原始地層壓力相同，通過改變回壓大小來實(shí)現(xiàn)有效應(yīng)力的變化，回壓降低導(dǎo)致的凈圍壓增加首先作用于巖心孔隙周圍的骨架顆粒上，模擬實(shí)驗(yàn)條件更接近于油氣藏生產(chǎn)實(shí)際。實(shí)驗(yàn)操作流程如下：

1）待測巖心干燥稱重，用模擬地層水抽真空飽和24 h；

2）將巖心放入夾持器中，同步升高夾持器進(jìn)口壓力和圍壓，直到待測巖心流體壓力等于氣藏原始壓力，圍壓等于上覆巖石壓力；

3）保持進(jìn)口壓力不變，逐漸降低出口回壓，模擬氣藏開采過程中地層壓力變化過程；

4）待實(shí)驗(yàn)流量穩(wěn)定后，計(jì)量流量、壓力、時間、溫度，計(jì)算該條件下的氣測孔隙度與滲透率；

5）再升高回壓，重復(fù)步驟(4)。

巖石力學(xué)、測井等研究資料表明，大牛地氣田上覆巖層壓力梯度約為0.025 MPa·m-1，若儲層深度為2 800 m，則原始地層條件下儲層巖石所承受的上覆巖層壓力為70 MPa。根據(jù)試井外推法和生產(chǎn)歷史擬合法計(jì)算得到大牛地氣田原始地層流體壓力平均為25 MPa，見表2。假設(shè)氣田開發(fā)過程中地層流體壓力由原始的25 MPa衰竭至后期的2 MPa，則有效應(yīng)力的變化區(qū)間為45～68 MPa。

表2 大牛地氣田原始地層流體壓力

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

以實(shí)驗(yàn)室常規(guī)條件下測定的氣測孔隙度φ0和氣測滲透率K0作為初始值，以不同有效應(yīng)力下的孔隙度、滲透率（φ，K）除以初始孔隙度、滲透率（φ0，K0）得到比孔隙度和無因次滲透率（φD，KD）來討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3.1 孔隙度與有效應(yīng)力的關(guān)系

將實(shí)驗(yàn)室常規(guī)條件下初始孔隙度按照φ0≥8%和φ0＜8%劃分為兩類，其原始地層條件下（有效應(yīng)力45MPa）的比孔隙度分別為0.905和0.828，即原始地層條件下的孔隙度為實(shí)驗(yàn)室常規(guī)測試孔隙度的90.5%和82.8%。

以原始地層條件下的孔隙度φ02為基準(zhǔn)，計(jì)算氣田開發(fā)過程中的比孔隙度φD2變化。如圖1所示，當(dāng)?shù)貙恿黧w壓力由25 MPa衰竭至2 MPa（有效應(yīng)力由45 MPa增大至68 MPa）時，兩類儲層的比孔隙度φD2分別由1.0變?yōu)?.986和0.973，即孔隙度的相對值分別降低了0.014%和0.027%，可見大牛地致密砂巖氣藏開發(fā)過程中的孔隙度隨地應(yīng)力增大的變化是很小的，可以忽略不計(jì)。

圖1 孔隙度隨有效應(yīng)力的變化規(guī)律

3.2 滲透率與有效應(yīng)力的關(guān)系

以儲層物性分析的4個滲透率區(qū)間為依據(jù)，選取不同滲透率巖樣進(jìn)行覆壓實(shí)驗(yàn)，測得不同有效應(yīng)力下的滲透率。以初始有效應(yīng)力3.45 MPa的滲透率為基準(zhǔn)，計(jì)算不同有效應(yīng)力下的無因次滲透率，其結(jié)果見圖2，滲透率隨有效應(yīng)力的變化較為復(fù)雜，相同有效應(yīng)力條件下，初始滲透率高的下降速率慢，總的下降幅度低；初始滲透率低的隨有效應(yīng)力增大而迅速下降，壓力增大到一定程度后滲透率下降速率減緩，但總的下降幅度很大。實(shí)驗(yàn)室常規(guī)條件下初始滲透率越小，隨有效應(yīng)力增大，滲透率下降越快。以大牛地氣田主要致密砂巖類型（滲透率在0.1～0.5 mD）為例，在原始地層壓力下，無因次滲透率為0.083，滲透率降低了1個數(shù)量級。

圖2 不同有效應(yīng)力下的無因次滲透率

由圖2可知，當(dāng)有效應(yīng)力增大到20 MPa時，低滲巖樣的無因次滲透率大多降至0.3以下；到60 MPa時，全部降至0.2以下，即該壓力下的滲透率只有初始值的20%不到。

按滲透率區(qū)間計(jì)算平均無因次滲透率，得到平均無因次滲透率隨有效應(yīng)力的變化曲線，見圖3。K0＞1 mD的曲線下降速率慢，總下降幅度低，可擬合為一條冪函數(shù)；K0＝0.5～1 mD的曲線在低壓段下降速率較快，總的下降幅度較大，可擬合為一條冪函數(shù)；K0＝0.1～0.5 mD和K0＜0.1 mD的兩條曲線，在低有效應(yīng)力段滲透率下降非常迅速，無因次滲透率與有效應(yīng)力呈半對數(shù)關(guān)系，有效應(yīng)力大于20 MPa以后，無因次滲透率下降速率減緩，可用冪函數(shù)進(jìn)行擬合，因此這兩條曲線在高、低壓段需要分別用兩個函數(shù)擬合，最終得到六個函數(shù)方程，見表3。

圖3 不同滲透率區(qū)間的平均無因次滲透率

表3 無因次滲透率與有效應(yīng)力的關(guān)系方程

4 致密砂巖應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用

由于大牛地氣田致密砂巖儲層原始地層條件下的有效應(yīng)力（45 MPa）大于20 MPa，隨著氣田開發(fā)，地層流體產(chǎn)出，儲層有效應(yīng)力將越來越大，因此四類滲透率區(qū)間的砂巖儲層應(yīng)力敏感性均可用冪函數(shù)表示。巖樣物性不同，應(yīng)力敏感性表現(xiàn)不同，冪函數(shù)指數(shù)值的絕對值也不相同，取值范圍在0.093 5～1.624之間，平均0.468。儲層在原始地層條件下滲透率越低，敏感性越強(qiáng)，冪指數(shù)值絕對值越大。

四類儲層冪函數(shù)方程可簡化為：

式中：K— 有效應(yīng)力下的滲透率，mD；

K0—原始地層條件下的滲透率，mD；

P1—實(shí)驗(yàn)過程中巖心夾持器入口端壓力，MPa；

P2—巖心夾持器出口端回壓，MPa；

m—冪函數(shù)指數(shù)，可定義為應(yīng)力敏感系數(shù)，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得。

在本次實(shí)驗(yàn)中，巖心夾持器入口端壓力為氣藏原始地層壓力Pi，通過調(diào)節(jié)巖心夾持器出口端回壓P2模擬地層流體壓力，則式（1）可寫為：

式中：Pi—原始地層壓力，MPa；

P —地層流體壓力，MPa。

4.1 氣井產(chǎn)能中的應(yīng)用

將實(shí)驗(yàn)室常規(guī)條件下初始孔隙度按照φ0≥8%和φ0＜8%劃分為兩類，其原始地層條件下（有效應(yīng)力45 MPa）的比孔隙度分別為0.905和0.828，即原始地層條件下的孔隙度為實(shí)驗(yàn)室常規(guī)測試孔隙度的90.5%和82.8%。

大牛地主要類型致密砂巖儲層應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)中，孔隙度變化很小，可忽略不計(jì)，滲透率降低較快，降幅較大，對氣井產(chǎn)能影響大。以達(dá)西公式為基礎(chǔ)，推導(dǎo)出考慮滲透率變化的產(chǎn)能公式。取平均壓力，求出氣體平均黏度和偏差因子。

式中：h— 儲層有效厚度，m；

qsc—標(biāo)況下產(chǎn)氣量，m3·d-1；

K—儲層巖石滲透率，mD；

μ—?dú)怏w黏度，mPa·s；

Z—?dú)怏w壓縮因子；

T—?dú)獠販囟?，K；

rW—井底半徑，m；

r—距離井軸心半徑，m；

p— r處的壓力，MPa。

把（2）式引入（3）式，取r=re,p=pi，積分得到氣井標(biāo)況下產(chǎn)量為：

4.2 實(shí)例分析

以大牛地致密砂巖氣藏大13井為例，原始地層流體壓力24.92 MPa，氣藏中部溫度358 K，平均氣體黏度0.015 6 mPa·s，偏差因子0.918，平均有效滲透率0.41 mD，儲層有效厚度7.5 m。不考慮應(yīng)力敏感時，滲透率K不變，冪函數(shù)指數(shù)m=0；考慮應(yīng)力敏感時，滲透率K隨有效應(yīng)力增大迅速降低，取冪函數(shù)指數(shù)平均值m=0.468，帶入式（4），得到兩條生產(chǎn)曲線，見圖4。

圖4 應(yīng)力敏感下大13井產(chǎn)能曲線

由計(jì)算結(jié)果可知，考慮應(yīng)力敏感時氣井產(chǎn)能降低，無阻流量約為無應(yīng)力敏感時的76.3%。且隨m值增大，氣井產(chǎn)能影響加劇，即初始滲透率越低，應(yīng)力敏感性越強(qiáng)，氣井產(chǎn)能下降越大，見圖5

圖5 不同應(yīng)力敏感下產(chǎn)能變化

5 結(jié)論與認(rèn)識

1）大牛地致密砂巖儲層存在應(yīng)力敏感。隨有效應(yīng)力增加，儲層孔隙度變化較小，主要類型儲層孔隙度降低1%～1.5%，可忽略不計(jì)。

2）大牛地致密砂巖儲層滲透率的應(yīng)力敏感性強(qiáng)，主要類型儲層原始地層條件下的滲透率比實(shí)驗(yàn)室常規(guī)測定值低1個數(shù)量級，其滲透率隨有效應(yīng)力變化符合冪指數(shù)關(guān)系。

3）以大13井為例，考慮應(yīng)力敏感時，氣井無阻流量為不考慮應(yīng)力敏感時的76.3%，且儲層初始滲透率越低，敏感性越強(qiáng)，產(chǎn)能下降越快，因此在產(chǎn)能預(yù)測時應(yīng)考慮應(yīng)力敏感影響。