應(yīng)力敏感對高石梯-磨溪區(qū)塊燈四段氣藏開發(fā)的影響

張希勝 ，楊勝來 ，張政 ，李帥 ，王萌 ，袁鐘濤 ，鄧惠

（1.中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京 102249；2.中國石油西南油氣田公司勘探開發(fā)研究院，四川 成都 610051）

0 引言

隨著氣藏的不斷開發(fā)，地層中的流體逐漸減少。根據(jù)物質(zhì)平衡原理，整個氣藏的壓力必然會下降，從而導(dǎo)致凈應(yīng)力增大，巖石骨架發(fā)生變形，孔隙度和滲透率改變，產(chǎn)生應(yīng)力敏感現(xiàn)象［1-4］。四川盆地高石梯-磨溪區(qū)塊燈影組四段氣藏屬縫洞型碳酸鹽巖氣藏，氣藏壓力較高，縫洞發(fā)育明顯且非均質(zhì)性較強［5-6］。裂縫和細小喉道作為氣藏主要的滲流通道，巖石骨架變形必然會影響儲層的滲流能力。因此，要及時對該區(qū)塊進行應(yīng)力敏感實驗，客觀了解其孔滲情況以及滲流能力的變化［7］。

考慮到應(yīng)力敏感對儲層物性和開發(fā)生產(chǎn)的影響，只有基于地層條件開展實驗，才能準確反映地下流體滲流的真實情況。鄢友軍等［5］以四川盆地川中地區(qū)LY氣藏儲層為例，進行了高溫高壓條件和常溫低壓條件下的應(yīng)力敏感實驗，結(jié)果表明：地層高溫高壓條件下得到的應(yīng)力敏感系數(shù)與常溫低壓條件下的實驗結(jié)果差異明顯，如果按常規(guī)應(yīng)力敏感實驗的結(jié)果指導(dǎo)生產(chǎn)，誤差較大。陳禮等［8］對GM地區(qū)震旦系燈影組四段氣藏儲層開展高溫高壓條件下的應(yīng)力敏感性分析，結(jié)果表明，該氣藏儲層滲透率敏感性中等偏弱，開發(fā)過程中要采取合理的生產(chǎn)壓差。

有關(guān)碳酸鹽巖的應(yīng)力敏感問題主要通過實驗或者理論方法來進行研究，研究的內(nèi)容也主要是內(nèi)壓與滲透率的關(guān)系，較少針對碳酸鹽巖滲透率應(yīng)力敏感與碳酸鹽巖氣藏產(chǎn)能之間的關(guān)系展開研究。本次研究針對高石梯-磨溪區(qū)塊燈四段氣藏，使用TC-180型超高壓多功能驅(qū)替系統(tǒng)測定滲透率隨應(yīng)力的變化情況，獲得滲透率的變化規(guī)律?；阼T體薄片、高壓壓汞等資料，分析了巖心礦物組分、微觀孔喉尺寸對碳酸鹽巖應(yīng)力敏感的影響?；趯嶒灲Y(jié)果，結(jié)合平面徑向流滲流理論，建立考慮應(yīng)力敏感的壓力公式，定量分析了應(yīng)力敏感對氣井生產(chǎn)的影響，并提出合理的生產(chǎn)措施。

傳統(tǒng)的數(shù)值模擬手段研究應(yīng)力敏感無法考慮油氣藏開采過程中地質(zhì)力學(xué)變化對孔隙度、滲透率的影響，通過數(shù)值模擬軟件建立水平井尺度單井?dāng)?shù)值模型，用滲透率時變的方法研究應(yīng)力敏感對氣藏開發(fā)的影響，對研究區(qū)塊進行生產(chǎn)動態(tài)預(yù)測，能更加準確地反映應(yīng)力敏感的影響，對高石梯-磨溪區(qū)塊燈四氣藏的高效合理開發(fā)至關(guān)重要。

1 室內(nèi)應(yīng)力敏感性實驗

1.1 實驗裝置

開展室內(nèi)應(yīng)力敏感性實驗是為了得到孔隙壓力與滲透率之間的變化規(guī)律，后續(xù)數(shù)值模擬才有相應(yīng)的數(shù)據(jù)支撐。巖心照片如圖1所示。該實驗使用了中國石油大學(xué)（北京）與江蘇海安石油科研儀器廠聯(lián)合研制的TC-180型氣藏超高壓多功能驅(qū)替系統(tǒng)。該裝置采用高精度自動計量器具和耐溫耐壓配件，突破了高溫高壓氣藏條件下滲流實驗的難點，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的自動記錄。該裝置最高工作溫度為150℃，最高工作圍壓為180 MPa，最高工作流壓為150 MPa。實驗裝置如圖2所示（裝置之間的實線表示流體流動路線，虛線表示數(shù)據(jù)傳輸路線）。

1.2 實驗方法

實驗參照SY/T 5358—2010《儲層敏感性流動實驗評價方法》和SY/T 6385—2016《覆壓下巖石孔隙度和滲透率測定方法》進行［9-10］。變內(nèi)壓的實驗方式模擬的條件更加貼近氣藏真實開發(fā)過程，因為在氣藏開發(fā)過程中，雖然流體不斷減少，孔隙壓力在降低，但上覆巖層壓力會保持不變。為了更加準確模擬地層高溫高壓條件下的應(yīng)力敏感規(guī)律，本次實驗采用固定圍壓變內(nèi)壓的方式測定高石梯-磨溪區(qū)塊燈四段氣藏巖心的滲透率應(yīng)力敏感性。

實驗所用氣源為純度達99.9%的高純氮氣，儀器設(shè)置溫度為120℃，實驗壓力為圍壓135 MPa，回壓（即入口端壓力）56 MPa。實驗步驟為：1）將取心巖樣進行清洗并烘干，測量巖心尺寸，緩慢放入巖心夾持器中；2）啟動氣體增壓系統(tǒng)，將高純氮氣充入中間容器，壓力達到50 MPa左右停止增壓；3）開啟圍壓泵，并以10 MPa的間隔，階梯式增壓至大于50 MPa，緩慢打開中間容器與夾持器之間的閥門，然后開啟流壓泵，接著再加壓至地層壓力；4）開啟回壓泵，保持夾持器出口端壓力比回壓稍低，避免造成氣體浪費；5）打開加熱裝置，持續(xù)加熱至少8 h，待溫度穩(wěn)定；6）每次以5 MPa的間隔逐級降低內(nèi)壓，增大凈上覆有效壓力，在每個凈上覆壓力點測量氣體滲透率；7）每次以5 MPa的間隔逐級增加回壓，降低凈上覆有效壓力，在每個凈上覆壓力點測量氣體滲透率。

1.3 實驗結(jié)果

K0為原始地層滲透率，在圍壓135 MPa、流壓56 MPa、120℃條件下測得；Kh為不同孔隙壓力（對應(yīng)不同有效應(yīng)力）條件下測得的滲透率。將巖心依次編號為DS1，DS2，DS3，再進行應(yīng)力敏感性實驗，其孔滲參數(shù)如表1所示。根據(jù)高溫高壓條件下測得的數(shù)據(jù)，繪制無因次滲透率（Kh/K0）與有效應(yīng)力的關(guān)系曲線（見圖3），該曲線進行歸一化處理后如圖4所示。

表1 巖心參數(shù)

從圖4可以看出：1）在室內(nèi)模擬氣藏開發(fā)過程中，孔隙壓力的降低（即降壓過程），對應(yīng)有效應(yīng)力的增大，巖心滲透率隨著有效應(yīng)力的增大而降低，并且前期下降幅度比后期快。2）當(dāng)孔隙壓力下降到23 MPa時，滲透率達到最小值。這主要是因為巖心的滲透率應(yīng)力敏感性與孔隙半徑有關(guān)。在有效應(yīng)力增大（降壓過程）的前期，巖石骨架被擠壓變形，導(dǎo)致附著在表面的顆粒脫落，從而堵塞通道，同時一些小孔隙直接閉合，滲透率下降較快；隨著有效應(yīng)力的進一步增大，地層中剩下的是難以壓縮變形的喉道和孔隙，滲透率很難繼續(xù)大幅度下降［11-13］。3）在注氣恢復(fù)過程中，隨著孔隙壓力的升高（即升壓過程），對應(yīng)有效應(yīng)力的增大，巖心滲透率整體呈上升趨勢，上升速度緩慢?？紫秹毫謴?fù)至56 MPa的過程中，初期有少許下降，后緩慢上升，但是巖心滲透率并不能恢復(fù)到原來水平。經(jīng)過升壓階段后，巖心滲透率能大致恢復(fù)到初始的68.65%，儲層應(yīng)力敏感損害不可逆［14］，應(yīng)力敏感性總體表現(xiàn)為中等偏弱，并且?guī)r心滲透率保持率與有效應(yīng)力呈冪函數(shù)關(guān)系，擬合程度較高。

2 應(yīng)力敏感性影響因素

從機理上分析，巖心的有效應(yīng)力、礦物組分、微觀孔喉尺寸是影響巖心應(yīng)力敏感性的最重要因素［15-16］。有效應(yīng)力影響結(jié)果已從圖4可見。另外，在礦場開發(fā)過程中，應(yīng)力敏感性還會受到實驗溫度、巖心滲透率的影響。本文主要分析礦物組分、微觀孔喉尺寸、巖心滲透率對應(yīng)力敏感性的影響。

2.1 礦物組分

通過鑄體薄片實驗分析3塊巖心礦物組分（見表2）可知，巖心主要由黃鐵礦、石英、白云石、方解石、黏土礦物組成。DS2黃鐵礦、石英體積分數(shù)相對最高，石英體積分數(shù)高達26%，黏土礦物最少。DS2鑄體薄片結(jié)果如圖5所示，該巖心為粉晶結(jié)構(gòu)，泥晶粒徑小于0.01 mm，粉晶粒徑0.01～0.03 mm，巖心不均一硅化及被少量黃鐵礦交代，不均勻分布著石英晶間孔和白云石晶間孔，被瀝青充填。黃鐵礦和石英顆粒力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，抗壓強度較大［17-18］，受到外界作用時，巖心骨架不易發(fā)生變形；而黏土礦物力學(xué)穩(wěn)定性差，受到外界作用時，抵抗變形能力弱［19］。

表2 礦物組分體積分數(shù) %

將3種巖心的主要礦物組成繪制成蛛網(wǎng)圖（見圖6）。由圖6可知：3塊巖心白云石體積分數(shù)均超過60%；DS3黏土礦物體積分數(shù)最高；DS2石英體積分數(shù)最高，超過25%，泥質(zhì)礦物體積分數(shù)最少；DS1石英和泥質(zhì)礦物體積分數(shù)和DS2相近。DS1和DS2應(yīng)力敏感程度相近，這說明石英、白云石、泥質(zhì)礦物是影響巖心應(yīng)力敏感損害程度的3種重要礦物組分。一般而言，泥質(zhì)礦物體積分數(shù)高的巖石更容易產(chǎn)生形變；同時，孔隙度也會隨著有效應(yīng)力的增加而減小。所以，石英越少，泥質(zhì)礦物越多，則碳酸鹽巖的應(yīng)力敏感性就越強［20］。實驗結(jié)果表明，泥質(zhì)礦物體積分數(shù)最高的DS3應(yīng)力敏感性最強。

2.2 微觀孔喉尺寸

在研究碳酸鹽巖儲層納米級微觀孔隙結(jié)構(gòu)時，高壓壓汞是一種有效的研究手段。通過壓汞實驗測定毛細管壓力曲線，可以獲取巖心孔喉分布等參數(shù)及每個孔喉半徑對滲透率的貢獻。本文對應(yīng)力敏感程度最弱的巖心DS2和應(yīng)力敏感程度最強的DS3進行了高壓壓汞實驗，并對孔喉分布曲線（見圖7）及滲透率貢獻率曲線（見圖8）進行分析，來研究碳酸鹽巖儲層納米級孔隙結(jié)構(gòu)對應(yīng)力敏感性的影響。

由圖7可知，DS3中半徑4～40 nm的孔隙分布最多，而DS2中半徑40～160 nm的孔隙分布最多。圖8表明：DS3中對滲透率貢獻最大的為半徑16～40 nm的孔隙；DS2中半徑100～250 nm的孔隙對滲透率的貢獻最大。結(jié)合圖7、圖8分析碳酸鹽巖心應(yīng)力敏感產(chǎn)生的原因為：1）隨著有效應(yīng)力的增加，微細喉道對應(yīng)力表現(xiàn)得更加敏感；2）DS3中對滲透率起主要貢獻作用的孔隙是中孔，其分布頻率也最高，所以當(dāng)有效應(yīng)力增加時，這部分孔隙閉合，巖石骨架發(fā)生變形，滲流通道堵塞，滲透率大幅下降；3）DS2中對滲透率起主要貢獻作用的孔隙是大孔，且分布頻率較高，隨著有效應(yīng)力的增加，中小孔發(fā)生閉合，對滲透率影響不大［21］。因此，DS3的應(yīng)力敏感性強于DS2。

2.3 巖心滲透率

根據(jù)表1、圖3可知，DS3滲透率最低，巖心類型屬于孔隙型，在相同的應(yīng)力變化下，DS3滲透率下降最快，說明其應(yīng)力敏感性最強。由前人研究成果可知：中高滲儲層呈緩慢下降型應(yīng)力敏感損害模式，損害程度較弱；低滲、超低滲儲層呈先快后慢型應(yīng)力敏感損害模式，損害程度較強［22］。

3 應(yīng)力敏感對氣藏開發(fā)的影響

3.1 氣井產(chǎn)量

在碳酸鹽巖氣藏開發(fā)過程中，隨著開發(fā)的進行，地層壓力下降，應(yīng)力敏感隨之產(chǎn)生。為了提高氣藏產(chǎn)量，需要保持合理的井底流壓，盡量減輕儲層應(yīng)力敏感的影響。根據(jù)平面徑向流滲流理論，結(jié)合滲透率與有效應(yīng)力的關(guān)系規(guī)律，可以推導(dǎo)得到考慮應(yīng)力敏感的氣井產(chǎn)量與壓力的關(guān)系式，定量研究應(yīng)力敏感對氣井生產(chǎn)的影響。

假設(shè)系統(tǒng)中包含M個相同的運行單元(設(shè)備、模塊、組件等)，每個運行單元包含主部件和輔助部件兩種部件。主部件(Main Component, MC)具有較高的維修優(yōu)先級，其在系統(tǒng)運行中處于主導(dǎo)地位，其失效會導(dǎo)致整個運行單元停機；輔助部件(Assistant Component, AC)維修優(yōu)先級較低，其失效時可選擇立即維修或延遲維修。每個運行單元由p個MC和n個AC組成。同種部件有相同的壽命分布，但彼此獨立。假設(shè)已知部件的壽命分布和概率密度函數(shù)，記FM(t)和FA(t)分別為MC和AC的壽命分布，PM(t)和PA(t)分別為MC和AC的概率密度函數(shù)。

由達西定律可得：

產(chǎn)量公式：

壓力公式：

式中：v 為流速，m/s；K 為滲透率，10-3μm2；μ 為黏度，mPa·s；p 為壓力，MPa；r為井徑，m；pG為圍壓，MPa；pr為實驗內(nèi)壓，MPa；Q為氣井產(chǎn)量，m3/d；h為儲層有效厚度，m；pi為原始地層壓力，MPa；re為控制半徑，m；A，B為應(yīng)力敏感系數(shù)（實驗擬合系數(shù)）。

取該區(qū)塊實際地層相關(guān)參數(shù)進行計算，滲透率為0.046×10-3μm2，氣藏儲層有效厚度為 10 m，控制半徑為 250 m，井徑為 0.1 m，產(chǎn)量為 5×104m3/d，利用考慮應(yīng)力敏感的氣井產(chǎn)量與壓力的關(guān)系式對氣井生產(chǎn)的影響進行分析。

圖9對比了考慮應(yīng)力敏感和不考慮應(yīng)力敏感的壓降漏斗。距離井筒300 m范圍內(nèi)，兩者壓力差異較大，不考慮應(yīng)力敏感的井底壓力比考慮了應(yīng)力敏感的井底壓力高1.6 MPa，而遠離井筒的地方兩者差異不大。因此，在井筒附近壓降幅度大，說明應(yīng)力敏感的影響更加明顯。圖10反映了應(yīng)力敏感對生產(chǎn)壓差的影響。氣井生產(chǎn)壓差隨著氣井產(chǎn)量的增加而增加，但是考慮應(yīng)力敏感時的生產(chǎn)壓差隨產(chǎn)量增加得更快。因此，適當(dāng)降低氣井產(chǎn)量，有利于減小應(yīng)力敏感帶來的壓力損失，對氣藏合理開發(fā)更加重要。在該參數(shù)條件下，推薦氣井產(chǎn)量為 3×104～5×104m3/d。

3.2 數(shù)值模擬

為了研究應(yīng)力敏感對高石梯-磨溪區(qū)塊燈四段氣藏生產(chǎn)的影響，根據(jù)氣藏非均質(zhì)儲層條件，應(yīng)用Tnavigator數(shù)值模擬軟件建立非均質(zhì)氣藏水平井單井模型。模型網(wǎng)格劃分為64×64×16，網(wǎng)格步長為dx=20 m，dy=20 m，dz=20 m，水平井的井點坐標為（2，32，1）。氣藏的原始地層壓力為56 MPa，埋深4 500 m，孔隙度平均為0.3。水平井進行了人工分段壓裂，壓裂裂縫半長為200 m，裂縫間隔為20 m，水平井水平段位于氣藏中部，水平段沿x軸方向。

3.2.2 應(yīng)力敏感參數(shù)設(shè)置

流-固耦合現(xiàn)象在儲層油氣藏流體流動時是時刻存在的。傳統(tǒng)的數(shù)值模擬手段研究應(yīng)力敏感性大多基于經(jīng)驗地質(zhì)力學(xué)模型，通過巖石壓縮系數(shù)控制，不計算應(yīng)力，幾乎不考慮油氣藏開采過程中地質(zhì)力學(xué)變化對孔隙度和滲透率的影響。油氣藏開發(fā)過程中，地下流體和儲層的性質(zhì)會發(fā)生改變，同時力學(xué)性質(zhì)也會發(fā)生改變，很顯然，用傳統(tǒng)手段研究氣藏應(yīng)力敏感性具有一定的局限性。Tnavigator軟件通過考慮滲透率時變，模擬氣藏應(yīng)力敏感對油藏開發(fā)的影響，其原理為通過地質(zhì)力學(xué)計算，使得有限元網(wǎng)格變形裂開，油氣藏網(wǎng)格發(fā)生變形，滲透率改變，進而模擬了物性的變化。結(jié)合前面實驗得到的滲透率與有效應(yīng)力之間的關(guān)系，利用ARITHMETIC關(guān)鍵字加以考慮（見表3），在模型中有效應(yīng)力視為實驗圍壓與地層壓力的差值。運用這種滲透率時變的方法能全程考慮應(yīng)力的變化，使得模擬的應(yīng)力敏感性更加準確，對油氣藏開發(fā)具有重要意義。

表3 Tnavigator軟件應(yīng)力敏感模擬關(guān)鍵字

3.2.3 應(yīng)力敏感對生產(chǎn)的影響

為研究應(yīng)力敏感對單井水平井生產(chǎn)的影響，分別比較了不考慮應(yīng)力敏感、用滲透率時變考慮應(yīng)力敏感這2種情況下的氣井開發(fā)效果。氣藏定產(chǎn)生產(chǎn)，單井日產(chǎn)氣量定為5×104m3，累計生產(chǎn)5 a。模擬結(jié)果如圖11所示。由圖11a可看出：應(yīng)力敏感會使氣藏的穩(wěn)產(chǎn)期縮短，穩(wěn)產(chǎn)期后，日產(chǎn)氣量降低更快，但在開發(fā)中后期，兩者的日產(chǎn)氣量基本相當(dāng)，說明開發(fā)中后期應(yīng)力敏感對水平井的日產(chǎn)氣量影響不大。由圖11b可以看出：生產(chǎn)至第5年時，考慮應(yīng)力敏感的最終采出程度比不考慮應(yīng)力敏感的最終采出程度降低了5百分點左右，說明應(yīng)力敏感對氣產(chǎn)量影響較大，在實際開發(fā)過程中不可忽略［23］。由圖11c可看出：考慮應(yīng)力敏感的氣井在開發(fā)過程中，地層壓力反而降低更慢，在開采結(jié)束后，地層壓力能保持更高水平，這是因為考慮應(yīng)力敏感時，氣藏的采出程度較低，采出流體較少，根據(jù)物質(zhì)平衡原理，氣藏的地層壓力降低更少［24］。

4 結(jié)論

1）針對高石梯-磨溪區(qū)塊燈四段氣藏，在高溫高壓條件下開展室內(nèi)巖心實驗，結(jié)果表明：巖心滲透率隨著有效應(yīng)力的增加而降低，巖心應(yīng)力敏感損害不可逆，并且?guī)r心滲透率保持率與有效應(yīng)力呈冪函數(shù)關(guān)系。

2）巖心應(yīng)力敏感程度主要與其礦物組分、微觀孔喉尺寸以及滲透率有關(guān)。石英體積分數(shù)越低，泥質(zhì)體積分數(shù)越高，碳酸鹽巖的應(yīng)力敏感性就越強；微觀孔喉尺寸越小，受應(yīng)力后喉道越容易閉合，巖石骨架發(fā)生變形，滲透率大幅下降；中孔對滲透率貢獻大的巖心應(yīng)力敏感程度強，中孔對滲透率貢獻小的巖心應(yīng)力敏感程度弱；巖心滲透率越低，應(yīng)力敏感程度越強。

3）井筒附近壓降幅度大，應(yīng)力敏感產(chǎn)生的影響更明顯；配產(chǎn)越高，壓降越大，考慮應(yīng)力敏感的氣井生產(chǎn)壓差下降幅度更大；為了減少碳酸鹽巖儲層應(yīng)力敏感對氣井生產(chǎn)的影響，氣井日產(chǎn)量應(yīng)該保持在3×104～5×104m3左右。

4）用滲透率時變的方法模擬應(yīng)力敏感對氣藏開發(fā)的影響可知，氣藏定產(chǎn)生產(chǎn)的情況下，穩(wěn)產(chǎn)時間會縮短，開發(fā)后期采出程度降低5百分點，說明應(yīng)力敏感對氣藏開發(fā)影響較大，制定氣藏開發(fā)政策應(yīng)充分考慮應(yīng)力敏感的影響。