可動(dòng)水對(duì)儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性影響的實(shí)驗(yàn)研究

楊國(guó)紅，李秀清，李明秋，吳 錚，朱 訊，鄒 娟，李雪松，豐 妍

(1.中國(guó)石油西南油氣田分公司，四川 成都 610213；2.西南石油大學(xué)，四川 成都 610500)

0 引 言

儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性是氣藏開(kāi)發(fā)的必要參數(shù)。國(guó)內(nèi)外對(duì)儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性及影響因素方面的研究較多，董紅坤[1]等運(yùn)用理論模型方法，研究了氣藏可動(dòng)水飽和度的壓敏效應(yīng)；郭平[2]等開(kāi)展了致密氣藏束縛水與可動(dòng)水研究實(shí)驗(yàn)；游利軍[3]等采用毛細(xì)管自吸法進(jìn)行束縛水條件下的供氣實(shí)驗(yàn)；劉宇展[4]等分析改變圍壓條件下氣水兩相流體在致密儲(chǔ)氣層中的流動(dòng)變化；張陽(yáng)[5]等對(duì)比應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了一套針對(duì)致密砂巖氣藏的應(yīng)力敏感性的評(píng)價(jià)方法；茍燕[6]等采用變流壓定圍壓實(shí)驗(yàn)方式模擬了高溫、高壓條件下氣藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中的應(yīng)力敏感性；楊朝蓬[7]等運(yùn)用定圍壓變內(nèi)壓的方法，開(kāi)展了恒定束縛水飽和度條件下的應(yīng)力敏感性研究；盛軍[8]等通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了壓力、含水飽和度、氣相相對(duì)滲透率三者的關(guān)系，認(rèn)為生產(chǎn)壓差增大會(huì)導(dǎo)致含水飽和度升高，從而降低儲(chǔ)層氣相滲流能力；袁浩偉[9]等運(yùn)用定外壓變內(nèi)壓的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行了致密氣應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)；李躍剛[10]等改進(jìn)了應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)裝置，開(kāi)展了應(yīng)力敏感性對(duì)致密砂巖氣藏氣水兩相滲流特征的影響研究；朱金智[11]等轉(zhuǎn)變思路采用增加圍壓和改變驅(qū)替壓力的方式，研究了高溫高壓致密氣藏的應(yīng)力敏感性；張小龍[12]等通過(guò)對(duì)比常規(guī)應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)和模擬氣藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中的應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)，分析了低滲儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性對(duì)滲透率和孔隙度的影響；閆健[13]采用改變回壓、圍壓及軸壓方式測(cè)試并分析不同壓力條件對(duì)氣藏應(yīng)力敏感性的影響等。但目前儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性研究主要集中于束縛水巖心和干巖心，鮮有見(jiàn)到考慮可動(dòng)水條件下的儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)研究?？蓜?dòng)水條件下應(yīng)力敏感性研究的難點(diǎn)在于高溫高壓條件下巖心中穩(wěn)定含水飽和度的控制及氣水兩相滲流穩(wěn)態(tài)狀態(tài)的建立，且在實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)過(guò)程中大量的氣水量從巖心通過(guò)，現(xiàn)場(chǎng)取回的有限氣樣難以滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)要求。為此，提出了一種高溫高壓氣水兩相滲流條件下應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法，通過(guò)引入電容法液體計(jì)量計(jì)控制巖心含水飽和度，利用蠕動(dòng)泵調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)的氣水循環(huán)流動(dòng)來(lái)獲取可動(dòng)水飽和度下應(yīng)力敏感性數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)高溫高壓條件下的巖心含水飽和度的精準(zhǔn)控制，無(wú)限循環(huán)可以節(jié)約大量氣樣和水樣，為有水氣藏的滲流機(jī)理研究提供了技術(shù)支持。

1 可動(dòng)水對(duì)儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性影響實(shí)驗(yàn)方法

通過(guò)蠕動(dòng)泵和氣液比檢測(cè)裝置調(diào)節(jié)巖樣中的含水飽和度，采用循環(huán)氣水量的方式來(lái)穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)過(guò)程中高于束縛水條件的含水飽和度，然后通過(guò)電容式液量計(jì)量計(jì)測(cè)算巖樣中含水飽和度；采用電阻式加熱裝置模擬地層溫度，選用定圍壓降內(nèi)壓的方式模擬儲(chǔ)層生產(chǎn)過(guò)程的壓力變化。實(shí)驗(yàn)裝置優(yōu)點(diǎn)在于可通過(guò)高溫高壓氣水量循環(huán)的方式進(jìn)行穩(wěn)態(tài)下的耐溫耐壓應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)。

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及流程

實(shí)驗(yàn)裝置(圖1)包括低摩阻中間容器、電動(dòng)渦輪計(jì)量泵、電動(dòng)圍壓泵、壓力傳感器、計(jì)量泵及檢測(cè)設(shè)備、蠕動(dòng)泵、氣液比檢測(cè)裝置、電容式液體計(jì)量計(jì)、電阻式加熱裝置等。設(shè)立2套低摩阻中間容器，分別裝有實(shí)驗(yàn)氣體和配置模擬地層水，實(shí)驗(yàn)采用自主開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的高溫高壓應(yīng)力敏感測(cè)量設(shè)備，該流程的實(shí)驗(yàn)測(cè)試流體壓力最高為80 MPa，最高溫度為180 ℃，最高圍壓為200 MPa。測(cè)量的巖心長(zhǎng)度為3～8 cm，巖心直徑為2.5 cm。該實(shí)驗(yàn)裝置可進(jìn)行可動(dòng)水條件下的應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)，且能滿(mǎn)足耐溫耐壓的實(shí)驗(yàn)要求。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

(1) 按圖1進(jìn)行連接，準(zhǔn)備巖心，配置地層水樣和模擬氣樣，檢查裝置氣密性，測(cè)量模擬氣樣和地層水樣的黏度。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 The experimental flow chart

(2) 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)死體積，采用逐級(jí)飽和的方式增加系統(tǒng)壓力(圍壓始終大于內(nèi)壓3 MPa)，通過(guò)加熱裝置加溫，維持系統(tǒng)內(nèi)溫度、壓力穩(wěn)定。

(3) 通過(guò)計(jì)量泵調(diào)節(jié)計(jì)量計(jì)內(nèi)的液面高度，保持裝置內(nèi)巖心系統(tǒng)壓力平衡；待壓力穩(wěn)定后，打開(kāi)計(jì)量泵，在預(yù)先設(shè)定的流速下進(jìn)行循環(huán)，待氣液流量穩(wěn)定，記錄飽和地層水量。

(4) 根據(jù)蠕動(dòng)泵的壓差以及氣水流量計(jì)算此時(shí)的氣相有效滲透率，再根據(jù)氣液比(由氣液比檢測(cè)裝置獲得)和死體積計(jì)算巖心中的含水飽和度。

(5) 氣液比保持在該含水飽和度條件下不變，調(diào)節(jié)計(jì)量泵降低內(nèi)壓，進(jìn)行不同有效應(yīng)力下的氣相有效滲透率測(cè)定。

(6) 采用相同辦法，調(diào)節(jié)液體計(jì)量計(jì)內(nèi)循環(huán)液量，測(cè)定第2個(gè)含水飽和度時(shí)不同內(nèi)壓下的氣相有效滲透率。以此類(lèi)推，直至可動(dòng)水退完為止。

(7) 計(jì)算含水飽和度、以及該溫度壓力條件下的氣測(cè)滲透率和無(wú)因次滲透率(滲透率與原始滲透率的比值)并繪制曲線。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

利用上述實(shí)驗(yàn)步驟及測(cè)量值，結(jié)合以下模型計(jì)算得到不同飽和度條件下Sw的滲透率應(yīng)力敏感性曲線。

(1)

(2)

(3)

式中：Sw為巖樣中含水飽和度；Kg為氣測(cè)滲透率，mD；v0為系統(tǒng)管線死體積，cm3；v1為巖心飽和地層水體積，cm3；v2為液面下降的計(jì)量計(jì)內(nèi)體積，cm3；μ為實(shí)驗(yàn)氣體的黏度，mPa·s；L為巖心長(zhǎng)度，cm；A為巖心橫截面積，cm2；Q為氣液總流量，cm3/s；Qg為氣相總流量，cm3/s；p0為測(cè)試條件下標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，MPa；p1為進(jìn)口兩端壓力，MPa；p2為出口兩端壓力，MPa；GWR為氣水比。

測(cè)定干巖心及束縛水飽和度條件下的巖心應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)采用常規(guī)測(cè)試方法，參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“儲(chǔ)層敏感性流動(dòng)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法”(SY/T5358-2010)[15]執(zhí)行。

2 可動(dòng)水條件下巖心應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)

2.1 不同物性巖心不同含水飽和度條件下的應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)

采用上述方法測(cè)定了不同物性巖心不同含水飽和度條件下的應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)，分析了可動(dòng)水對(duì)不同物性巖心滲透率應(yīng)力敏感性的影響，為氣藏含水開(kāi)發(fā)過(guò)程提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。實(shí)驗(yàn)條件為：模擬地層溫度為67 ℃，初始實(shí)驗(yàn)流體內(nèi)壓為22 MPa，模擬上覆壓力為58 MPa，采用降內(nèi)壓的方式進(jìn)行敏感性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)巖心基礎(chǔ)物性如表1所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2～4所示。

圖2 1-75巖心無(wú)因次滲透率應(yīng)力敏感性曲線Fig.2 The curve of dimensionless permeabilityto stress sensitivity of Core 1-75

表1 實(shí)驗(yàn)巖心的基礎(chǔ)物性Table 1 The basic physical parameters of experimental cores

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：相同實(shí)驗(yàn)條件下，隨著含水飽和度的增加，不同物性巖心的應(yīng)力敏感性出現(xiàn)不同程度增強(qiáng)；物性較好的1-22、1-21巖心束縛水飽和度為31.00%～34.00%，含水繼續(xù)上升出現(xiàn)可動(dòng)水，而物性較差的1-75巖心束縛水飽和度升至57.58%后才出現(xiàn)可動(dòng)水；束縛水條件下的3塊巖心應(yīng)力敏感程度均強(qiáng)于干巖心的應(yīng)力敏感性；可動(dòng)水條件下，含水飽和度增加至57%～79%，巖心的應(yīng)力敏感性繼續(xù)加劇，遠(yuǎn)大于干巖心和束縛水飽和度巖心，含水飽和度越高，應(yīng)力敏感性越強(qiáng)。

圖3 1-22巖心無(wú)因次滲透率應(yīng)力敏感性曲線Fig.3 The curve of dimensionless permeabilityto stress sensitivity of Core 1-22

圖4 1-21巖心無(wú)因次滲透率應(yīng)力敏感性曲線Fig.4 The curve of dimensionless permeabilityto stress sensitivity of Core 1-21

2.2 可動(dòng)水對(duì)不同物性巖心滲透率影響

圖5為地層條件下巖心含水飽和度與無(wú)因次滲透率的關(guān)系曲線。由圖5可知，含水飽和度增加使得儲(chǔ)層滲透性受到損害，含水飽和度越高，滲透率損失越大，地層條件下干巖心滲透率為0.1～2.0 mD，含水飽和度從0增至束縛水條件時(shí)，物性較好的1-22、1-21巖心地層氣測(cè)滲透率損害率為71%～74%，1-75巖心地層滲透率損害率為32%；含水飽和度繼續(xù)升至可動(dòng)水條件時(shí)，含水飽和度增加為75%～79%，3塊巖心地層滲透率的損害率為76%～95%，其中物性較好的1-22、1-21巖心損害率要高于1-75巖心。相同的模擬地層條件下，干巖心滲透率越高，含水后滲透率損失越明顯，物性越好，滲透率損害越高。

圖5 地層條件下巖心含水飽和度與無(wú)因次滲透率的關(guān)系Fig.5 The relationship between water saturation and dimensionlesspermeability of the core under formation conditions

圖6為巖心含水飽和度與應(yīng)力敏感性指數(shù)的關(guān)系曲線。由圖6可知，滲透率為0.1～2.0 mD的干巖心應(yīng)力敏感性指數(shù)表現(xiàn)為地層條件下滲透率越低，應(yīng)力敏感性指數(shù)越高；隨著巖心中含水飽和度的增加，應(yīng)力敏感性增強(qiáng)；當(dāng)含水飽和度由0增至束縛水條件時(shí)，應(yīng)力敏感性指數(shù)升高，1-22、1-21巖心應(yīng)力敏感性指數(shù)由0.100～0.200增至0.200～0.300，1-75巖心應(yīng)力敏感性指數(shù)由0.330增至0.350；巖心含水飽和度從束縛水條件增至可動(dòng)水條件，含水飽和度增加為70%～80%，物性較好的1-22、1-21巖心應(yīng)力敏感性指數(shù)從0.200～0.300增至0.350～0.357，物性較差的1-75號(hào)巖心從0.356增至0.368，其應(yīng)力敏感性仍強(qiáng)于物性較好的1-22、1-21巖心。

圖6 巖心含水飽和度與應(yīng)力敏感性指數(shù)的關(guān)系Fig.6 The relationship between water saturation andstress sensitivity index parameter of the core

巖心應(yīng)力敏感性受含水程度的影響較大，原因在于孔隙結(jié)構(gòu)的變化，由于界面張力的作用水進(jìn)入巖石骨架后產(chǎn)生水膜降低孔喉道半徑，造成地層滲透率降低，同時(shí)加劇儲(chǔ)層應(yīng)力敏感程度，水的存在也會(huì)降低巖石骨架的抗壓強(qiáng)度，巖石骨架受有效壓力增加會(huì)進(jìn)一步加劇應(yīng)力敏感程度，同時(shí)，巖心的應(yīng)力敏感程度也受氣水兩相滲流的影響，氣水兩相同時(shí)流動(dòng)時(shí)，氣相相對(duì)滲透率始終維持在較低水平，隨著生產(chǎn)過(guò)程中地層流體壓力的降低，巖石中氣相相對(duì)滲透率也會(huì)降低，這就進(jìn)一步減弱了巖石中的氣相滲流能力，降低氣井產(chǎn)能。

3 可動(dòng)水條件的應(yīng)力敏感性對(duì)氣井產(chǎn)能的影響

3.1 本構(gòu)方程

滲透率隨有效壓力的變化可以用乘冪關(guān)系式進(jìn)行描述：

Ki=aKgiebp

(4)

式中：a為應(yīng)力敏感性系數(shù)參數(shù)；b為應(yīng)力敏感性指數(shù)參數(shù)；p為地層有效壓力，MPa；Ki為氣測(cè)滲透率，mD；Kgi為地層條件氣測(cè)滲透率，mD。

通過(guò)計(jì)算上述實(shí)驗(yàn)巖心的應(yīng)力敏感性參數(shù)與含水飽和度的關(guān)系如圖7、8所示，可得到參數(shù)a、b與含水飽和度的關(guān)系：

圖7 含水飽和度與應(yīng)力敏感性指數(shù)參數(shù)b的關(guān)系Fig.7 The relationship between water saturation andstress sensitivity index parameter b

b=0.000065Sw+0.003263

(5)

a=-0.000039Sw+0.999859

(6)

將式(5)、(6)代入式(4)可得：

(7)

式(7)即為表征該氣藏可動(dòng)水條件下的應(yīng)力敏感性關(guān)系式，通過(guò)該式比較地層條件下的無(wú)因次滲透率真實(shí)值與計(jì)算值發(fā)現(xiàn)，真實(shí)值與計(jì)算值平均誤差在2%以?xún)?nèi)，可由此式通過(guò)滲透率和含水飽和度計(jì)算該氣藏的應(yīng)力敏感性。

3.2 考慮應(yīng)力敏感性的氣井產(chǎn)能方程

為研究可動(dòng)水條件下的氣藏應(yīng)力敏感性對(duì)產(chǎn)能的影響，根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)研究數(shù)據(jù)建立了可動(dòng)水條件下的考慮應(yīng)力敏感性的氣井產(chǎn)能模型。

圖8 含水飽和度與應(yīng)力敏感性系數(shù)參數(shù)a的關(guān)系Fig.8 The relationship between water saturation andstress sensitivity coefficient parameter a

不考慮應(yīng)力敏感性的氣藏直井產(chǎn)能方程：

(8)

將式(6)、(7)、(8)聯(lián)立，建立考慮應(yīng)力敏感性的氣藏直井產(chǎn)能方程[14]：

(9)

(10)

其中，氣相滲透率受含水飽和度的影響，含水飽和度與氣相滲透率呈指數(shù)關(guān)系，含水飽和度越高，氣相滲透率越低，以巖心1-21實(shí)驗(yàn)結(jié)果為例，建立地層條件下的含水飽和度與氣相滲透率的關(guān)系：

Kgi=1.7859e-0.0415Sw

(11)

假定該氣藏原始地層壓力為22 MPa，儲(chǔ)層厚度為50 m，供給半徑為200 m，滲透率為1.85 mD，井筒半徑為0.1 m，根據(jù)式(7)～(11)繪制不同可動(dòng)水飽和度條件下考慮應(yīng)力敏感性與不考慮應(yīng)力敏感性的產(chǎn)能流入動(dòng)態(tài)曲線(圖9)。

圖9 不同含水飽和度下IPR曲線Fig.9 The IPR curve at different water saturation

(1) 對(duì)比35%～80%含水飽和度儲(chǔ)層IPR曲線可知，隨著含水飽和度增高，氣井產(chǎn)能降低，含水飽和度越高的氣井產(chǎn)能受應(yīng)力敏感性影響越大；處于35%、40%、50%等低含水飽和度時(shí)，產(chǎn)能降低幅度明顯，氣井產(chǎn)能受應(yīng)力敏感性損失可達(dá)9.24%；處于60%、70%、80%等高含水飽和度時(shí)，產(chǎn)能依然在降低，氣井受應(yīng)力敏感性損失可達(dá)11.87%。

(2) 對(duì)比不同含水飽和度的無(wú)阻流量(圖10，表2)發(fā)現(xiàn)，考慮應(yīng)力敏感性影響的無(wú)阻流量小于不考慮應(yīng)力敏感性的無(wú)阻流量，儲(chǔ)層中含水飽和度越高，兩者的差異越大。

圖10 不同含水飽和度的無(wú)阻流量對(duì)比Fig.10 The comparison of open flow with different water saturation

(3) 從表2與圖10可知，儲(chǔ)層含水飽和度低時(shí)，受應(yīng)力敏感作用產(chǎn)能降低幅度明顯；含水飽和度高時(shí)，產(chǎn)能降低幅度不明顯。其主要原因是由于處于高含水飽和度時(shí)，產(chǎn)能已經(jīng)降低至極限，高含水飽和度時(shí)受應(yīng)力敏感性程度雖然強(qiáng)于低含水飽和度，但產(chǎn)能變化幅度變小。

表2 不同含水飽和度無(wú)阻流量對(duì)比Table 2 The comparison of open flow with different water saturation

4 結(jié) 論

(1) 基于自主研發(fā)的電容法液體計(jì)量計(jì)控制巖心含水飽和度，蠕動(dòng)泵控制氣水循環(huán)流動(dòng)的應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法，擺脫了單一通過(guò)調(diào)整入口端氣水比例和回壓閥聯(lián)合控制的思路。將儀器裝備最高實(shí)驗(yàn)溫度和實(shí)驗(yàn)壓力分別提高到200 ℃和80 MPa，實(shí)驗(yàn)周期大量縮短，穩(wěn)定性大幅度提升。

(2) 建立模擬地層條件下基于高溫高壓電容液位計(jì)量方式的可動(dòng)水對(duì)應(yīng)力敏感性影響的實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法，可實(shí)現(xiàn)對(duì)巖心中含水飽和度的精準(zhǔn)控制，無(wú)限循環(huán)節(jié)約大量的氣樣和水樣，縮短了實(shí)驗(yàn)周期。

(3) 分析了含水飽和度對(duì)不同物性巖心應(yīng)力敏感性影響，可動(dòng)水存在條件下巖心的應(yīng)力敏感性強(qiáng)于干巖心與束縛水巖心，含水飽和度越高，應(yīng)力敏感性越強(qiáng)；巖心物性越好，可動(dòng)水對(duì)應(yīng)力敏感性的影響越小；考慮應(yīng)力敏感性的產(chǎn)能模型計(jì)算表明，儲(chǔ)層含水飽和度越高，應(yīng)力敏感性越強(qiáng)，產(chǎn)能降低越明顯。