王 欣，齊 梅，胡永樂(lè)

(中油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083)

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西加盆地B氣田致密砂巖儲(chǔ)層應(yīng)力敏感評(píng)價(jià)

王 欣，齊 梅，胡永樂(lè)

(中油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083)

描述致密砂巖儲(chǔ)層滲透率應(yīng)力敏感有多種經(jīng)驗(yàn)公式，根據(jù)巖心類(lèi)型的不同，對(duì)各經(jīng)驗(yàn)公式的應(yīng)用尚存在爭(zhēng)議。依據(jù)基質(zhì)孔隙和裂縫尺度不同，將研究區(qū)儲(chǔ)層介質(zhì)劃分為“微小孔+裂縫”模型和“中大孔+裂縫”模型2種類(lèi)型，結(jié)合應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)對(duì)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， “微小孔+裂縫”模型儲(chǔ)層的滲透率隨有效應(yīng)力變化符合冪律式，“中大孔+裂縫”模型符合指數(shù)式。Walsh模型的回歸結(jié)果表明，“微小孔+裂縫”模型擬合結(jié)果較好，說(shuō)明該類(lèi)儲(chǔ)層裂縫對(duì)滲透率的貢獻(xiàn)起絕對(duì)支配作用，滲透率隨有效應(yīng)力變化符合冪律式。

致密砂巖儲(chǔ)層；應(yīng)力敏感；裂縫；西加盆地

引 言

當(dāng)深埋于地下的油氣藏儲(chǔ)層巖石所受到的有效應(yīng)力改變時(shí)，其中的孔隙、喉道將變形，導(dǎo)致裂縫閉合，儲(chǔ)層巖石的滲流能力降低，這就是儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性現(xiàn)象[1-2]。應(yīng)力敏感評(píng)價(jià)是儲(chǔ)層保護(hù)方案設(shè)計(jì)及油氣井產(chǎn)能評(píng)價(jià)的重要依據(jù)，對(duì)低滲儲(chǔ)層更為重要[3]。近年來(lái)，隨著常規(guī)油氣資源量日益減少，包括致密砂巖氣在內(nèi)的非常規(guī)儲(chǔ)層已逐漸成為油氣勘探開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)[4]。致密砂巖氣藏天然裂縫發(fā)育，滲透率一般呈對(duì)數(shù)正態(tài)分布，儲(chǔ)層基質(zhì)滲透率低，但儲(chǔ)層中存在高孔高滲的甜點(diǎn)區(qū)，儲(chǔ)層具有較強(qiáng)的應(yīng)力敏感性[5-6]。在致密氣藏大規(guī)模的投入開(kāi)發(fā)之前，進(jìn)行儲(chǔ)層應(yīng)力敏感評(píng)價(jià)對(duì)儲(chǔ)層保護(hù)及合理的開(kāi)發(fā)方案設(shè)計(jì)至關(guān)重要。目前對(duì)儲(chǔ)層應(yīng)力敏感進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法中，鮮有針對(duì)儲(chǔ)層不同孔縫尺度組合分別進(jìn)行評(píng)價(jià)的研究，依據(jù)研究區(qū)致密砂巖儲(chǔ)層不同的孔縫尺度組合，將儲(chǔ)層介質(zhì)劃分為“微小孔+裂縫”模型與“中大孔+裂縫”模型2種類(lèi)型，并對(duì)2種類(lèi)型的儲(chǔ)層分別進(jìn)行儲(chǔ)層介質(zhì)應(yīng)力敏感評(píng)價(jià)。

1 研究區(qū)概況

西加盆地是北美地區(qū)重要的非常規(guī)天然氣聚集區(qū)，研究區(qū)位于阿爾伯達(dá)省境內(nèi)西加沉積盆地的深盆區(qū)B氣田，該氣田主力儲(chǔ)層為白堊系砂巖，發(fā)育4組儲(chǔ)層，共有8個(gè)主力層段：Cardium、Dunvegan、Cadotte、Notikewin、Falher、Wilrich、Gething和Cadomin。研究區(qū)沉積特征由下至上表現(xiàn)為海相沉積演化為非海相沉積碎屑沉積，儲(chǔ)層孔隙度為3%～10%，滲透率為0.01×10-3～1.00×10-3μm2，屬于致密砂巖儲(chǔ)層，儲(chǔ)層有效厚度約為90 m，地層溫度為30～110℃，地層壓力系數(shù)為0.92～1.20，屬于正常壓力系統(tǒng)。目前氣田已接近開(kāi)發(fā)中期，仍處于上產(chǎn)階段。原始天然氣地質(zhì)儲(chǔ)量為9 340×108m3，預(yù)計(jì)可采儲(chǔ)量為990×108～ 2 320×108m3，目前生產(chǎn)井為374口，日產(chǎn)氣為7.28×106m3/d。

2 致密砂巖應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)樣品采自研究區(qū)內(nèi)6口井，共14塊巖心。實(shí)驗(yàn)采用CMS 300 自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量了14塊巖心在不同有效應(yīng)力條件下致密砂巖巖心的滲透率，對(duì)于低滲巖心的滲透率利用脈沖法測(cè)量。

根據(jù)取樣深度和層段不同將巖心分為3組，分別確定其最大凈上覆壓力為30.8、37.1、34.0 MPa。采用變圍壓的方法進(jìn)行巖心滲透率應(yīng)力敏感情況考察，實(shí)驗(yàn)用致密砂巖巖心，直徑為2.54 cm，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。14塊巖樣中，9塊為低滲巖心，滲透率為0.02×10-3～0.15×10-3μm2；5塊為中高滲巖樣，滲透率為0.37×10-3～38.70×10-3μm2。

通過(guò)改變圍壓的方法測(cè)量各巖心的滲透率隨有效應(yīng)力的變化。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者[7-15]建立了多種儲(chǔ)層物性參數(shù)應(yīng)力敏感性模型，滲透率與有效應(yīng)力之間的函數(shù)關(guān)系主要有指數(shù)、對(duì)數(shù)、冪函數(shù)、多項(xiàng)式等形式，筆者利用最常見(jiàn)的指數(shù)式和冪率式進(jìn)行擬合，擬合參數(shù)見(jiàn)表2。由表2可知，2種關(guān)系式都可得到較好的擬合效果，但對(duì)于低滲巖心，冪率關(guān)系式擬合的相關(guān)系數(shù)更高；對(duì)于中高滲巖心，指數(shù)關(guān)系式擬合的相關(guān)系數(shù)更高。

表1 巖心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

表2 參數(shù)擬合結(jié)果

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)于裂縫發(fā)育致密砂巖氣藏，儲(chǔ)層物性普遍較差，孔隙度和滲透率較低，儲(chǔ)層僅存在少量中高孔滲的區(qū)域。根據(jù)研究區(qū)致密砂巖氣藏的儲(chǔ)層特性，將儲(chǔ)層介質(zhì)簡(jiǎn)化為以下2種模型：①基質(zhì)孔徑遠(yuǎn)小于裂縫縫寬，儲(chǔ)層滲透率主要由裂縫控制，基質(zhì)介質(zhì)中的顆粒與顆粒之間排列緊湊，介質(zhì)較為致密的“微小孔+裂縫”模型[16]；②基質(zhì)孔徑略小于裂縫縫寬或與裂縫縫寬尺寸相當(dāng)?shù)摹爸写罂?裂縫”模型，裂縫和孔隙都對(duì)儲(chǔ)層滲透率有貢獻(xiàn)。

由于多孔介質(zhì)的滲透率主要是由孔隙尺度控制，儲(chǔ)層孔隙的形狀和大小決定儲(chǔ)層的滲流能力。對(duì)2種儲(chǔ)層介質(zhì)模型的應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，可以得到如下結(jié)論。

(1) “微小孔+裂縫”模型對(duì)應(yīng)低滲巖心，巖心滲透率絕大部分由裂縫貢獻(xiàn)，基質(zhì)孔徑對(duì)滲流貢獻(xiàn)很小。當(dāng)巖樣有效應(yīng)力增加，裂縫由于被壓縮后閉合，該過(guò)程中巖樣滲透率迅速下降。當(dāng)裂縫閉合后，由于基質(zhì)孔徑極小，對(duì)有效應(yīng)力的增加變化并不敏感，因此滲透率降低不明顯。

(2) “中大孔+裂縫”模型對(duì)應(yīng)中高滲巖心，除裂縫外基質(zhì)孔隙也對(duì)滲透率有貢獻(xiàn)。當(dāng)巖樣受到的有效應(yīng)力增加，裂縫由于受壓導(dǎo)致開(kāi)度降低至閉合后，基質(zhì)中孔隙也由于有效應(yīng)力的增加而孔徑變小，滲透率依然會(huì)隨有效應(yīng)力增加而降低。

對(duì)比指數(shù)關(guān)系與冪率關(guān)系(圖1)，冪率函數(shù)初期下降非常迅速，而在中后期的下降趨于平緩；而對(duì)于孔小縫寬模型隨應(yīng)力增加滲透率的變化趨勢(shì)與冪率式變化趨勢(shì)非常相近，因此，對(duì)于低滲的致密氣藏進(jìn)行滲透率應(yīng)力敏感評(píng)價(jià)時(shí)應(yīng)使用冪率式表達(dá)；指數(shù)函數(shù)在整個(gè)過(guò)程中緩慢下降，該趨勢(shì)與孔縫相當(dāng)模型滲透率應(yīng)力敏感相應(yīng)一致，對(duì)于致密砂巖氣藏中高孔滲“甜點(diǎn)區(qū)”的應(yīng)力敏感評(píng)價(jià)應(yīng)采用指數(shù)式表達(dá)。

圖1 指數(shù)式與冪率式函數(shù)示意圖

3.2 Walsh模型驗(yàn)證

Walsh根據(jù)平板裂縫模型的流量公式推導(dǎo)得到裂縫性多孔介質(zhì)滲透率與有效應(yīng)力變化的關(guān)系式[5]：

(1)

式中：h為裂縫表面粗糙度，μm；a0為縫徑，μm。

利用該模型對(duì)3組巖心分別進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果見(jiàn)圖2，各組巖樣的線性回歸相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表3。

表3 線性回歸參數(shù)

由表3可知：第1組巖心共7塊，其中低滲巖樣4塊，中高滲巖樣3塊。由圖2a可知，巖心關(guān)系曲線明顯分為2個(gè)區(qū)域，低滲巖樣的關(guān)系曲線變化率較大，線性回歸的相關(guān)系數(shù)很高，都大于0.984，而中高滲巖心的關(guān)系曲線變化率小，且線性回歸的相關(guān)系數(shù)較低；第2組巖心共5塊，均為低滲巖樣，由圖2b可知，曲線變化率大，線性回歸的相關(guān)系數(shù)都大于0.99；第3組巖心為2塊中高滲巖樣，由圖2c可知，2塊巖心在Walsh模型關(guān)系曲線中進(jìn)行線性回歸的相關(guān)性差。

通過(guò)3組共14塊巖心的Walsh模型驗(yàn)證表明，低滲巖樣均滿(mǎn)足Walsh模型，線性回歸的相關(guān)系數(shù)都很高。說(shuō)明低滲巖樣與Walsh模型的假設(shè)相近，多孔介質(zhì)以裂縫為主，基質(zhì)孔徑極小，幾乎不貢獻(xiàn)滲透率，當(dāng)受到的有效應(yīng)力增加時(shí)，裂縫閉合，滲透率迅速降低，而后隨著有效應(yīng)力增加，孔徑變化小，滲透率隨有效應(yīng)力變化不明顯，該類(lèi)巖心的滲透率應(yīng)力敏感符合冪率變化關(guān)系；中高滲巖樣對(duì)Walsh模型的符合程度不高，這說(shuō)明中高滲巖樣與Walsh模型的假設(shè)不符，介質(zhì)中除裂縫貢獻(xiàn)滲流通道外，基質(zhì)孔徑對(duì)滲透率的貢獻(xiàn)不可忽視，當(dāng)巖石受壓，介質(zhì)中裂縫閉合，但此時(shí)基質(zhì)孔隙提供滲流通道，對(duì)滲透率的貢獻(xiàn)不可忽視，隨著有效應(yīng)力增加，孔隙被壓縮導(dǎo)致滲透率降低，該類(lèi)巖心在有效應(yīng)力增加的整個(gè)過(guò)程中，滲透率持續(xù)降低，其隨有效應(yīng)力的變化關(guān)系滿(mǎn)足指數(shù)關(guān)系式。

圖2 Walsh模型驗(yàn)證曲線

4 結(jié) 論

(1) 致密砂巖儲(chǔ)層天然裂縫發(fā)育，基質(zhì)孔隙度和滲透率低，但也存在部分中高孔滲的“甜點(diǎn)區(qū)”。根據(jù)研究區(qū)致密砂巖儲(chǔ)層特性，利用“微小孔+裂縫”及“中大孔+裂縫”2種模型描述致密砂巖儲(chǔ)層介質(zhì)。

(2) 通過(guò)研究區(qū)內(nèi)6口井14塊巖心進(jìn)行應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，指數(shù)式和冪率式均能擬合各巖心滲透率隨有效應(yīng)力變化趨勢(shì)，其中低滲巖心利用冪率式擬合相關(guān)系數(shù)更高，而中高滲巖心利用指數(shù)式擬合相關(guān)系數(shù)更高。

(3) 分析研究區(qū)應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并利用基于平板裂縫模型推導(dǎo)得到的Walsh模型進(jìn)行驗(yàn)證，可以得到：低滲巖心對(duì)“微小孔+裂縫”模型巖心應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Walsh模型符合程度很高，該類(lèi)儲(chǔ)層的滲透率應(yīng)力敏感應(yīng)使用冪率式模型進(jìn)行評(píng)價(jià)；中高滲巖心對(duì)“中大孔+裂縫”模型巖心的應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Walsh模型符合程度不高，在對(duì)該類(lèi)儲(chǔ)層進(jìn)行應(yīng)力敏感評(píng)價(jià)時(shí)應(yīng)使用指數(shù)式進(jìn)行描述。

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編輯 王 昱

20141019；改回日期：20150211

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)“全球剩余油氣資源研究及油氣資產(chǎn)快速評(píng)價(jià)技術(shù)”(2008ZX05028)

王欣(1986-)，女，2009年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)為中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院油氣田開(kāi)發(fā)工程專(zhuān)業(yè)在讀博士研究生，主要從事非常規(guī)油氣藏開(kāi)發(fā)評(píng)價(jià)方面的研究。

10.3969/j.issn.1006-6535.2015.02.021

TE312

A

1006-6535(2015)02-0085-04