劉銀山，劉 剛，劉 陣，劉 飛，任春燕，董 旭

(1.陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院，陜西西安 710075；2.延長(zhǎng)油田股份有限公司定邊采油廠)

文東油田深層高壓低滲透油藏滲流特征及機(jī)理研究

劉銀山1，劉 剛1，劉 陣1，劉 飛1，任春燕2，董 旭2

(1.陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院，陜西西安 710075；2.延長(zhǎng)油田股份有限公司定邊采油廠)

以中原文東油田深層高壓低滲透儲(chǔ)層為研究對(duì)象，通過(guò)巖心實(shí)驗(yàn)分析孔隙度、滲透率與應(yīng)力敏感效應(yīng)的變化關(guān)系，并測(cè)定滲透率與啟動(dòng)壓力梯度之間的變化關(guān)系。實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果表明，深層高壓低滲透儲(chǔ)層孔隙度、滲透率與應(yīng)力敏感效應(yīng)成冪函數(shù)變化，當(dāng)滲透率在5×10-3μm2以下時(shí)存在明顯的啟動(dòng)壓力梯度，且隨著滲透率減小，啟動(dòng)壓力梯度急劇增大；啟動(dòng)壓力梯度對(duì)產(chǎn)量呈線性影響，而應(yīng)力敏感效應(yīng)對(duì)產(chǎn)量呈指數(shù)影響，且比啟動(dòng)壓力梯度對(duì)產(chǎn)能影響更大。

文東油田；深層高壓油藏；低滲透油藏；啟動(dòng)壓力梯度

儲(chǔ)層物性差、非均質(zhì)性強(qiáng)、孔喉半徑微細(xì)、水敏速敏嚴(yán)重、存在啟動(dòng)壓力梯度和應(yīng)力敏感效應(yīng)是低滲透儲(chǔ)層滲流有別于其他滲透儲(chǔ)層最顯著的特征[1-3]，這些特征嚴(yán)重制約了低滲透油田的有效開(kāi)發(fā)。中原文東油田低滲透區(qū)塊儲(chǔ)層滲透率只有(4.5～14)×10-3μm2，油藏埋深大(3 250～3 850 m)；儲(chǔ)層壓力高(壓力系數(shù)達(dá)1.71～1.88)；飽和壓力高(25～40 MPa)[4-6]，導(dǎo)致啟動(dòng)壓力梯度和應(yīng)力敏感等效應(yīng)更加突出，使得微觀滲流規(guī)律更加復(fù)雜。本文針對(duì)文東低滲透區(qū)塊深層高壓物性特征，結(jié)合巖心實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究?jī)?chǔ)層孔滲變化規(guī)律，重點(diǎn)考慮啟動(dòng)壓力梯度和應(yīng)力敏感效應(yīng)對(duì)滲流的非線性變化影響，建立低滲透油藏微觀驅(qū)油模型，為該區(qū)塊油藏有效開(kāi)發(fā)提供指導(dǎo)。

1 儲(chǔ)層孔隙度、滲透率變化特征

孔隙度和滲透率是決定油藏儲(chǔ)量和產(chǎn)量的兩個(gè)決定性因素。深層高壓油藏原始地層壓力高，儲(chǔ)層欠壓實(shí)，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中更容易引發(fā)儲(chǔ)層巖石塑性形變，從而引起儲(chǔ)層孔隙度和滲透率不可逆變化[7-8]，最終影響油藏開(kāi)發(fā)效果。

一般情況下，壓敏系數(shù)與滲透率的關(guān)系式為：

k=kie-αk(pi-p)

(1)

孔隙度與有效壓力也存在明顯的指數(shù)關(guān)系，表達(dá)式為：

(2)

其中：k——儲(chǔ)層滲透率，μm2；ki——儲(chǔ)層初始滲透率，μm2；kD——儲(chǔ)層滲透率隨壓力變化系數(shù)；pi——初始地層壓力，MPa；p——地層壓力，MPa；αk——應(yīng)力敏感系數(shù)，MPa-1，一般文東油田的αk經(jīng)驗(yàn)取值為(1.0～2.0)×10-2MPa-1；。φ——儲(chǔ)層孔隙度，小數(shù)；φ0——儲(chǔ)層原始孔隙度，小數(shù)。

一般來(lái)說(shuō)，滲透率和應(yīng)力敏感系數(shù)之間的關(guān)系近似成反比，滲透率越低，應(yīng)力敏感系數(shù)越大；滲透率越高，應(yīng)力敏感系數(shù)越小。對(duì)于一個(gè)特定的巖心，其應(yīng)力敏感系數(shù)可看作一個(gè)定值，可用巖心實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)來(lái)回歸得出。根據(jù)Terzaghi有效壓力原理[9]，按照中國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(SY5336-88)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制圖1。

從圖1可以看出，孔隙度和滲透率隨有效壓力的變化趨勢(shì)具有一致性，兩者對(duì)于應(yīng)力效應(yīng)都十分敏感。當(dāng)有效應(yīng)力增大時(shí)，孔隙度和滲透率都快速的下降。特別是在有效壓力增大初期，兩者隨有效應(yīng)力的變化更加明顯。從圖中可以看出，滲透率和孔隙度隨壓力變化曲線明顯分為兩個(gè)階段：①當(dāng)有效壓力小于20 MPa時(shí)，兩者隨有效壓力增加急速下降，當(dāng)有效應(yīng)力從5 MPa增大到20 MPa，孔隙度下降了63.9%，滲透率下降了53.8%降幅都在一半以上。②而當(dāng)有效壓力增大到20 MPa以上，兩者隨有效壓力的變化就十分平緩，當(dāng)有效壓力從20MPa增大到35 MPa，孔隙度下降27.5%，滲透率下降了32.6%，降幅偏緩。因而建議在開(kāi)發(fā)過(guò)程中一定要采取一些措施如注水來(lái)補(bǔ)充地層壓力，避免孔隙因承壓過(guò)大而急劇減小。對(duì)比孔隙度和滲透率隨有效壓力的變化還可以看出，有效壓力持續(xù)增大對(duì)滲透率影響更明顯，對(duì)產(chǎn)量影響也更大。

圖1 文13區(qū)塊巖心孔隙度和滲透率與有效壓力關(guān)系

2 啟動(dòng)壓力梯度的影響測(cè)定

低滲透儲(chǔ)層存在啟動(dòng)壓力梯度[9-11]，而在深層高壓環(huán)境下，啟動(dòng)壓力梯度對(duì)滲透率的影響更加明顯。啟動(dòng)壓力梯度因素不僅影響流體黏度、驅(qū)動(dòng)壓力梯度等，更重要的是影響滲透率，且滲透率越低, 流體滲流的啟動(dòng)壓力梯度也急劇增加。低滲透油層啟動(dòng)壓力梯度與滲透率的關(guān)系遵循指數(shù)公式：

G=αkk-b

(3)

其中：G——啟動(dòng)壓力梯度，MPa/m；αk，β為常數(shù)；k——滲透率，10-3μm2。

對(duì)于不同的低滲透儲(chǔ)層，啟動(dòng)壓力梯度值不同，需要根據(jù)大量的巖心實(shí)驗(yàn)測(cè)得。本文采用穩(wěn)態(tài)壓差流量法，利用地層水驅(qū)替文13西塊巖樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，啟動(dòng)壓力梯度與滲透率呈現(xiàn)很好的冪指數(shù)關(guān)系，擬合式為：

G=1.959k-1.19

(4)

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制滲透率與啟動(dòng)壓力梯度的變化曲線，擬合得直角坐標(biāo)關(guān)系圖及雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖如圖2和圖3所示。可以看出，①滲透率越小，啟動(dòng)壓力梯度越大；而隨著滲透率增大，啟動(dòng)壓力梯度快速減小并趨向接近于0。低滲透儲(chǔ)層存在較大的啟動(dòng)壓力梯度，儲(chǔ)層滲透率越低，則啟動(dòng)壓力梯度愈加明顯，滲流阻力作用也更為顯著。②當(dāng)滲透率小于5.0×10-3μm2時(shí)存在較大的啟動(dòng)壓力梯度，文東油田儲(chǔ)層滲透率基本都在這個(gè)范圍左右，因而需要著重考慮。在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下可以看出，滲透率與啟動(dòng)壓力梯度有著很好的線性關(guān)系。

圖2 巖樣啟動(dòng)壓力梯度與滲透率關(guān)系

圖3 巖樣啟動(dòng)壓力梯度與滲透率雙對(duì)數(shù)關(guān)系

3 微觀驅(qū)油機(jī)理及滲流方程

流體在儲(chǔ)層孔隙中滲流時(shí)，會(huì)在固液接觸面處形成一個(gè)不易流動(dòng)的吸附滯留層，滯留層的厚度與孔隙介質(zhì)、流體性質(zhì)和剪切速率等因素有關(guān)。在中高滲透性儲(chǔ)層中，由于孔隙半徑大，吸附滯留層的影響可以忽略；而在低滲儲(chǔ)層中，孔隙半徑異常細(xì)小，孔隙內(nèi)滯留層對(duì)流體滲流所造成的影響已不容忽略。巖心數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，儲(chǔ)層滲透率為(10～50)×10-3μm2時(shí)，平均孔隙喉道半徑為1.051 μm；滲透率在(1～10)×10-3μm2時(shí)，平均孔隙喉道半徑僅為0.112 μm；滲透率為(0.01～1)×10-3μm2時(shí)，平均孔隙喉道半徑一般小于0.1 μm，此時(shí)吸附滯留層厚度與孔隙半徑在同一數(shù)量級(jí)上，甚至接近孔隙半徑大小，此時(shí)必須有足夠的壓力梯度，才能使吸附滯留層流體參與流動(dòng)。

根據(jù)上面分析的微觀孔隙中的驅(qū)油機(jī)理，考慮啟動(dòng)壓力梯度和應(yīng)力敏感效應(yīng)下的儲(chǔ)層孔隙度、滲透率變化，建立了考慮啟動(dòng)壓力梯度和應(yīng)力敏感效應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而推導(dǎo)出無(wú)限大儲(chǔ)層中一口井產(chǎn)能公式為：

(5)

其中：Q——單井產(chǎn)量，m3/d；h——儲(chǔ)層厚度，m；μ——原油黏度，mPa·s；pw——井底流壓，MPa；re——注采井距，m；rw——井筒半徑，m。

4 文東油田實(shí)例分析

針對(duì)文東油田文13西塊油藏實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬分析，得到油井產(chǎn)量分別與啟動(dòng)壓力梯度和應(yīng)力敏感系數(shù)的變化關(guān)系。其中滲透率應(yīng)力敏感系數(shù)和啟動(dòng)壓力梯度根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得，αk=0.02 MPa-1，G=0.001 MPa/m。

(1)圖4為壓敏系數(shù)αk=0.02 MPa-1，在不同啟動(dòng)壓力梯度情況下，計(jì)算不同情況的原油產(chǎn)量?？梢钥闯觯?jiǎn)?dòng)壓力梯度和應(yīng)力敏感效應(yīng)明顯會(huì)降低油井產(chǎn)量。啟動(dòng)壓力梯度對(duì)產(chǎn)量的影響基本上是線性的，隨著啟動(dòng)壓力梯度的增加，啟動(dòng)壓力梯度對(duì)產(chǎn)量的影響也將越來(lái)越大。當(dāng)G=0.003 MPa/m時(shí)，產(chǎn)量比什么都不考慮時(shí)相比下降3.4%。當(dāng)只考慮應(yīng)力敏感效應(yīng)αk=0.02 MPa-1，產(chǎn)量下降為21.2%?？梢?jiàn)應(yīng)力敏感效應(yīng)對(duì)產(chǎn)量的影響要比啟動(dòng)壓力梯度影響更明顯。

圖4 啟動(dòng)壓力梯度與油井產(chǎn)量的關(guān)系曲線

(2)圖5為定啟動(dòng)壓力梯度G=0.001 MPa/m，在不同的壓敏系數(shù)情況下，計(jì)算不同情況的原油產(chǎn)量。可以看出：隨著壓敏系數(shù)增加，油井產(chǎn)量急劇下降，當(dāng)αk=0.06 MPa-1時(shí)，產(chǎn)量比什么都不考慮時(shí)相比下降47.9%，幾乎下降一半。此時(shí)啟動(dòng)壓力梯度對(duì)產(chǎn)量的影響就顯得比較微弱。

圖5 壓敏效應(yīng)與油井的產(chǎn)量的關(guān)系曲線

5 結(jié)論與建議

(1)深層高壓低滲透油藏明顯存在啟動(dòng)壓力梯度和應(yīng)力敏感效應(yīng)，這兩個(gè)因素對(duì)儲(chǔ)層孔隙度和滲透率均成冪指數(shù)關(guān)系，極大地制約著油藏開(kāi)發(fā)。

(2)文東油田巖心實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)滲透率低于5×10-3μm2時(shí)，隨著滲透率減小，儲(chǔ)層啟動(dòng)壓力梯度急劇增大，對(duì)滲透率的影響最為明顯；而當(dāng)滲透率大于5×10-3μm2時(shí)，啟動(dòng)壓力梯度較小，對(duì)滲透率的影響也比較微弱。雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下啟動(dòng)壓力梯度與滲透率呈線性關(guān)系。

(3)文東油田屬深層高壓低滲透儲(chǔ)層，存在明顯的應(yīng)力敏感效應(yīng)和啟動(dòng)壓力梯度影響，應(yīng)力敏感效應(yīng)對(duì)產(chǎn)量影響更為明顯。建議開(kāi)發(fā)過(guò)程中特別注意維持地層壓力，如采取注水等措施，盡量減輕應(yīng)力敏感效應(yīng)對(duì)產(chǎn)量的影響。

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編輯：李金華

1673-8217(2015)03-0110-03

2014-11-27

劉銀山，碩士研究生，1988年生，2013年畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院油氣田開(kāi)發(fā)專業(yè)，主要從事油氣田開(kāi)發(fā)及戰(zhàn)略規(guī)劃方面研究工作。

國(guó)家科技重大專項(xiàng)“中西部地區(qū)碎屑巖領(lǐng)域勘探關(guān)鍵技術(shù)”(2011ZX05002-005)。

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