李嘉瑞　陳付虎　姚昌宇　沈妍斐

(1.中石化華北分公司工程技術(shù)研究院， 鄭州 450006；

2.中石化華北分公司勘探開發(fā)研究院， 鄭州 450006)

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紅河油田長8儲層應(yīng)力敏感性研究

李嘉瑞1陳付虎1姚昌宇1沈妍斐2

(1.中石化華北分公司工程技術(shù)研究院， 鄭州 450006；

2.中石化華北分公司勘探開發(fā)研究院， 鄭州 450006)

摘要：紅河油田屬于發(fā)育天然裂縫的低孔低滲致密油藏，衰竭式開發(fā)使得該油田存在應(yīng)力敏感傷害的可能。通過幾口井長8儲層巖心的室內(nèi)應(yīng)力敏感實驗，在對行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于應(yīng)力敏感實驗評價方法提出改進措施的基礎(chǔ)上，定量評價基質(zhì)巖心與裂縫巖心的應(yīng)力敏感損害程度。運用數(shù)值模擬軟件分析應(yīng)力敏感對單井生產(chǎn)動態(tài)的影響，模擬結(jié)果表明應(yīng)力敏感是前期產(chǎn)量遞減和含水率上升的影響因素之一。通過不同生產(chǎn)制度下應(yīng)力敏感的傷害程度分析，提出降低應(yīng)力敏感傷害的建議。

關(guān)鍵詞：紅河油田； 低滲儲層； 應(yīng)力敏感； 數(shù)值模擬

如何高效開發(fā)低滲透油田是近年來石油工作者的研究重點和難點。鄂爾多斯盆地南部的紅河油田儲層低滲致密，在油藏衰竭式開發(fā)過程中，隨著地層壓力的不斷降低，儲層巖石所承受的有效應(yīng)力不斷增加，造成巖石骨架顆粒變形和巖石中微裂縫的閉合，從而導(dǎo)致儲層巖石滲透率、孔隙度以及巖石的壓縮系數(shù)等發(fā)生變化[1]。

對長8儲層巖心進行室內(nèi)應(yīng)力敏感實驗，提出新的評價方法并對3口井的實驗數(shù)據(jù)重新做定量評價，認(rèn)為裂縫發(fā)育區(qū)的應(yīng)力敏感性強于基質(zhì)區(qū)，尤其表現(xiàn)在有效應(yīng)力增加的初期。利用Eclipse數(shù)值模擬軟件，考慮儲層應(yīng)力敏感開展數(shù)值模擬研究[2]。模擬結(jié)果表明考慮應(yīng)力敏感性的各項生產(chǎn)指標(biāo)都明顯低于不考慮應(yīng)力敏感的各項生產(chǎn)指標(biāo)，應(yīng)力敏感是前期產(chǎn)量遞減快的重要影響因素之一，并通過數(shù)值模擬等技術(shù)手段對生產(chǎn)制度進行了優(yōu)化。

1應(yīng)力敏感的傷害機理

(1)裂縫性儲層的應(yīng)力敏感傷害。天然裂縫在應(yīng)力作用下，會發(fā)生一定程度上的閉合現(xiàn)象(圖1(a))。

(2)巖石彈塑性變形的應(yīng)力敏感傷害。隨著巖石彈塑性變形的發(fā)生，孔隙空間會呈指數(shù)趨勢降低，這將降低巖石的滲透率。對于低滲油田來說，孔隙中一些細(xì)小的喉道將變得更小，形成嚴(yán)重的賈敏效應(yīng)(圖1(b))。

圖1　應(yīng)力敏感的傷害機理示意圖

(3)黏土礦物的應(yīng)力敏感傷害機理。Bernabe和Berryman等人[3-5]的研究結(jié)果認(rèn)為：黏土礦物相比于巖石，壓縮性更大，更容易在孔隙壓力降低的過程中膨脹；而分散狀的黏土礦物附著物，極有可能隨著流體的流動及孔隙壓力的降低而產(chǎn)生運移，堵塞喉道(圖1(c))。

2巖心應(yīng)力敏感實驗

2.1基質(zhì)巖心的應(yīng)力敏感實驗

選取3口井長8層均不發(fā)育微裂縫的巖心進行基質(zhì)儲層應(yīng)力敏感性分析。

圖2　基質(zhì)巖心應(yīng)力敏感實驗結(jié)果

國內(nèi)應(yīng)力敏感的主流評價指標(biāo)有應(yīng)力敏感系數(shù)法和滲透率損害率法[6]：應(yīng)力敏感系數(shù)法能夠定性的分析有效應(yīng)力對滲透率的影響；滲透率損害率法能定量描述在實驗最大有效應(yīng)力與最小有效應(yīng)力下的滲透率值的變化率，該方法為行業(yè)評價標(biāo)準(zhǔn)(SY標(biāo)準(zhǔn))。

表1　巖心氣測壓敏SY標(biāo)準(zhǔn)評價結(jié)果

按照紅河油田長8儲層的巖石力學(xué)實驗結(jié)果，平均垂向主應(yīng)力梯度為 0.025 MPam，2 000 m埋深的地層上覆巖石壓力為50.0 MPa。紅河油田的平均地層壓力系數(shù)為0.919，儲層埋深2 000 m的地層壓力為18.4 MPa。

巖石承受的有效應(yīng)力等于圍壓(模擬上覆巖石壓力)減去孔隙壓力，然而2 000 m地層所承受的有效應(yīng)力范圍應(yīng)該是31.6~50.0 MPa。按照SY標(biāo)準(zhǔn)圍壓從0 MPa增加到50.0 MPa，評價結(jié)果一般為中偏強或更強，即表示低滲透地層存在強應(yīng)力敏感[7]。實際上對埋深2 000 m左右的儲層而言，30.0 MPa以下的測點無實際的工程應(yīng)用價值。

在設(shè)計基質(zhì)地層的應(yīng)力敏感實驗時，可根據(jù)地層承受的實際有效應(yīng)力來確定實驗圍壓的變化范圍。根據(jù)現(xiàn)有的實驗數(shù)據(jù)，擬合這3口井在最大有效應(yīng)力下的滲透率值(見圖3)。

圖3　滲透率與有效應(yīng)力擬合曲線

30.0~50.0 MPa符合實際地層有效應(yīng)力的變化范圍，上覆壓力不變，孔隙壓力從原始地層壓力降為0。因此以30.0，50.0 MPa為基準(zhǔn)，計算紅河373井的滲透率損害率為20.1%，紅河49井的滲透率損害程度為12.9%，紅河50井的滲透率損害程度為5.7%。

2.2裂縫巖心的應(yīng)力敏感實驗

紅河油田在開發(fā)過程中表現(xiàn)出局部地區(qū)裂縫發(fā)育的特征，但所取巖心均無裂縫。因此為研究發(fā)育天然裂縫巖心的應(yīng)力敏感，將巖石加壓起裂，人為制造裂縫。實驗巖心取自鎮(zhèn)探1井長8儲層。

圖4　鎮(zhèn)探1井裂縫性巖心應(yīng)力敏感實驗結(jié)果

紅河油田因垂向應(yīng)力較強，難以形成天然水平裂縫，多發(fā)育高角度的垂直裂縫，此時促使裂縫閉合的主要應(yīng)力為水平最小主應(yīng)力。根據(jù)巖石力學(xué)實驗結(jié)果及地應(yīng)力研究結(jié)果，平均水平最小主應(yīng)力方向為北東171.6°，水平最小主應(yīng)力梯度為0.015 4~0.017 0 MPam范圍內(nèi)，平均為0.016 1 MPam。鎮(zhèn)探1井埋深2 174 m，孔隙壓力為20.0 MPa，水平最小主應(yīng)力為35.0 MPa。通過垂向應(yīng)力梯度和地層壓力梯度確定有效應(yīng)力的變化范圍為15.0~35.0 MPa。根據(jù)實驗結(jié)果分析，鎮(zhèn)探1井裂縫性巖心的滲透率從4.500×10-3μm2降到0.079×10-3μm2，滲透率損害率高達(dá)97.8%，且傷害幾乎不可逆。

3考慮基質(zhì)應(yīng)力敏感的油藏數(shù)值模擬

通過Rocktab關(guān)鍵詞，將巖石的壓縮模擬為壓力的函數(shù)，巖石的滲透率隨著網(wǎng)格塊壓力的降低而降低。這種壓縮可假設(shè)為不可逆或可逆2種情況。輸入Eclipse中的上覆壓力是關(guān)于深度的函數(shù)，假設(shè)上覆巖層不隨時間而發(fā)生變化，上覆壓力比流體壓力大。這種情況下可用滲透率和孔隙流體壓力的關(guān)系來表示巖石的壓縮性，見表2。

表2　紅河373井滲透率系數(shù)隨地層壓力的變化表

注：k0為原始地層壓力所對應(yīng)的滲透率值，k0=0.047×10-3μm2；k1為某地層壓力所對應(yīng)的氣測滲透率值(經(jīng)應(yīng)力敏感性實驗測定轉(zhuǎn)換)。

為研究應(yīng)力敏感對單井產(chǎn)量的影響，選擇應(yīng)力敏感較強的紅河373井實驗數(shù)據(jù)開展應(yīng)力敏感對產(chǎn)量的影響研究。根據(jù)紅河373井的地質(zhì)資料與壓裂施工情況，建立直井壓裂后的均質(zhì)單井理論地質(zhì)模型。

根據(jù)該井實際生產(chǎn)情況，以4 m3d的產(chǎn)量進行配產(chǎn)，分別模擬考慮應(yīng)力敏感與不考慮應(yīng)力敏感條件下單井生產(chǎn)5 a的生產(chǎn)動態(tài)。儲層厚度參考紅河373井測井解釋結(jié)果，有效厚度15 m，射孔5 m后壓裂形成縫長200 m的雙翼縫，模擬結(jié)果見圖5。

圖5　考慮應(yīng)力敏感與不考慮應(yīng)力敏感模擬結(jié)果對比

從圖5中可看出隨著生產(chǎn)的進行，地層壓力的下降，應(yīng)力敏感傷害顯現(xiàn)。考慮應(yīng)力敏感條件下，氣井穩(wěn)產(chǎn)期縮短，日產(chǎn)水量增加。紅河373井的滲透率損害率為20.1%，生產(chǎn)1 800 d的累計產(chǎn)量比無應(yīng)力敏感時少了10%，含水率明顯升高。

通過適當(dāng)關(guān)井恢復(fù)地層壓力，保證井底壓力，防止出現(xiàn)較嚴(yán)重的應(yīng)力敏感傷害。根據(jù)應(yīng)力敏感的特點，制定不同的間歇式關(guān)井生產(chǎn)制度，尋求降低傷害的方法。圖6(a)中的開關(guān)井周期為關(guān)井30 d后，開井生產(chǎn)30 d；圖6(b)中的關(guān)井周期為關(guān)井10 d后，開井生產(chǎn)60 d。2種間歇式關(guān)井預(yù)測結(jié)果表明，開關(guān)井周期越短，關(guān)井時間越長，則穩(wěn)產(chǎn)時間越長；而開關(guān)井周期越長，關(guān)井時間越短，穩(wěn)產(chǎn)時間相應(yīng)變短，但采油速度相對較快。實際生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)應(yīng)力敏感性的強弱、應(yīng)力敏感傷害的可逆程度、地層壓力恢復(fù)速度以及是否能夠達(dá)到較快的生產(chǎn)速度這幾個因素綜合制定開關(guān)井制度。

圖6　不同間歇式關(guān)井與連續(xù)生產(chǎn)的日產(chǎn)油量對比

4考慮應(yīng)力敏感傷害的生產(chǎn)制度建議

(1)實驗結(jié)果表明天然裂縫對應(yīng)力的敏感性強，容易在應(yīng)力作用下閉合導(dǎo)致滲透率大幅度下降。對于裂縫性油藏的開采而言，應(yīng)該嚴(yán)格注意動液面的高度，控制井底流壓，保持地層壓力，避免造成不可逆的應(yīng)力敏感傷害。模擬結(jié)果表明，控制開關(guān)井次數(shù)可在一定程度上減少應(yīng)力敏感對地層的傷害，開關(guān)井制度可根據(jù)地層敏感傷害程度、生產(chǎn)速度等因素綜合決定。

(2)對于實驗中出現(xiàn)的傷害較為嚴(yán)重且不可逆的巖心，即隨著有效應(yīng)力的減小仍無法恢復(fù)原有滲透率(圖2中紅河49井)的巖心以塑性變形或結(jié)構(gòu)性損壞為主。對于此類地層，采取關(guān)井恢復(fù)地層壓力措施時已經(jīng)發(fā)生不可逆?zhèn)?，地層恢?fù)效果差，故不推薦這類井使用關(guān)井保壓措施。

5結(jié)語

(1)分別討論了基質(zhì)巖心和裂縫性巖心的應(yīng)力敏感評價思路。根據(jù)不同地層的埋深、地層壓力、最小主應(yīng)力，設(shè)計應(yīng)力敏感實驗，評價地層應(yīng)力敏感程度。

(2)天然裂縫發(fā)育儲層更容易出現(xiàn)強應(yīng)力敏感性特征。在有效應(yīng)力增加初期，滲透率即出現(xiàn)較大的損害，符合實際開發(fā)中裂縫發(fā)育區(qū)早期產(chǎn)量高，遞減迅速的特征。

(3)基質(zhì)地層的應(yīng)力敏感性不強。通過數(shù)值模擬結(jié)果分析，適當(dāng)關(guān)井保持地層壓力的手段可行性較高。

(4)可根據(jù)實驗中巖心滲透率傷害強弱程度及可逆性，決定是否采用關(guān)井恢復(fù)地層壓力的措施以及如何優(yōu)化開關(guān)井制度。

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Study of Stress Sensitivity of Chang8 Reservoir in Honghe Oilfield

LIJiarui1CHENFuhu1YAOChangyu1SHENYanfei2

(1.Sinopec North China Company Research Institute of Engineering Technology, Zhengzhou 450006, China;

2.Sinopec North China Company Research Institute of Petroleum Exploration and Development,

Zhengzhou 450006, China)

Abstract:Honghe oilfield belongs to low porosity and low permeability tight reservoir with natural fracture; here exists the possibility of stress sensitivity damage due to depletion development. The cores and fractured cores stress sensitivity degree was evaluated according to several wells reservoir cores of interior stress sensitivity experiments, based on the improved evaluation method of industry stress sensitivity experiment standard. Numerical simulation software was used to analyze the effect of stress sensitivity on the single well production performance; the simulation results show that the stress sensitivity is one of the factors that affect the early yield decreasing and water cut rising. Through analysis of damage degree of sensitivity under different production system, it put forward a suggestion that could reduce the stress sensitivity damage.

Key words:Honghe oilfield; low permeability reservoir; stress sensitivity; numerical simulation

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-1980(2015)03-0052-04

中圖分類號：P618

作者簡介：李嘉瑞(1987 — )，男，河南濮陽人，碩士，助理工程師，研究方向為壓裂酸化。

基金項目：中石化科研攻關(guān)項目“鄂南致密砂巖油田水平井高效開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)”(P12130)

收稿日期：2014-09-12