魯瑞彬，胡 琳，王雯娟，楊 柳，張 騫

(中海石油(中國)有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057)

0 引 言

應(yīng)力敏感伴隨氣藏開發(fā)整個過程，對氣藏開發(fā)方案研究、指標(biāo)預(yù)測都有較大影響，通常采用室內(nèi)實驗的方式對應(yīng)力敏感進(jìn)行研究[1-4]。在實驗過程中常采用變圍壓定內(nèi)壓及定圍壓變內(nèi)壓2種實驗方法來模擬實際開發(fā)過程中的應(yīng)力敏感，前人[5-9]實驗研究較多，但在實驗結(jié)果及實驗代表性等認(rèn)識上存在一定差異。2種實驗方法均采用干巖心開展實驗，未能真正模擬地層存在束縛水下的滲流情況，且已有應(yīng)力敏感研究多是基于室內(nèi)實驗[7，10-11]，缺乏對實驗結(jié)果和氣藏開發(fā)實踐認(rèn)識的對比分析，無法解決南海西部高溫高壓氣藏開發(fā)實踐應(yīng)力敏感程度較實驗結(jié)果弱的問題。

南海西部高溫高壓氣藏物性差，試井滲透率多在20.00 mD以下(部分區(qū)塊試井滲透率小于3.00 mD)，壓力系數(shù)大于1.90，開發(fā)過程中存在一定的應(yīng)力敏感現(xiàn)象。通過優(yōu)選變內(nèi)壓建立束縛水應(yīng)力敏感實驗，結(jié)合南海西部高溫高壓氣藏開發(fā)應(yīng)力敏感認(rèn)識，對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，從而指導(dǎo)探井、生產(chǎn)井試井解釋及合理配產(chǎn)。

1 應(yīng)力敏感實驗方法及影響因素研究

1.1 應(yīng)力敏感實驗方法優(yōu)選

變圍壓和變內(nèi)壓是目前常用的應(yīng)力敏感實驗方法[12]，2種方法均存在不能準(zhǔn)確模擬氣藏開發(fā)生產(chǎn)實際過程的問題。通過開展不同方式應(yīng)力敏感實驗，對比分析各實驗結(jié)果差異，從而確定最佳實驗。

(1)變圍壓應(yīng)力敏感實驗。變圍壓實驗操作簡單，是目前應(yīng)力敏感實驗最普遍的方法[13-15]。該實驗?zāi)M的是有效應(yīng)力隨上覆壓力的變化而變化，與實際氣藏開發(fā)過程中有效應(yīng)力隨孔隙壓力的減小而變化存在一定差異，且有效應(yīng)力計算存在較大爭議[9,16-17]，綜合分析認(rèn)為變圍壓應(yīng)力敏感實驗代表性差。

(2)變內(nèi)壓應(yīng)力敏感實驗。變內(nèi)壓應(yīng)力敏感實驗一般設(shè)定入口壓力等于地層壓力，出口和入口保持一定壓差，實驗過程中出口和入口端壓力同步下降[18]。該方法雖然能夠很好模擬氣藏開發(fā)過程中地層壓力的變化情況，但沒有考慮開發(fā)過程中地層束縛水對儲層物性變化的影響。

(3)定圍壓變內(nèi)壓建立束縛水應(yīng)力敏感實驗。定圍壓變內(nèi)壓同時建立束縛水實驗不但能夠很好地模擬地層壓力的變化，還可以考慮隨著壓力的下降束縛水對物性的影響，因此，采用該應(yīng)力敏感實驗開展研究。

1.2 應(yīng)力敏感影響因素

從機(jī)理上分析，有效應(yīng)力變化量及組成巖石的礦物成分是影響儲層應(yīng)力敏感強(qiáng)弱的決定因素[10]。在實際研究過程中，應(yīng)力敏感程度還受實驗溫度、實驗方式、巖心滲透率、裂縫發(fā)育程度等因素影響。結(jié)合南海西部地質(zhì)油藏特征(裂縫不發(fā)育)及各影響因素主次關(guān)系，重點研究實驗方式、礦物含量、巖心滲透率對應(yīng)力敏感的影響。

1.2.1 不同實驗方式對應(yīng)力敏感的影響

由于變圍壓和變內(nèi)壓的應(yīng)力作用機(jī)理不同，變圍壓增大了有效應(yīng)力的變化量，導(dǎo)致變圍壓應(yīng)力敏感實驗結(jié)果大于變內(nèi)壓實驗，放大了氣藏開發(fā)過程中的應(yīng)力敏感效應(yīng)[9,15-17]。

在變內(nèi)壓實驗中，巖心是否建立束縛水影響應(yīng)力敏感實驗結(jié)果，大量實驗發(fā)現(xiàn)，巖心建立束縛水較不建立束縛水應(yīng)力敏感更強(qiáng)。在建立束縛水應(yīng)力敏感實驗中，在孔隙被壓縮后，會造成一定程度的束縛水運移，運移量小，無法移出巖心，只在巖心內(nèi)部重新分布，堵塞較小的孔隙，增加小喉道氣體的滲流阻力，造成巖心滲透率降低。因此，對于低滲透巖心，建立束縛水與不建立束縛水巖心應(yīng)力敏感實驗結(jié)果相差較大。

1.2.2 巖心礦物含量對應(yīng)力敏感的影響

巖心中高硬度礦物含量越高，應(yīng)力敏感越弱，影響巖心應(yīng)力敏感性的主要礦物成分為石英、長石、黏土礦物等，其中，石英硬度最強(qiáng)，長石次之，黏土最弱。

1.2.3 初始滲透率對應(yīng)力敏感的影響

南海西部大量應(yīng)力敏感實驗結(jié)果及前人[19]研究成果均表明初始滲透率越低，應(yīng)力敏感越強(qiáng)。

2 研究區(qū)應(yīng)力敏感實驗

利用變內(nèi)壓建立束縛水實驗開展研究區(qū)氣田應(yīng)力敏感研究，改進(jìn)應(yīng)力敏感表征方法，獲得研究區(qū)應(yīng)力敏感評價系數(shù)。

2.1 應(yīng)力敏感表征

目前常用的評價儲層應(yīng)力敏感的方法有滲透率損失率[12]、滲透率損害系數(shù)和數(shù)學(xué)回歸等方法。

(1)

(2)

式中：Dstn為有效應(yīng)力增加過程中不同有效應(yīng)力下的滲透率損害率；Ki為初始滲透率，mD；Kn為有效應(yīng)力增加過程中不同有效應(yīng)力下的巖心滲透率，mD；Dkp為滲透率損害系數(shù)，MPa-1；pn為有效應(yīng)力增加過程中不同有效應(yīng)力值，MPa。

式(2)用來表征氣藏開發(fā)過程(應(yīng)力敏感實驗過程)中不同開發(fā)(實驗)階段應(yīng)力敏感的強(qiáng)弱，計算結(jié)果是連續(xù)的，過程比較復(fù)雜，且指導(dǎo)應(yīng)用意義較差，目前應(yīng)用較少。對式(2)進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，用隨有效應(yīng)力增加過程中滲透率下降的比例來表征氣藏開發(fā)過程中不同階段應(yīng)力敏感的強(qiáng)弱。

(3)

式中：Δσ為有效應(yīng)力變化量，MPa。

利用式(3)計算氣藏開發(fā)過程中不同開發(fā)階段應(yīng)力敏感的強(qiáng)弱更為簡單，只涉及氣藏初始狀態(tài)和目前開發(fā)狀態(tài)，與中間過程無關(guān)，與式(2)相比簡單易用、推廣性較強(qiáng)。

在南海西部高溫高壓氣藏應(yīng)力敏感研究中，以冪律關(guān)系式來表征不同氣藏、不同應(yīng)力敏感實驗的強(qiáng)弱程度，指導(dǎo)氣藏開發(fā)，如式(4)所示；利用式(3)對比分析氣藏開發(fā)過程中不同開發(fā)階段應(yīng)力敏感的強(qiáng)弱，用于分析高溫高壓氣藏應(yīng)力敏感變化規(guī)律。

(4)

式中：a為系數(shù)；γ為應(yīng)力敏感冪律系數(shù)。

2.2 研究區(qū)應(yīng)力敏感實驗結(jié)果

研究區(qū)F氣田為中孔中低滲氣藏，儲層埋深約為2 700 m，壓力系數(shù)為1.95。以研究區(qū)實際壓力數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，開展8塊巖心變內(nèi)壓建立束縛水應(yīng)力敏感實驗(表1)，其中，圍壓設(shè)置為67.5 MPa，最大孔隙壓力為51.5 MPa，最小孔隙壓力為6.5 MPa左右，初始有效應(yīng)力為16.0 MPa，最大有效應(yīng)力為61.0 MPa，有效應(yīng)力變化量為0.0～45.0 MPa，實驗結(jié)果見圖1。對8塊巖心的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，得到研究區(qū)實驗應(yīng)力敏感冪律系數(shù)為0.176。

表1 巖心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及實驗結(jié)果

圖1 研究區(qū)巖心應(yīng)力敏感實驗結(jié)果

3 研究區(qū)應(yīng)力敏感校正

以南海西部高溫高壓F氣田生產(chǎn)井歷次試井解釋結(jié)果數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對比分析實驗結(jié)果與礦場實際應(yīng)力敏感程度差異，并推導(dǎo)得出實驗應(yīng)力敏感校正系數(shù)，從而可以有效指導(dǎo)實驗結(jié)果在氣藏生產(chǎn)中的應(yīng)用。

3.1 實驗結(jié)果與礦場實際對比

F氣田經(jīng)過多次壓力恢復(fù)測試的井共3口，均表現(xiàn)出一定的應(yīng)力敏感效應(yīng)，3口井歷次試井解釋結(jié)果見表2。分析3口井歷次試井解釋結(jié)果，并作歸一化處理，得到研究區(qū)實際應(yīng)力敏感冪律系數(shù)為0.094(圖2)。

綜合實驗結(jié)果及研究區(qū)試井解釋結(jié)果，分別得到研究區(qū)實驗應(yīng)力敏感方程和實際試井解釋應(yīng)力敏感方程，如式(5)和式(6)所示，應(yīng)力敏感冪律系數(shù)分別為0.176和0.094，應(yīng)力敏感程度存在較大差別(圖3)，實驗結(jié)果夸大了高溫高壓氣藏應(yīng)力敏感程度，不能直接應(yīng)用到實際氣田開發(fā)生產(chǎn)中。

(5)

(6)

式中：Kn實驗為實驗有效應(yīng)力增加過程中不同有效應(yīng)力下的巖心滲透率，mD；Ki實驗為實驗巖心初始滲透率，mD；Kn實際為試井解釋有效應(yīng)力增加過程中不同有效應(yīng)力下的試井滲透率，mD；Ki實際為氣井投產(chǎn)初期試井滲透率，mD。

表2 F氣田各井歷次試井解釋結(jié)果

圖2 研究區(qū)實際應(yīng)力敏感曲線

圖3 實驗和生產(chǎn)井實際應(yīng)力敏感對比

3.2 應(yīng)力敏感校正系數(shù)

實驗與實際應(yīng)力敏感存在差異的原因為實驗誤差、試井解釋誤差、巖心代表性、儲層非均質(zhì)性及氣藏開發(fā)實際過程中有效應(yīng)力變化的計算方法等，各因素難以定量表征，因此，無法針對具體因素開展應(yīng)力敏感校正。為方便開發(fā)應(yīng)用，提出滲透率校正系數(shù)η來表征實驗和實際之間的差異。

η為地層壓力下降的函數(shù)，目前研究區(qū)地層壓力下降約17 MPa，得到實際儲層滲透率為實驗滲透率的1.26倍，實際應(yīng)力敏感程度僅為實驗值的79%。

(7)

式中：η為滲透率校正系數(shù)。

進(jìn)一步分析高溫高壓氣藏應(yīng)力敏感特征，利用應(yīng)力敏感方程計算滲透率損害系數(shù)，計算結(jié)果如圖4所示。

圖4 滲透率損害系數(shù)計算結(jié)果

由圖4可知，高壓氣藏前期滲透率下降速度較快，應(yīng)力敏感表現(xiàn)較強(qiáng)，當(dāng)研究區(qū)有效應(yīng)力變化達(dá)到25 MPa之后，滲透率下降幅度明顯降低，整個開發(fā)過程呈現(xiàn)“兩段式”應(yīng)力敏感，曲線為“先陡后緩”型。

3.3 應(yīng)力敏感校正系數(shù)驗證

南海西部LD氣田為高溫高壓低滲氣田，滲透率為5.00 mD左右，LD-1井為該氣田的一口生產(chǎn)井，2017年2月投產(chǎn)，投產(chǎn)初期試井滲透率為7.60 mD，該井于2018年12月進(jìn)行壓力恢復(fù)測試，解釋結(jié)果表明該井地層壓力下降為16.4 MPa，滲透率為6.30 mD，下降1.30 mD。

利用該氣田變內(nèi)壓、建立束縛水應(yīng)力敏感實驗數(shù)據(jù)，得到實驗應(yīng)力敏感方程為：

(8)

利用式(8)，帶入相關(guān)參數(shù)，計算得到該井滲透率為5.20 mD，利用式(7)計算得到該氣田實驗應(yīng)力敏感校正系數(shù)為1.260，進(jìn)而計算得到該井實驗滲透率為6.54 mD，與實測滲透率6.30 mD相比，誤差僅為3.8%，計算精度較高。

4 指導(dǎo)應(yīng)用

4.1 指導(dǎo)高溫高壓氣井配產(chǎn)

以式(6)和產(chǎn)能方程為基礎(chǔ)，進(jìn)行應(yīng)力敏感對產(chǎn)能影響研究(圖5)。由圖5可知，隨著應(yīng)力敏感冪律系數(shù)的增大，氣井產(chǎn)能不斷降低，無阻流量降低比例與應(yīng)力敏感冪律系數(shù)增加比例基本呈線性關(guān)系，從而指導(dǎo)不同應(yīng)力敏感下高壓氣井配產(chǎn)。

圖5 不同應(yīng)力敏感冪律系數(shù)下的氣井流入動態(tài)曲線

4.2 指導(dǎo)高溫高壓氣井試井解釋

應(yīng)力敏感研究成果可以很好地指導(dǎo)高溫高壓氣藏生產(chǎn)井及探井的試井解釋，已在南海西部4口生產(chǎn)井及3口探井中成功應(yīng)用。

以L-3高溫高壓探井為例，該井地層壓力為90 MPa，溫度為194 ℃，壓力系數(shù)為2.28。采用一開一關(guān)測試制度，開井產(chǎn)能測試階段歷經(jīng)5個油嘴工作制度共36 h，壓力恢復(fù)關(guān)井21 h。該井物性差，開井壓降漏斗陡峭，壓差大，依據(jù)應(yīng)力敏感認(rèn)識結(jié)果，解釋采用徑向復(fù)合模型，井周25 m范圍內(nèi)壓差大，應(yīng)力敏感強(qiáng)，外圍壓差小，應(yīng)力敏感弱，外圍物性好于井周，雙對數(shù)曲線見圖6。應(yīng)力敏感認(rèn)識結(jié)果對于探井、生產(chǎn)井的試井解釋起到很好的指導(dǎo)作用。

5 結(jié) 論

(1)開展變內(nèi)壓建立束縛水應(yīng)力敏感實驗研究，有效模擬氣藏開發(fā)實際，明確高壓氣藏“兩段式”應(yīng)力敏感變化規(guī)律，改進(jìn)滲透率損害系數(shù)表征方法，并建立了實驗、開發(fā)實踐應(yīng)力敏感方程。

圖6 L-3井雙對數(shù)曲線圖

(2)對比分析實驗應(yīng)力敏感和開發(fā)認(rèn)識應(yīng)力敏感差異，建立了南海西部高溫高壓氣藏應(yīng)力敏感實驗校正方程，獲得靶區(qū)應(yīng)力敏感校正系數(shù)，解決了南海西部應(yīng)力敏感實驗難以直接應(yīng)用到礦場實踐的問題。

(3)基于研究區(qū)應(yīng)力敏感認(rèn)識指導(dǎo)高溫高壓氣藏氣井配產(chǎn)及試井解釋，為南海西部高溫高壓氣藏合理開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。