鄢友軍 劉義成 徐 偉 鄧 惠 羅文軍

國家能源高含硫氣藏開采研發(fā)中心

1 概述

在碳酸鹽巖氣藏衰竭開采過程中，隨著氣藏流體壓力下降，凈應(yīng)力也會隨之逐漸增大，這必然要引起巖石骨架和儲集介質(zhì)（孔隙、溶洞和裂縫）的變形，從而造成巖石孔隙結(jié)構(gòu)的改變。這種變化將會較大地影響儲層中流體的滲流能力?？p洞型碳酸鹽巖儲層又多發(fā)育交叉網(wǎng)狀、扁平板狀裂縫。裂縫開度低，溶蝕孔洞之間多為細(xì)小喉道溝通。在凈應(yīng)力增大過程中裂縫和細(xì)小喉道作為主要的滲流通道，其閉合將更大地影響流體的滲流能力[1]。因此在此類型儲層氣藏開發(fā)前期應(yīng)當(dāng)及時開展應(yīng)力敏感性評價實驗，以便能客觀地了解在開采過程中，儲層在凈應(yīng)力改變時孔喉喉道、溶洞和裂縫變形的過程，以及由此導(dǎo)致的儲層滲流能力變化情況。

賴楓鵬等認(rèn)為傳統(tǒng)的應(yīng)力敏感實驗與地層真實情況存在較大差異，通過進(jìn)行有/無孔隙內(nèi)壓力的三軸應(yīng)力變形實驗對比分析，推導(dǎo)出由三軸應(yīng)力實驗結(jié)果計算的滲透率變化的數(shù)學(xué)模型[2]。高樹生等開展了震旦系燈影組四段氣藏儲層巖心的滲流實驗，認(rèn)為應(yīng)力敏感和高速非達(dá)西效應(yīng)是影響滲流的主要因素；王海洋等在進(jìn)行深層致密雙重介質(zhì)氣藏應(yīng)力敏感實驗分析后，發(fā)現(xiàn)高滲巖心應(yīng)力敏感程度要高于低滲巖心[3]。徐新麗對含微裂縫的低滲儲層進(jìn)行應(yīng)力敏感實驗研究，得出該類儲層巖心應(yīng)力敏感程度很弱，不會造成產(chǎn)能的大幅度變化的結(jié)論[4]。這些國內(nèi)應(yīng)力敏感性研究結(jié)果表明：在氣藏開采過程中，滲透率應(yīng)力敏感性強(qiáng)弱與儲層的壓力和溫度有較大的關(guān)系。然而，高溫高壓地層條件下，氣藏在開采過程中，受到的凈應(yīng)力比常溫常壓或低壓條件下更強(qiáng)，作為主要滲流通道的裂縫是否會產(chǎn)生更為顯著的變形，連通孔洞的喉道是否會易于閉合、形成更多的封閉氣，從而使得常溫低壓下的滲透率應(yīng)力敏感性實驗結(jié)果與地層高溫高壓條件下的結(jié)果存在明顯的差異[5]等等，這些問題都不是僅能通過常規(guī)條件下的室內(nèi)實驗?zāi)芙獯鸬摹Ｒ虼?，需要開展地層條件下的巖心應(yīng)力敏感實驗來明確研究區(qū)儲層的應(yīng)力敏感程度及對生產(chǎn)的影響。

四川盆地川中地區(qū)LY氣藏為深層縫洞型碳酸鹽巖氣藏，縫洞發(fā)育明顯，且非均質(zhì)性較強(qiáng)(圖1)。以此氣藏儲層為例進(jìn)行高溫高壓條件與常溫低壓條件下的應(yīng)力敏感實驗并對實驗結(jié)果進(jìn)行對比，可以為是否有必要開展地層條件下應(yīng)力敏感實驗提供進(jìn)一步的參考實例。

圖1 儲層巖心中的溶洞和裂縫

2 常規(guī)應(yīng)力敏感實驗結(jié)果

在勘探初期受實驗條件的制約，川中地區(qū)LY氣藏未能開展地層條件下的巖心應(yīng)力敏感實驗，只能是用常規(guī)中低壓條件下應(yīng)力敏感實驗結(jié)果來推知其在高溫高壓條件下應(yīng)力敏感的趨勢。

實際氣藏開發(fā)過程中上覆巖層壓力基本維持不變，變化的主要是流體流動壓力，為了更好模擬碳酸鹽巖氣藏開采過程中應(yīng)力變化過程，常規(guī)中低壓條件下的應(yīng)力敏感實驗采用變流體壓力的方式來實現(xiàn)凈應(yīng)力的增長。實驗過程首先測試流壓30 MPa下巖心滲透率，然后按照流壓從大到小測試不同凈應(yīng)力下巖心滲透率，繪制不同凈應(yīng)力下滲透率應(yīng)力敏感曲線。

計算不同凈應(yīng)力下巖樣滲透率的損失變化率的公式為：

式中D表示凈應(yīng)力增加過程中滲透率損失率；K0表示初始滲透率，mD；Km表示不同凈應(yīng)力下巖心滲透率，mD；

滲透率應(yīng)力敏感性評價指標(biāo)參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《SY/T 5358-2010 儲層敏感性流動實驗評價方法》中的滲透率應(yīng)力敏感性損害程度評價指標(biāo)。圖2為依據(jù)變流壓實驗獲得的歸一化應(yīng)力敏感曲線，可以看出，滲透率保持率與凈應(yīng)力呈冪函數(shù)關(guān)系，歸一化應(yīng)力敏感曲線擬合的冪指數(shù)約為-0.583。根據(jù)歸一化后的應(yīng)力敏感曲線擬合結(jié)果，不同凈應(yīng)力下滲透率與地層應(yīng)力p的擬合關(guān)系為[6]：

圖2 歸一化后應(yīng)力敏感曲線圖

式中σs表示上覆巖層壓力，MPa；p表示地層壓力，MPa；C表示地層應(yīng)力敏感常數(shù)。

將已知實驗條件下的p=p0、K=K0帶入公式（3），可求出常數(shù)項C，確定常規(guī)實驗條件下LY氣藏儲層應(yīng)力敏感數(shù)學(xué)模型為：

式中K0表示實驗條件下測得的滲透率，mD；p0表示實驗條件下的流動壓力，MPa。

根據(jù)公式（3）建立的常規(guī)滲透率與地層條件下滲透率關(guān)系式，計算得到不同地層壓降下滲透率損失率（圖3）。隨著氣藏地層壓力下降，滲透率損失逐漸增加，地層壓力降至廢棄壓力10 MPa時應(yīng)力敏感造成滲透率損失約為27%。

圖3 儲層巖心滲透率損失率曲線

同樣根據(jù)上述的應(yīng)力敏感模型，確定出儲層覆壓條件下的滲透率（即覆壓滲透率）與常規(guī)滲透率換算關(guān)系。測試常規(guī)滲透率的凈應(yīng)力為2.0 MPa，LY氣藏初始凈應(yīng)力約為64 MPa，根據(jù)應(yīng)力敏感數(shù)學(xué)模型公式（3）得出：

式中Kc表示常規(guī)滲透率，mD。

即地層條件下的滲透率約為常規(guī)滲透率的13%。

但這是在未考慮到地層中實際上覆壓力和流動壓力以及溫度的理論化結(jié)果。在地層高溫高壓條件下，氣體黏度有所增加（實驗測試的氮氣55 MPa、110℃下氮氣黏度約為0.032 mPags ，30 MPa、24℃時約為0.024 mPags，增加幅度約為33%），使得相同流速數(shù)值下滲透率略有增加；但考慮到開采過程中凈應(yīng)力的增大又可能使得縫洞型儲層中的孔喉和裂縫閉合，造成的相同壓差下流動性的減弱。這兩方面的影響因素使得滲透率變化趨勢相反，不能簡單判定哪個因素的影響更大一些。

考慮到在實際地層中不僅是氣相滲流的流態(tài)有可能發(fā)生變化（從遠(yuǎn)井到近井），氣體的偏差系數(shù)、密度、黏度、相態(tài)都是在變化中[7]，常規(guī)應(yīng)力敏感測試結(jié)果與高溫高壓地層條件應(yīng)力敏感測試結(jié)果可能存在一定的差異[8]，所以針對碳酸鹽巖縫洞型儲層，應(yīng)當(dāng)開展高溫高壓條件下應(yīng)力敏感實驗，才能反映和分析實際地層中流體的流動特征，進(jìn)而為現(xiàn)場生產(chǎn)措施的制定提供的較為真實依據(jù)。

3 地層條件下滲流實驗的難點

目前常規(guī)條件下實驗結(jié)果仍在大量應(yīng)用于氣藏的實際生產(chǎn)中，而地層條件下的流動實驗開展較少，究其原因是因為：開展高溫高壓條件下滲流實驗和進(jìn)行滲流機(jī)理分析研究存在一些難點和困難，主要表現(xiàn)在以下幾方面：①實驗儀器要求高，實驗儀器要求能在高溫高壓條件下工作，對實驗儀器和配件的磨損率較高（圖4）。②在計量時誤差控制難度大，為了安全和耐壓，通常儀器的管線和儀器壁面都做得比較厚，有效體積小，這樣就帶來了較大的計量誤差，精度難以保證。③實驗流程設(shè)計和操作要求高，高溫高壓條件下滲流分析實驗的規(guī)范尚在摸索中。其中任何一個步驟失誤都有可能使實驗失敗。④實驗周期長，對實驗操作人員技術(shù)要求較高，實驗失敗率也較高。為了完成一次實驗，除了準(zhǔn)備和收尾工作外，由于巖心低滲透或致密的影響，實驗過程比較漫長，不同巖樣的巖性、類型都相同，需要先期進(jìn)行摸索找到一些規(guī)律性的操作經(jīng)驗，才能開展進(jìn)一步的實驗。

圖4 高溫高壓流動實驗過程中套筒與密封圈損壞情況照片

4 地層條件下應(yīng)力敏感實驗及分析

LY氣藏儲層高溫高壓條件下應(yīng)力敏感實驗裝置使用改進(jìn)的TC-180型氣藏超高壓多功能驅(qū)替系統(tǒng)（圖5）。該裝置選用高精度的計量器具和耐溫耐壓配件，提高實驗儀器高溫高壓下適應(yīng)能力，改進(jìn)了高溫高壓流動實驗流程，減少管線長度和人為測試誤差。

圖5 應(yīng)力敏感實驗裝置流程圖

利用該儀器測試地層條件下的巖心滲透率，與常規(guī)條件下測試結(jié)果進(jìn)行對比（表3）。從表3中的對比結(jié)果可以看出，地層條件下的巖心滲透率與常規(guī)條件下測試結(jié)果的比值均小于0.132 6。這就說明，在地層條件下儲層流體的滲流能力變化與常溫中低壓條件下測試的變化規(guī)律有明顯的差別。依據(jù)常規(guī)條件下測試出的數(shù)據(jù)經(jīng)理論推導(dǎo)的結(jié)果（Km=0.132 6 Kc）并不能代表在地層條件下滲透率變化的趨勢。鑒于此，為了能真實地掌握地層條件下氣藏開采時儲層應(yīng)力敏感的程度，有必要開展地層條件下的儲層巖心應(yīng)力敏感實驗。

地層條件下應(yīng)力敏感實驗的巖樣為LY氣藏的縫洞型和孔洞型全直徑巖心，實驗壓力為：上覆壓力135 MPa，初始孔隙壓力為55 MPa，以孔隙壓力10 MPa為廢棄壓力點。實驗溫度為110℃。實驗參考行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《SY/T 5358-2010儲層敏感性流動實驗評價方法》和《SY/T 6385-2016覆壓下巖石孔隙度和滲透率測定方法》的規(guī)定及行業(yè)內(nèi)研究人員的實驗方法[5,9-16]進(jìn)行。通過改變（降低或升高）巖心內(nèi)流動壓力的實驗方法來模擬儲層衰竭式開采過程中受到的凈應(yīng)力變化情況[2]。由于儲層巖石骨架具有塑/彈性的變形，并且實際生產(chǎn)過程中存在反復(fù)開關(guān)井的情況，因此考慮將回路最終恢復(fù)點的不可逆損害值作為應(yīng)力敏感傷害評價值。

從應(yīng)力敏感結(jié)果（表4）中可以得知，孔洞型巖心和縫洞型巖心滲透率應(yīng)力敏感結(jié)果都為中等（偏強(qiáng)或偏弱）。從歸一化的巖心應(yīng)力敏感實驗曲線中可以看到（圖6）：隨著凈應(yīng)力的升高，兩類巖心滲透率呈逐漸下降的趨勢。當(dāng)凈應(yīng)力增加到最大凈應(yīng)力125 MPa時，滲透率達(dá)到過程1曲線的最低值?；芈愤^程2的滲透率最終恢復(fù)到初始值的57%左右，即不可逆損害率約為43%，儲層應(yīng)力敏感性總體表現(xiàn)為中等偏弱。從巖心滲透率應(yīng)力敏感分析結(jié)果可以看出，在地層條件下儲層的應(yīng)力敏感性無論是在凈應(yīng)力增加還是減少方向，應(yīng)力敏感傷害程度比常溫中、低壓條件下測得的結(jié)果都高。

5 儲層應(yīng)力敏感程度對氣井產(chǎn)能的影響

根據(jù)國內(nèi)外研究人員在理論和實驗方面對滲透率應(yīng)力敏感進(jìn)行的深入研究[5,17-19]，并結(jié)合以上實驗的結(jié)果，得到巖心滲透率隨凈應(yīng)力的變化規(guī)律，用指數(shù)關(guān)系式的方式來表現(xiàn)：

表3 實測不同條件下巖心滲透率對比

表4 全直徑巖心滲透率應(yīng)力敏感實驗結(jié)果對比

圖6 地層條件下應(yīng)力敏感實驗巖心滲透率保持率與凈應(yīng)力關(guān)系圖

式中K表示儲層當(dāng)前滲透率，mD；Ki表示原始地層壓力下的滲透率，mD；pi表示原始地層壓力，MPa；αk表示應(yīng)力敏感系數(shù)，MPa-1。

其中αk由實驗數(shù)據(jù)獲得，其物理意義為凈應(yīng)力改變時對應(yīng)滲透率變化的百分?jǐn)?shù)。αk越大，應(yīng)力敏感性越強(qiáng)。LY氣藏高溫高壓條件下巖心應(yīng)力敏感實驗結(jié)果計算得到儲層的應(yīng)力敏感系數(shù)（αk）平均值為0.026 1，而常規(guī)中低壓應(yīng)力敏感實驗結(jié)果得到的αk為0.021 7，將公式（5）滲透率表達(dá)式代入到考慮應(yīng)力敏感對產(chǎn)能影響的多重介質(zhì)穩(wěn)態(tài)產(chǎn)能方程中去。得到這兩種不同應(yīng)力敏感系數(shù)對產(chǎn)能的影響分析結(jié)果（圖7）。

LY氣藏M31井縫洞型儲層為主力產(chǎn)層。從考慮應(yīng)力敏感影響的氣井產(chǎn)能隨井底流壓變化的模擬曲線可以看出（圖7）：高溫高壓條件下應(yīng)力敏感性比常規(guī)中低壓條件的結(jié)果對產(chǎn)能的影響更大。應(yīng)力敏感為中等時，當(dāng)氣井生產(chǎn)壓差（井底流壓的下降值）大于20 MPa，應(yīng)力敏感影響較為明顯，氣井產(chǎn)能損失逐漸加大，氣井產(chǎn)能降幅在15%以上。而常溫中低壓條件下得到應(yīng)力敏感性為弱的結(jié)果，那么隨著開采的深入，加大生產(chǎn)壓差對產(chǎn)能影響小，氣井生產(chǎn)壓差大于24 MPa左右才能看到相似的明顯影響。因而可能會誤導(dǎo)生產(chǎn)，提高生產(chǎn)壓差，使氣井受到不必要的應(yīng)力敏感傷害，減少產(chǎn)能，甚至使后續(xù)增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)措施失效。所以，只有開展地層條件下的應(yīng)力敏感實驗研究，綜合氣藏儲層的實際情況進(jìn)行分析，才能認(rèn)清應(yīng)力敏感對生產(chǎn)的真實影響，制定合理的配產(chǎn)制度。

圖7 LY-M31井應(yīng)力敏感對產(chǎn)能的影響對比分析圖

6 結(jié)論

通過LY氣藏高溫高壓地層條件下和常溫中低壓條件的巖心應(yīng)力敏感性實驗結(jié)果進(jìn)行對比，并分析不同應(yīng)力敏感系數(shù)下產(chǎn)能變化的情況可以得出以下結(jié)論：

1）采用地層條件下得到的應(yīng)力敏感系數(shù)與常規(guī)實驗的結(jié)果差異明顯，如果按常規(guī)應(yīng)力敏感實驗的結(jié)果指導(dǎo)生產(chǎn)，可能會誤導(dǎo)生產(chǎn)措施的制定帶來不可挽回的后果，因此有必要開展縫洞型碳酸鹽巖儲層應(yīng)力敏感實驗研究，才能為滲流特征和生產(chǎn)動態(tài)研究提供更為準(zhǔn)確的參考依據(jù)。

2）縫洞發(fā)育的LY氣藏碳酸鹽巖儲層總體表現(xiàn)為中等強(qiáng)度應(yīng)力敏感特征，生產(chǎn)壓差增加到20 MPa后，隨著應(yīng)力敏感性的增加，產(chǎn)能損失較為明顯。為了避免在應(yīng)力較集中的井筒附近產(chǎn)生更大的傷害，在衰竭式開采初期應(yīng)適當(dāng)控制井底壓力和產(chǎn)量。

3）一些深層碳酸鹽巖氣藏儲層中存在束縛水，建議在實驗分析中需要考慮束縛水帶來的影響，開展含束縛水的地層條件流動實驗，更能反映氣藏流體的真實流動特征。