王瑞陽
(中石化華北油氣分公司石油工程技術(shù)研究院實驗中心, 河南 鄭州 450000)
大牛地氣田位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡北部,氣田內(nèi)上古生界為一套海相-海陸過渡相-陸相沉積,具有良好的天然氣成藏條件,發(fā)育多套致密砂巖儲層[1-2]。由于致密砂巖氣藏生產(chǎn)中,壓降快,儲層基質(zhì)膨脹大,導致儲層應(yīng)力敏感性強,對氣井產(chǎn)能影響較大[3]。目前國內(nèi)外學者針對儲層應(yīng)力敏感開展了大量實驗工作,但研究條件和研究方法差異較大。本文通過固定圍壓,改變回壓的方式模擬了致密砂巖儲層有效應(yīng)力增大時,大牛地氣田不同特征儲層的應(yīng)力敏感性特征,并將其與氣井產(chǎn)能聯(lián)系起來,對研究致密砂巖氣藏產(chǎn)能預測和開發(fā)動態(tài)具有指導意義。
如表1所示,大牛地氣田下石盒子組、山西組、太原組為低孔低滲儲層,盒2+3段物性相對最好,平均孔隙度10.27%、平均滲透率1.36 mD;其次是太2段,平均孔隙度為8.58%,平均滲透率0.7 mD;而盒1、山2、山1段物性相對較差[3-4],平均孔隙度大都小于8%。在實驗研究中,以8%為界限,將巖心按孔隙度大小分為兩類進行分析。
表1 大牛地氣田不同層位儲層孔滲特征
氣藏開發(fā)過程中,隨著地層流體產(chǎn)出,儲層巖石骨架承受的有效上覆壓力增大,巖石受壓變形,孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,從而使巖石的物性特征(孔隙度、滲透率等)發(fā)生變化,尤其是致密低滲氣藏和異常高壓氣藏,往往這種變化較大,對氣田的生產(chǎn)和產(chǎn)能預測將產(chǎn)生較大的影響[4-6],需要通過室內(nèi)實驗研究,分析不同有效應(yīng)力條件下的儲層巖石孔隙度和滲透率變化特征,為儲層評價和開發(fā)設(shè)計提供基礎(chǔ)依據(jù)。
對于某一儲層,上覆巖層壓力為一固定值,只是在氣藏開發(fā)過程中孔隙流體壓力不斷減小,因此儲層巖石承受的有效上覆壓力不斷增大[7-8]。為高度契合致密砂巖氣藏氣井生產(chǎn)實際,本文采用固定圍壓,改變回壓的方式開展了大牛地氣田致密砂巖儲層敏感性研究。實驗過程中圍壓大小不變,巖心夾持器出口施加回壓,初始回壓大小與原始地層壓力相同,通過改變回壓大小來實現(xiàn)有效應(yīng)力的變化,回壓降低導致的凈圍壓增加首先作用于巖心孔隙周圍的骨架顆粒上,模擬實驗條件更接近于油氣藏生產(chǎn)實際。實驗操作流程如下:
1)待測巖心干燥稱重,用模擬地層水抽真空飽和24 h;
2)將巖心放入夾持器中,同步升高夾持器進口壓力和圍壓,直到待測巖心流體壓力等于氣藏原始壓力,圍壓等于上覆巖石壓力;
3)保持進口壓力不變,逐漸降低出口回壓,模擬氣藏開采過程中地層壓力變化過程;
4)待實驗流量穩(wěn)定后,計量流量、壓力、時間、溫度,計算該條件下的氣測孔隙度與滲透率;
5)再升高回壓,重復步驟(4)。
巖石力學、測井等研究資料表明,大牛地氣田上覆巖層壓力梯度約為0.025 MPa·m-1,若儲層深度為2 800 m,則原始地層條件下儲層巖石所承受的上覆巖層壓力為70 MPa。根據(jù)試井外推法和生產(chǎn)歷史擬合法計算得到大牛地氣田原始地層流體壓力平均為25 MPa,見表2。假設(shè)氣田開發(fā)過程中地層流體壓力由原始的25 MPa衰竭至后期的2 MPa,則有效應(yīng)力的變化區(qū)間為45~68 MPa。
表2 大牛地氣田原始地層流體壓力
以實驗室常規(guī)條件下測定的氣測孔隙度φ0和氣測滲透率K0作為初始值,以不同有效應(yīng)力下的孔隙度、滲透率(φ,K)除以初始孔隙度、滲透率(φ0,K0)得到比孔隙度和無因次滲透率(φD,KD)來討論實驗結(jié)果。
將實驗室常規(guī)條件下初始孔隙度按照φ0≥8%和φ0<8%劃分為兩類,其原始地層條件下(有效應(yīng)力45MPa)的比孔隙度分別為0.905和0.828,即原始地層條件下的孔隙度為實驗室常規(guī)測試孔隙度的90.5%和82.8%。
以原始地層條件下的孔隙度φ02為基準,計算氣田開發(fā)過程中的比孔隙度φD2變化。如圖1所示,當?shù)貙恿黧w壓力由25 MPa衰竭至2 MPa(有效應(yīng)力由45 MPa增大至68 MPa)時,兩類儲層的比孔隙度φD2分別由1.0變?yōu)?.986和0.973,即孔隙度的相對值分別降低了0.014%和0.027%,可見大牛地致密砂巖氣藏開發(fā)過程中的孔隙度隨地應(yīng)力增大的變化是很小的,可以忽略不計。
圖1 孔隙度隨有效應(yīng)力的變化規(guī)律
以儲層物性分析的4個滲透率區(qū)間為依據(jù),選取不同滲透率巖樣進行覆壓實驗,測得不同有效應(yīng)力下的滲透率。以初始有效應(yīng)力3.45 MPa的滲透率為基準,計算不同有效應(yīng)力下的無因次滲透率,其結(jié)果見圖2,滲透率隨有效應(yīng)力的變化較為復雜,相同有效應(yīng)力條件下,初始滲透率高的下降速率慢,總的下降幅度低;初始滲透率低的隨有效應(yīng)力增大而迅速下降,壓力增大到一定程度后滲透率下降速率減緩,但總的下降幅度很大。實驗室常規(guī)條件下初始滲透率越小,隨有效應(yīng)力增大,滲透率下降越快。以大牛地氣田主要致密砂巖類型(滲透率在0.1~0.5 mD)為例,在原始地層壓力下,無因次滲透率為0.083,滲透率降低了1個數(shù)量級。
圖2 不同有效應(yīng)力下的無因次滲透率
由圖2可知,當有效應(yīng)力增大到20 MPa時,低滲巖樣的無因次滲透率大多降至0.3以下;到60 MPa時,全部降至0.2以下,即該壓力下的滲透率只有初始值的20%不到。
按滲透率區(qū)間計算平均無因次滲透率,得到平均無因次滲透率隨有效應(yīng)力的變化曲線,見圖3。K0>1 mD的曲線下降速率慢,總下降幅度低,可擬合為一條冪函數(shù);K0=0.5~1 mD的曲線在低壓段下降速率較快,總的下降幅度較大,可擬合為一條冪函數(shù);K0=0.1~0.5 mD和K0<0.1 mD的兩條曲線,在低有效應(yīng)力段滲透率下降非常迅速,無因次滲透率與有效應(yīng)力呈半對數(shù)關(guān)系,有效應(yīng)力大于20 MPa以后,無因次滲透率下降速率減緩,可用冪函數(shù)進行擬合,因此這兩條曲線在高、低壓段需要分別用兩個函數(shù)擬合,最終得到六個函數(shù)方程,見表3。
圖3 不同滲透率區(qū)間的平均無因次滲透率
表3 無因次滲透率與有效應(yīng)力的關(guān)系方程
由于大牛地氣田致密砂巖儲層原始地層條件下的有效應(yīng)力(45 MPa)大于20 MPa,隨著氣田開發(fā),地層流體產(chǎn)出,儲層有效應(yīng)力將越來越大,因此四類滲透率區(qū)間的砂巖儲層應(yīng)力敏感性均可用冪函數(shù)表示。巖樣物性不同,應(yīng)力敏感性表現(xiàn)不同,冪函數(shù)指數(shù)值的絕對值也不相同,取值范圍在0.093 5~1.624之間,平均0.468。儲層在原始地層條件下滲透率越低,敏感性越強,冪指數(shù)值絕對值越大。
四類儲層冪函數(shù)方程可簡化為:
式中:K— 有效應(yīng)力下的滲透率,mD;
K0—原始地層條件下的滲透率,mD;
P1—實驗過程中巖心夾持器入口端壓力,MPa;
P2—巖心夾持器出口端回壓,MPa;
m—冪函數(shù)指數(shù),可定義為應(yīng)力敏感系數(shù),從實驗數(shù)據(jù)獲得。
在本次實驗中,巖心夾持器入口端壓力為氣藏原始地層壓力Pi,通過調(diào)節(jié)巖心夾持器出口端回壓P2模擬地層流體壓力,則式(1)可寫為:
式中:Pi—原始地層壓力,MPa;
P —地層流體壓力,MPa。
將實驗室常規(guī)條件下初始孔隙度按照φ0≥8%和φ0<8%劃分為兩類,其原始地層條件下(有效應(yīng)力45 MPa)的比孔隙度分別為0.905和0.828,即原始地層條件下的孔隙度為實驗室常規(guī)測試孔隙度的90.5%和82.8%。
大牛地主要類型致密砂巖儲層應(yīng)力敏感實驗中,孔隙度變化很小,可忽略不計,滲透率降低較快,降幅較大,對氣井產(chǎn)能影響大。以達西公式為基礎(chǔ),推導出考慮滲透率變化的產(chǎn)能公式。取平均壓力,求出氣體平均黏度和偏差因子。
式中:h— 儲層有效厚度,m;
qsc—標況下產(chǎn)氣量,m3·d-1;
K—儲層巖石滲透率,mD;
μ—氣體黏度,mPa·s;
Z—氣體壓縮因子;
T—氣藏溫度,K;
rW—井底半徑,m;
r—距離井軸心半徑,m;
p— r處的壓力,MPa。
把(2)式引入(3)式,取r=re,p=pi,積分得到氣井標況下產(chǎn)量為:
以大牛地致密砂巖氣藏大13井為例,原始地層流體壓力24.92 MPa,氣藏中部溫度358 K,平均氣體黏度0.015 6 mPa·s,偏差因子0.918,平均有效滲透率0.41 mD,儲層有效厚度7.5 m。不考慮應(yīng)力敏感時,滲透率K不變,冪函數(shù)指數(shù)m=0;考慮應(yīng)力敏感時,滲透率K隨有效應(yīng)力增大迅速降低,取冪函數(shù)指數(shù)平均值m=0.468,帶入式(4),得到兩條生產(chǎn)曲線,見圖4。
圖4 應(yīng)力敏感下大13井產(chǎn)能曲線
由計算結(jié)果可知,考慮應(yīng)力敏感時氣井產(chǎn)能降低,無阻流量約為無應(yīng)力敏感時的76.3%。且隨m值增大,氣井產(chǎn)能影響加劇,即初始滲透率越低,應(yīng)力敏感性越強,氣井產(chǎn)能下降越大,見圖5
圖5 不同應(yīng)力敏感下產(chǎn)能變化
1)大牛地致密砂巖儲層存在應(yīng)力敏感。隨有效應(yīng)力增加,儲層孔隙度變化較小,主要類型儲層孔隙度降低1%~1.5%,可忽略不計。
2)大牛地致密砂巖儲層滲透率的應(yīng)力敏感性強,主要類型儲層原始地層條件下的滲透率比實驗室常規(guī)測定值低1個數(shù)量級,其滲透率隨有效應(yīng)力變化符合冪指數(shù)關(guān)系。
3)以大13井為例,考慮應(yīng)力敏感時,氣井無阻流量為不考慮應(yīng)力敏感時的76.3%,且儲層初始滲透率越低,敏感性越強,產(chǎn)能下降越快,因此在產(chǎn)能預測時應(yīng)考慮應(yīng)力敏感影響。