低滲儲層應(yīng)力敏感性損害機(jī)制研究

低滲儲層應(yīng)力敏感性損害機(jī)制研究

隨著油氣勘探進(jìn)入“低、深、難”階段，油氣地質(zhì)儲量中低滲和低滲油氣藏的比例超過60%。因此，低滲和低滲油氣藏是中國油氣資源的主要替代品。近年來,國內(nèi)外學(xué)者針對低滲、超低滲儲層應(yīng)力敏感性開展了大量的理論與試驗研究。當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為中、高滲透儲層具有應(yīng)力敏感性,并通過試驗和理論兩方面進(jìn)行了證實。然而對于低滲、超低滲儲層是否具有應(yīng)力敏感性,以及較之中、高滲透儲層是否具有更強(qiáng)的應(yīng)力敏感性仍然存在很大的爭議[8,9,10,11,12,13,14]。筆者以室內(nèi)評價試驗為基礎(chǔ),對比研究不同滲透率天然砂巖儲層巖心的應(yīng)力敏感性損害程度,揭示儲層應(yīng)力敏感性損害機(jī)制,并進(jìn)一步計算應(yīng)力敏感性損害對低滲、超低滲油田產(chǎn)能的影響。1儲層敏感性試驗選取10塊已洗油的天然砂巖儲層巖心開展室內(nèi)評價試驗,巖心的基礎(chǔ)參數(shù)如表1所示。由表1可以看出,所選天然儲層巖心從0.718×10-3μm2的超低滲巖心到1854.98×10-3μm2的特高滲透巖心均有所分布,保證了不同滲透率儲層應(yīng)力敏感性對比試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。參照最新版中國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T5358-2010設(shè)計室內(nèi)評價試驗,采用中國石油大學(xué)(華東)自行設(shè)計的YBH-I多功能儲層保護(hù)試驗儀進(jìn)行儲層敏感性流動試驗,試驗流程如圖1所示。試驗過程中,通過調(diào)節(jié)圍壓泵與上、下游壓力傳感器實現(xiàn)有效應(yīng)力的改變,在不同有效應(yīng)力條件下,試驗流體以一定流速流過巖心,同時數(shù)據(jù)采集與處理終端實時獲取巖心滲透率的變化情況。2試驗結(jié)果的分析2.1滲透率相對損害值在室內(nèi)評價試驗過程中,測定不同有效應(yīng)力條件下巖心滲透率,并對滲透率進(jìn)行了歸一化處理(圖2)。由圖2可知,隨著有效應(yīng)力的增加,所有天然巖心的滲透率均有所下降。當(dāng)有效應(yīng)力增加至20MPa時,中、高滲儲層巖心(如No.1)滲透率絕對損害值為227.38×10-3μm2,但滲透率相對損害值較小,僅為12.36%,即儲層應(yīng)力敏感性較弱;而低滲、超低滲儲層巖心(如No.10)則恰恰相反,當(dāng)有效應(yīng)力增加至20MPa時,巖心滲透率絕對損害值僅為0.267×10-3μm2,但滲透率相對損害值高達(dá)37.11%,即儲層應(yīng)力敏感性較強(qiáng)。在應(yīng)力恢復(fù)試驗過程中,當(dāng)有效應(yīng)力由20MPa恢復(fù)到5MPa時,中、高滲儲層巖心(如No.1)滲透率恢復(fù)了93.90%,而低滲、超低滲儲層巖心(如No.10)滲透率僅恢復(fù)了80.23%,這就說明由于應(yīng)力狀態(tài)改變,巖石發(fā)生了不同程度的塑性變形,從而對油氣藏產(chǎn)生了永久性損害。試驗結(jié)果還表明,無論中、高滲儲層,還是低滲、超低滲儲層,都存在不同程度的應(yīng)力敏感性,尤其是低滲、超低滲儲層具有較強(qiáng)的應(yīng)力敏感性。除此之外,這兩類儲層的應(yīng)力敏感性損害程度雖然相差較大,但均對儲層產(chǎn)生了不可逆轉(zhuǎn)的損害,嚴(yán)重影響了油井產(chǎn)能。2.2不同有效應(yīng)力下巖心滲透率根據(jù)儲層應(yīng)力敏感性試驗結(jié)果,經(jīng)數(shù)據(jù)擬合發(fā)現(xiàn)巖心滲透率與有效應(yīng)力之間存在二次多項式經(jīng)驗關(guān)系,即式中,k為不同有效應(yīng)力下巖心滲透率,10-3μm2;k0為巖心初始滲透率,10-3μm2;pe為有效應(yīng)力,MPa;A0、A1和A2為多項式擬合系數(shù)。數(shù)據(jù)擬合結(jié)果(表2)表明,擬合相關(guān)系數(shù)平均值可達(dá)99.50%,表明所建立的二次多項式經(jīng)驗關(guān)系式能較準(zhǔn)確地描述巖心所受有效應(yīng)力與其滲透率變化之間的規(guī)律。2.3不同有效應(yīng)力下的滲透率增長特征選取No.1、No.4及No.10巖心,構(gòu)建不同有效應(yīng)力下巖心單次滲透率損害率直方圖與累積滲透率損害率曲線見圖3。由圖3可知,隨著有效應(yīng)力的增加,中、高滲儲層巖心No.1和No.4的滲透率平緩下降,單次滲透率損害率不超過5.00%,20MPa條件下累積滲透率損害率均小于15.00%,屬于“緩慢下降”型應(yīng)力敏感性損害模式;對于超低滲儲層巖心No.10,當(dāng)有效應(yīng)力增加至3.5MPa時,其滲透率迅速下降,單次滲透率損害率高達(dá)14.33%,當(dāng)有效應(yīng)力繼續(xù)增加至某一門限值后,巖心滲透率的下降速度趨于平緩,但單次滲透率損害率仍大于中、高滲儲層,20MPa條件下累積滲透率損害率為37.10%,屬于“先快后慢”型應(yīng)力敏感性損害模式。造成上述現(xiàn)象的原因在于低滲、超低滲儲層多發(fā)育微細(xì)孔喉及微裂縫,當(dāng)?shù)貙訅毫﹂_始下降時,細(xì)孔喉或裂縫表面的微凸起在有效應(yīng)力作用下發(fā)生彈塑性形變,致使?jié)B透率迅速降低;隨著地層壓力的進(jìn)一步下降,巖石骨架不斷被壓實,儲層巖石受壓收縮量顯著降低,因此滲透率的下降趨勢逐漸變得平緩。3喉道過流,儲層應(yīng)力敏感性基根據(jù)巖石孔隙與喉道變形理論可知,儲層巖石作為一種致密多孔介質(zhì),在未受壓條件下,其中的孔隙與喉道并存。當(dāng)巖石開始受壓時,巖石中的喉道首先閉合,而孔隙基本不閉合,即喉道的受壓閉合是儲層應(yīng)力敏感性損害的主要原因。因此,筆者以儲層微觀孔喉結(jié)構(gòu)及其尺寸分布作為切入點(diǎn),分析不同滲透率儲層應(yīng)力敏感性損害機(jī)制。3.1粒間孔隙影響利用S-4800冷場掃描電鏡,直觀分析了巖心的微觀孔喉結(jié)構(gòu),如圖4所示。分析試驗圖片可知,中、高滲儲層(如No.1巖心)以粒間孔隙為主,是砂巖在沉積時期形成的原生孔隙,喉道斷面是孔隙縮小的部分,喉道較粗,當(dāng)有效應(yīng)力增加時,不易發(fā)生受壓閉合,孔喉尺寸也不會大幅減小,即應(yīng)力敏感性較弱。低滲、超低滲儲層(如No.10巖心)也以粒間孔隙為主,但喉道多呈片狀、彎片狀構(gòu)造,填隙物較多,此類喉道對壓力十分敏感,當(dāng)有效應(yīng)力稍有增加時極易發(fā)生受壓閉合,造成孔喉尺寸大幅減小,滲透率迅速降低,嚴(yán)重影響油井產(chǎn)能。3.2儲層應(yīng)力敏感性主要控制因素利用高壓恒速壓汞儀測定毛管壓力曲線,可以獲取巖心孔喉分布等系列特征參數(shù),確定各個孔喉區(qū)間對滲透率的貢獻(xiàn)。試驗巖心No.1和No.10的壓汞試驗曲線如圖5所示。分析可知,中、高滲儲層(如巖心No.1)孔喉半徑分布范圍相對較廣,對滲透率具有貢獻(xiàn)的孔喉半徑為16.0~75.4μm,且多為大孔喉,隨著有效應(yīng)力的增加,孔喉尺寸緩慢減小,對儲層滲透率影響不大。低滲、超低滲儲層(如巖心No.10)孔喉半徑分布范圍相對集中,對滲透率具有貢獻(xiàn)的孔喉半徑為0.4~2.5μm,且以片狀微細(xì)孔喉為主。由于微細(xì)孔喉對有效應(yīng)力的變化十分敏感,地層壓力一旦開始下降,這部分儲滲空間便會迅速閉合,導(dǎo)致儲層滲透率大幅降低,而且微細(xì)孔喉所占比例越大,滲透率下降幅度越大,即儲層應(yīng)力敏感性越強(qiáng)。當(dāng)有效應(yīng)力增加至某一閥值后,未閉合的喉道多為不易受壓閉合的喉道,故儲層滲透率的下降速度趨于平緩。上述分析結(jié)果揭示了中、高滲儲層與低滲、超低滲儲層具有不同應(yīng)力敏感性損害模式的原因。綜上所述,儲層孔喉結(jié)構(gòu)特征及其尺寸分布是儲層應(yīng)力敏感性損害的主要控制因素。由于地層壓力降低,破壞了儲層巖石的原始應(yīng)力平衡狀態(tài),即有效應(yīng)力增加,導(dǎo)致巖石喉道受壓閉合,尤其是低滲、超低滲儲層發(fā)育的片狀、彎片狀微細(xì)喉道極易受壓閉合,致使儲層原始儲滲空間體積減小,滲透率降低,最終產(chǎn)生永久性的、不可逆轉(zhuǎn)的儲層損害。4井底流壓表現(xiàn)在低滲、超低滲油氣藏勘探開發(fā)過程中,由于地層壓力降低而導(dǎo)致的應(yīng)力敏感性損害不可避免。為了提高油氣采收率,需要保持合理的井底流壓,盡可能地減輕儲層應(yīng)力敏感性損害。根據(jù)平面徑向流滲流理論,結(jié)合所建立的二次多項式經(jīng)驗公式,可得滲透率近似分布公式為油井產(chǎn)量公式為其中式中,Q為儲層產(chǎn)量,m3/d;Q0為平面徑向流理論產(chǎn)量,m3/d;pb為井底流壓,MPa;p0為儲層原始孔隙壓力,MPa;pov為儲層上覆巖層壓力,MPa;Re為設(shè)定邊界距離,取2000m;R0為井眼半徑,m;R為任意位置到井眼的距離,m。由式(1)~(3)以及No.10巖心的擬合系數(shù)(A0,A1,A2)即可得到圖6。分析圖6可知,由于存在應(yīng)力敏感性損害,在井壁附近區(qū)域,低滲、超低滲儲層滲透率變化較大,下降了約30%,而在遠(yuǎn)離井底區(qū)域,滲透率變化較小,即存在“滲透率漏斗”效應(yīng)。圖6描述了不同井底流壓條件下油井產(chǎn)量的變化規(guī)律?？梢钥闯?隨著井底流壓的不斷降低,即有效應(yīng)力增加,油井產(chǎn)量不斷下降。當(dāng)井底流壓由10MPa下降到5MPa,即有效應(yīng)力達(dá)5MPa時,油井產(chǎn)量損失了近17%。因此,在低滲、超低滲油氣藏勘探開發(fā)過程中,需要根據(jù)實際情況保持合理的生產(chǎn)壓差,以提高油井產(chǎn)能和最終采收率。5儲層應(yīng)力敏感性損害特征(1)無論中、高滲儲層還是低滲、超低滲儲層都存在不同程度的應(yīng)力敏感性。(2)隨著有效應(yīng)力的增加,中、高滲儲層損害屬于“緩慢下降”型應(yīng)力敏感性損害模式,損害程度較低;低滲、超低滲儲層損害則屬于“先快后慢”型應(yīng)力敏感