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(kāi)發(fā)研究院， 鄭州 450006)

?

紅河油田長(zhǎng)8儲(chǔ)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(kāi)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(kāi)發(fā)使得該油田存在應(yīng)力敏感傷害的可能。通過(guò)幾口井長(zhǎng)8儲(chǔ)層巖心的室內(nèi)應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)，在對(duì)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法提出改進(jìn)措施的基礎(chǔ)上，定量評(píng)價(jià)基質(zhì)巖心與裂縫巖心的應(yīng)力敏感損害程度。運(yùn)用數(shù)值模擬軟件分析應(yīng)力敏感對(duì)單井生產(chǎn)動(dòng)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(guò)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(chǔ)層； 應(yīng)力敏感； 數(shù)值模擬

如何高效開(kāi)發(fā)低滲透油田是近年來(lái)石油工作者的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)。鄂爾多斯盆地南部的紅河油田儲(chǔ)層低滲致密，在油藏衰竭式開(kāi)發(fā)過(guò)程中，隨著地層壓力的不斷降低，儲(chǔ)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(chǔ)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(duì)長(zhǎng)8儲(chǔ)層巖心進(jìn)行室內(nèi)應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)，提出新的評(píng)價(jià)方法并對(duì)3口井的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)重新做定量評(píng)價(jià)，認(rèn)為裂縫發(fā)育區(qū)的應(yīng)力敏感性強(qiáng)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(chǔ)層應(yīng)力敏感開(kāi)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(xiàng)生產(chǎn)指標(biāo)都明顯低于不考慮應(yīng)力敏感的各項(xiàng)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(guò)數(shù)值模擬等技術(shù)手段對(duì)生產(chǎn)制度進(jìn)行了優(yōu)化。

1應(yīng)力敏感的傷害機(jī)理

(1)裂縫性?xún)?chǔ)層的應(yīng)力敏感傷害。天然裂縫在應(yīng)力作用下，會(huì)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(huì)呈指數(shù)趨勢(shì)降低，這將降低巖石的滲透率。對(duì)于低滲油田來(lái)說(shuō)，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(jī)理示意圖

(3)黏土礦物的應(yīng)力敏感傷害機(jī)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(guò)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(dòng)及孔隙壓力的降低而產(chǎn)生運(yùn)移，堵塞喉道(圖1(c))。

2巖心應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)

2.1基質(zhì)巖心的應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)

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

圖2　基質(zhì)巖心應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)結(jié)果

國(guó)內(nèi)應(yīng)力敏感的主流評(píng)價(jià)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(duì)滲透率的影響；滲透率損害率法能定量描述在實(shí)驗(yàn)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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(SY標(biāo)準(zhǔn))。

表1　巖心氣測(cè)壓敏SY標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)結(jié)果

按照紅河油田長(zhǎng)8儲(chǔ)層的巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)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(chǔ)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(píng)價(jià)結(jié)果一般為中偏強(qiáng)或更強(qiáng)，即表示低滲透地層存在強(qiáng)應(yīng)力敏感[7]。實(shí)際上對(duì)埋深2 000 m左右的儲(chǔ)層而言，30.0 MPa以下的測(cè)點(diǎn)無(wú)實(shí)際的工程應(yīng)用價(jià)值。

在設(shè)計(jì)基質(zhì)地層的應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)時(shí)，可根據(jù)地層承受的實(shí)際有效應(yīng)力來(lái)確定實(shí)驗(yàn)圍壓的變化范圍。根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)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(jiàn)圖3)。

圖3　滲透率與有效應(yīng)力擬合曲線(xiàn)

30.0~50.0 MPa符合實(shí)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(jì)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(shí)驗(yàn)

紅河油田在開(kāi)發(fā)過(guò)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(wú)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(shí)驗(yàn)巖心取自鎮(zhèn)探1井長(zhǎng)8儲(chǔ)層。

圖4　鎮(zhèn)探1井裂縫性巖心應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)結(jié)果

紅河油田因垂向應(yīng)力較強(qiáng)，難以形成天然水平裂縫，多發(fā)育高角度的垂直裂縫，此時(shí)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(shí)驗(yàn)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?yàn)楸睎|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(guò)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(shí)驗(yàn)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?cái)?shù)值模擬

通過(guò)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(shí)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(lái)表示巖石的壓縮性，見(jiàn)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(duì)應(yīng)的滲透率值，k0=0.047×10-3μm2；k1為某地層壓力所對(duì)應(yīng)的氣測(cè)滲透率值(經(jīng)應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)測(cè)定轉(zhuǎn)換)。

為研究應(yīng)力敏感對(duì)單井產(chǎn)量的影響，選擇應(yīng)力敏感較強(qiáng)的紅河373井實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)開(kāi)展應(yīng)力敏感對(duì)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(shí)際生產(chǎn)情況，以4 m3d的產(chǎn)量進(jìn)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(dòng)態(tài)。儲(chǔ)層厚度參考紅河373井測(cè)井解釋結(jié)果，有效厚度15 m，射孔5 m后壓裂形成縫長(zhǎng)200 m的雙翼縫，模擬結(jié)果見(jiàn)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(duì)比

從圖5中可看出隨著生產(chǎn)的進(jìn)行，地層壓力的下降，應(yīng)力敏感傷害顯現(xiàn)?？紤]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(jì)產(chǎn)量比無(wú)應(yīng)力敏感時(shí)少了10%，含水率明顯升高。

通過(guò)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(diǎn)，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(kāi)關(guān)井周期為關(guān)井30 d后，開(kāi)井生產(chǎn)30 d；圖6(b)中的關(guān)井周期為關(guān)井10 d后，開(kāi)井生產(chǎn)60 d。2種間歇式關(guān)井預(yù)測(cè)結(jié)果表明，開(kāi)關(guān)井周期越短，關(guān)井時(shí)間越長(zhǎng)，則穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間越長(zhǎng)；而開(kāi)關(guān)井周期越長(zhǎng)，關(guān)井時(shí)間越短，穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間相應(yīng)變短，但采油速度相對(duì)較快。實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)應(yīng)力敏感性的強(qiáng)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(gè)因素綜合制定開(kāi)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(duì)比

4考慮應(yīng)力敏感傷害的生產(chǎn)制度建議

(1)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明天然裂縫對(duì)應(yīng)力的敏感性強(qiáng)，容易在應(yīng)力作用下閉合導(dǎo)致滲透率大幅度下降。對(duì)于裂縫性油藏的開(kāi)采而言，應(yīng)該嚴(yán)格注意動(dòng)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(kāi)關(guān)井次數(shù)可在一定程度上減少應(yīng)力敏感對(duì)地層的傷害，開(kāi)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(duì)于實(shí)驗(yàn)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(wú)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(duì)于此類(lèi)地層，采取關(guān)井恢復(fù)地層壓力措施時(shí)已經(jīng)發(fā)生不可逆?zhèn)?，地層恢?fù)效果差，故不推薦這類(lèi)井使用關(guān)井保壓措施。

5結(jié)語(yǔ)

(1)分別討論了基質(zhì)巖心和裂縫性巖心的應(yīng)力敏感評(píng)價(jià)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(jì)應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)，評(píng)價(jià)地層應(yīng)力敏感程度。

(2)天然裂縫發(fā)育儲(chǔ)層更容易出現(xiàn)強(qiáng)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(shí)際開(kāi)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(qiáng)。通過(guò)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(shí)驗(yàn)中巖心滲透率傷害強(qiáng)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(kāi)關(guān)井制度。

參考文獻(xiàn)

[1] 宋傳真,鄭榮臣．致密低滲氣藏儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性及其對(duì)單井產(chǎn)能的影響[J].大慶石油地質(zhì)與開(kāi)發(fā),2006(6)：47-49.

[2] 代平．低滲透應(yīng)力敏感油藏實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬研究[D]．成都：西南石油大學(xué)，2006:35-46.

[3] Bernabe Y. The Effective Pressure Law for Permeability in Chelmsford Granite and Barre Granite[J]. Intl.J.Rock Mech., Min Sci. & Geomech.Abstr, 1986, 23(3):267-275.

[4] Bernabe Y. The Effective Pressure Law for Permeability during Pore Pressure and Confining Pressure Cycling of Several Crystalline Rocks [J]. J.Geophys.Res, 1987, 92(B1):649-657.

[5] Berryman J G. Effective Stress for Transport Properties of Inhomogeneous Porous Rock[J]. J. Geophys. Res, 1992, 97(B12)：409-417.

[6] 李傳亮．儲(chǔ)層巖石的應(yīng)力敏感性評(píng)價(jià)方法[J].大慶石油地質(zhì)與開(kāi)發(fā),2006，25(1):40-42.

[7] 李傳亮．低滲透儲(chǔ)層不存在強(qiáng)應(yīng)力敏感[J]．石油鉆采工藝，2005，27(4):61-63.

[8] 李閩,陳昊．低滲砂巖儲(chǔ)層巖石應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)與理論研究[J]．鉆采工藝,2006，29(4)：91-93.

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(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-1980(2015)03-0052-04

中圖分類(lèi)號(hào)：P618

作者簡(jiǎn)介：李嘉瑞(1987 — )，男，河南濮陽(yáng)人，碩士，助理工程師，研究方向?yàn)閴毫阉峄?/p>

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

收稿日期：2014-09-12