張國(guó)棟, 陳忠云, 張志強(qiáng)

(1.中海石油(中國(guó))有限公司上海分公司, 上海 200030; 2.中海油田服務(wù)股份有限公司, 河北 三河 065201)

0 引 言

流度值是表征儲(chǔ)層滲透性大小和進(jìn)行產(chǎn)能預(yù)測(cè)的關(guān)鍵參數(shù),通過(guò)測(cè)壓獲得的流度信息能夠真實(shí)反映井眼環(huán)境下儲(chǔ)層的滲透能力,以此開(kāi)展儲(chǔ)層產(chǎn)能評(píng)價(jià)等工作[1-5]。近年來(lái),針對(duì)低滲透率儲(chǔ)層,在西湖凹陷進(jìn)行了大量的測(cè)壓作業(yè),目的是通過(guò)流度值進(jìn)行儲(chǔ)層物性評(píng)價(jià)和天然氣產(chǎn)能預(yù)測(cè)[6],以及指導(dǎo)測(cè)試工藝優(yōu)化,因此流度數(shù)值的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。低滲透率儲(chǔ)層流度計(jì)算存在兩大難點(diǎn),一是儲(chǔ)層滲流能力差,壓力恢復(fù)難以出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)流;二是受超壓影響,壓力值難以恢復(fù)穩(wěn)定,致使計(jì)算得到的流度值往往偏大。本文深入剖析了低滲透率儲(chǔ)層難以出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)流的原因,提出了具體改進(jìn)措施,取得了良好應(yīng)用效果,使低滲透率儲(chǔ)層測(cè)壓獲得的流度值更加精確。

1 低滲透率儲(chǔ)層壓降流度偏大原因分析

1.1 流度定義與計(jì)算

流度為滲透率除以黏度,mD/cP*非法定計(jì)量單位,1 mD=0.987×10-3 μm2;1 cP=1 mPa·s,下同,它是基于達(dá)西定律推導(dǎo)出來(lái)的,數(shù)學(xué)推導(dǎo)公式為

達(dá)西公式

(1)

流度計(jì)算公式[7]

(2)

式中,K為滲透率;μ為黏度;Q為流速;L為長(zhǎng)度;S為面積;Δp為壓差;Cpf為儀器形狀系數(shù),使用不同的探針有不同的數(shù)值;V為抽吸體積;t為流動(dòng)時(shí)間。

流度是基于達(dá)西定律的物理參數(shù),在測(cè)壓時(shí)必須滿足2個(gè)基本條件:①要出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)流;②有穩(wěn)定的壓力差,即壓力恢復(fù)要穩(wěn)定。圖1是標(biāo)準(zhǔn)的壓力時(shí)間恢復(fù)曲線示意圖。一次完整的測(cè)壓作業(yè)可分為5個(gè)階段,即坐封、泵抽、流體流入管線、壓力恢復(fù)和解封。測(cè)壓時(shí),如果可以出現(xiàn)圖1所示的穩(wěn)態(tài)流段,則可以通過(guò)壓降流度公式得到準(zhǔn)確的流度值。然而,在實(shí)際測(cè)壓過(guò)程中,低滲透率儲(chǔ)層基本無(wú)法出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)流階段。

圖1 單點(diǎn)測(cè)壓壓力時(shí)間曲線

1.2 低孔隙度滲透率儲(chǔ)層測(cè)壓流型分析

相比于中、高孔隙度滲透率的儲(chǔ)層,低滲透率儲(chǔ)層的特點(diǎn)是單位面積下的供液能力小,在探針抽吸速度一定,或者抽吸時(shí)間有限的情況下,難以使地層供液速率達(dá)到抽吸速率,也就無(wú)法出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)流。一般情況下,低滲透率儲(chǔ)層測(cè)壓時(shí)會(huì)有a、b這2種壓力時(shí)間恢復(fù)曲線流型(見(jiàn)圖2)。a流型為當(dāng)抽吸速率小于地層最大流速,但是抽吸時(shí)間不夠長(zhǎng),壓力下降幅度還沒(méi)有達(dá)到出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)流時(shí),便停止抽吸;b流型為當(dāng)抽吸速率大于地層在最大壓差下的流速,即地層在最大壓差下也難使其供液速率達(dá)到抽吸速率。例如,測(cè)壓時(shí)用的最小抽吸速率是30 cm3/min,抽吸體積是5～10 cm3,如果在一定的抽提時(shí)間和壓差下,地層的供液能力達(dá)不到30 cm3/min,此時(shí)無(wú)法出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)流。

圖2 低滲透率儲(chǔ)層測(cè)壓壓力時(shí)間曲線流型示意圖

1.3 非穩(wěn)態(tài)流下的壓降流度值

非穩(wěn)態(tài)流情況下不能使用達(dá)西定律計(jì)算流度,由于在測(cè)壓時(shí)無(wú)法測(cè)量地層真正的地層流動(dòng)速率Qf,使用的是抽吸速率Qdd,對(duì)于低滲透率儲(chǔ)層Qf值遠(yuǎn)小于Qdd值,如果將Qdd帶入式(3)計(jì)算,那么得到的流度就會(huì)偏大。因?yàn)橹挥谐霈F(xiàn)穩(wěn)態(tài)流時(shí)Qf=Qdd。

(3)

DX27-5井是西湖凹陷1口深層探井,其主要目的層在4 300 m以下,基本為低滲透率儲(chǔ)層。該井在4 336 m和4 341 m進(jìn)行了電纜測(cè)壓,2個(gè)點(diǎn)的物性大小基本相當(dāng),其中子—密度孔隙度在11%左右。測(cè)壓時(shí),分別選用了不同的測(cè)壓參數(shù),4 336 m處抽吸體積為5 cm3,抽速約為1.8 cm3/s,測(cè)壓過(guò)程沒(méi)有出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)流,計(jì)算得到的流度為10.1 mD/cP;4 341 m處抽吸體積為10 cm3,抽速約為0.8 cm3/s,該點(diǎn)出現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)態(tài)流曲線,其計(jì)算得到的流度為5.6 mD/cP,具體壓力恢復(fù)曲線如圖3所示。

從上述2點(diǎn)的應(yīng)用實(shí)例可以看出,當(dāng)測(cè)壓無(wú)法得到穩(wěn)態(tài)流時(shí),計(jì)算得到的流度值會(huì)明顯偏大,這樣就會(huì)高估儲(chǔ)層物性,誤導(dǎo)后續(xù)測(cè)試決策。

圖3 DX27-5井4 336 m和4 341 m處壓力恢復(fù)曲線圖

2 低滲透率儲(chǔ)層流度計(jì)算改進(jìn)方法

2.1 面積積分法

(4)

圖4 理想穩(wěn)態(tài)流壓力時(shí)間曲線*非法定計(jì)量單位,1 psi=6.89×103 Pa,下同

公式改進(jìn)后,既能反映壓力降落過(guò)程的壓力變化情況,也可反映壓力恢復(fù)過(guò)程的壓力變化情況。但是該公式仍然是基于穩(wěn)態(tài)流計(jì)算理論,它只是通過(guò)數(shù)學(xué)的方法對(duì)未出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)流的壓力響應(yīng)情況做了數(shù)學(xué)校正,計(jì)算得到流度值相對(duì)準(zhǔn)確,結(jié)果仍會(huì)偏大。圖5是2種流度計(jì)算方法效果對(duì)比,對(duì)于低滲透儲(chǔ)層同一測(cè)壓點(diǎn),面積法計(jì)算得到的流度為0.59 mD/cP,常規(guī)計(jì)算方法得到的流度為0.94 mD/cP,兩者數(shù)值相差18%。

圖5 非穩(wěn)態(tài)流情況下2種流度計(jì)算方法效果對(duì)比

2.2 流速校正法

Qac=Qf-Qdd

(5)

(6)

(7)

式中,Qac為管線中的流速;Qf為地層的流速;Qdd為泵抽的流速;Ct為壓縮系數(shù);p*為地層壓力;p(t)為測(cè)量的壓力;K/μ為地層流度;G0為幾何因子;rp為探針半徑。

通過(guò)式(5)、式(6)求得Qf值,根據(jù)式(7)繪制壓力和地層流速中的直線關(guān)系圖(見(jiàn)圖6),從圖6中能夠得到斜率和截距p*(地層壓力),根據(jù)回歸得到斜率值,可以計(jì)算地層的流度值以及回歸的地層壓力。

圖6 FRA算法測(cè)試壓力與地層流量關(guān)系圖

實(shí)際作業(yè)過(guò)程中,低滲透率儲(chǔ)層測(cè)壓點(diǎn)難以回歸出相關(guān)度高的公式(見(jiàn)圖7),數(shù)據(jù)點(diǎn)呈波浪狀分布,數(shù)據(jù)點(diǎn)相關(guān)度非常低。分析認(rèn)為是由于儲(chǔ)層滲透率非均質(zhì)性很強(qiáng),隨著抽吸的進(jìn)行,球形流波及到的不同深度地層的滲透率有所變化,從而造成了數(shù)據(jù)點(diǎn)不穩(wěn)定,地層流速與時(shí)間散點(diǎn)圖能比較直觀地體現(xiàn)(見(jiàn)圖8)。如果不能回歸出相關(guān)度較高的關(guān)系式,利用RFA算法計(jì)算儲(chǔ)層流度值也不準(zhǔn)確,為此提出了校正方法。以DX27-5-1井4 341.01 m處測(cè)壓數(shù)據(jù)為例說(shuō)明校正方法和過(guò)程。

圖7 DX27-5井4 336 m處壓力與地層流速關(guān)系圖

圖8 DX27-5井4 336 m處時(shí)間與地層流速關(guān)系圖

(1) 首先將流速時(shí)間曲線進(jìn)行面積補(bǔ)償平滑,得到平滑后回歸的曲線公式(見(jiàn)圖9)。

圖9 流速—時(shí)間曲線數(shù)據(jù)回歸

(2) 根據(jù)平滑后回歸公式,將各個(gè)點(diǎn)的流量進(jìn)行重新計(jì)算。

(3) 將重新計(jì)算的流量和壓力數(shù)值進(jìn)行回歸,可以得到相對(duì)更加準(zhǔn)確的回歸曲線(見(jiàn)圖10)。

圖10 壓力—流速曲線數(shù)據(jù)回歸

表1是DX27-5-1井測(cè)壓點(diǎn)校正前后流速和流度的對(duì)比,校正前12個(gè)測(cè)壓點(diǎn)的平均流度是4.1 mD/cP,校正后平均流度為2.3 mD/cP?？梢?jiàn),如果不進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)流度校正,將會(huì)明顯高估儲(chǔ)層的滲透能力。

FRA算法在求取地層流速時(shí)是基于達(dá)西定律的,但實(shí)際測(cè)壓時(shí),坐封后管線中的壓力和地層壓力存在一定的壓力差,這個(gè)和達(dá)西的實(shí)驗(yàn)存在一定的區(qū)別,所以第1次抽吸時(shí)Qac=Qf-Qdd并不是一個(gè)完全相等的公式,當(dāng)井筒壓力與地層壓力基本相當(dāng)或者略高于地層壓力時(shí),使用FRA才比較準(zhǔn)確,所以使用第2次抽吸的數(shù)據(jù)進(jìn)行流度計(jì)算才更加準(zhǔn)確。另外對(duì)于一些非均質(zhì)性很強(qiáng)的特低滲透率氣層,隨著抽吸的進(jìn)行,球形流波及到的不同深度地層的滲透率有所變化,也能造成流速的不穩(wěn)定(見(jiàn)圖8)。

2.3 測(cè)壓參數(shù)統(tǒng)一法

不管是面積法和FRA計(jì)算方法都存在一定的缺陷。在實(shí)際測(cè)壓作業(yè)中,不同公司、不同工程師,在遇到低滲透率儲(chǔ)層時(shí),采用的測(cè)壓參數(shù)不盡相同,抽速不同、體積不同、等待時(shí)間不同,最后得到的流度值大小無(wú)法進(jìn)行對(duì)比,特別是一些較致密的點(diǎn),壓力恢復(fù)難以穩(wěn)定,問(wèn)題就更加突出,大大降低了測(cè)壓的價(jià)值。據(jù)此,提出了統(tǒng)一測(cè)壓測(cè)量參數(shù)方法。例如,在DX27-5井測(cè)壓前,根據(jù)電阻率和三孔隙度數(shù)據(jù),以及區(qū)域資料,對(duì)測(cè)壓點(diǎn)的儲(chǔ)層物性做一個(gè)預(yù)判,若屬于低滲透率儲(chǔ)層,則采取如下參數(shù)。

表1 DX27-5井測(cè)壓點(diǎn)校正前后流速與流度對(duì)比表

圖11 統(tǒng)一測(cè)量參數(shù)不同低滲透率點(diǎn)流度值對(duì)比

(1) 抽吸速度盡可能小,0.5 cm3/s,如果儀器允許,抽吸速率還可以更低。

(2) 抽吸次數(shù)3次,抽吸次數(shù)越多,超壓現(xiàn)象越輕,壓力值越穩(wěn)定。

(3) 第1次抽吸量5 cm3,抽速為1 cm3/s,恢復(fù)5～7 min;第2次抽吸10 cm3,抽速為0.5 cm3/s,恢復(fù)8～10 min或穩(wěn)定,第3次抽吸5 cm3,抽速為0.5 cm3/s,恢復(fù)5～7 min或穩(wěn)定。

當(dāng)所有點(diǎn)的測(cè)壓參數(shù)統(tǒng)一后,可以確保在無(wú)法獲得絕對(duì)流度值的情況下得到不同測(cè)壓點(diǎn)之間較為準(zhǔn)確的數(shù)值(見(jiàn)圖11)。統(tǒng)一測(cè)量參數(shù)后,每個(gè)點(diǎn)絕對(duì)流度值可能是不準(zhǔn)確的,但是可以保證不同點(diǎn)間的相對(duì)大小準(zhǔn)確;從而能夠利用流度值在1口井或不同井間進(jìn)行物性對(duì)比,能更大限度地發(fā)揮測(cè)壓的作用。

3 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(1) 低滲透率儲(chǔ)層無(wú)法出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)流原因在于單位面積供液速率達(dá)不到抽吸速率,致使壓降法得到的流度值偏大。在低滲透率儲(chǔ)層測(cè)壓時(shí),抽吸速率要盡可能低,抽吸時(shí)間要更長(zhǎng),才有可能在低滲透率點(diǎn)測(cè)壓時(shí)獲得穩(wěn)態(tài)流壓力恢復(fù)曲線,目前斯倫貝謝MDT儀器和貝克休斯RCI儀器其最小抽吸速率為0.25～0.5 cm3/s,測(cè)壓精度偏低,很難適用于1 mD/cP流度以下儲(chǔ)層測(cè)壓。

(2) XPT是斯倫貝謝新一代測(cè)壓儀器,特點(diǎn)是管儲(chǔ)效應(yīng)更小,只有30 cm3,壓力計(jì)精度更高,最小抽吸速率可以達(dá)到0.02 cm3/s,該儀器技術(shù)指標(biāo)參數(shù)能夠滿足低滲透率儲(chǔ)層測(cè)壓時(shí)低管儲(chǔ)效應(yīng)、低軸速要求,建議今后針對(duì)低滲透率儲(chǔ)儲(chǔ)層采用XPT儀器。

(3) 面積積分法和FRA算法都能在一定程度上使流度值更加精確,但還存在一定的局限性。面積法只是數(shù)學(xué)修正,沒(méi)有實(shí)際物理意義;FRA算法實(shí)際應(yīng)用時(shí),需對(duì)流速進(jìn)行人為校正。

(4) 低滲透率儲(chǔ)層測(cè)壓時(shí),采用參數(shù)統(tǒng)一法更具有實(shí)際意義,只有在流度值相對(duì)大小確定后才能開(kāi)展不同深度段、不同井之間的物性對(duì)比,為測(cè)試選層,產(chǎn)能預(yù)測(cè)提供更加準(zhǔn)確的參考依據(jù)。

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