低滲透儲(chǔ)層有效圍壓與滲透率關(guān)系研究

在氣田開發(fā)過程中，當(dāng)層壓降低時(shí)，為了恢復(fù)應(yīng)力平衡，最初將存儲(chǔ)層中傳遞的部分推壓壓轉(zhuǎn)移到巖石骨架，增加巖石骨架的負(fù)荷，導(dǎo)致巖石骨架的彈性變形。這種變化改變了支撐結(jié)構(gòu)與巖石間隙結(jié)構(gòu)之間的原始關(guān)系。因此其主要的巖石學(xué)特性如孔隙度、滲透率會(huì)降低,發(fā)生應(yīng)力敏感,進(jìn)而影響到生產(chǎn)井產(chǎn)量甚至最終采收率等生產(chǎn)指標(biāo)。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)低滲透儲(chǔ)層巖石滲透率應(yīng)力敏感性的研究已有很多,而其中大部分都是以低有效圍壓(一般不超過7MPa)為基準(zhǔn)點(diǎn)來研究壓敏效應(yīng),得到的應(yīng)力敏感傷害很大,并不能反映地層中的實(shí)際傷害。由于在鉆井取心過程中,作用在巖心上的應(yīng)力大小發(fā)生了變化,應(yīng)力狀態(tài)也由原始地應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殪o水壓力狀態(tài),并且?guī)r心被取到地面后,其上的地應(yīng)力完全得到釋放,從而使得巖心孔喉結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。如果室內(nèi)實(shí)驗(yàn)條件無法接近地層的實(shí)際應(yīng)力水平,那么所得到的壓力敏感傷害就不能反映地層下的真實(shí)情況。大量的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明:實(shí)驗(yàn)室常規(guī)巖心實(shí)驗(yàn)所用的低有效圍壓得到的結(jié)果已不能真實(shí)反映壓敏所引起的孔喉結(jié)構(gòu)變化。本文以室內(nèi)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ),以有效圍壓達(dá)到原始儲(chǔ)層有效應(yīng)力為基準(zhǔn)來研究低滲透氣藏的應(yīng)力敏感性,并通過掃描電鏡分析了微觀孔喉形狀,運(yùn)用恒速壓汞測(cè)試微觀孔隙結(jié)構(gòu)來分析壓敏傷害的機(jī)理。一、儲(chǔ)層有效圍壓實(shí)驗(yàn)5塊巖心經(jīng)洗油、干燥后用于實(shí)驗(yàn),其滲透率見表1。實(shí)驗(yàn)氣源為干燥的氮?dú)?并采用皂泡流量計(jì)、浮子流量計(jì)分別測(cè)得低流速和較高流速的氣體流量,以手動(dòng)泵施加圍壓。參照中國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T5358-2002設(shè)計(jì)本實(shí)驗(yàn)方法:有效圍壓從2MPa開始,隨著其增加,記錄每一測(cè)試點(diǎn)的流量和對(duì)應(yīng)時(shí)間,當(dāng)有效圍壓達(dá)到原始儲(chǔ)層有效應(yīng)力時(shí),適當(dāng)增加測(cè)試點(diǎn),測(cè)試最高點(diǎn)的有效圍壓為30MPa。當(dāng)圍壓達(dá)到最高測(cè)試值時(shí),待穩(wěn)定后緩慢將其減小,然后再對(duì)滲透率的恢復(fù)情況進(jìn)行測(cè)試。二、儲(chǔ)層有效應(yīng)力敏感性與評(píng)估參照文獻(xiàn)的滲透率敏感性評(píng)價(jià)方法。圖1是以低有效圍壓(2MPa)作為起點(diǎn)來測(cè)試有效圍壓與滲透率間的關(guān)系,其中的縱坐標(biāo)K/K2是不同有效圍壓(大于等于2MPa)下的滲透率與有效圍壓為2MPa下滲透率的比值。從圖1可以看出,隨著有效圍壓的增加,初始時(shí)滲透率下降得很快,而當(dāng)其達(dá)到15MPa左右時(shí),滲透率的下降速度變緩,有效圍壓達(dá)到30MPa時(shí)滲透率的最大傷害為90%左右,傷害程度很深。事實(shí)上,從原始地應(yīng)力狀態(tài)下取出的巖心,由于上覆巖層壓力的消失使得巖心的骨架應(yīng)力得到釋放,這種應(yīng)力狀態(tài)和大小的變化將使巖心的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,部分小喉道和微裂縫將開啟或增大。在以低有效圍壓為起點(diǎn)進(jìn)行壓敏評(píng)價(jià)時(shí),隨著有效圍壓的增加,巖心的骨架應(yīng)力會(huì)逐漸恢復(fù)到原始儲(chǔ)層的有效應(yīng)力,在此過程中所產(chǎn)生的應(yīng)力敏感傷害都屬于對(duì)原始地層的恢復(fù),而不是由儲(chǔ)層流壓降低所引起的傷害,因此以低有效圍壓來評(píng)價(jià)應(yīng)力敏感性并不能反映儲(chǔ)層的真實(shí)情況。為了真實(shí)反映儲(chǔ)層的應(yīng)力敏感性,本文以有效圍壓達(dá)到原始儲(chǔ)層有效應(yīng)力為基準(zhǔn)來研究低滲透氣藏的應(yīng)力敏感性。根據(jù)低滲透儲(chǔ)層的壓力系數(shù)(0.75左右)和儲(chǔ)層深度(2000m左右)可以算出原始儲(chǔ)層的有效應(yīng)力為15MPa左右。圖2即是以原始儲(chǔ)層有效應(yīng)力作為有效圍壓的起點(diǎn),在未達(dá)到地層有效應(yīng)力(15MPa)以前的加壓過程是對(duì)原始地層應(yīng)力的恢復(fù)過程,其所產(chǎn)生的傷害不是由地層流體壓力降低而引起的。該圖中的縱坐標(biāo)K/K15是不同有效圍壓(大于等于15MPa)下的滲透率與有效圍壓為15MPa下滲透率的比值。從圖2可以看出,隨著有效圍壓的增加,初始時(shí)滲透率下降得較快,而當(dāng)其達(dá)到23MPa左右時(shí),滲透率的下降速度相對(duì)變緩,當(dāng)有效圍壓達(dá)到30MPa時(shí)滲透率的最大傷害為45%左右。通過以上分析可知,以低有效圍壓(2MPa)為基準(zhǔn)和以原始儲(chǔ)層有效應(yīng)力(15MPa)為基準(zhǔn)相比較,滲透率的傷害程度相差很大,后者與儲(chǔ)層的實(shí)際狀況較為接近。當(dāng)有效圍壓恢復(fù)到15MPa時(shí),1、2號(hào)巖心,3號(hào)巖心,4、5號(hào)巖心的滲透率分別恢復(fù)了約90%、85%和70%,這說明儲(chǔ)層巖石發(fā)生了彈塑性形變,儲(chǔ)層的孔喉結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,壓敏所產(chǎn)生的傷害是永久性且不可逆的。為了研究滲透率與有效圍壓之間的關(guān)系,對(duì)圖2進(jìn)行如下擬合:式中:C0、C1、C2為擬合系數(shù),單位分別為1/MPa2、1/MPa、無因次;peff=pover-p,為有效圍壓,MPa;pover為上覆巖層壓力,MPa;p為孔隙壓力,MPa;Keffo為原始儲(chǔ)層有效應(yīng)力下的滲透率,10-3μm2;K為有效圍壓發(fā)生變化時(shí)的滲透率,10-3μm2。從圖2可以看出,所有曲線的相關(guān)系數(shù)都大于0.99,曲線擬合得很好,說明有效圍壓與滲透率間滿足二次多項(xiàng)式關(guān)系。三、考慮壓敏效應(yīng)時(shí)氣井產(chǎn)量實(shí)驗(yàn)在低滲透氣田開發(fā)過程中,壓力損失主要發(fā)生在生產(chǎn)井底。因此,應(yīng)力敏感性傷害主要也發(fā)生在井底附近。為了提高產(chǎn)能,要盡可能地降低井底流壓,但井底附近的壓降漏斗不斷增大使得壓敏產(chǎn)生的傷害不斷增加,反而抑制了產(chǎn)量的提高。因此為了保持合理的井底流壓,提高產(chǎn)能和最終采收率,應(yīng)分析壓敏效應(yīng)對(duì)氣田開發(fā)的影響。對(duì)于低壓下的氣體而言,μZ是一個(gè)常數(shù),擬壓力可以用壓力的平方表示。在穩(wěn)態(tài)滲流條件下,根據(jù)平面徑向流壓力分布和式(1)可得考慮壓敏效應(yīng)時(shí)的滲透率分布為:根據(jù)平面徑向流理論產(chǎn)量和式(1)可得,考慮壓敏效應(yīng)時(shí)氣井的產(chǎn)量公式為:式中:Qsc為考慮壓敏效應(yīng)時(shí)的產(chǎn)量,cm3/s;為平面徑向流理論產(chǎn)量,cm3/s;h為儲(chǔ)層厚度,m;Zsc為標(biāo)準(zhǔn)條件下天然氣的壓縮因子,無因次;Tsc為標(biāo)準(zhǔn)條件下的溫度,K;psc為標(biāo)準(zhǔn)條件下的大氣壓,MPa;μ為儲(chǔ)層條件下的原油粘度,mPa·s;Z為儲(chǔ)層條件下天然氣的壓縮因子,無因次;T為儲(chǔ)層條件下的溫度,K;Pe為圓形有界儲(chǔ)層的邊界壓力,MPa;pw為井底壓力,MPa;re為圓形有界儲(chǔ)層的半徑,m;rw為井眼半徑,m;r為圓柱坐標(biāo)系下任意一點(diǎn)到油井的距離,m。由pe=15MPa、pover=30MPa,式(2)、(3)以及巖心2、3、4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合系數(shù)(C0、C1、C2)可得如圖3、圖4的曲線。圖3為壓敏效應(yīng)引起的滲透率變化曲線,井底流壓均為7MPa,由于井底附近存在壓降漏斗,在壓敏效應(yīng)的作用下,滲透率也呈漏斗形分布。距離生產(chǎn)井較近的儲(chǔ)層,其滲透率變化較大,而距離較遠(yuǎn)的地方滲透率變化較小。在井壁附近,圖3中的曲線2、曲線3、曲線4的滲透率分別下降了12.4%、20.0%和29.3%。圖4為壓敏效應(yīng)對(duì)產(chǎn)量的影響曲線,可以看出,在生產(chǎn)壓差增加的過程中,該圖中3條曲線的產(chǎn)量損失不斷增大,當(dāng)生產(chǎn)壓差達(dá)到10MPa時(shí),曲線2、曲線3、曲線4的產(chǎn)量分別損失了約8.5%、12.3%和18.3%。從以上計(jì)算可以看出,應(yīng)將井底流壓和生產(chǎn)壓差控制在適當(dāng)范圍內(nèi),保持合理的地層壓力,以減小敏感性傷害。四、流量敏感機(jī)理的分析1.喉道體結(jié)構(gòu)對(duì)儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性的影響低滲透砂巖發(fā)生滲透率應(yīng)力敏感的根本原因在于應(yīng)力狀態(tài)改變導(dǎo)致承載骨架顆粒與孔喉結(jié)構(gòu)間的原始關(guān)系發(fā)生了變化,進(jìn)而引起滲流通道的變化。巖石的孔隙結(jié)構(gòu)包括孔隙體和喉道體兩部分,前者為拱形結(jié)構(gòu),抗擠能力較強(qiáng),變形較小;而后者為反拱形結(jié)構(gòu),其在有效應(yīng)力下極易變形,使喉道半徑急劇減小,甚至閉合。為了直觀地說明孔喉結(jié)構(gòu)對(duì)儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性的影響,筆者對(duì)低滲透巖心進(jìn)行了環(huán)境掃描電鏡分析。從圖5可以看出,孔隙以粒間孔隙為主、呈多邊形和橢圓形,填隙物含量較少,孔壁平滑,抗壓能力強(qiáng),受應(yīng)力影響較小。從圖6、圖7可以看出,喉道多呈片狀、反拱狀結(jié)構(gòu),其表面多有粘土搭橋、綠泥石分布,當(dāng)有效應(yīng)力增加時(shí),該結(jié)構(gòu)很容易被壓縮,從而導(dǎo)致滲透率大幅降低。2.喉道半徑分布圖8為恒速壓汞測(cè)試低滲透巖心喉道分布百分?jǐn)?shù),從圖中可以看出:滲透率較小的巖心,其相應(yīng)的喉道半徑分布范圍窄,峰值喉道半徑較小(0.5μm左右),半徑大于1μm的喉道所占比例很小;滲透率較大的巖心,其喉道半徑分布范圍廣,峰值喉道半徑逐漸變大(0.6~1.0μm),而且隨著滲透率的增加,半徑大于1μm的喉道數(shù)量逐漸增多,3μm以上的喉道也有分布。儲(chǔ)層的喉道分布特征決定了儲(chǔ)層的應(yīng)力敏感程度:當(dāng)?shù)貙訅毫档蜁r(shí),喉道所受到的有效應(yīng)力逐漸增加,喉道半徑隨之減小,滲透率大幅度下降,隨著地層壓力的進(jìn)一步降低,骨架顆粒不斷被壓實(shí),未閉合喉道越來越少且多數(shù)為不易閉合,滲透率降低的趨勢(shì)逐漸減小。五、儲(chǔ)層精細(xì)表征(1)以原始儲(chǔ)層有效應(yīng)力作為有效圍壓基準(zhǔn)的壓敏效應(yīng)評(píng)價(jià)方法與實(shí)際儲(chǔ)層的應(yīng)力狀態(tài)比較接近,避免了由儲(chǔ)層骨架應(yīng)力釋放所引起的應(yīng)力敏感,能較好地反映由儲(chǔ)層流體壓力降低而產(chǎn)生的應(yīng)力敏感。(2)由于壓敏效應(yīng)引起儲(chǔ)層巖石發(fā)生了彈塑性形變,因此壓敏傷害是一種永久性、不可逆的傷害;以原始儲(chǔ)層有效應(yīng)力作為有效圍壓的基準(zhǔn)時(shí),有效圍壓與滲透率間滿足二次多項(xiàng)式關(guān)系。(3)理論計(jì)算表明,在生產(chǎn)井井底附近存在滲透率漏斗,壓敏效應(yīng)對(duì)氣井產(chǎn)量有很大影響。(