致密气藏的应力敏感性及其对气井单井产能的影响

(中国石油大学(北京)教育部石油工程重点实验室,北京102249)

在油气藏的开发过程中,由于储层中流体的采出,储层孔隙压力不断降低,储层的孔隙度和渗透率也会随之下降,出现应力敏感现象[1-3]。应力敏感的出现会对储层中流体的流动和最终的油井产量产生一定影响。对于致密气藏来说,由于其具有特低孔低渗的特征,其应力敏感性会与常规油气藏有所差别[4]。本文通过实验方法模拟了致密气藏的孔隙度和渗透率应力敏感特征,并通过理论推导计算了孔隙度和渗透率应力敏感性对致密气藏单井产能的影响。

1 致密气藏应力敏感性评价实验

1.1 实验原理

岩石在储层中受到的压力主要包括上覆地层压力(外压)和孔隙流体压力(内压)。上覆地层压力与孔隙流体压力之差即为有效应力[5]。当储层岩石所受的有效应力发生变化时,岩石会发生变形,孔隙度和渗透率会随之变化,产生应力敏感。因此,可以在室内通过模拟有效应力的变化来评价储层岩石的应力敏感性。根据有效应力的定义,有两种方法可以模拟有效应力的变化:定流压变围压和定围压变流压。

由于操作简便,多数学者在进行应力敏感性评价时均使用了定流压变围压的方法来模拟有效应力的变化[6-8],但是这种方法并不符合油气田生产实际,在油气藏的开发过程中,上覆地层压力不会发生改变,而随着生产的进行,孔隙流体压力会由于流体的采出而不断降低。因此,定围压变流压的方法更能反映出储层的真实情况。本次实验中就采用定围压变流压的方法来进行应力敏感性的评价。

1.2 实验条件

(1)实验温度为地层温度85℃;

(2)采用定围压变流压的方法进行实验,即围压(模拟地层上覆压力)不变,通过不同的流压变化过程来模拟开发的不同阶段:流压下降,模拟因气藏开采导致的地层压力下降过程;流压上升,模拟因补充能量导致的地层压力上升过程。实验中,围压设定为上覆地层压力39 MPa;流压分别为17、13、9、6、2、1 MPa(降压过程)和1、2、6、9、13、17 MPa(升压过程);

(3)实验用气体为高纯氮(纯度＞99.999%);

(4)为了更好地还原储层真实情况,此次应力敏感实验是在岩心含束缚水的情况下进行的。

1.3 实验岩心

为了模拟致密气藏储层真实状况,此次实验选择实验岩心为西部某致密气藏真实岩心,具体物性参数见表1。

表1 应力敏感测试岩心物性参数Tab.1 Physical properties of the cores used for stress sensitivity measurement

1.4 实验设备及流程

实验设备及流程见图1。

(1)岩心恒温烘干,测量岩心的长度、直径、孔隙度及气测渗透率。

图1 应力敏感评价设备Fig.1 Experimental equipment diagram for stress sensitivity measurement

(2)将岩心饱和水,测湿重。随后将岩心放入夹持器中,使用氮气驱替至不出水,再将岩心称重,计算束缚水饱和度。

(3)将造好束缚水的岩心放入夹持器。保持39 MPa围压不变。初始流压设置为17 MPa,并缓慢改变流压至1.2中所述预定压力点以分别模拟流压的下降和上升过程。每一点待流动稳定后,测定岩样气测渗透率和孔隙度。

(4)最后一个压力点的渗透率和孔隙度测完之后,关闭上下游,取出岩心再次称重,并准备下一组实验。

1.5 实验结果及分析

1.5.1 孔隙度应力敏感性 图2为4个不同孔隙度岩心的孔隙度应力敏感性测试结果。图中横坐标为孔隙压力(流压),纵坐标为孔隙度。从图中可以看出,在模拟因开采导致的地层孔隙压力下降过程中,随着孔隙压力的不断降低,岩心的孔隙度也不断降低,且在孔隙压力降低的早期孔隙度降低的幅度最大,在后期则趋向平缓。模拟因补充压力导致的地层孔隙压力上升过程,随着孔隙压力的上升,岩心孔隙度随之升高。但孔隙度升高的速度低于孔隙压力下降造成的孔隙度降低的速度,孔隙度恢复的曲线近似于直线,即由于应力变化导致的孔隙度损失无法彻底恢复。

图2 不同孔隙度岩心的孔隙度应力敏感结果Fig.2 Porosity stress sensitivity of cores of different porosity

对比4个不同孔隙度岩心的孔隙度应力敏感性结果图可以看出,随着原始孔隙度的降低,孔隙度敏感性曲线越来越接近于直线,由于孔隙压力上升而导致的孔隙度恢复曲线也越来越接近于由于孔隙压力下降而导致的孔隙度下降曲线,孔隙度最低的岩心(Φ=3.06%)其两条线基本重合,说明了随着孔隙度的降低,岩心的孔隙度敏感性逐渐降低。

4块岩心的孔隙度损害率[9]计算结果见表2。

从表2中同样可以看出,随着孔隙度的降低,各岩心的孔隙度损害率也逐渐降低,即孔隙度敏感性逐渐减弱。

表2 不同孔隙度岩心的孔隙度损害率Tab.2 Porosity loss rate of cores of different porosity

1.5.2 渗透率应力敏感性 图3为4个不同渗透率岩心的渗透率应力敏感性测试结果。图中横坐标为孔隙压力(流压),纵坐标为渗透率。从图中可以看出,在模拟因开采导致的地层孔隙压力下降过程中,随着孔隙压力的不断降低,岩心的渗透率也不断降低,且在孔隙压力降低的早期渗透率降低的幅度最大,在后期则趋向平缓。模拟因补充压力导致的地层孔隙压力上升过程,随着孔隙压力的上升,岩心渗透率随之升高。但渗透率升高的速度低于孔隙压力下降造成的渗透率降低的速度,且由于应力变化导致的渗透率损失无法彻底恢复。

图3 不同渗透率岩心的渗透率应力敏感Fig.3 Permeability stress sensitivity of cores of different permeability

对比4个不同渗透率岩心的渗透率应力敏感性结果图可以看出,随着原始渗透率的降低,渗透率敏感性曲线变化幅度越来越小,由于孔隙压力上升而导致的渗透率恢复曲线越来越接近于直线,渗透率恢复曲线也越来越接近于由于孔隙压力下降而导致的渗透率下降曲线,说明了随着渗透率的降低,岩心的渗透率敏感性逐渐降低。

4块岩心的渗透率损害率[9]计算结果见表3。从表3中同样可以看出,随着渗透率的降低,各岩心的渗透率损害率也逐渐降低,即渗透率敏感性逐渐减弱。

表3 不同渗透率岩心的渗透率损害率Tab.3 Permeability loss rate of cores of different permeability

对比岩心的孔隙度和渗透率应力敏感曲线可以发现,岩心的孔隙度应力敏感曲线的变化幅度远比渗透率应力敏感曲线的变化幅度小。同时对比表2和表3中的孔隙度和渗透率损害可以看出,岩心平均的渗透率损害率要远高于孔隙度损害率。说明了对于致密气藏岩心来说,其渗透率应力敏感性要强于其孔隙度应力敏感性。

2 考虑应力敏感性的致密气藏气井产能方程

根据本体有效应力理论[1],致密气藏岩心渗透率随气藏流压的变化可以表示为指数形式

式中:pi为原始地层压力,MPa;p为目前地层压力,MPa;ki为储层初始渗透率,10-3μm2;k为目前地层压力下的储层渗透率,10-3μm2;φ为目前地层压力下的储层孔隙度,%;b为渗透率应力敏感系数。

根据气体稳态渗流理论[10],气体在致密气藏中低速流动时,其运动方程为

将式(3)代入式(6)并沿径向距离积分即可得到考虑渗透率敏感性的致密气藏气井产能方程

致密气藏岩石压缩系数可以表示为

分离变量并积分,得

式中:φi为储层初始孔隙度,%。

将式(9)按麦克劳林级数展开,取展开后前两项即可满足精确度要求。式(9)可以写为

将式(10)代入式(7)即可得到同时考虑渗透率和孔隙度敏感性的致密气藏气井产能方程

3 实例分析

某低渗致密气藏一气井原始地层压力为22.51 MPa,排泄半径280 m,有效井径0.101 5 m,初始渗透率为1.12×10-3μm2,初始孔隙度7.53%,储层有效厚度12.34 m,储层温度320K,气体相对密度为0.74,气体黏度为0.0147mPa·s,平均压缩因子为0.91。以该致密气藏为例,研究应力敏感性对致密气藏单井产能的影响。

利用上述数据,结合文中推导的产能方程,分别计算了致密气藏不同情况下的气井产能曲线,见图4。

图4 未考虑和考虑应力敏感情况下的气井产能曲线Fig.4 Production curves of gas well under different stress sensitivity conditions

从图4中可以看出,在考虑了应力敏感的情况下,气井产能较未考虑应力敏感的情况有一定程度的下降,说明在实际的工程计算中不能忽略应力敏感性对气井产能的影响;同时考虑渗透率和孔隙度应力敏感的情况下气井产能较只考虑渗透率应力敏感的产能低,但是降低幅度并不大。这也证实本文中实验得到的结论,即致密气藏岩心的孔隙度应力敏感性较弱,渗透率应力敏感性要强于其孔隙度应力敏感性。

图5为不同渗透率敏感系数对致密气藏气井单井产能的影响。

图5表明,随着应力敏感系数的增大,气井的产量不断降低,且产量降低的速度越来越小;同时随着应力敏感系数的增大,气井最终的产量也不断降低,同样最终的产量下降幅度也越来越小。

图5 不同渗透率敏感系数对致密气藏气井单井产能的影响Fig.5 Productivity curves of single gas well in tight gas reservoir of different permeability sensitivity coefficients

4 结论

(1)用定围压变流压方法对致密气藏岩心室内应力敏感性评价表明:随着开采过程中岩心内孔隙流体压力的降低,岩心的孔隙度和渗透率均不断下降。模拟因补充压力导致的地层孔隙压力上升过程中,随着孔隙压力的上升,岩心孔隙度和渗透率均随之升高,但由于应力变化导致的孔隙度和渗透率损失均无法彻底恢复。

(2)随着孔隙度的降低,致密气藏岩心孔隙度应力敏感性也逐渐减弱,随着渗透率的降低,渗透率应力敏感性逐渐减弱,且致密气藏岩心的渗透率应力敏感性要强于其孔隙度应力敏感性。

(3)建立了同时考虑致密气藏岩心渗透率和孔隙度应力敏感性的气井产能方程,并进行了实例验证。结果表明,在考虑了应力敏感情况下,气井产能较未考虑应力敏感情况有一定程度的下降,且同时考虑渗透率和孔隙度应力敏感情况下气井产能较只考虑渗透率应力敏感的产能略低。随着应力敏感系数的增大,气井的产量不断降低,且产量降低的速度越来越小。

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