基于应力敏感的中深层油藏产能研究

阳晓燕 王 龙 宫平志 杨贯虹 崔龙涛

中海石油(中国)有限公司天津分公司, 天津 300459

0 前言

KLA油田是渤海典型的中深层整装油藏,主要目的层为沙河街组,沙河街组为薄互层沉积储层[1],纵向上储层单层厚度薄,储层物性差,平面上非均质性强,连通关系复杂。在开发过程中,由于注水效果差,地层压力逐渐下降,有效应力增加,储层产生应力敏感[2-5]。祝明谦、张楠等人研究表明油井产能受储层应力敏感性的影响[6-10],研究成果主要针对单相时的产能进行分析,未针对油水两相的产能影响进行系统研究;王坤、汤勇等人研究了应力敏感对低渗储层渗流规律的影响,但未进一步研究渗流规律对开发生产的影响[11-15]。为进一步了解应力敏感在油田开发过程对单相以及多相产能的影响,以及渗流规律的变化,以便进一步改善油田开发效果,提出应力敏感室内实验。根据实验结果定量表征应力敏感对渗透率的影响,进一步建立应力敏感影响下的产能方程,笔者在基于渗透率降低对低渗透油井产能方程影响的基础上,首次考虑了应力敏感对油水相渗的影响,并建立油水两相产能方程,进一步明确油井生命周期内的产能变化情况,新方程更能反映中深层油藏的实际生产情况,对合理开发中深层油藏具有一定的指导意义,并指导油田合理压力保持水平及压力恢复方案制定。

1 实验装置及材料

实验装置由恒温箱、ISCO高精度驱替泵、围压泵、回压泵、压力传感器、岩心夹持器、水釜、油釜、计量装置组成,见图1。其中实验岩心取自KLA油田的天然岩心(选取油田具有代表性的9组岩心,渗透率范围25.5×10-3～333.9×10-3μm2),实验用油选取KLA油田的地面脱气原油,地层原油黏度为2.72 mPa·s,实验用水根据油田地层水矿化度进行配制,地层水矿化度为8 300 mg/L,地层水黏度为0.4 mPa·s。

图1 实验装置图Fig.1 Diagram of experimental setup

2 方案设计

应力敏感的基本原理是模拟油气藏有效覆压[16-18],对岩心进行加压,加载到一定值后逐渐降压恢复到初始覆压,研究渗透率随覆压变化的非稳态过程。本次实验主要分为两类：应力敏感实验及油水相渗实验。其中应力敏感实验设计9组,岩心数据见表1；油水相渗实验选取渗透率为108.5×10-3μm2的岩心做4组不同有效覆压条件下的相渗曲线,有效覆压分别选取2 MPa、5 MPa、10 MPa、15 MPa。

表1 应力敏感岩心基本参数表

3 实验结果及数据处理

3.1 应力敏感实验结果分析

对9组天然岩心应力敏感实验所得数据进行处理,实验结果表明随有效覆压升高,渗透率不断降低,岩心渗透率越低,随有效覆压增加所导致的渗透率降幅越大;随有效覆压降低,渗透率逐步回升,最大回升幅度至0.93,渗透率出现不可逆的损失,见图2。

图2 典型岩心渗透率随有效覆压的变化图Fig.2 Typical core permeability changes with effectiveover pressure

实验结果表明不同渗透率级别的岩心都存在应力敏感,渗透率的差异决定应力敏感程度,整体来看不同有效覆压下的渗透率与有效覆压成乘幂式关系:

(1)

式中:K0为初始渗透率,10-3μm2;Ki为有效覆压下的渗透率,10-3μm2;σ为有效覆压,MPa;s为应力敏感系数；a为回归系数。

通过各块岩心乘幂式拟合,可以得出不同储层物性条件下的应力敏感系数s,再将应力敏感系数s与岩心初始渗透率K0建立定量关系,见图3。得出KLA油田储层应力敏感系数与初始渗透率呈现良好的线性关系,且成负相关。不同物性条件下,所产生的储层应力敏感存在差异,储层渗透率越小,应力敏感系数越大,物性越差,储层应力敏感性越强,为了定量表征该油田不同储层物性的应力敏感情况,进而建立该油田储层应力敏感定量表征式:

图3 不同渗透率下的应力敏感系数分布图Fig.3 Distribution of stress sensitivity coefficientsunder different permeabilities

(2)

式中:σ0为初始有效覆压,MPa。

3.2 应力敏感对油水相渗曲线的影响分析

利用JBN方法对相渗数据进行处理,实验结果见图4。图4表明应力敏感对油水相对渗透率曲线影响较大:1)随着有效覆压的增加,束缚水饱和度变大,主要是因为应力敏感导致岩心渗透率降低,岩石具有亲水的特性,饱和油的过程中,油驱水困难,导致束缚水饱和度增加；2)随着有效覆压的增加,等渗点降低,且整体左移,油水两相共渗区变窄,主要是因为应力敏感导致喉道变窄,有效渗流能力降低,进一步导致驱油效率降低；3)随着有效覆压的增加,油相渗透率急剧下降,渗流能力减弱,产能降低；4)随着有效覆压的增加,水相渗透率、残余油饱和度均增加,但增幅较小。

图4 应力敏感对油水相渗曲线影响曲线图Fig.4 Curves of influence of stress sensitivity onoil-water permeability curve

4 建立考虑应力敏感的产能方程

油井平面径向稳定渗流方程:

(3)

式中:Q为产量,m3/d,pe为地层压力,MPa;pw为井底流压,MPa;h为油层厚度,m;μo为原油黏度,mPa·s;B为原油体积系数;re为供给半径,m;rw为井半径,m。

考虑油井生产过程中,地层压力下降导致储层应力敏感,储层渗透率随着地层压力的降低而降低,将式(2)代入(3)得:

(4)

随着生产的进行,含水率逐渐增加,产能公式表示为:

Qo=Q·(1-fw)

(5)

式中:fw为含水率;Qo为含水率fw下的产量,m3/d。

在油田动态分析中,含水率是一个重要的指标,即Leverett函数表达式[19-20]为：

(6)

式中:Kro为油相相对渗透率；Krw为水相相对渗透率;μw为地层水黏度,mPa·s。

考虑受储层应力敏感影响:

(7)

为了便于应用,一般是将油水相对渗透率的比值表示为含水饱和度的函数:

(8)

式中:Sw为含水饱和度;a,b为线性回归参数。

进一步建立见水后的产能方程:

(9)

根据理论推导结合实验研究结果,将油田的基本参数带入式(4)、式(9)进一步建立油田不同渗透率下的产能随压降变化图版,见图5～6。

图5 应力敏感对产能降幅影响图(单相生产)Fig.5 Impact of stress sensitivity on productivityreduction(single-phase production)

图6 同一渗透率下应力敏感对产量影响图(油水两相生产)Fig.6 Impact of stress sensitivity on production underthe same permeability(oil-water two-phase production)

由图5～6可以看出，应力敏感对产能有较大影响,渗透率小于300×10-3μm2时,应力敏感对产能产生影响,且渗透率越低,应力敏感对产能降幅影响越严重。在油田开发中,随着地层压力降低,能量不足,产能快速递减,对物性较差的储层,当地层压力降幅超过10 MPa时,递减率出现极值点。从油水两相生产时产能随压降变化图版看出,应力敏感致使油井稳产期大幅缩短,严重影响油井产能。

5 现场应用

KLA油田平面井区多,有多个独立的压力系统,主力井区以四点法井网为主,由于注水井投注滞后,地层压力下降明显,随着地层压力的降低,导致储层中部分孔隙和喉道闭合,孔隙结构发生变化,产生应力敏感,渗透率降低,进而导致油井产能递减大。为了及时降低应力敏感对油田开发造成的负面影响,提出三类治理策略。

首先对物性较差、应力敏感较强的井，通过酸化压裂措施及时改造近井地带储层,改善储层渗透率。以A10井为例,该井平均渗透率为80×10-3μm2,初期产能稳定,由于注水井投注滞后,地层压力下降明显,油井产能递减大。后续注水井投注后,提出对该井进行酸化压裂,改善井周渗透性,措施后油井产能由17 m3/d提高至 40 m3/d,产能增幅达135%,单井实现年增油6 000 m3，A10井开采曲线见图7。

图7 A10井开采曲线图Fig.7 Mining curves of Well A10

其次对储层物性渗透率在100×10-3μm2左右的油井,及时优化井组注采比,逐步恢复地层压力,能量充足后,通过优化工作制度恢复油井产能。2019年通过一井一策治理,总计调整产液结构井次达17次,年增油5.8×104m3,见表2。

表2 产液结构调整明细表

另外针对还未投入开发的低渗断块,采取“超前注水”策略,使区块保持较高的压力水平,进而保证后续投产后油井产能的平稳。通过近三年的治理,油井酸化措施15井次,优化注采比30轮次,地层压力恢复3 MPa,累增油近15×104m3,较好地改善了油田开发水平。

6 结论

1)通过应力敏感实验,首次明确了KLA油田的储层应力敏感情况,并建立了应力敏感系数与储层物性的表征模型,明确了油田不同储层物性条件下的应力敏感影响。

2)在油田开发过程中,储层应力敏感对渗流规律影响较大,进一步导致油井产能降低,首次建立了考虑应力敏感对相渗曲线影响的产能方程,并绘制产能随压降变化图版。

3)研究成果有效指导KLA油田低产油井酸化压裂,井组注采比优化,同时对未开发的低渗区块采取“超前注水”策略,大幅改善油田水驱开发效果,对类似油田开发策略的制定有重要借鉴意义。