石油低渗透储层安全损害评价方法

侯祥丽，邓 璐

(上海长海医院，上海 200433)

开采石油前都需要将石油管道提前埋在地下，但地下环境复杂，随着时间增长，可能会出现储层的安全性能问题，但深埋地下导致难以查看，其中最危害石油储层的就是流体，接触后都会对储层造成较大伤害[1]，如何评价储层的安全损害程度是石油开采的一大难题[2]。从油管储层渗透出的流体对环境和地质均有危害，其中的污染物浓度较高且种类较多，自然环境下难以分解，水量波动过大会严重影响环境发展，对于石油低渗透储层进行安全损害评价具有重要的现实意义[3]。

刘厚彬等[4]提出基于低渗透气藏气体钻井井壁稳定性的石油低渗透储层安全损害评价方法，该方法通过监测石油储层中高速非达西渗流和流体间的径向拖曳力而得知石油储层是否有损害，径向拖曳力会直接导致坍塌压力升高，进而使得井壁稳定性下降，且石油井壁会第一时间会出现破漏，井壁稳定性与损害程度呈正比，井壁稳定性越差说明石油储层损害程度越高，实现了石油低渗透储层安全损害评价，但该方法在评价储层安全损害前没有构建流体渗流模型，无法筛选出可能存在损害的渗透点，只能将油管全部评价，大大降低评价储层安全损害效率，无法精确测量地质污染程度，进而降低评价储层安全损害的适用度。张路锋等[5]提出基于压力传导仪的石油低渗透储层安全损害评价方法，该方法通过压力传导仪测出石油低渗透储层的伤害规律，记录了流体通过储层压力随时间的变化获取石油低渗透储层损害程度，实现石油低渗透储层安全损害评价，但该方法没有计算出流体的关键因素偏差因子以及黏度，无法肯定所有流体对油管储层是否有安全损害。因此，只能评价过于简单且单一的流体，从而降低评价方法的适用度。赵福隆等[6]提出基于ANSYS的石油低渗透储层安全损害评价方法，该方法首先在CAD模型的基础上构建石油低渗透储层的三维模型，并基于ANSYS有限元分析软件分析石油低渗透储层静力学，得出石油低渗透储层在静载荷下的应变分布，实现石油低渗透储层安全损害评价，但该方法只是构建储层模型模拟出储层是否有动荡，没有根据流体模型得出的石油低渗透储层的孔隙压力判断是否存在安全损害，这种方法十分不准确，极可能导致误差过大，将渗透较严重的部位检测成无渗透，进而降低评价精度。

为了解决上述方法中存在的问题，提出石油低渗透储层安全损害评价方法。

1 石油低渗透储层特征

以某石油低渗透储层为例进行分析，其受沉积、成岩等作用形成了较为特殊的孔隙结构，具体如图1所示。

图1 储层孔隙空间分布特征Fig.1 Spatial distribution characteristics of reservoir pores

由图1可知，该储层的孔隙主要为溶蚀粒间孔和原生粒间孔，是主要的储集空间。其孔、渗相关性如图2所示。

图2 孔隙率与渗透率关系Fig.2 Relationship between porosity and permeability

由图2可知，该储层的孔隙度与渗透率具有较大的相关性，相关系数为0.839 6。当孔隙度在20%以内时，孔隙度的增加对渗透率的影响不大；当孔隙度在20%以上时，渗透率增加速度较快，这主要是因溶蚀孔的分布增多。在此基础上，对石油低渗透储层进行空隙压力的分析。

2 计算石油低渗透储层空隙压力

2.1 构建流体渗流模型

通常情况下石油低渗透储层流体会满足达西渗流原理[7]，由于流体是单相渗流且等温，可通过质量守恒定律以及达西定律构建石油储层渗流模型，则油管储层路径上的连续方程式、地下流体方程式和达西线性渗流方程式分别为：

(1)

式中，ρsc为石油在标准状态下的密度；ρg为天然石油密度；T为石油温度；Tsc为石油在标准状态下的温度；psc为油管内石油的压力值；Z为石油的压缩因子；Zsc为石油在标准状态下的压缩因子；φ为石油储层孔隙度；K为石油储层流体渗透率；vg为石油渗流速率。

经计算后得出最终的石油渗流调控表达式为：

(2)

由于地下与外界的压差过大，因而储层中流体渗透速率较快，造成紊流以及惯性对渗流的影响过大，导致流体渗透不符合达西线性渗流原理[8]，此时的非线性渗流模型方程式为：

(3)

地下流体渗透率较大时，油管内极易生成高速非达西渗流，此时的非线性渗流模型变换成如下方程式：

(4)

则最靠近石油管道的流体高速渗流表达式为：

(5)

式中，δ为在惯性阻力基础上选取的达西渗流系数。

达西渗流系数与渗透率的关系如图3所示。

图3 达西渗流系数与渗透率的关系曲线Fig.3 Relationship curve between Darcy′s seepage coefficient and permeability

2.2 求解模型

构建出气体渗流模型后需要对其进行求解，首先求解流体的压缩系数以及黏度，偏差因子是求解压缩系数以及流体黏度的前提条件[9]，为保证结果准确选用最常用的八参数法进行求解，得出的方程式为：

(6)

式中，A为八参数法中拟合出的系数。

由于石油管道处于高压环境下，因此流体黏度会与地下的压力成正比，与温度成反比，则流体黏度为：

(7)

x=3.5+548/T+0.29γg

式中，R为流体常数；μg为流体黏度。

当石油储层有损害时，地层与油管间的负压差会直接导致油管内空隙压力发生极大变化，之后的有效应力变化也十分明显，而有效应力的变化可直接影响流体渗透率，其中还应考虑油管附近岩石的应力敏感性，则岩石渗透率与有效应力之间的表达式为：

K=K0eakΔpe

(8)

式中，K0为最初的地下渗透率；pe为地质间有效应力；ak为有效应力的地质敏感性系数。则有效应力与渗透率的关系如图4所示。

图4 有效应力与渗透率关系曲线Fig.4 Relationship between effective stress and permeability

将所有模型参数代入高速渗流方程中，得出的结果为：

(9)

当δ等于1时，即可获取达西线性渗流时的流体渗流方程。根据最终确定的流体渗流方程式得出低渗透孔隙压低渗流的边界p|r→∞=p0，p|r→rw=pw以及原始条件p|t→∞=p0|，因为流体渗流方程属于抛物型偏微分方程，可通过有限差分法计算出油管附近的孔隙压力[10]，通过Taylor级数扩展开后的渗流表达式为：

(10)

根据边界、原始条件以及扩展后的渗流表达式得出最终的低渗透孔隙压力表达式为：

(11)

孔隙压力随时间变化如图5所示。

图5 孔隙压力随时间变化曲线Fig.5 Curve of pore pressure variation with time

计算出石油低渗透储层的孔隙压力，并与正常情况下的压力进行对比，判断石油储层是否受损，进而确定是否进一步评价储层的安全损害情况。

3 储层损害程度评价

目前储层损害最有效的评价方法就是评估储层损害程度以及地层损害半径[11]，此方法不仅可有效评价还可将决策错误率降到最低，在开采石油时，每个阶段都会对储层造成危害，为保证油管寿命，不仅需要判断油管是否受损，还需评价油管的损害程度。已知当油管储层受损时原油在储层会因渗透率的变化导致阻力增加，进而使得孔隙压力发生较大变化[12]，根据此特点得出储层的具体损害程度。

3.1 真实表皮系数的推导

在埋入油管时通常不会考虑各种阻力，即表皮系数，但实际开采过程可根据表皮系数总和直接推导出储层的损害情况，将表皮系数分解并消除所有影响阻力的因素进而精确获取表皮系数总和[13-14]，则表皮系数总和公式为：

St=∑S1=Sd+Spt+SH+Spf+SP+SCP+SnD+SCA+San+…

(12)

式中，St为储层表皮总系数；∑S1为所有可生成拟储层表皮系数的元素；Sd为埋藏油管时对储层产生损害后的阻力系数；Spt为储层开孔后的阻力系数；Spf为储层射孔时的阻力系数；SH为油井斜拟表皮系数；SP为油管低渗透流体变化后的拟皮系数；SnD为非达西流拟表皮系数；SCP为相变拟表皮系数。

油管储层没打开时，流体直接渗进油管内会生成附加阻力并产生小部分拟表皮系数[15]，由此得出，储层钻开的厚度与储层的拟表皮系数成反比，由此可总结出拟表皮系数：

(13)

式中，h为油管储层的厚度；hp为已钻开的油管厚度；k为实际地质可渗透的程度；kv为地层垂直向下的渗透能力；rw为油管的半径。

油管的摆放位置需随地质排放，因此油管包含直井和斜井[16]，在流体深入斜井时会生成阻力Spt，油管的倾斜度越大，Spt越大，则斜拟表皮系数为：

(14)

为提高产油量需在油管内射孔，连接油气流与油管，生成可以提取石油的通道[17]，提高产油效率，但射孔过程极易损害石油储层并生成阻力系数：

Spf=SP+Sg+Sdp

(15)

式中，SP为油管射孔孔眼阻力；Sg为射孔充填线性阻力；Sdp为射孔压实带拟阻力。

油管储层对压力非常敏感，地层压力与储层渗透率成正比[18]，即压力敏感表皮系数，得出其公式为：

(16)

式中，B为地层体积系数；ki为地层最开始的有效渗透率；q为油管产油量；a为地层对油管的压力敏感系数；μ为油管低渗透流体黏度；pw为油管内压力；pi为最初的地层压力。

不同的油井油藏方式也大相径庭，进而生成不同的形状效应，即相变拟皮系数：

(17)

式中，kro为石油的相对渗透程度；Soi为油管最初可储存石油的饱和度；So为油管目前可储存石油的饱和度；rb为相变半径。

当油管产量较高时，油管内会生成非达西渗流，并提高附近地带的表皮系数[19]，因此只需在产量很大时加入此项系数，则非达西流拟皮系数为：

Sru=DQ

(18)

式中，Q为流体流量；D为非达西流。

3.2 计算储存损害深度

根据所有拟皮系数可计算出流体渗流处的油管半径，即有效半径rwe，当rwe等于钻头半径rw时，说明储存已经渗透，储层及地层受污染，当rw≤rwe时，说明储层未受污染，其渗透力与最初保持一致[20]，当rw>rwe时，说明储层情况很优。假设石油油管已经受到损害的渗透率是常数项，根据表皮系数总和得出油管损害地层的半径为：

(19)

式中，rs为渗透后的地层半径；rw为钻头半径；ks为油管损害处的地层渗透率；S为所有表皮系数的总和。

在达西定律以及表皮系数总和的基础上，可获取地层损害深度表达式为：

(20)

3.3 表皮系数与渗透率的关系

通常通过表皮系数和渗透率之间的关系描述储层安全损害程度，其表达式为[20]：

(21)

根据上式即可实现对储层的安全损害评价。

4 实验与结果

4.1 储层环境

为了验证所提方法的整体有效性，采用所提方法对石油低渗透储层进行评价分析，得到储层损害程度的评价结果。选择某市较为典型的石油开采区的储层进行实例分析，其岩层主要成分为砂岩，测试厚度为15 m，具体储层环境数据见表1。

表1 石油低渗透储层环境参数Tab.1 Environmental parameters of oil low permeability reservoir

4.2 表皮系数

表皮系数描述了油井壁表皮由于储层渗透导致流体阻力变化的尺度，能够有效反映储层的渗透率，采用所提方法进行运算，得到该石油低渗透储层的表皮系数分解结果(表2)。

表2 表皮系数分解结果Tab.2 Decomposition results of skin coefficient

由表2可知，该石油低渗透储层的安全受到损害，主要是射孔及压力敏感导致的，可以分析到，应当是在射孔时不当操作使该储层出现了损害，但通过压裂使损害程度有所降低，则压裂后地层表皮系数为0.31，地层损害半径为0.86 cm。由此，所提方法可有效实现石油低渗透储层的安全损害的判断，不仅可判断损害程度，也可判定损害发生阶段，从而为储层保护工作提供依据。

4.3 评价方法性能

为验证所提方法对石油低渗透储层安全损害评价的性能，利用2种指标判定评价方法的性能，分别为适用度和精度。

(1)评价适用度。利用所提方法对不同地质污染条件的储层安全损害进行评价，得到结果如图6所示。根据图6可知，所提方法可评价出任何地质污染度下的储层安全损害，这是因为所提方法在评价储层安全损害前建立流体渗流模型，根据模型求出储层是否存在损害，若存在则进一步评估，因此可精确测量出地质污染程度，进而大大提高评价适用度。

图6 评价适用度Fig.6 Evaluation applicability

(2)评价精度。评价储层安全损害的最终目的是延长油井寿命、及时止损，其中评价精度尤其重要，若误差过大无法评价储层安全损害会浪费大量人力和财力，且无法发现安全损害点，会导致安全损害程度增大，降低油管使用寿命，现选择5组不同的油管损害点，利用所提方法进行评价，根据图7可知，所提方法可准确评价出油管储层的安全损害点，这是因为根据流体模型求出石油低渗透储层的孔隙压力，检测出异常压力后立即进一步勘测油管，不会错过任何油管储层的安全损害点，进而提高评价精度。

图7 评价精度Fig.7 Evaluation accuracy

5 结语

为更加完善目前石油低渗透储层安全损害评价方法，提出石油低渗透储层安全损害评价方法，该方法首先构建流体渗流模型，判断石油储层是否有流体渗出，其次利用表皮系数与渗透率的关系对储层安全损害程度进行评价，解决了评价适用度低和评价精度低的问题，不仅大大降低石油开采的人力物力，也将油管的寿命提升到最高。

参考文献(References)：

[1] 王文涛，刘鹏超，李标，等.特低渗储层产能模糊综合评价方法研究[J].特种油气藏，2019，26(2)：127-131.

Wang Wentao，Liu Pengchao，Li Biao，et al.Fuzzy comprehensive evaluation for productivity of ultra-low permeability reservoir[J].Special Oil & Gas Reservoirs，2019，26(2)：127-131.

[2] 罗莉涛，张鸿涛，陈兆林，等.注入水中微生物对特低渗透储层伤害评价及推荐指标[J].大庆石油地质与开发，2018，37(2)：122-129.

Luo Litao，Zhang Hongtao，Chen Zhaolin，et al.Evaluation and recommended indexes for the ultra-low permeability reservoir damage by the microbile in the injected water[J].Petroleum Geology & Oilfield Development in Daqing，2018，37(2)：122-129.

[3] 万琳，王清斌，代黎明，等.应用恒速压汞技术定量评价低渗—特低渗砂岩储层微观R孔喉特征：以石臼坨凸起陡坡带东三段为例[J].高校地质学报，2018，24(4)：584-592.

Wan Lin，Wang Qingbin，Dai Liming，et al.Quantitative evaluation of microscopic R pore throat characteristics of low-permeability and ultra-low-permeability sandstone reservoirs by using constant-speed mercury injection technology：a case study of the third member of the eastern steep slope zone of Shijiutuo uplift[J].Geological Journal of China Universities，2018，24(4)：584-592.

[4] 刘厚彬，韩旭，张俊，等.川西低渗透气藏气体钻井井壁稳定性评价方法[J].石油钻探技术，2019，47(1)：29-35.

Liu Houbin，Han Xu，Zhang Jun，et al.Wellbore stability evaluation during gas drilling through low permeability gas reservoirs in Western Sichuan[J].Petroleum Drilling Techniques，2019，47(1)：29-35.

[5] 张路锋，周福建，张士诚，等.基于压力脉冲法的储层基质压裂液伤害评价[J].油气地质与采收率，2018，25(3)：89-94.

Zhang Lufeng，Zhou Fujian，Zhang Shicheng，et al.Experimental study on reservoir matrix damage caused by fracturing fluids based on transient pressure pulse method[J].Petroleum Geology and Recovery Efficiency，2018，25(3)：89-94.

[6] 赵福隆，郑晓雯，郭智堡，等.基于ANSYS的煤矿立井抢险排水管道安全性评价分析[J].煤矿安全，2018，49(6)：105-107.

Zhao Fulong，Zheng Xiaowen，Guo Zhibao，et al.Safety evaluation analysis of rescue and drainage pipelines for coal mine shaft based on ANSYS[J].Safety in Coal Mines，2018，49(6)：105-107.

[7] 田巍.低渗储层液锁伤害的精确测量与评价[J].科学技术与工程，2020，20(22)：120-126.

Tian Wei.Accurate measurement and evaluation of liquid blocking damage for low permeability reservoirs[J].Science，Science Technology and Engineering，2020，20(22)：120-126.

[8] 周鹏高.对“低渗透储层存在强应力敏感”观点的质疑[J].特种油气藏，2019，26(1)：166-171.

Zhou Penggao.Query on the viewpoint"strong stress sensitivity exists in low permeability reservoir"[J].Special Oil & Gas Reservoirs，2019，26(1)：166-171.

[9] 刘之的，张伟杰，孙家兴，等.大情字井油田青一段特低渗透储层物性主控因素[J].西安科技大学学报，2018，38(1)：99-107.

Liu Zhide，Zhang Weijie，Sun Jiaxing，et al.Factors influencing the physical properties of reservoir in the Qing 1 section of Daqingzijing Oilfield[J].Journal of Xi′an University of Science and Technology，2018，38(1)：99-107.

[10] 王志远，杨正明，何英，等.江苏低渗断块油藏储层分级评价和井网设计[J].桂林理工大学学报，2018，38(1)：41-46.

Wang Zhiyuan，Yang Zhengming，He Ying，et al.Comprehensive evaluation and design of well pattern for low permeability fault-block reservoir in Jiangsu oilfield[J].Journal of Guilin University of Technology，2018，38(1)：41-46.

[11] 吴伟，薛子鑫，石学文，等.有机质成熟度对南方海相页岩储层孔隙的控制作用[J].能源与环保，2020，42(7)：98-104，109.Wu Wei，Xue Zixin，Shi Xuewen，et al.Controlling effect of organic matter maturity on pores of marine shale reservoirs in southern Chin[J].China Energy and Environmental Protection，2020，42(7)：98-104，109.

[12] 张志刚，刘春杨，刘国志.低渗透油田储层连通关系动静态综合评价方法[J].岩性油气藏，2019，31(5)：108-113.

Zhang Zhigang，Liu Chunyang，Liu Guozhi.Dynamic and static comprehensive evaluation method for reservoir connectivity of low-permeability oilfield[J].Lithologic Reservoirs，2019，31(5)：108-113.

[13] 陈洲亮，欧阳传湘.超低渗砂岩储层钻井液损害机理分析及解决方法——以库车北部构造带吐格尔明段为例[J].科学技术与工程，2019，19(35)：169-174.

Chen Zhouliang，Ouyang Chuanxiang.Damage mechanism analysis and solutions of drilling fluid in ultra-low permeability sandstone reservoir：taking Tugelming section of the Northern Kuqa Tectonic Belt as an example[J].Science Technology and Engineering，2019，19(35)：169-174.

[14] 杨旭，李皋，孟英峰，等.低渗透气藏水锁损害定量评价模型[J].石油钻探技术，2019，47(1)：101-106.

Yang Xu，Li Gao，Meng Yingfeng，et al.Quantitative evaluation model of water blocking damage in low permeability gas reservoirs[J].Petroleum Drilling Techniques，2019，47(1)：101-106.

[15] 吴新梅，欧天雄，刘宇程，等.气田高含硫污水负压气提脱硫及尾气无害化处理技术研究[J].石油与天然气化工，2020，49(2)：115-120

Wu Xinmei，Ou Tianxiong，Liu Yucheng，et al.Research on the technology of vacuum extraction desulfurization and harmless treatment of gas field high-sulfur wastewater[J].Chemical Engineering of Oil and Gas，2020，49(2)：115-120.

[16] 张洪军，李二党，牛海洋，等.低渗透岩性油藏长期水驱储层特征变化规律[J].特种油气藏，2019，26(6)：82-85.

Zhang Hongjun，Li Erdang，Niu Haiyang，et al.Variation of low-permeability lithologic reservoir properties during long-term waterflooding[J].Special Oil & Gas Reservoirs，2019，26(6)：82-85.

[17] 乔红军，马春晓，高志亮，等.适用于低渗透储层的有机硼胍胶压裂液体系的制备与性能评价[J].油田化学，2020，37(2)：19-22，32.

Qiao Hongjun，Ma Chunxiao，Gao Zhiliang，et al.Preparation and performance evaluation of organic boron guanidine gum fracturing fluid for the low permeability reservoir[J].Oilfield Chemistry，2020，37(2)：19-22，32.

[18] 李进步，李娅，张吉，等.苏里格气田西南部致密砂岩气藏资源评价方法及评价参数的影响因素[J].石油与天然气地质，2020(4)：730-743.

Li Jinbu，Li Ya，Zhang Ji，et al.Resource evaluation method and influence factors of its parameters for tight sand gas reservoir in southwestern Sulige gas field[J].Oil & Gas Geology，2020(4)：730-743.

[19] 周丹，熊旭东，何军榜，等.低渗透储层多级转向压裂技术[J].石油钻探技术，2020，048(001)：85-89.

Zhou Dan，Xiong Xudong，He Junbang，et al.Multi-stage deflective fracturing technology for low permeability reservoir[J].Petroleum Drilling Techniques，2020，48(1)：85-89.

[20] 郭嘉玮，陈鹏，李宁，等.低渗透气藏分段压裂水平井产量变化特征[J].大庆石油地质与开发，2019，38(2)：47-52.

Guo Jiawei，Chen Peng，Li Ning，et al.Production change characteristics of the staged fractured horizontal well in low-permeability gas reservoirs[J].Petroleum Geology & Oilfield Development in Daqing，2019，38(2)：47-52.