2016, Vol. 38
[PDF全文]
2. 中国石油西南油气田公司勘探开发研究院, 四川 成都 610041;
3. 中海石油(中国)有限公司湛江分公司, 广东 湛江 524000;
4. 中海石油(中国)有限公司上海分公司, 上海 徐汇 200030
2. Research Institute of Petroleum Exploration and Development, Southwest Oil & Gasfield Company, PetroChina, Chengdu, Sichuan 610041, China;
3. Zhanjiang Branch, CNOOC, Zhanjiang, Guangdong 524000, China;
4. Shanghai Branch, CNOOC, Xuhui, Shanghai 200030, China
东方1-1气田中深层黄流组各个气藏均为异常高压气藏，压力系数在1.9以上，个别区块压力系数在2.3左右。原始地层压力平均53.74 MPa，压力系数1.92~2.30；地层温度平均120.5℃，地温梯度4.17℃/100 m，属于地层压力高，地层温度高的异常高压气藏。现今已探明的异常高压气藏遍布世界各地，在压力系数大于1.2的异常高压气藏的开采过程中，随着气体的产出，地层压力不断降低，储层岩石承受的有效应力大幅度增加，引起储层岩石的弹塑性变形，从而导致储层的物性参数如渗透率和孔隙度降低[1-3]。相比于其他异常高压气藏更应该注重应力敏感对其开采开发的影响。
目前，针对应力敏感造成的有效应力对储层物性参数的影响，一部分学者做了一些研究，但大多数室内实验通过固定内压不变而改变围压来模拟有效应力的变化，且多数实验仅在常温下进行，并未模拟地层条件，且不能反映地下定上覆岩层压力的实际[4-11]。另外，针对海上异常高压气藏应力敏感对渗透率孔隙度影响的研究也鲜有报道。
异常高压气藏由于其自身的地质特征，在衰竭式开发过程中表现出较强的储层应力敏感，特别是应力敏感导致渗透率、孔隙度的降低会明显影响气井的产能进而影响气藏的开发效果[12-15]。
针对东方1-1气田中深层黄流组气藏，本次研究使用美国岩芯公司高温高压流动实验仪(温度200℃，压力70 MPa)、气体渗透率测定仪等测定有效应力在降低和升高过程中岩芯渗透率的变化，利用数值模拟软件建立单井及区块数值模型对研究区块进行生产动态预测。这些对气藏合理开发及计算动态储量、确定合理工作制度等具有重要的意义。
1 室内应力敏感实验 1.1 实验方法及岩芯样品本次实验研究的目的在于建立孔隙压力与渗透率降低倍数的关系曲线，为后续数值模拟研究评价应力敏感的影响提供基础数据。
针对行业标准SY/T5358—2002测试方法不足，开展了高温(138.26℃)、变内压应力敏感测试，实验方法及实验流程见文献[16]。实验岩芯基本参数如表 1所示。
| 表1 岩芯基本参数表 Table 1 Parameters of cores |
 |
$K_0$为地层条件下，压力55 MPa，温度138℃时地层原始渗透率，$K_i$为某一地层压力下岩石的渗透率。进行渗透率应力敏感的岩芯编号为1号、2号、3号、4号和5号，测试渗透率和无因次渗透率($K_i$/$K_0$)的相对变化与净应力之间的关系。5块岩芯的渗透率相对值在降内压(净应力增加)过程中均随净应力的升高而逐渐降低。随净应力增加，渗透率降低早期快，后期慢，在净应力从15 MPa增加到45 MPa的过程中表现尤为明显；另外，这5块岩芯即使压力恢复到原始地层压力，渗透率也不能恢复到原始地层渗透率值，表明渗透率伤害不可逆(图 1)。且5块岩芯渗透率与净应力呈较好幂函数关系(见表 2)。
 |
| 图1 1号岩芯无因次渗透率与净应力的关系图 Fig. 1 Net stress vs dimensionless permeability of core number 1 |
| 表2 渗透率应力敏感伤害与净应力的幂函数关系 Table 2 The power function of net stress and the stress-sensitivity of permeability |
|
在室内实验研究的基础上，应用Eclipse数值模拟软件建立东方1-1气田的数值模拟模型，地质模型的建立是基于精细气藏描述及气藏工程的研究结果，采用实际地质模型，同时考虑气藏纵向上的非均质性及气藏的主力气层和非主力气层之间的关系，在纵向上划分为50个模拟层。网格划分采用角点网格，步长为100 m$\times$100 m，X方向划分122个网格，Y方向95个网格，网格节点总数为122$\times$95$\times$50=579 500个。研究区黄流组储层段孔隙度为15.0%~23.0%，集中分布在18.0%~20.0%，平均为18.8%；渗透率为0.11~23.27 mD，集中分布在2.50~20.50 mD，平均为4.69 mD。
2.2 应力敏感参数的选取数值模拟研究应力敏感的影响需要建立孔隙压力与渗透率降低倍数的关系曲线。该曲线获取理论上应基于区块大量实际储层岩芯样品测试结果，分别建立不同孔、渗区间归一化曲线。此次研究过程中，受海上气田取芯难度大、岩芯不易获取等问题影响，从工程应用角度，提出简化处理方式，即选择区块储层物性范围内有代表性的5 块岩芯，基于5块岩芯的降孔隙压力得到的渗透率应力敏感实验测试结果，无因次化后，取算术平均，得到孔隙压力与岩芯渗透率倍数的关系，见图 2，由图可见，储层岩芯表现出了应力敏感性。由斯伦贝谢公司的Eclipse技术手册可以得到渗透率倍数与传导率倍数的关系，并且可以得到渗透率倍数和传导率倍数是相等的。
 |
| 图2 气藏应力敏感倍数与孔隙压力关系 Fig. 2 Reservoir net stress multiple vs pore pressure |
根据东方1-1气田中深层黄流组异常高压气藏实际地质情况，所建立的水平井单井模型尺寸为2 500 m$\times$2 000 m$\times$15 m，储层中部深度2 825 m，储层厚度15 m，原始地层压力53.43 MPa，孔隙度18.8%，渗透率4.96 mD，初始含气饱和度69.3%。建模时选用块中心网格，网格步长为20 m$\times$20 m$\times$1 m，网格总数125$\times$100$\times$15=187 500。水平井水平段平面上位于气藏中部，井眼轨迹沿模型长轴方向，纵向上距离顶面3 m，水平段长度为500 m(见图 3)。
 |
| 图3 水平井分布示意图 Fig. 3 The location of horizontal well |
选择沿水平段所在网格剖面模型分析应力敏感对压力分布的影响。首先分析不同开采阶段应力敏感对压力分布的影响，定产气量40$\times$104m3/d计算结果见图 4。从该图可以看出，离井筒400 m范围内压力差异较明显，井底附近两者计算压力相差0.8 MPa，而远离井筒区域两者相差不大。分析认为，从井底到外边界压力34~42 MPa，与初始状态比较整个地层孔隙压力降低幅度不大；但在井筒附近压降幅度大，应力敏感的影响程度增大，计算压力降低。
 |
| 图4 稳产期末应力敏感对压降漏斗的影响 Fig. 4 Effect of stress-sensitivity on pressure drop funnel at the late stage of stabilized production |
不同配产及评价期末应力敏感的影响见图 5。评价期末孔隙压力已降低至较低水平，考虑应力敏感的影响时，整个地层压力均有不同程度降低。与不考虑应力敏感计算结果比较，定产20$\times$104m3/d时，受应力敏感影响计算压力降低0.83~1.06 MPa；定产40$\times$104m3/d，压力降低达到1.39~1.85 MPa。与图 4比较，评价期末应力敏感的影响明显增大，应力敏感对中后期气井生产更加突出；同时从图 5可以看出，配产越高孔隙压力小，应力敏感影响越大，压力降低幅度越大，因此建议采用小产量生产。
 |
| 图5 评价期末应力敏感对压降漏斗的影响 Fig. 5 Effect of stress-sensitivity on pressure drop funnel at the end of evaluation |
根据前文2.1所描述数值模拟模型，气藏定145$\times$104m3/d生产、废弃压力5 MPa，计算区块20 a 的产量如图 6所示。从该图中可以看出：应力敏感导致气藏稳产年限降低明显，考虑应力敏感稳产年限为5.00 a，不考虑应力敏感稳产年限为5.75 a；稳产期结束后由于应力敏感的影响，产量递减更快。但15.0 a左右时，储量一定情况下，气藏日产气量基本相同。
 |
| 图6 应力敏感对气藏稳产年限的影响 Fig. 6 Effect of stress-sensitivity on the period of stabilized production |
评价期末区块采出程度及平均地层压力计算结果分别见图 7、图 8。从图 7可以看出：在评价期末，考虑应力敏感影响的气藏，最终采出程度降低了1.91%。从图 8可以看出考虑应力敏感的气藏在评价期末平均地层压力反而大0.97 MPa。为何会出现该现象？分析认为，储量一定情况下，考虑应力敏感时气藏采出程度降低，基于封闭气藏压降物质平衡原理，气藏压力降低程度也必然低；压力增加值0.97 MPa刚好是原始地层压力的1.815%，与采出程度降低值1.910%一致，进一步说明前面观点。
 |
| 图7 应力敏感对采出程度的影响 Fig. 7 Effect of stress-sensitivity on the degree of recovery |
 |
| 图8 应力敏感对地层压力的影响 Fig. 8 Effect of stress-sensitivity on reservoir pressure |
(1) 岩芯渗透率随有效应力的增加而降低，且初始阶段降低较快，后期降低较缓，岩芯渗透率伤害程度不可逆，渗透率与岩芯所承受应力呈较好幂函数关系。
(2) 应力敏感对单井压力分布影响较大，稳产期应力敏感主要影响井筒附近400 m范围内压力分布；评价期末孔隙压力降低明显，应力敏感的影响程度明显增大；且配产越高，应力敏感的影响程度越大，对于该气藏建议采用小产量生产。
(3) 受应力敏感的影响，气藏定145$\times$104m3/d生产，稳产年限降低0.75 a、评价期末采出程度降低1.91%，该气藏各项开发技术政策制定必须考虑应力敏感的影响。
| [1] |
林光荣, 刘学刚, 卢燕, 等. 应力变化对低渗储层两相渗流规律的影响[J].
特种油气藏, 2008, 15 (1) : 43 –45.
LIN Guangrong, LIU Xuegang, LU Yan, et al. Impact of stress change on percolation pattern of two-phase flow in low permeability reservoir[J]. Special Oil and Gas Reservoirs, 2008, 15 (1) : 43 –45. |
| [2] | FATT I, DAVIS D H. Reduction in permeability with overburden pressure[J]. Society of Petroleum Engineers, 1952, 4 (12) : 16 . |
| [3] |
高旺来. 克拉2异常高压气藏开采压力变化对储层物性的影响[J].
特种油气藏, 2002, 9 (4) : 69 –71.
GAO Wanglai. Effect of recovery pressure variance on petrophysical property of abnormally high-pressure gas reservoir of Kela 2[J]. Special Oil and Gas Reservoirs, 2002, 9 (4) : 69 –71. |
| [4] |
蒋海军, 鄢捷年, 李荣. 裂缝性储层应力敏感性实验研究[J].
石油钻探技术, 2000, 28 (6) : 32 –33.
JIANG Haijun, YAN Jienian, LI Rong. Experimental study on stress-sensitivity of fracturing formations[J]. Petroleum Drilling Techniques, 2000, 28 (6) : 32 –33. |
| [5] |
李闽, 乔国安, 陈昊. 低渗砂岩储层岩石应力敏感实验与理论研究[J].
钻采工艺, 2006, 29 (4) : 91 –93.
LI Min, QIAO Guoan, CHEN Hao. Experimental and theoretical study on rock stress-sensitivities in low permeability sandstone[J]. Drilling & Production Technology, 2006, 29 (4) : 91 –93. |
| [6] |
郭平, 邓垒, 刘启国, 等. 低渗气藏多次应力敏感测试及应用[J].
西南石油大学学报(自然科学版), 2008, 30 (2) : 78 –82.
GUO Ping, DENG Lei, LIU Qiguo, et al. Test and application of multiple stress sensitivity of low permeability gas reservoir[J]. Journal of Southwest Petroleum University(Science & Technology Edition), 2008, 30 (2) : 78 –82. |
| [7] |
GAO Yanxia. The rock mechanical characters and fracture stress sensitivity research of dense reservoir in west Sichuan Basin[D]. Chengdu:Chengdu University of Technology, 2008.
高艳霞. 川西致密储层岩石力学特征及裂缝应力敏感性研究[D]. 成都:成都理工大学, 2008. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10616-2008086087.htm |
| [8] |
DAI Ping. The experiment and numerical simulation research on low permeability reservoir[D]. Chengdu:Southwest Petroleum University, 2006.
代平. 低渗透应力敏感油藏实验及数值模拟研究[D]. 成都:西南石油大学, 2006. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10615-2006146355.htm |
| [9] |
汪周华, 郭平, 周道勇, 等. 注采过程中岩石压缩系数、孔隙度及渗透率的变化规律[J].
新疆石油地质, 2006, 27 (2) : 191 –193.
WANG Zhouhua, GUO Ping, ZHOU Daoyong, et al. Variation laws of compressibility, porosity and permeability of rocks during injection-production process of reservoir[J]. Xinjiang Petroleum Geology, 2006, 27 (2) : 191 –193. |
| [10] |
潘伟义, 伦增珉, 王卫红, 等. 异常高压气藏应力敏感性实验研究[J].
石油实验地质, 2011, 33 (2) : 212 –214.
PAN Weiyi, LUN Zengmin, WANG Weihong, et al. Experimental study of stress sensitivity in abnormal overpressure gas reservoir[J]. Petroleum Geology & Experiment, 2011, 33 (2) : 212 –214. |
| [11] |
黄继新, 彭仕宓, 黄述旺, 等. 异常高压气藏储层参数应力敏感性研究[J].
沉积学报, 2005, 23 (4) : 620 –625.
HUANG Jixin, PENG Shimi, HUANG Shuwang, et al. Research of reservoir property stress sensibility of abnormal high pressure gas reservoir[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2005, 23 (4) : 620 –625. |
| [12] |
郭晶晶, 张烈辉, 涂中. 异常高压气藏应力敏感性及其对产能的影响[J].
特种油气藏, 2010, 17 (2) : 79 –81.
GUO Jingjing, ZHANG Liehui, TU Zhong. Stress sensitivity and its influence on productivity in gas reservoirs with abnormally high pressure[J]. Special Oil and Gas Reservoirs, 2010, 17 (2) : 79 –81. |
| [13] |
向祖平, 谢峰, 张箭, 等. 异常高压低渗透气藏储层应力敏感对气井产能的影响[J].
天然气工业, 2009, 29 (6) : 83 –85.
XIANG Zuping, XIE Feng, ZHANG Jian, et al. The influence of stress sensitivity of abnormal high pressure and low permeability gas reservoir on the deliverability of a gas well[J]. Natural Gas Industry, 2009, 29 (6) : 83 –85. |
| [14] |
杨胜来, 肖香娇, 王小强, 等. 异常高压气藏岩石应力敏感性及其对产能的影响[J].
天然气工业, 2005, 25 (5) : 94 –95.
YANG Shenglai, XIAO Xiangjiao, WANG Xiaoqiang, et al. Stress sensitivity of rock and its influence on productivity for gas reservoirs with abnormal high pressure[J]. Natural Gas Industry, 2005, 25 (5) : 94 –95. |
| [15] |
向祖平, 张烈辉, 李闽, 等. 储层应力敏感性对异常高压低渗气藏气井产能影响研究[J].
石油天然气学报, 2009, 31 (2) : 145 –148.
XIANG Zuping, ZHANG Liehui, LI Min, et al. Effect of stress sensitivity on gas wells in overpressure low permeability gas reservoirs[J]. Journal of Oil and Gas Technology, 2009, 31 (2) : 145 –148. |
| [16] |
郭平, 张俊, 杜建芬, 等. 采用两种实验方法进行气藏岩芯应力敏感研究[J].
西南石油大学学报, 2007, 29 (2) : 7 –9.
GUO Ping, ZHANG Jun, DU Jianfen, et al. Study on core stress sensitivity for gas reservoir with two experiment methods[J]. Journal of Southwest Petroleum University, 2007, 29 (2) : 7 –9. |