文東油田深層高壓低滲透油藏滲流特征及機理研究

劉銀山，劉 剛，劉 陣，劉 飛，任春燕，董 旭

(1.陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院，陜西西安 710075；2.延長油田股份有限公司定邊采油廠)

文東油田深層高壓低滲透油藏滲流特征及機理研究

劉銀山1，劉 剛1，劉 陣1，劉 飛1，任春燕2，董 旭2

(1.陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院，陜西西安 710075；2.延長油田股份有限公司定邊采油廠)

以中原文東油田深層高壓低滲透儲層為研究對象，通過巖心實驗分析孔隙度、滲透率與應力敏感效應的變化關系，并測定滲透率與啟動壓力梯度之間的變化關系。實驗和模擬結果表明，深層高壓低滲透儲層孔隙度、滲透率與應力敏感效應成冪函數變化，當滲透率在5×10-3μm2以下時存在明顯的啟動壓力梯度，且隨著滲透率減小，啟動壓力梯度急劇增大；啟動壓力梯度對產量呈線性影響，而應力敏感效應對產量呈指數影響，且比啟動壓力梯度對產能影響更大。

文東油田；深層高壓油藏；低滲透油藏；啟動壓力梯度

儲層物性差、非均質性強、孔喉半徑微細、水敏速敏嚴重、存在啟動壓力梯度和應力敏感效應是低滲透儲層滲流有別于其他滲透儲層最顯著的特征[1-3]，這些特征嚴重制約了低滲透油田的有效開發。中原文東油田低滲透區塊儲層滲透率只有(4.5～14)×10-3μm2，油藏埋深大(3 250～3 850 m)；儲層壓力高(壓力系數達1.71～1.88)；飽和壓力高(25～40 MPa)[4-6]，導致啟動壓力梯度和應力敏感等效應更加突出，使得微觀滲流規律更加復雜。本文針對文東低滲透區塊深層高壓物性特征，結合巖心實驗數據，研究儲層孔滲變化規律，重點考慮啟動壓力梯度和應力敏感效應對滲流的非線性變化影響，建立低滲透油藏微觀驅油模型，為該區塊油藏有效開發提供指導。

1 儲層孔隙度、滲透率變化特征

孔隙度和滲透率是決定油藏儲量和產量的兩個決定性因素。深層高壓油藏原始地層壓力高，儲層欠壓實，在開發過程中更容易引發儲層巖石塑性形變，從而引起儲層孔隙度和滲透率不可逆變化[7-8]，最終影響油藏開發效果。

一般情況下，壓敏系數與滲透率的關系式為：

k=kie-αk(pi-p)

(1)

孔隙度與有效壓力也存在明顯的指數關系，表達式為：

(2)

其中：k——儲層滲透率，μm2；ki——儲層初始滲透率，μm2；kD——儲層滲透率隨壓力變化系數；pi——初始地層壓力，MPa；p——地層壓力，MPa；αk——應力敏感系數，MPa-1，一般文東油田的αk經驗取值為(1.0～2.0)×10-2MPa-1；。φ——儲層孔隙度，小數；φ0——儲層原始孔隙度，小數。

一般來說，滲透率和應力敏感系數之間的關系近似成反比，滲透率越低，應力敏感系數越大；滲透率越高，應力敏感系數越小。對于一個特定的巖心，其應力敏感系數可看作一個定值，可用巖心實驗得到的數據來回歸得出。根據Terzaghi有效壓力原理[9]，按照中國石油天然氣行業標準(SY5336-88)設計實驗方案，得到的實驗數據繪制圖1。

從圖1可以看出，孔隙度和滲透率隨有效壓力的變化趨勢具有一致性，兩者對于應力效應都十分敏感。當有效應力增大時，孔隙度和滲透率都快速的下降。特別是在有效壓力增大初期，兩者隨有效應力的變化更加明顯。從圖中可以看出，滲透率和孔隙度隨壓力變化曲線明顯分為兩個階段：①當有效壓力小于20 MPa時，兩者隨有效壓力增加急速下降，當有效應力從5 MPa增大到20 MPa，孔隙度下降了63.9%，滲透率下降了53.8%降幅都在一半以上。②而當有效壓力增大到20 MPa以上，兩者隨有效壓力的變化就十分平緩，當有效壓力從20MPa增大到35 MPa，孔隙度下降27.5%，滲透率下降了32.6%，降幅偏緩。因而建議在開發過程中一定要采取一些措施如注水來補充地層壓力，避免孔隙因承壓過大而急劇減小。對比孔隙度和滲透率隨有效壓力的變化還可以看出，有效壓力持續增大對滲透率影響更明顯，對產量影響也更大。

圖1 文13區塊巖心孔隙度和滲透率與有效壓力關系

2 啟動壓力梯度的影響測定

低滲透儲層存在啟動壓力梯度[9-11]，而在深層高壓環境下，啟動壓力梯度對滲透率的影響更加明顯。啟動壓力梯度因素不僅影響流體黏度、驅動壓力梯度等，更重要的是影響滲透率，且滲透率越低, 流體滲流的啟動壓力梯度也急劇增加。低滲透油層啟動壓力梯度與滲透率的關系遵循指數公式：

G=αkk-b

(3)

其中：G——啟動壓力梯度，MPa/m；αk，β為常數；k——滲透率，10-3μm2。

對于不同的低滲透儲層，啟動壓力梯度值不同，需要根據大量的巖心實驗測得。本文采用穩態壓差流量法，利用地層水驅替文13西塊巖樣進行實驗。實驗數據顯示，啟動壓力梯度與滲透率呈現很好的冪指數關系，擬合式為：

G=1.959k-1.19

(4)

由實驗數據繪制滲透率與啟動壓力梯度的變化曲線，擬合得直角坐標關系圖及雙對數坐標圖如圖2和圖3所示。可以看出，①滲透率越小，啟動壓力梯度越大；而隨著滲透率增大，啟動壓力梯度快速減小并趨向接近于0。低滲透儲層存在較大的啟動壓力梯度，儲層滲透率越低，則啟動壓力梯度愈加明顯，滲流阻力作用也更為顯著。②當滲透率小于5.0×10-3μm2時存在較大的啟動壓力梯度，文東油田儲層滲透率基本都在這個范圍左右，因而需要著重考慮。在雙對數坐標下可以看出，滲透率與啟動壓力梯度有著很好的線性關系。

圖2 巖樣啟動壓力梯度與滲透率關系

圖3 巖樣啟動壓力梯度與滲透率雙對數關系

3 微觀驅油機理及滲流方程

流體在儲層孔隙中滲流時，會在固液接觸面處形成一個不易流動的吸附滯留層，滯留層的厚度與孔隙介質、流體性質和剪切速率等因素有關。在中高滲透性儲層中，由于孔隙半徑大，吸附滯留層的影響可以忽略；而在低滲儲層中，孔隙半徑異常細小，孔隙內滯留層對流體滲流所造成的影響已不容忽略。巖心數據統計顯示，儲層滲透率為(10～50)×10-3μm2時，平均孔隙喉道半徑為1.051 μm；滲透率在(1～10)×10-3μm2時，平均孔隙喉道半徑僅為0.112 μm；滲透率為(0.01～1)×10-3μm2時，平均孔隙喉道半徑一般小于0.1 μm，此時吸附滯留層厚度與孔隙半徑在同一數量級上，甚至接近孔隙半徑大小，此時必須有足夠的壓力梯度，才能使吸附滯留層流體參與流動。

根據上面分析的微觀孔隙中的驅油機理，考慮啟動壓力梯度和應力敏感效應下的儲層孔隙度、滲透率變化，建立了考慮啟動壓力梯度和應力敏感效應的數學模型，進而推導出無限大儲層中一口井產能公式為：

(5)

其中：Q——單井產量，m3/d；h——儲層厚度，m；μ——原油黏度，mPa·s；pw——井底流壓，MPa；re——注采井距，m；rw——井筒半徑，m。

4 文東油田實例分析

針對文東油田文13西塊油藏實際數據進行模擬分析，得到油井產量分別與啟動壓力梯度和應力敏感系數的變化關系。其中滲透率應力敏感系數和啟動壓力梯度根據實驗所得，αk=0.02 MPa-1，G=0.001 MPa/m。

(1)圖4為壓敏系數αk=0.02 MPa-1，在不同啟動壓力梯度情況下，計算不同情況的原油產量。可以看出：啟動壓力梯度和應力敏感效應明顯會降低油井產量。啟動壓力梯度對產量的影響基本上是線性的，隨著啟動壓力梯度的增加，啟動壓力梯度對產量的影響也將越來越大。當G=0.003 MPa/m時，產量比什么都不考慮時相比下降3.4%。當只考慮應力敏感效應αk=0.02 MPa-1，產量下降為21.2%。可見應力敏感效應對產量的影響要比啟動壓力梯度影響更明顯。

圖4 啟動壓力梯度與油井產量的關系曲線

(2)圖5為定啟動壓力梯度G=0.001 MPa/m，在不同的壓敏系數情況下，計算不同情況的原油產量。可以看出：隨著壓敏系數增加，油井產量急劇下降，當αk=0.06 MPa-1時，產量比什么都不考慮時相比下降47.9%，幾乎下降一半。此時啟動壓力梯度對產量的影響就顯得比較微弱。

圖5 壓敏效應與油井的產量的關系曲線

5 結論與建議

(1)深層高壓低滲透油藏明顯存在啟動壓力梯度和應力敏感效應，這兩個因素對儲層孔隙度和滲透率均成冪指數關系，極大地制約著油藏開發。

(2)文東油田巖心實驗表明，當滲透率低于5×10-3μm2時，隨著滲透率減小，儲層啟動壓力梯度急劇增大，對滲透率的影響最為明顯；而當滲透率大于5×10-3μm2時，啟動壓力梯度較小，對滲透率的影響也比較微弱。雙對數坐標下啟動壓力梯度與滲透率呈線性關系。

(3)文東油田屬深層高壓低滲透儲層，存在明顯的應力敏感效應和啟動壓力梯度影響，應力敏感效應對產量影響更為明顯。建議開發過程中特別注意維持地層壓力，如采取注水等措施，盡量減輕應力敏感效應對產量的影響。

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編輯：李金華

1673-8217(2015)03-0110-03

2014-11-27

劉銀山，碩士研究生，1988年生，2013年畢業于中國地質大學(北京)能源學院油氣田開發專業，主要從事油氣田開發及戰略規劃方面研究工作。

國家科技重大專項“中西部地區碎屑巖領域勘探關鍵技術”(2011ZX05002-005)。

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