渤海中深層油藏儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性研究
——以墾利A油田為例

王 龍，陽(yáng)曉燕，宮平志，張俊廷，張 博

（中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津 300459）

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界已經(jīng)認(rèn)同儲(chǔ)層具有應(yīng)力敏感性。上個(gè)世紀(jì)50年代，國(guó)外學(xué)者Fatt、Davis、Mclatchie等開(kāi)始研究?jī)?chǔ)層巖石應(yīng)力敏感性，分析滲透率隨應(yīng)力的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)初始滲透率較低的頁(yè)巖巖心隨有效上覆應(yīng)力的增加，滲透率大幅度降低[1-2]。以李傳亮、羅川等為代表的學(xué)者從巖石力學(xué)角度和流管模型兩方面對(duì)應(yīng)力敏感性進(jìn)行了分析并給出評(píng)價(jià)方法，但其認(rèn)為由實(shí)驗(yàn)方法模擬的規(guī)律與實(shí)際規(guī)律不同而得出低滲透儲(chǔ)層強(qiáng)應(yīng)力敏感的觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的，低滲透儲(chǔ)層實(shí)驗(yàn)中巖心與封套之間的微間隙對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響較大，巖心以形變?yōu)橹鱗3-8]。羅瑞蘭、程林松、盛英帥等學(xué)者從啟動(dòng)壓力梯度、毛管力、微裂縫、孔喉結(jié)構(gòu)、膠結(jié)物、膠結(jié)程度等微觀角度進(jìn)行了充分的分析，認(rèn)為滲透率降低與有效應(yīng)力有關(guān)，塑性礦物含量越高，應(yīng)力敏感性越強(qiáng)，致密儲(chǔ)層喉道半徑的大小和數(shù)量是決定巖石應(yīng)力敏感性的重要因素，且由于啟動(dòng)壓力梯度的存在，低滲透、特低滲透儲(chǔ)層比中高滲透儲(chǔ)層具有更強(qiáng)的應(yīng)力敏感性[9-12]。本文認(rèn)為后者考慮的因素更全面、更符合實(shí)際情況，主要是因?yàn)閹r石力學(xué)只考慮單一巖石顆粒的彈性/塑性形變對(duì)孔隙度和滲透率的影響，而實(shí)際儲(chǔ)層巖石是由不同巖石礦物和膠結(jié)物組成，且礦物比例不同、膠結(jié)物組成及膠結(jié)程度不同，導(dǎo)致巖石的強(qiáng)度不同，因此，其應(yīng)力敏感性不同。

墾利A油田是渤海南部區(qū)域首個(gè)中深層整裝油藏，主要開(kāi)發(fā)層系為沙河街組，屬薄互層沉積儲(chǔ)層。儲(chǔ)層縱向上單層厚度薄，滲透率級(jí)差大；平面上非均質(zhì)性強(qiáng)，連通關(guān)系復(fù)雜。相比渤海已開(kāi)發(fā)中深層油田，墾利A油田埋藏更深（2 500～3 100 m），地震分辨率更低（38 m），單層厚度更薄（2～5 m），沉積更加多樣。油田射孔厚度小于2 m的單層占63%，滲透率小于50.0×10-3μm2的單層占51%，低滲透儲(chǔ)層占比較大。墾利A油田地飽壓差較大（9.0 MPa），先期部分井區(qū)利用天然能量開(kāi)發(fā)。隨著開(kāi)發(fā)的進(jìn)行，地層壓力逐漸下降，部分油井液量下降、遞減較快，開(kāi)發(fā)效果逐漸變差。

為了改善油田開(kāi)發(fā)效果，開(kāi)展了應(yīng)力敏感室內(nèi)實(shí)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果量化應(yīng)力敏感對(duì)滲透率的影響，建立考慮應(yīng)力敏感影響下的產(chǎn)能方程，分析產(chǎn)能變化規(guī)律，并將應(yīng)力敏感表征到油藏?cái)?shù)值模型中，從而分析不同儲(chǔ)層滲透率、地層壓力和生產(chǎn)壓差下應(yīng)力敏感對(duì)采收率的影響。研究結(jié)果能反映中深層油藏的實(shí)際生產(chǎn)情況，對(duì)合理開(kāi)發(fā)中深層具有重要指導(dǎo)意義。

1 應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

選取墾利A油田巖心3塊（基本參數(shù)見(jiàn)表1），開(kāi)展應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)采用氮?dú)怛?qū)替，驅(qū)替壓力定為2.0 MPa，室溫為20 ℃，氮?dú)怵ざ葹?.018 mPa·s。實(shí)驗(yàn)中，在巖心夾持器中放入測(cè)量巖心，采用氣測(cè)滲透率方法，驅(qū)動(dòng)壓力定為2.0 MPa。待氣體流量計(jì)讀數(shù)平穩(wěn)后，通過(guò)圍壓泵改變巖心所受有效應(yīng)力，來(lái)模擬地層應(yīng)力敏感環(huán)境。升壓過(guò)程中不斷增大圍壓，圍壓每增加2.0 MPa，記錄流量計(jì)讀數(shù)，當(dāng)圍壓升至50.0 MPa時(shí)停止增壓，之后進(jìn)入降壓過(guò)程，保持每降低2.0 MPa，記錄氣體流量計(jì)讀數(shù)。分別對(duì)3塊巖心重復(fù)三次升壓、降壓，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，測(cè)得不同有效應(yīng)力與初始狀態(tài)下滲透率的比值，具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程和要求參考《SY/T 5358-2010儲(chǔ)層敏感性流動(dòng)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法》。實(shí)驗(yàn)所用儀器為氮?dú)馄俊r心夾持器、圍壓泵、減壓閥、六通閥、氣泡發(fā)生器、中間容器、壓力表，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如圖1所示。

表1 應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)巖心基本參數(shù)

圖1 應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，低滲透儲(chǔ)層（以滲透率為25.5×10-3μm2巖心實(shí)驗(yàn)結(jié)果為例）隨著圍壓的增加，有效應(yīng)力增大，儲(chǔ)層滲透率逐漸降低，滲透率最大損失達(dá)39%；隨著圍壓降低，有效應(yīng)力減小，滲透率逐漸恢復(fù)，但不能恢復(fù)到原始滲透率水平；滲透率為102.9×10-3μm2和284.4×10-3μm2的巖心，滲透率隨圍壓變化規(guī)律與滲透率為25.5×10-3μm2實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，但在圍壓增大過(guò)程中，滲透率最大損失減小，分別為27%和15%，有效應(yīng)力減小后，滲透率更接近原始滲透率水平（圖2）。因此，不論巖石滲透率高低，均存在應(yīng)力敏感，且滲透率越低，應(yīng)力敏感性越強(qiáng)。通過(guò)回歸分析發(fā)現(xiàn)，不同的有效應(yīng)力下滲透率和有效應(yīng)力有良好的冪函數(shù)關(guān)系，其指數(shù)即為應(yīng)力敏感系數(shù)（圖3），且應(yīng)力敏感系數(shù)與滲透率初始值存在良好的線性關(guān)系（圖4）。

圖2 不同滲透率巖心應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3 滲透率保持水平與有效應(yīng)力關(guān)系

圖4 應(yīng)力敏感系數(shù)與滲透率初始值關(guān)系

由此，建立墾利A油田儲(chǔ)層應(yīng)力敏感定量表征公式，得到：

式中：S為應(yīng)力敏感系數(shù)，無(wú)量綱；K為不同有效應(yīng)力下測(cè)得巖心滲透率，10-3μm2；K0為巖心原始滲透率，10-3μm2；σeff為有效應(yīng)力，MPa；σeff0為初始有效應(yīng)力，一般取2.0 MPa。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)中不同巖心滲透率最大損失結(jié)果，并參考《SY/T 5358-2010儲(chǔ)層敏感性流動(dòng)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法》中應(yīng)力敏感性損害程度評(píng)價(jià)指標(biāo)可知，墾利A油田儲(chǔ)層屬于應(yīng)力中等-弱敏感（以滲透率100.0×10-3μm2為界）。

2 應(yīng)力敏感性對(duì)產(chǎn)能的影響

應(yīng)力敏感性對(duì)儲(chǔ)層造成傷害，必然會(huì)影響油井的產(chǎn)能。通過(guò)建立考慮應(yīng)力敏感的穩(wěn)定滲流公式，可以分析應(yīng)力敏感性對(duì)產(chǎn)能的影響。

油井平面徑向穩(wěn)定滲流方程為：

式中：Q為產(chǎn)量，m3/d；h為油層厚度，m；Δp為生產(chǎn)壓差，MPa；μ為原油黏度，mPa.s；B為原油體積系數(shù)；er為供給半徑，m；wr為井筒半徑，m。

考慮油井生產(chǎn)過(guò)程中地層壓力下降導(dǎo)致儲(chǔ)層應(yīng)力敏感，將公式（1）代入（2）得：

公式（3）即為考慮應(yīng)力敏感的產(chǎn)能公式。兩邊除以儲(chǔ)層厚度及生產(chǎn)壓差后可得到考慮應(yīng)力敏感時(shí)的比采油指數(shù)表達(dá)式，并與不考慮應(yīng)力敏感時(shí)比采油指數(shù)相除，可得：

式中：J為考慮應(yīng)力敏感的比采油指數(shù)，m3/（d·MPa·m）；J0為不考慮應(yīng)力敏感的比采油指數(shù)，m3/（d·MPa·m）。

定義公式（4）為產(chǎn)能保持水平，由此可以得到不同滲透率下產(chǎn)能保持水平隨有效應(yīng)力變化圖版（圖5）。從圖5可以看出，隨著有效應(yīng)力的增加，產(chǎn)能保持水平逐漸降低；當(dāng)有效應(yīng)力相同時(shí)，滲透率越低的儲(chǔ)層，產(chǎn)能保持水平越低，且有效應(yīng)力增加初期對(duì)產(chǎn)能保持水平的影響大于后期對(duì)產(chǎn)能保持水平的影響。以產(chǎn)能保持水平0.8為界，滲透率小于30.0×10-3μm2的儲(chǔ)層有效應(yīng)力變化小于4.5 MPa，此時(shí)應(yīng)力敏感對(duì)產(chǎn)能造成的影響較小；滲透率在300.0×10-3μm2以上的儲(chǔ)層，產(chǎn)能保持水平在0.8以上，說(shuō)明應(yīng)力敏感對(duì)中高滲儲(chǔ)層的產(chǎn)能影響不大。

3 應(yīng)力敏感性對(duì)采收率的影響

為了進(jìn)一步分析應(yīng)力敏感性對(duì)采收率的影響，采用ECLIPSE油藏?cái)?shù)值模擬方法，通過(guò)ROCKCOMP、ROCKTAB關(guān)鍵字將應(yīng)力敏感定量表征到概念模型中[13-14]，并在模型中分別考慮和不考慮應(yīng)力敏感，得到不同情況下的采收率差值（即為應(yīng)力敏感影響采收率幅度），繪制了不同地層壓力、生產(chǎn)壓差下的采收率變化圖版（圖6）。

圖6 不同地層壓力、生產(chǎn)壓差下的采收率變化

結(jié)果表明，地層壓力越低，生產(chǎn)壓差越大，應(yīng)力敏感性對(duì)采收率的影響幅度越大。低滲透儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性對(duì)采收率的影響最大，可以達(dá)到5.0%；滲透率為100.0×10-3μm2的儲(chǔ)層最大影響采收率3.5%；滲透率為300.0×10-3μm2的儲(chǔ)層最大影響采收率1.5%。地層壓力下降會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)層滲透率下降，當(dāng)?shù)貙訅毫Γㄓ途琢鲏海┑陀陲柡蛪毫r(shí)，會(huì)導(dǎo)致原油脫氣，從而導(dǎo)致原油滲流阻力增加，這是采收率降低的主要原因。對(duì)于低滲透儲(chǔ)層，只有保持高的地層壓力水平和適當(dāng)?shù)纳a(chǎn)壓差，才不會(huì)對(duì)采收率造成較大影響，從而獲得更高的采收率；而中高滲儲(chǔ)層可以適當(dāng)降低地層壓力和放大生產(chǎn)壓差開(kāi)采，這與敏感性對(duì)產(chǎn)能影響的規(guī)律是一致的。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4.1 實(shí)例驗(yàn)證

墾利A油田儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，河道窄、多期砂體疊置交錯(cuò)，平面上分為多個(gè)井區(qū)，各井區(qū)儲(chǔ)層物性具有一定差異；縱向上小層發(fā)育較多、厚度薄，流體系統(tǒng)復(fù)雜，隨鉆實(shí)施過(guò)程中個(gè)別井區(qū)需進(jìn)一步認(rèn)識(shí)儲(chǔ)層、儲(chǔ)量潛力及產(chǎn)能狀況，提出部分注水井先期排液。

1井區(qū)邊部生產(chǎn)井A24井鉆遇油層厚度42 m，儲(chǔ)層滲透率為67.0×10-3μm2，投產(chǎn)效果較好。由于對(duì)應(yīng)注水井A23井鉆遇油底，認(rèn)為該區(qū)域存在潛力，提出A23井先期排液，待A23井證實(shí)儲(chǔ)量規(guī)模后及時(shí)轉(zhuǎn)注。排液過(guò)程中，A24井壓力下降較快，下降近10 MPa，產(chǎn)能快速降低，地層壓力降低導(dǎo)致該井儲(chǔ)層產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力敏感。后期A23井轉(zhuǎn)注后，A24井產(chǎn)能逐漸恢復(fù)，調(diào)整至初期的工作制度，但產(chǎn)能遠(yuǎn)低于初期水平。

儲(chǔ)層物性較好的3井區(qū)B14井組需驗(yàn)證邊部產(chǎn)能，B14井先期排液期間，對(duì)應(yīng)生產(chǎn)井B12井初期液量穩(wěn)定，隨著地層壓力下降，產(chǎn)能開(kāi)始降低。后期B14井轉(zhuǎn)注后，B12井產(chǎn)能逐漸恢復(fù)（圖7）。對(duì)于儲(chǔ)層物性較好的區(qū)域，短期壓力降低未造成嚴(yán)重的應(yīng)力敏感，對(duì)生產(chǎn)影響不大。

圖7 A24井、B12井生產(chǎn)曲線

整體來(lái)看，實(shí)際生產(chǎn)與理論研究結(jié)果一致。對(duì)于儲(chǔ)層物性較差的井，建議同步注水，保持原始地層壓力；儲(chǔ)層物性相對(duì)較好的區(qū)域，若有評(píng)價(jià)需求，可適當(dāng)降壓開(kāi)采，待評(píng)價(jià)完成后及時(shí)注水補(bǔ)充能量。

4.2 指導(dǎo)新油田方案編制

BZA油田位于渤海南部海域，構(gòu)造主體區(qū)為受中部一組大斷層控制的復(fù)雜斷塊構(gòu)造，具有多個(gè)斷塊、多個(gè)高點(diǎn)的特征，主要含油層系為明下段、東三段、沙一段和沙二段。該油田方案編制過(guò)程中，針對(duì)不同井區(qū)合理注水時(shí)機(jī)優(yōu)化，將應(yīng)力敏感影響表征在數(shù)值模型中，根據(jù)不同區(qū)塊儲(chǔ)層物性特征、天然能量情況，確定各井區(qū)的注水時(shí)機(jī)（表2）。對(duì)于儲(chǔ)層滲透率為200.0×10-3～300.0×10-3μm2的1、5、6井區(qū)，考慮本身地飽壓差大，且具有一定天然能量，方案推薦注水井排液半年后（即地層壓力保持水平在95%時(shí)）進(jìn)行注水。對(duì)于儲(chǔ)層滲透率約為1 000.0×10-3μm2左右的2、3井區(qū)，考慮地飽壓差小，天然能量不足，方案推薦生產(chǎn)井投產(chǎn)即注，保持原始地層壓力開(kāi)采。對(duì)于儲(chǔ)層滲透率在100.0×10-3μm2以下的8Sa井區(qū)，該井區(qū)地飽壓差較大，考慮地層壓力下降后對(duì)產(chǎn)能和滲流能力產(chǎn)生較大影響，方案也推薦生產(chǎn)井投產(chǎn)即注，保持原始地層壓力開(kāi)采。該油田于2019年3月投產(chǎn)，投產(chǎn)后完全按照推薦方案執(zhí)行注水，目前各井區(qū)開(kāi)發(fā)效果較好，油井生產(chǎn)平穩(wěn)。產(chǎn)壓差生產(chǎn)。

表2 不同井區(qū)不同壓力保持水平下的采收率對(duì)比

5 結(jié)論

（1）應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)表明，不同滲透率巖心均存在應(yīng)力敏感性，且初始滲透率越低，應(yīng)力敏感性越強(qiáng)。墾利A油田屬于應(yīng)力中等-弱敏感，其滲透率界限為100.0×10-3μm2。

（2）為了減小對(duì)產(chǎn)能的影響，滲透率小于30.0×10-3μm2的低滲透儲(chǔ)層地層壓力下降不宜超過(guò)4.5 MPa，滲透率大于300.0×10-3μm2的儲(chǔ)層，應(yīng)力敏感性對(duì)產(chǎn)能的影響較小。

（3）數(shù)值模擬結(jié)果表明，低滲透儲(chǔ)層適合保持原始地層壓力和適當(dāng)生產(chǎn)壓差開(kāi)發(fā)，對(duì)采收率影響不大，中高滲透儲(chǔ)層可適當(dāng)降低地層壓力和放大生