基于應力敏感的中深層油藏產能研究

陽曉燕 王 龍 宮平志 楊貫虹 崔龍濤

中海石油(中國)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層整裝油藏,主要目的層為沙河街組,沙河街組為薄互層沉積儲層[1],縱向上儲層單層厚度薄,儲層物性差,平面上非均質性強,連通關系復雜。在開發過程中,由于注水效果差,地層壓力逐漸下降,有效應力增加,儲層產生應力敏感[2-5]。祝明謙、張楠等人研究表明油井產能受儲層應力敏感性的影響[6-10],研究成果主要針對單相時的產能進行分析,未針對油水兩相的產能影響進行系統研究;王坤、湯勇等人研究了應力敏感對低滲儲層滲流規律的影響,但未進一步研究滲流規律對開發生產的影響[11-15]。為進一步了解應力敏感在油田開發過程對單相以及多相產能的影響,以及滲流規律的變化,以便進一步改善油田開發效果,提出應力敏感室內實驗。根據實驗結果定量表征應力敏感對滲透率的影響,進一步建立應力敏感影響下的產能方程,筆者在基于滲透率降低對低滲透油井產能方程影響的基礎上,首次考慮了應力敏感對油水相滲的影響,并建立油水兩相產能方程,進一步明確油井生命周期內的產能變化情況,新方程更能反映中深層油藏的實際生產情況,對合理開發中深層油藏具有一定的指導意義,并指導油田合理壓力保持水平及壓力恢復方案制定。

1 實驗裝置及材料

實驗裝置由恒溫箱、ISCO高精度驅替泵、圍壓泵、回壓泵、壓力傳感器、巖心夾持器、水釜、油釜、計量裝置組成,見圖1。其中實驗巖心取自KLA油田的天然巖心(選取油田具有代表性的9組巖心,滲透率范圍25.5×10-3～333.9×10-3μm2),實驗用油選取KLA油田的地面脫氣原油,地層原油黏度為2.72 mPa·s,實驗用水根據油田地層水礦化度進行配制,地層水礦化度為8 300 mg/L,地層水黏度為0.4 mPa·s。

圖1 實驗裝置圖Fig.1 Diagram of experimental setup

2 方案設計

應力敏感的基本原理是模擬油氣藏有效覆壓[16-18],對巖心進行加壓,加載到一定值后逐漸降壓恢復到初始覆壓,研究滲透率隨覆壓變化的非穩態過程。本次實驗主要分為兩類：應力敏感實驗及油水相滲實驗。其中應力敏感實驗設計9組,巖心數據見表1；油水相滲實驗選取滲透率為108.5×10-3μm2的巖心做4組不同有效覆壓條件下的相滲曲線,有效覆壓分別選取2 MPa、5 MPa、10 MPa、15 MPa。

表1 應力敏感巖心基本參數表

3 實驗結果及數據處理

3.1 應力敏感實驗結果分析

對9組天然巖心應力敏感實驗所得數據進行處理,實驗結果表明隨有效覆壓升高,滲透率不斷降低,巖心滲透率越低,隨有效覆壓增加所導致的滲透率降幅越大;隨有效覆壓降低,滲透率逐步回升,最大回升幅度至0.93,滲透率出現不可逆的損失,見圖2。

圖2 典型巖心滲透率隨有效覆壓的變化圖Fig.2 Typical core permeability changes with effectiveover pressure

實驗結果表明不同滲透率級別的巖心都存在應力敏感,滲透率的差異決定應力敏感程度,整體來看不同有效覆壓下的滲透率與有效覆壓成乘冪式關系:

(1)

式中:K0為初始滲透率,10-3μm2;Ki為有效覆壓下的滲透率,10-3μm2;σ為有效覆壓,MPa;s為應力敏感系數；a為回歸系數。

通過各塊巖心乘冪式擬合,可以得出不同儲層物性條件下的應力敏感系數s,再將應力敏感系數s與巖心初始滲透率K0建立定量關系,見圖3。得出KLA油田儲層應力敏感系數與初始滲透率呈現良好的線性關系,且成負相關。不同物性條件下,所產生的儲層應力敏感存在差異,儲層滲透率越小,應力敏感系數越大,物性越差,儲層應力敏感性越強,為了定量表征該油田不同儲層物性的應力敏感情況,進而建立該油田儲層應力敏感定量表征式:

圖3 不同滲透率下的應力敏感系數分布圖Fig.3 Distribution of stress sensitivity coefficientsunder different permeabilities

(2)

式中:σ0為初始有效覆壓,MPa。

3.2 應力敏感對油水相滲曲線的影響分析

利用JBN方法對相滲數據進行處理,實驗結果見圖4。圖4表明應力敏感對油水相對滲透率曲線影響較大:1)隨著有效覆壓的增加,束縛水飽和度變大,主要是因為應力敏感導致巖心滲透率降低,巖石具有親水的特性,飽和油的過程中,油驅水困難,導致束縛水飽和度增加；2)隨著有效覆壓的增加,等滲點降低,且整體左移,油水兩相共滲區變窄,主要是因為應力敏感導致喉道變窄,有效滲流能力降低,進一步導致驅油效率降低；3)隨著有效覆壓的增加,油相滲透率急劇下降,滲流能力減弱,產能降低；4)隨著有效覆壓的增加,水相滲透率、殘余油飽和度均增加,但增幅較小。

圖4 應力敏感對油水相滲曲線影響曲線圖Fig.4 Curves of influence of stress sensitivity onoil-water permeability curve

4 建立考慮應力敏感的產能方程

油井平面徑向穩定滲流方程:

(3)

式中:Q為產量,m3/d,pe為地層壓力,MPa;pw為井底流壓,MPa;h為油層厚度,m;μo為原油黏度,mPa·s;B為原油體積系數;re為供給半徑,m;rw為井半徑,m。

考慮油井生產過程中,地層壓力下降導致儲層應力敏感,儲層滲透率隨著地層壓力的降低而降低,將式(2)代入(3)得:

(4)

隨著生產的進行,含水率逐漸增加,產能公式表示為:

Qo=Q·(1-fw)

(5)

式中:fw為含水率;Qo為含水率fw下的產量,m3/d。

在油田動態分析中,含水率是一個重要的指標,即Leverett函數表達式[19-20]為：

(6)

式中:Kro為油相相對滲透率；Krw為水相相對滲透率;μw為地層水黏度,mPa·s。

考慮受儲層應力敏感影響:

(7)

為了便于應用,一般是將油水相對滲透率的比值表示為含水飽和度的函數:

(8)

式中:Sw為含水飽和度;a,b為線性回歸參數。

進一步建立見水后的產能方程:

(9)

根據理論推導結合實驗研究結果,將油田的基本參數帶入式(4)、式(9)進一步建立油田不同滲透率下的產能隨壓降變化圖版,見圖5～6。

圖5 應力敏感對產能降幅影響圖(單相生產)Fig.5 Impact of stress sensitivity on productivityreduction(single-phase production)

圖6 同一滲透率下應力敏感對產量影響圖(油水兩相生產)Fig.6 Impact of stress sensitivity on production underthe same permeability(oil-water two-phase production)

由圖5～6可以看出，應力敏感對產能有較大影響,滲透率小于300×10-3μm2時,應力敏感對產能產生影響,且滲透率越低,應力敏感對產能降幅影響越嚴重。在油田開發中,隨著地層壓力降低,能量不足,產能快速遞減,對物性較差的儲層,當地層壓力降幅超過10 MPa時,遞減率出現極值點。從油水兩相生產時產能隨壓降變化圖版看出,應力敏感致使油井穩產期大幅縮短,嚴重影響油井產能。

5 現場應用

KLA油田平面井區多,有多個獨立的壓力系統,主力井區以四點法井網為主,由于注水井投注滯后,地層壓力下降明顯,隨著地層壓力的降低,導致儲層中部分孔隙和喉道閉合,孔隙結構發生變化,產生應力敏感,滲透率降低,進而導致油井產能遞減大。為了及時降低應力敏感對油田開發造成的負面影響,提出三類治理策略。

首先對物性較差、應力敏感較強的井，通過酸化壓裂措施及時改造近井地帶儲層,改善儲層滲透率。以A10井為例,該井平均滲透率為80×10-3μm2,初期產能穩定,由于注水井投注滯后,地層壓力下降明顯,油井產能遞減大。后續注水井投注后,提出對該井進行酸化壓裂,改善井周滲透性,措施后油井產能由17 m3/d提高至 40 m3/d,產能增幅達135%,單井實現年增油6 000 m3，A10井開采曲線見圖7。

圖7 A10井開采曲線圖Fig.7 Mining curves of Well A10

其次對儲層物性滲透率在100×10-3μm2左右的油井,及時優化井組注采比,逐步恢復地層壓力,能量充足后,通過優化工作制度恢復油井產能。2019年通過一井一策治理,總計調整產液結構井次達17次,年增油5.8×104m3,見表2。

表2 產液結構調整明細表

另外針對還未投入開發的低滲斷塊,采取“超前注水”策略,使區塊保持較高的壓力水平,進而保證后續投產后油井產能的平穩。通過近三年的治理,油井酸化措施15井次,優化注采比30輪次,地層壓力恢復3 MPa,累增油近15×104m3,較好地改善了油田開發水平。

6 結論

1)通過應力敏感實驗,首次明確了KLA油田的儲層應力敏感情況,并建立了應力敏感系數與儲層物性的表征模型,明確了油田不同儲層物性條件下的應力敏感影響。

2)在油田開發過程中,儲層應力敏感對滲流規律影響較大,進一步導致油井產能降低,首次建立了考慮應力敏感對相滲曲線影響的產能方程,并繪制產能隨壓降變化圖版。

3)研究成果有效指導KLA油田低產油井酸化壓裂,井組注采比優化,同時對未開發的低滲區塊采取“超前注水”策略,大幅改善油田水驅開發效果,對類似油田開發策略的制定有重要借鑒意義。