低滲透儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性研究

低滲透儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性研究

1缺乏相應(yīng)的理論基礎(chǔ)研究當(dāng)液體通過巖石時(shí)，除了液體的性質(zhì)外，巖石的性質(zhì)及其相互作用也對(duì)液體的滲透和流量產(chǎn)生了重大影響。隨著流體的采出或注入,巖石骨架的受力情況可能發(fā)生變化,導(dǎo)致其變形,從而影響儲(chǔ)層的物性參數(shù)。然而,目前大多數(shù)應(yīng)力敏感性的研究?jī)H限于室內(nèi)滲透率隨應(yīng)力變化的測(cè)試,缺乏相應(yīng)的理論基礎(chǔ)研究。應(yīng)力敏感性的存在使得巖石滲透率下降,極大地影響油田的正常生產(chǎn),但是目前關(guān)于應(yīng)力敏感對(duì)油田生產(chǎn)的影響還缺乏定量研究,難以指導(dǎo)油田的合理開發(fā)。本文以變徑毛管束模型為基礎(chǔ),從理論上分析了孔隙度及滲透率隨應(yīng)力變化的規(guī)律,論證了低滲透儲(chǔ)層的強(qiáng)應(yīng)力敏感性,通過室內(nèi)試驗(yàn)的方法研究了巖石內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)、外部有效應(yīng)力的大小及加載方式對(duì)滲透率應(yīng)力敏感性的影響,并在此基礎(chǔ)上對(duì)不同儲(chǔ)層條件下的應(yīng)力敏感性作了深入研究,為低滲透油田開發(fā)方案的合理制定提供了理論及試驗(yàn)依據(jù)。2基于應(yīng)力的孔隙度為充分考慮喉道半徑的影響,本文提出了變徑毛管束模型,如圖1所示。圖中,大直徑毛管代表孔隙,半徑為rp;小直徑毛管代表喉道,半徑為rt。為簡(jiǎn)化研究,設(shè)其孔隙配位數(shù)(每個(gè)孔道所連通的喉道數(shù))為2,孔隙和喉道的長(zhǎng)度均為L(zhǎng),單位面積中的毛管數(shù)量為n,迂曲度(流體實(shí)際流經(jīng)的路程長(zhǎng)度與巖石外觀長(zhǎng)度之比)為1,喉道兩端的壓差為?pt,孔隙兩端的壓差為?pp,流道兩端總壓差為?p。根據(jù)孔隙度的定義,該模型的孔隙度φ為根據(jù)高才尼–卡爾曼公式,喉道滲透率kt與孔隙滲透率kp分別為根據(jù)達(dá)西公式,喉道流量qt與孔隙流量qp分別為由孔隙與喉道間質(zhì)量守恒定律,可得整理得由于結(jié)合達(dá)西公式,可得滲透率K為根據(jù)鑄體薄片及掃描電鏡結(jié)果可知:孔隙呈多邊形或橢圓形狀,具有拱形結(jié)構(gòu),抗壓能力強(qiáng),而喉道多為片狀、彎片狀,反拱形結(jié)構(gòu),并常有黏土礦物橋連,承壓能力特別弱。因此,假設(shè)應(yīng)力發(fā)生改變時(shí),孔隙半徑不改變,僅喉道發(fā)生變化,則孔隙度隨應(yīng)力變化的系數(shù)C1,C2分別為由于rp>>rt,由式(12),(13)可知,孔隙度隨應(yīng)力的變化系數(shù)接近于0,因此孔隙度受應(yīng)力變化的影響較弱。該結(jié)論與S.C.Jones等的試驗(yàn)研究結(jié)果相一致。而滲透率隨應(yīng)力的變化而急劇變化,喉道半徑越小,滲透率變化程度越大。若考慮孔隙迂曲度和孔隙配位數(shù)等參數(shù)的影響,滲透率隨應(yīng)力的變化率更大。因此,中高滲透油藏的應(yīng)力敏感性較弱,而低滲透油藏的應(yīng)力敏感現(xiàn)象更加明顯。3試驗(yàn)設(shè)備及流程為了更準(zhǔn)確地反映地下巖石的應(yīng)力變化情況,采用保持圍壓不變、改變流體壓力的測(cè)試方法對(duì)不同滲透率的砂巖巖樣進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)中測(cè)試溫度為20℃,圍壓為20MPa。試驗(yàn)采用回壓閥來控制流體壓力,試驗(yàn)設(shè)備及流程如圖2所示,其基本數(shù)據(jù)如表1所示。試驗(yàn)步驟如下:(1)按圖2連接試驗(yàn)器材。(2)將試樣裝入巖芯夾持器,加密封壓力并根據(jù)試樣滲透性施加一定的流動(dòng)壓力,隨后逐步增加圍壓、進(jìn)口壓力及回壓至設(shè)計(jì)壓力值。(3)保持圍壓不變,同時(shí)逐步降低進(jìn)口壓力及回壓,每一次降壓且流動(dòng)穩(wěn)定后,測(cè)其滲透率。(4)重復(fù)步驟(3),直至降壓結(jié)束。(5)繼續(xù)保持圍壓不變,同時(shí)逐步增加進(jìn)口壓力及回壓,保持試樣進(jìn)、出口壓差不變,每一次升壓且流動(dòng)穩(wěn)定后,測(cè)其滲透率。(6)重復(fù)步驟(5),直至進(jìn)口壓力升至試驗(yàn)初始?jí)毫χ禃r(shí)結(jié)束。3.1有效應(yīng)力與滲透率試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看出,滲透率隨有效應(yīng)力(圍壓與孔隙流體應(yīng)力之差)的增加呈階梯狀減小,但減小的程度不斷減緩。如29#巖芯,在加載初期,有效應(yīng)力從4.8MPa上升至6.7MPa,有效應(yīng)力變化占總有效應(yīng)力變化的20%,但滲透率減小值卻占總滲透率減小值的62%。這主要是因?yàn)樵诘陀行?yīng)力階段,隨著有效應(yīng)力的增加,巖石中部分閉合壓力閥值較低的孔喉受其影響而閉合,從而導(dǎo)致了巖石滲流能力的顯著降低,而后期由于這種類型的喉道數(shù)量的減小,因此對(duì)滲流能力的影響較弱。隨著流體壓力的恢復(fù),滲透率難以恢復(fù)至原來的水平,說明巖石的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生了塑性形變,破壞了原有的滲流通道,造成永久性傷害,具有不可逆性。3.2滲透率損害系數(shù)及長(zhǎng)期傷害率為了更明確地說明應(yīng)力變化對(duì)滲透率的影響,引入以下2個(gè)參數(shù):式中:Dk為滲透率損害系數(shù),k1為初始?jí)毫ο碌臐B透率,k2為壓力恢復(fù)下的最大滲透率,kmin為最小滲透率,Dke為滲透率永久傷害率。計(jì)算結(jié)果如表2所示。由表2可知,在相同應(yīng)力變化情況下,不同滲透率巖芯的滲透率損害情況不同:隨著滲透率的降低,滲透率損害系數(shù)及永久傷害率不斷增加。對(duì)于孔隙度相近的巖芯,滲透率越小,滲透率損害系數(shù)及永久傷害率越大。如29#和78–1#巖芯孔隙度比較接近,但滲透率更小的29#巖芯隨有效應(yīng)力的增加,滲透率傷害率變化更大。這主要是因?yàn)楫?dāng)巖石被壓縮時(shí),首先被壓縮的是喉道,對(duì)于相同孔隙度的巖芯,滲透率越小則平均喉道半徑越小,根據(jù)式(13)可知,喉道半徑越小,應(yīng)力敏感性越強(qiáng),滲透率傷害越嚴(yán)重。3.3不同加載方式下的滲透率特性對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)相近的2塊巖芯進(jìn)行了快速和慢速2種不同加載方式的研究,快速加壓下相鄰2點(diǎn)壓差比慢速加壓下相鄰2點(diǎn)壓差大得多。圖4為不同加載方式下的滲透率變化曲線。由圖4可知,不同加載方式下,滲透率降低的程度也不相同。有效應(yīng)力增加的速度越快,滲透率下降也越快,而且其永久傷害率也越大。這主要是由于有效應(yīng)力增加速度越快會(huì)導(dǎo)致巖石顆粒的變形更嚴(yán)重,同時(shí)更易破壞原始的孔隙結(jié)構(gòu),從而使得其滲透率的恢復(fù)能力變?nèi)?。因?對(duì)于低滲透油藏,應(yīng)盡量避免采用過大的生產(chǎn)壓差進(jìn)行生產(chǎn)。4關(guān)于壓力敏感的影響研究4.1儲(chǔ)層厚度h假設(shè)一均質(zhì)油藏,儲(chǔ)層基本參數(shù)為:滲透率K=5×10-3μm2,原油黏度μo=3.0mPa·s,儲(chǔ)層厚度h=10m,產(chǎn)液量Q=8m3/d。結(jié)果表明,應(yīng)力敏感性主要影響生產(chǎn)井附近的壓降,應(yīng)力敏感越嚴(yán)重,生產(chǎn)井的壓降漏斗越大。生產(chǎn)井的生產(chǎn)壓差與應(yīng)力敏感系數(shù)呈良好的指數(shù)關(guān)系,如圖5所示。4.2應(yīng)力敏感性對(duì)不同滲透率層產(chǎn)量的影響對(duì)于正韻律(油層從下到上巖石顆粒由粗變細(xì))和反韻律(油層從下到上巖石顆粒由細(xì)變粗)油藏,假設(shè)注采比為0.8,以不考慮應(yīng)力敏感時(shí)的產(chǎn)量為基準(zhǔn),對(duì)比研究應(yīng)力敏感性對(duì)不同滲透率層產(chǎn)量的影響,結(jié)果如圖6所示。應(yīng)力敏感性對(duì)正韻律和反韻律油藏各層的影響非常類似:應(yīng)力敏感性主要影響相對(duì)中高滲透層,特別是壓力下降的初期,相對(duì)高滲透層的產(chǎn)量呈直線急劇下降,在后期比較平緩;而相對(duì)低滲透層的下降趨勢(shì)比較平緩;中滲層所受的影響介于這2層之間。應(yīng)力敏感性在一定程度上減弱了層內(nèi)非均質(zhì)性的影響,但是應(yīng)力敏感性對(duì)于整個(gè)儲(chǔ)層的產(chǎn)量是不利的,在油田開發(fā)中應(yīng)盡量采取措施減小應(yīng)力敏感現(xiàn)象的發(fā)生。4.3滲透率分布在油藏工程中,常用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法、H.Dykstra方法和洛倫茲方法來描述儲(chǔ)層的非均質(zhì)特征。洛倫茲曲線法能定量直觀地描述非均質(zhì)性,而且具有很好的適應(yīng)性。滲透率為20×10-3μm2時(shí),不同滲透率變異系數(shù)下根據(jù)洛侖茲曲線法反求的各小層的滲透率分布見表3。假設(shè)注采比為0.8,隨著油藏的開發(fā),地層壓力不斷下降,受應(yīng)力敏感性的影響,不同非均質(zhì)性儲(chǔ)層的產(chǎn)量都在不斷下降,如圖7所示。在開采的初期,非均質(zhì)性越強(qiáng)的儲(chǔ)層,受影響程度越大,產(chǎn)量下降越多,在后期由于相對(duì)低滲透層的動(dòng)用程度增加,相對(duì)產(chǎn)量有所增加。隨著開發(fā)時(shí)間的延長(zhǎng),各種非均質(zhì)儲(chǔ)層的產(chǎn)量下降程度比較接近,假如連續(xù)開采20a,則產(chǎn)量下降將近40%。4.4不同儲(chǔ)層的應(yīng)力敏感效應(yīng)假設(shè)儲(chǔ)層滲透率變異系數(shù)為0.6,對(duì)比研究滲透率為1×10-3,10×10-3,30×10-3μm2條件下不同儲(chǔ)層的應(yīng)力敏感效應(yīng),如圖8所示。相同滲透率變異系數(shù)下,應(yīng)力敏感性隨滲透率的降低而增加,產(chǎn)量下降越大。5應(yīng)力敏感性與相對(duì)儲(chǔ)層物性的關(guān)系(1)本文充分考慮孔喉的影響,以變徑毛管束模型為基礎(chǔ),從理論上論證了孔隙度受應(yīng)力變化的影響較小,而滲透率受應(yīng)力變化的影響較大;相對(duì)于中高滲透層,低滲透層的應(yīng)力敏感現(xiàn)象更加明顯。(2)巖石滲透率隨著巖石所受的有效應(yīng)力的增加而減小,在初期減小幅度較快,在后期比較平緩,并且隨著有效應(yīng)力的減小,滲透率不能恢復(fù)至原始滲透率,存在永久性傷害。這種傷害與孔隙結(jié)構(gòu)、有效應(yīng)力的加載方式密切相關(guān),滲透率越小、加載速度越快,滲透率下降