低渗透储层有效围压与渗透率关系研究

低渗透储层有效围压与渗透率关系研究

在气田开发过程中，当层压降低时，为了恢复应力平衡，最初将存储层中传递的部分推压压转移到岩石骨架，增加岩石骨架的负荷，导致岩石骨架的弹性变形。这种变化改变了支撑结构与岩石间隙结构之间的原始关系。因此其主要的岩石学特性如孔隙度、渗透率会降低,发生应力敏感,进而影响到生产井产量甚至最终采收率等生产指标。目前国内外对低渗透储层岩石渗透率应力敏感性的研究已有很多,而其中大部分都是以低有效围压(一般不超过7MPa)为基准点来研究压敏效应,得到的应力敏感伤害很大,并不能反映地层中的实际伤害。由于在钻井取心过程中,作用在岩心上的应力大小发生了变化,应力状态也由原始地应力状态转变为静水压力状态,并且岩心被取到地面后,其上的地应力完全得到释放,从而使得岩心孔喉结构发生变化。如果室内实验条件无法接近地层的实际应力水平,那么所得到的压力敏感伤害就不能反映地层下的真实情况。大量的实验已经证明:实验室常规岩心实验所用的低有效围压得到的结果已不能真实反映压敏所引起的孔喉结构变化。本文以室内实验为基础,以有效围压达到原始储层有效应力为基准来研究低渗透气藏的应力敏感性,并通过扫描电镜分析了微观孔喉形状,运用恒速压汞测试微观孔隙结构来分析压敏伤害的机理。一、储层有效围压实验5块岩心经洗油、干燥后用于实验,其渗透率见表1。实验气源为干燥的氮气,并采用皂泡流量计、浮子流量计分别测得低流速和较高流速的气体流量,以手动泵施加围压。参照中国石油天然气行业标准SY/T5358-2002设计本实验方法:有效围压从2MPa开始,随着其增加,记录每一测试点的流量和对应时间,当有效围压达到原始储层有效应力时,适当增加测试点,测试最高点的有效围压为30MPa。当围压达到最高测试值时,待稳定后缓慢将其减小,然后再对渗透率的恢复情况进行测试。二、储层有效应力敏感性与评估参照文献的渗透率敏感性评价方法。图1是以低有效围压(2MPa)作为起点来测试有效围压与渗透率间的关系,其中的纵坐标K/K2是不同有效围压(大于等于2MPa)下的渗透率与有效围压为2MPa下渗透率的比值。从图1可以看出,随着有效围压的增加,初始时渗透率下降得很快,而当其达到15MPa左右时,渗透率的下降速度变缓,有效围压达到30MPa时渗透率的最大伤害为90%左右,伤害程度很深。事实上,从原始地应力状态下取出的岩心,由于上覆岩层压力的消失使得岩心的骨架应力得到释放,这种应力状态和大小的变化将使岩心的孔隙结构发生变化,部分小喉道和微裂缝将开启或增大。在以低有效围压为起点进行压敏评价时,随着有效围压的增加,岩心的骨架应力会逐渐恢复到原始储层的有效应力,在此过程中所产生的应力敏感伤害都属于对原始地层的恢复,而不是由储层流压降低所引起的伤害,因此以低有效围压来评价应力敏感性并不能反映储层的真实情况。为了真实反映储层的应力敏感性,本文以有效围压达到原始储层有效应力为基准来研究低渗透气藏的应力敏感性。根据低渗透储层的压力系数(0.75左右)和储层深度(2000m左右)可以算出原始储层的有效应力为15MPa左右。图2即是以原始储层有效应力作为有效围压的起点,在未达到地层有效应力(15MPa)以前的加压过程是对原始地层应力的恢复过程,其所产生的伤害不是由地层流体压力降低而引起的。该图中的纵坐标K/K15是不同有效围压(大于等于15MPa)下的渗透率与有效围压为15MPa下渗透率的比值。从图2可以看出,随着有效围压的增加,初始时渗透率下降得较快,而当其达到23MPa左右时,渗透率的下降速度相对变缓,当有效围压达到30MPa时渗透率的最大伤害为45%左右。通过以上分析可知,以低有效围压(2MPa)为基准和以原始储层有效应力(15MPa)为基准相比较,渗透率的伤害程度相差很大,后者与储层的实际状况较为接近。当有效围压恢复到15MPa时,1、2号岩心,3号岩心,4、5号岩心的渗透率分别恢复了约90%、85%和70%,这说明储层岩石发生了弹塑性形变,储层的孔喉结构发生了变化,压敏所产生的伤害是永久性且不可逆的。为了研究渗透率与有效围压之间的关系,对图2进行如下拟合:式中:C0、C1、C2为拟合系数,单位分别为1/MPa2、1/MPa、无因次;peff=pover-p,为有效围压,MPa;pover为上覆岩层压力,MPa;p为孔隙压力,MPa;Keffo为原始储层有效应力下的渗透率,10-3μm2;K为有效围压发生变化时的渗透率,10-3μm2。从图2可以看出,所有曲线的相关系数都大于0.99,曲线拟合得很好,说明有效围压与渗透率间满足二次多项式关系。三、考虑压敏效应时气井产量实验在低渗透气田开发过程中,压力损失主要发生在生产井底。因此,应力敏感性伤害主要也发生在井底附近。为了提高产能,要尽可能地降低井底流压,但井底附近的压降漏斗不断增大使得压敏产生的伤害不断增加,反而抑制了产量的提高。因此为了保持合理的井底流压,提高产能和最终采收率,应分析压敏效应对气田开发的影响。对于低压下的气体而言,μZ是一个常数,拟压力可以用压力的平方表示。在稳态渗流条件下,根据平面径向流压力分布和式(1)可得考虑压敏效应时的渗透率分布为:根据平面径向流理论产量和式(1)可得,考虑压敏效应时气井的产量公式为:式中:Qsc为考虑压敏效应时的产量,cm3/s;为平面径向流理论产量,cm3/s;h为储层厚度,m;Zsc为标准条件下天然气的压缩因子,无因次;Tsc为标准条件下的温度,K;psc为标准条件下的大气压,MPa;μ为储层条件下的原油粘度,mPa·s;Z为储层条件下天然气的压缩因子,无因次;T为储层条件下的温度,K;Pe为圆形有界储层的边界压力,MPa;pw为井底压力,MPa;re为圆形有界储层的半径,m;rw为井眼半径,m;r为圆柱坐标系下任意一点到油井的距离,m。由pe=15MPa、pover=30MPa,式(2)、(3)以及岩心2、3、4实验数据的拟合系数(C0、C1、C2)可得如图3、图4的曲线。图3为压敏效应引起的渗透率变化曲线,井底流压均为7MPa,由于井底附近存在压降漏斗,在压敏效应的作用下,渗透率也呈漏斗形分布。距离生产井较近的储层,其渗透率变化较大,而距离较远的地方渗透率变化较小。在井壁附近,图3中的曲线2、曲线3、曲线4的渗透率分别下降了12.4%、20.0%和29.3%。图4为压敏效应对产量的影响曲线,可以看出,在生产压差增加的过程中,该图中3条曲线的产量损失不断增大,当生产压差达到10MPa时,曲线2、曲线3、曲线4的产量分别损失了约8.5%、12.3%和18.3%。从以上计算可以看出,应将井底流压和生产压差控制在适当范围内,保持合理的地层压力,以减小敏感性伤害。四、流量敏感机理的分析1.喉道体结构对储层应力敏感性的影响低渗透砂岩发生渗透率应力敏感的根本原因在于应力状态改变导致承载骨架颗粒与孔喉结构间的原始关系发生了变化,进而引起渗流通道的变化。岩石的孔隙结构包括孔隙体和喉道体两部分,前者为拱形结构,抗挤能力较强,变形较小;而后者为反拱形结构,其在有效应力下极易变形,使喉道半径急剧减小,甚至闭合。为了直观地说明孔喉结构对储层应力敏感性的影响,笔者对低渗透岩心进行了环境扫描电镜分析。从图5可以看出,孔隙以粒间孔隙为主、呈多边形和椭圆形,填隙物含量较少,孔壁平滑,抗压能力强,受应力影响较小。从图6、图7可以看出,喉道多呈片状、反拱状结构,其表面多有粘土搭桥、绿泥石分布,当有效应力增加时,该结构很容易被压缩,从而导致渗透率大幅降低。2.喉道半径分布图8为恒速压汞测试低渗透岩心喉道分布百分数,从图中可以看出:渗透率较小的岩心,其相应的喉道半径分布范围窄,峰值喉道半径较小(0.5μm左右),半径大于1μm的喉道所占比例很小;渗透率较大的岩心,其喉道半径分布范围广,峰值喉道半径逐渐变大(0.6~1.0μm),而且随着渗透率的增加,半径大于1μm的喉道数量逐渐增多,3μm以上的喉道也有分布。储层的喉道分布特征决定了储层的应力敏感程度:当地层压力降低时,喉道所受到的有效应力逐渐增加,喉道半径随之减小,渗透率大幅度下降,随着地层压力的进一步降低,骨架颗粒不断被压实,未闭合喉道越来越少且多数为不易闭合,渗透率降低的趋势逐渐减小。五、储层精细表征(1)以原始储层有效应力作为有效围压基准的压敏效应评价方法与实际储层的应力状态比较接近,避免了由储层骨架应力释放所引起的应力敏感,能较好地反映由储层流体压力降低而产生的应力敏感。(2)由于压敏效应引起储层岩石发生了弹塑性形变,因此压敏伤害是一种永久性、不可逆的伤害;以原始储层有效应力作为有效围压的基准时,有效围压与渗透率间满足二次多项式关系。(3)理论计算表明,在生产井井底附近存在渗透率漏斗,压敏效应对气井产量有很大影响。(