低渗储层应力敏感评价方法探讨
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© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 文章编号:1000-2634(2008)05-0161-04
低渗储层应力敏感评价方法探讨3
罗瑞兰1,冯金德2,唐明龙3,肖香姣3,阳建平3
(1.中国石油勘探开发研究院廊坊分院,河北廊坊065007;2.中国石油勘探开发研究院,北京100083;3.中石油塔里木油田分公司勘探开发研究院,新疆库尔勒841000)
摘 要:应力敏感评价是储层保护以及油气井产能评价的重要依据,尤其对低渗储层更显意义重大。目前国内对油气储层的应力敏感评价方法及标准尚存在争议,通过对国内外曾提出的应力敏感评价标准进行研究,探讨了现行行业标准中存在的不足以及传统理论研究所采用的渗透率模量概念存在的局限性。在大量实验数据分析的基础上,定义了新的应力敏感评价指标,可以方便地表征任意初始渗透率随有效覆压变化的关系,对油气井产能评价以及建立低渗变形介质油气藏渗流模型具有积极意义。关键词:低渗储层;应力敏感;评价方法;渗透率模量中图分类号:TE122.2 文献标识码:A DOI:10.3863/j.issn.1000-2634.2008.05.039
应力敏感评价是储层保护方案设计及油气井产能评价的重要依据,对低渗储层更显意义重大。由于低渗储层具有较强的非均质性,测定一块或几块岩样很难得到整个储层渗透率随有效覆压变化的统一式,通过划分几个渗透率区间来评价储层应力敏感也只是一种比较粗略的方法,因而如何方便合理地确定应力敏感对油气储层物性及油气生产的影响,成为油气工作者研究的热点。目前,国内在油气储层的应力敏感评价方法方面尚存在争议。本文通过对国内外曾提出的应力敏感评价标准进行研究,探讨了现行行业标准中存在的不足,指出了传统理论研究中采用的渗透率模量概念存在的局限性。在大量实验数据分析的基础上,定义了新的应力敏感评价指标来评价储层应力敏感对油气井产能的影响。
1 国内外曾提出的应力敏感评价标准
国外对岩石应力敏感的研究开展的比较早,JonesFO和OwensWW[1]在1980年提出了一种应力敏感评价指标,表达式为
Ss=1-(KpKK1000)1/3
lgpK
1000(1)JonesFO根据实验数据提出:Ss<0.3时应力敏感程度弱,Ss为0.3～0.7时应力敏感程度中等,Ss>0.7时应力敏感程度强。由于数据处理麻烦,且不方便结合渗流微分方程推导相应的产能公式,因而该评价方法在中国没有得到推广应用。国内的张琰[2]对低渗气藏的应力敏感评价方法做了专门研究,她用渗透率损害率R来评价应力敏感影响
R=K1-K2K1×100%(2)
式中K1为低压下渗透率,取应力敏感点对应的渗透率,如果应力敏感点不明显,则取围压为3.0MPa时对应的渗透率为起始渗透率;K2为高压下渗透率,取岩样承受很大有效应力时所对应的渗透率值,其值用打开储层后可能承受的最大有效应力代入回归方程求出,若无该方面数据,则用围压为9.0MPa时对应的渗透率来表示高压渗透率。用此方法,K1和K2取值时,对应的压力值不明确。
2002年国内发布的中华人民共和国石油天然气行业标准给出了“储层敏感性流动实验评价方法
(SY/T5358———2002)”。行业标准中定义了渗透率损害系数:有效应力每增加单位应力时,岩样单位渗透率的缩小值,它与岩石的压缩系数具有相近的形第30卷 第5期 西南石油大学学报(自然科学版) Vol.30 No.5 2008年 10月 JournalofSouthwestPetroleumUniversity(Science&TechnologyEdition) Oct. 2008
3收稿日期:2007-09-06基金项目:中国石油股份公司重点项目“低渗气藏开发机理研究”(050122-12)。作者简介:罗瑞兰(1974-),女(汉族),新疆阜康人,博士,主要从事天然气渗流机理及数值模拟研究。
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net式和物理意义,计算式
DKp=Ki-Ki+1(Ki|pi+1-pi|)(3)
DKp是随有效应力增大而改变的系数(图1)。行业标准中将DKp出现明显拐点(下降)时对应的应力值作为临界应力,但实际储层所承受的有效应力远大于临界应力值的范围,这使得临界应力没有实际工程应用价值[3]。同时行业标准规定有效应力测点的最大值为20.0MPa,对于深层油气藏,这远小于储层实际承受的最大有效覆压。
图1 渗透率损害系数与有效覆压的关系
行业标准中采用下式计算渗透率损害率
DK=K1-KminK1(4)
这与上述张琰的研究相似,K1对应的应力点为2.5～3.0MPa,Kmin为达到临界应力后岩样渗透率的最小值。用渗透率损害率评价储层应力敏感存在不足:(1)第一个应力点和最大应力点的选择受实验者和设备的影响,不同人采用不同设备测出的渗透率损害率有可能不同,测得数据不具可比性[3]。(2)标准中采用的第一个应力点远小于油气储层所受的初始有效应力,由于实验过程中岩样受压范围与实际储层相差太大,测得的岩样渗透率损害率不能真实反映储层的损害程度。(3)DK是对应某一有效应力测点下的值,是一个静态数值,用它无法计算岩样(或储层)的渗透率随有效应力动态变化的情况。
2 理论研究—渗透率模量αK
目前研究变形介质油气藏渗流理论时,大多数文献都采用了指数形式的渗透率变化式
K(p)=K0exp[-αK(p0-p)](5)式(5)形式简单,能够方便地结合渗流微分方程推导出产能公式,得到了广泛的应用。对式(5),先定义一个理论参数———渗透率模量αK,表达式为
αK=1KdKdp(6)
对式(6)积分即可得到式(5)。通过比较发现我国行业标准中的渗透率损害系数DKP与此处的渗透
率模量αK含义相同。NurA和Yilmaz[4]较早提出了αK的定义,他们在1985年定义了渗透率模量的表达式,并假设αK保持常数以处理渗流模型中的非线性问题。研究者用αK评价储层的应力敏感程度,但没有对αK值划分区域给出具体的评价界限,也没有给出它与岩石物性参数的相关式,在很大程度上它只是一个理论概念,主要应用于理论产能公式研究。对αK表达式进行分析,发现它与岩石压缩系数具有相似的形式和物理意义,是基于岩石受力变化后发生线弹性变形的假设提出的,有两点局限性:(1)完全把渗透率当成几何参数处理,不但与岩石的性质和结构有关而且也与渗流过程中的流体密切相关。(2)对于低渗岩石假设αK为常数(即变形为线弹性变形)与实验结果不相符。低渗岩石中泥质及胶结物含量较高,且发育有极细的微裂隙,在所受有效覆压增大的初始阶段,岩石发生了微量软塑性变形,而不是线弹性变形,其渗透率模量是变化的(图
1),因此采用指数式回归实验数据时,拟合式的相关系数不理想。式(5)表示的是渗透率随孔隙压差变化的关系,而非渗透率与有效覆压的关系,一些研究者[7-9]
引用此式时误把式中的p0-p当成有效覆压,给人们造成了以下误导:(1)当p0=p(即储层压力等于原始地层压力)时,储层所受的有效覆压为0。
图2 渗透率与有效覆压关系
(2)在应力敏感实验中选取的有效覆压范围过小,其应力变化区间与油气藏开发过程相差较大(图2)。(3)夸大生产过程中应力敏感的影响。261西南石油大学学报(自然科学版) 2008年© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net低覆压阶段实验岩样发生了一定程度的软塑性变形,造成渗透率大幅度降低,当研究者把低覆压下测得的K～σeff关系当成K～Δp关系来用时,就会认为生产压差的改变会使油气井产能大幅下降。以上分析可知,对于低渗、特低渗储层,指数形式的渗透率变化公式与实验结果有一定差距,在使用过程中会带来一些问题。
3 定义新的应力敏感评价指标
为了将实验数据更好地与油气藏工程相结合,在大量实验数据分析的基础上,笔者提出采用一种新的应力敏感评价指标SP来表征低渗岩石渗透率
与有效覆压的关系[5-6]
SP=-lgKK0′/lgσeffσeff0(7)
对实验数据分析,可知应力敏感评价指标SP与岩石初始渗透率为乘幂关系
SP=cK-n0′(8)该定义形式简单,表达式与实验数据相关程度高。优点是具有唯一性,每个岩样对应一个SP,其值与实验中的最大围压无关。结合式(7)和式(8)式,可以推导出任意初始渗透率与有效覆压的关系式
KK0′=(σeffσeff0)
-Sp=pc-αpσeff0-(cK-n0′)(9)
目前常规岩样孔渗都是在地面低围压条件下所测得,对于低渗岩石,其常规渗透率与储层条件下的数值有较大差别,利用式(9)一方面可将岩样常规渗透率转换成原始储层条件下的渗透率,对储层物性作出正确评价;另一方面可以计算储层渗透率在开发过程中的动态变化规律,这与储层的具体条件(埋深、地层压力系数、开发阶段)密切相关。将式(9)代入渗流微分方程积分后,可得到考虑岩石应力敏感的平面径向稳定渗流油、气井产能公式(10)、(11)[5-6]。油井
qscs=2πK0′hαμBσeff0-Sp・
(pc-αpwf)1-Sp-(pc-pe)(1-Sp)
(1-Sp)lnrerw(10)气井
qscs=1549.2K0′h
αTμZlnrerwσ-Speff0{11-Sp[pwf(pc-αpwf)1-Sp-
pe(pc-αpe)1-Sp]+1(1-Sp)(2-Sp)α
[(pc-αpwf)2-Sp(pc-αpe)2-Sp]}(11)人们多关注在油气田开发过程中应力敏感对油气生产的影响。将以上推得的考虑到应力敏感的产
能公式与常规产能公式相对比,以生产压差为20.0MPa时产量降低的幅度作为标准,把应力敏感程度划分为微弱、弱、中等、较强4个等级,据此得到与产能相关的储层应力敏感评价标准(表1)。
表1 储层应力敏感性评价标准储层岩石应力敏感系数Sp地层压力系数2.0地层压力系数1.5地层压力系数1.0生产压差为20MPa时产能降低幅度/%影响程度评价
<0.10<0.2<0.35<5微弱0.10～0.250.2～0.50.35～0.705～10弱0.25～0.600.5～1.00.70～1.5010～20中等>0.60>1.0>1.50>20较强
4 几种评价指标对比
结合长庆某气田岩样覆压测试结果(表2为岩样X1数据),列出了不同评价指标的评价结果及特点(表3),可以看到各种方法得到的结果不同。不同的油气藏由于储层初始条件不同,在开发过程中有效覆压的变化区间有较大差别,因此评价岩石应
表2 岩样X1覆压数据(储层埋深3000.0m,压力系数1.0)
有效覆压/MPa渗透率/(×10-3μm2)有效覆压/MPa渗透率/(×10-3μm2)
