深层低渗油藏储层介质微观层次变形机理研究

2014-05-17刘道杰高文明付小坡温玉焕冯旭光

特种油气藏 2014年3期

关键词：变形

刘道杰，高文明，付小坡，温玉焕，冯旭光

(中油冀东油田分公司，河北唐山 063004）

深层低渗油藏储层介质微观层次变形机理研究

刘道杰，高文明，付小坡，温玉焕，冯旭光

(中油冀东油田分公司，河北唐山 063004）

深层低渗油藏生产过程中，近井区域储层孔隙性和渗透性急剧降低，造成油井低压低产和注水井低注入或注不进等问题，严重制约了低渗油藏开发效果。基于低渗油藏开发过程中的变形力学行为，利用微观动力学原理，综合位错运动行为、位错密度及位错增值机理，建立低渗油藏储层介质变形微观动力学模型。实例分析表明，井筒周围储层孔隙性在开发过程中大幅度下降，破坏了井筒周围原油流入井底和注入水流入地层的通道。开展低渗油藏储层介质微观变形规律的研究，对编制低渗油藏开发方案及提高低渗油藏采收率具有重要指导意义。关键词：深层低渗油藏；变形；孔隙度；微观层次；位错理论

引言

针对低渗油藏的变形力学行为［1－3］，国内外学者进行了一系列研究［4－7］，但在微观上认识还不清楚。低渗油藏具有较强的应力敏感性［4］，在微观层次上的变形力学行为也较常规油藏更明显。以低渗油藏矿物晶体为研究对象，引入位错理论［8］，建立描述低渗油藏储层介质变形的微观动力学模型，从微观层次上揭示低渗油藏储层介质变形的物理力学行为，为合理控制油水井工作制度及提高油藏开发效果提供基础理论参考。

1 位错基础理论

矿物晶体受变化应力时，滑移区与未滑移区的分界线称为位错，它准确描述了晶体受不同应力作用下的运动行为。对于深层低渗油藏来说，其最大剪应力τ比较低，为方便计算，引入Perers－Nabarro临界应力，将储层介质变形的应力敏感性用位错滑移速度［8］表示为：

深层油藏通常存在高温，在此条件下，当晶体仅受某一不变方向应力时，位错会沿平行于Burgers矢量的方向移动，此时，位错滑移速度可表示为：

式中：L为障碍间距离，nm；ta为位错翻越障碍时间，s；ts为位错翻越相邻障碍的滑移时间，s；a为实验常数；γ为原子翻越障碍频率，s－1；Ua为位错吸收的活化能，kJ/mol；T为储层温度，℃；b为Burgers矢量；B为黏性系数。

油藏投入开发后，当晶体受不同方向应力作用时，位错运动方向与Burgers矢量随之变化，此时位错滑移速度可表示为：

式中：G为实验常数；λ1为位错宽度，nm。

2 低渗油藏储层介质变形微观动力学模型

岩石微观动力学研究表明，储层岩石随着净上覆压力的增加，先是发生晶粒有利取向的位错运动(微观塑性变形)，然后才是宏观变形。岩石受应力越大，位错运动速度也就越快，该运动行为称为位错增值。当位错速度超过某一临界值时，微观塑性变形就逐渐转化为宏观弹性变形。对于低渗油藏来说，其应力敏感性越大，就越容易产生位错增值行为。位错增值方程可写为：

用位错密度表征位错运动速度，描述油藏岩石变形与上覆压力的变化率，其表达式可写为：

著名微观力学家Egon Orowan提出了表征应力、应变率、位错密度及位错增值率的相互关系，定量描述晶体滑移系统的位错增值行为，引入ψs(τ，n)，可写成：

综合位错运动行为、位错密度及位错增值机理，利用平均位错密度将低渗油藏储层介质变形过程表示为：

式(7)即为描述低渗油藏储层介质变形的微观动力学模型。右端第1项表征位错密度的变化量，第2项表征不同应力状态下位错增值的变化量，第3项表征位错密度和位错增值共同作用下的湮灭。模型采用应力增量的方式求解，利用数值计算程序，计算储层参数沿油藏径向距离的变化规律［8］。

3 实例分析

以南堡凹陷高尚堡深层高12断块为例。该断块油藏埋深为3 300～4 000 m，储层为扇三角洲沉积砂体，孔隙度为7.5%～16.5%，平均为14.37%，渗透率为2.6×10－3～111.4×10－3μm2，平均为22.36×10－3μm2，属低孔低渗油藏类型。该油藏2012年6月投入开发，目前油井开井9口，日产油为13.5 t/d，含水率为16.6%，注水井6口(其中5口注水井2013年10月停注，1口为2013年10月转注井)，采出程度为3.23%。油藏存在的主要问题为注水井注不进水，油藏能量下降快致使油井低压低产。

3.1 储层孔隙性分析

应用建立的低渗油藏储层介质变形微观动力学模型，分析高12断块油藏存在上述问题的作用机理。基于该断块油藏基本物性、储层岩石力学性质及孔渗数据(油藏原始孔隙指数取18.37%，孔隙度取15.52%)，利用数值计算程序，分别计算油藏生产30、60、120、180 d储层孔隙指数和孔隙度沿径向距离的变化关系(图1、2)。

图1 不同时间储层孔隙指数沿油藏径向距离的变化关系

图2 不同时间储层孔隙度沿油藏径向距离的变化关系

由图1、2可以看出，随着生产时间的增加，油藏近井筒周围储层孔隙指数和孔隙度下降幅度越来越大，近井筒周围渗透率也大幅度下降，破坏了井筒周围原油流入井底和注入水流入地层的通道，从而导致油井低压低产、注水井注不进水等问题。

3.2 模型验证

高12－32井为高12断块2012年6月投产井，投产初期自喷，日产液为10.5 m3/d，油压和套压分别为3.4、4.4 MPa，测井解释射孔井段孔隙度平均为12.94%，渗透率平均为30.93×10－3μm2，校正后有效渗透为11.30×10－3μm2，说明投产初期井筒周围储层孔渗性良好［9］。

自喷生产第80 d，日产液为2.5 m3/d，油压和套压分别为0.3、0.8 MPa，井筒周围储层已受到破坏，油井产液量较低。根据方案部署意见，该井实施转注，注水210 d后，配注30 m3/d，实注1 m3/d，油压和套压分别为30、30 MPa，表明原本已破坏的储层无法通过增加井底压力的方式完全恢复(储层孔渗伤害实验证明，低渗油藏孔渗仅能恢复原来的10%左右)，从而导致注水井注入量低甚至注不进。

为了解储层物性情况，该井注水70 d时进行压力降落测试，选择“井筒储集+表皮效应+均质储层+无限大边界”理论模型分析［10－11］，解释储层有效渗透率为0.18×10－3μm2，较储层原始有效渗透率下降98.41%，再次证明井底压力下降致使井筒周围储层孔渗指标大幅下降的结论。

3.3 开发对策

上述分析表明，已经破坏的储层物性对油水井生产造成了极大影响，因此，开发该类低渗透油藏时应注意以下几点。

(1)合理控制油水井生产工作制度，保持油水井周围储层在较高的孔渗状态下工作。

(2)当井底压力降低时，应及时补充地层能量，防止井筒周围储层破坏。

(3)针对已破坏的井筒周围储层，可依据储层特性及破坏程度，采用微破裂、酸化、压裂、增注等方式沟通井底与储层深部的通道，恢复油井生产或注水井注水。

4 结论及建议

(1)基于低渗油藏开发过程中的变形力学行为，从微观层次上建立了低渗油藏储层介质变形动力学模型。

(2)实例分析表明，深层低渗油藏开发过程中，造成油井低压低产和注水井注入量低或注不进等问题的作用机理为：近井筒周围储层孔隙性和渗透性的大幅度下降，破坏了井筒周围原油流入井底和注入水流入地层的通道。

(3)深层低渗油藏开发时，应采用超前或同步注水、合理控制油井工作制度等方式，保持井筒周围储层处于良好的孔渗状态下工作，防止井筒周围储层发生破坏。

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编辑姜岭

TE311

1006－6535(2014)03－0090－03