文东油田深层高压低渗透油藏渗流特征及机理研究

2015-07-02刘银山任春燕

石油地质与工程 2015年3期

关键词：压力梯度渗流渗透率

刘银山，刘刚，刘阵，刘飞，任春燕，董旭

(1.陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院，陕西西安 710075；2.延长油田股份有限公司定边采油厂)

文东油田深层高压低渗透油藏渗流特征及机理研究

刘银山1，刘刚1，刘阵1，刘飞1，任春燕2，董旭2

(1.陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院，陕西西安 710075；2.延长油田股份有限公司定边采油厂)

以中原文东油田深层高压低渗透储层为研究对象，通过岩心实验分析孔隙度、渗透率与应力敏感效应的变化关系，并测定渗透率与启动压力梯度之间的变化关系。实验和模拟结果表明，深层高压低渗透储层孔隙度、渗透率与应力敏感效应成幂函数变化，当渗透率在5×10-3μm2以下时存在明显的启动压力梯度，且随着渗透率减小，启动压力梯度急剧增大；启动压力梯度对产量呈线性影响，而应力敏感效应对产量呈指数影响，且比启动压力梯度对产能影响更大。

文东油田；深层高压油藏；低渗透油藏；启动压力梯度

储层物性差、非均质性强、孔喉半径微细、水敏速敏严重、存在启动压力梯度和应力敏感效应是低渗透储层渗流有别于其他渗透储层最显著的特征[1-3]，这些特征严重制约了低渗透油田的有效开发。中原文东油田低渗透区块储层渗透率只有(4.5～14)×10-3μm2，油藏埋深大(3 250～3 850 m)；储层压力高(压力系数达1.71～1.88)；饱和压力高(25～40 MPa)[4-6]，导致启动压力梯度和应力敏感等效应更加突出，使得微观渗流规律更加复杂。本文针对文东低渗透区块深层高压物性特征，结合岩心实验数据，研究储层孔渗变化规律，重点考虑启动压力梯度和应力敏感效应对渗流的非线性变化影响，建立低渗透油藏微观驱油模型，为该区块油藏有效开发提供指导。

1 储层孔隙度、渗透率变化特征

孔隙度和渗透率是决定油藏储量和产量的两个决定性因素。深层高压油藏原始地层压力高，储层欠压实，在开发过程中更容易引发储层岩石塑性形变，从而引起储层孔隙度和渗透率不可逆变化[7-8]，最终影响油藏开发效果。

一般情况下，压敏系数与渗透率的关系式为：

k=kie-αk(pi-p)

(1)

孔隙度与有效压力也存在明显的指数关系，表达式为：

(2)

其中：k——储层渗透率，μm2；ki——储层初始渗透率，μm2；kD——储层渗透率随压力变化系数；pi——初始地层压力，MPa；p——地层压力，MPa；αk——应力敏感系数，MPa-1，一般文东油田的αk经验取值为(1.0～2.0)×10-2MPa-1；。φ——储层孔隙度，小数；φ0——储层原始孔隙度，小数。

一般来说，渗透率和应力敏感系数之间的关系近似成反比，渗透率越低，应力敏感系数越大；渗透率越高，应力敏感系数越小。对于一个特定的岩心，其应力敏感系数可看作一个定值，可用岩心实验得到的数据来回归得出。根据Terzaghi有效压力原理[9]，按照中国石油天然气行业标准(SY5336-88)设计实验方案，得到的实验数据绘制图1。

从图1可以看出，孔隙度和渗透率随有效压力的变化趋势具有一致性，两者对于应力效应都十分敏感。当有效应力增大时，孔隙度和渗透率都快速的下降。特别是在有效压力增大初期，两者随有效应力的变化更加明显。从图中可以看出，渗透率和孔隙度随压力变化曲线明显分为两个阶段：①当有效压力小于20 MPa时，两者随有效压力增加急速下降，当有效应力从5 MPa增大到20 MPa，孔隙度下降了63.9%，渗透率下降了53.8%降幅都在一半以上。②而当有效压力增大到20 MPa以上，两者随有效压力的变化就十分平缓，当有效压力从20MPa增大到35 MPa，孔隙度下降27.5%，渗透率下降了32.6%，降幅偏缓。因而建议在开发过程中一定要采取一些措施如注水来补充地层压力，避免孔隙因承压过大而急剧减小。对比孔隙度和渗透率随有效压力的变化还可以看出，有效压力持续增大对渗透率影响更明显，对产量影响也更大。

图1 文13区块岩心孔隙度和渗透率与有效压力关系

2 启动压力梯度的影响测定

低渗透储层存在启动压力梯度[9-11]，而在深层高压环境下，启动压力梯度对渗透率的影响更加明显。启动压力梯度因素不仅影响流体黏度、驱动压力梯度等，更重要的是影响渗透率，且渗透率越低, 流体渗流的启动压力梯度也急剧增加。低渗透油层启动压力梯度与渗透率的关系遵循指数公式：

G=αkk-b

(3)

其中：G——启动压力梯度，MPa/m；αk，β为常数；k——渗透率，10-3μm2。

对于不同的低渗透储层，启动压力梯度值不同，需要根据大量的岩心实验测得。本文采用稳态压差流量法，利用地层水驱替文13西块岩样进行实验。实验数据显示，启动压力梯度与渗透率呈现很好的幂指数关系，拟合式为：

G=1.959k-1.19

(4)

由实验数据绘制渗透率与启动压力梯度的变化曲线，拟合得直角坐标关系图及双对数坐标图如图2和图3所示。可以看出，①渗透率越小，启动压力梯度越大；而随着渗透率增大，启动压力梯度快速减小并趋向接近于0。低渗透储层存在较大的启动压力梯度，储层渗透率越低，则启动压力梯度愈加明显，渗流阻力作用也更为显著。②当渗透率小于5.0×10-3μm2时存在较大的启动压力梯度，文东油田储层渗透率基本都在这个范围左右，因而需要着重考虑。在双对数坐标下可以看出，渗透率与启动压力梯度有着很好的线性关系。

图2 岩样启动压力梯度与渗透率关系

图3 岩样启动压力梯度与渗透率双对数关系

3 微观驱油机理及渗流方程

流体在储层孔隙中渗流时，会在固液接触面处形成一个不易流动的吸附滞留层，滞留层的厚度与孔隙介质、流体性质和剪切速率等因素有关。在中高渗透性储层中，由于孔隙半径大，吸附滞留层的影响可以忽略；而在低渗储层中，孔隙半径异常细小，孔隙内滞留层对流体渗流所造成的影响已不容忽略。岩心数据统计显示，储层渗透率为(10～50)×10-3μm2时，平均孔隙喉道半径为1.051 μm；渗透率在(1～10)×10-3μm2时，平均孔隙喉道半径仅为0.112 μm；渗透率为(0.01～1)×10-3μm2时，平均孔隙喉道半径一般小于0.1 μm，此时吸附滞留层厚度与孔隙半径在同一数量级上，甚至接近孔隙半径大小，此时必须有足够的压力梯度，才能使吸附滞留层流体参与流动。

根据上面分析的微观孔隙中的驱油机理，考虑启动压力梯度和应力敏感效应下的储层孔隙度、渗透率变化，建立了考虑启动压力梯度和应力敏感效应的数学模型，进而推导出无限大储层中一口井产能公式为：

(5)

其中：Q——单井产量，m3/d；h——储层厚度，m；μ——原油黏度，mPa·s；pw——井底流压，MPa；re——注采井距，m；rw——井筒半径，m。

4 文东油田实例分析

针对文东油田文13西块油藏实际数据进行模拟分析，得到油井产量分别与启动压力梯度和应力敏感系数的变化关系。其中渗透率应力敏感系数和启动压力梯度根据实验所得，αk=0.02 MPa-1，G=0.001 MPa/m。

(1)图4为压敏系数αk=0.02 MPa-1，在不同启动压力梯度情况下，计算不同情况的原油产量。可以看出：启动压力梯度和应力敏感效应明显会降低油井产量。启动压力梯度对产量的影响基本上是线性的，随着启动压力梯度的增加，启动压力梯度对产量的影响也将越来越大。当G=0.003 MPa/m时，产量比什么都不考虑时相比下降3.4%。当只考虑应力敏感效应αk=0.02 MPa-1，产量下降为21.2%。可见应力敏感效应对产量的影响要比启动压力梯度影响更明显。