深層低滲油藏儲層介質微觀層次變形機理研究

劉道杰，高文明，付小坡，溫玉煥，馮旭光

(中油冀東油田分公司，河北唐山 063004）

深層低滲油藏儲層介質微觀層次變形機理研究

劉道杰，高文明，付小坡，溫玉煥，馮旭光

(中油冀東油田分公司，河北唐山 063004）

深層低滲油藏生產過程中，近井區域儲層孔隙性和滲透性急劇降低，造成油井低壓低產和注水井低注入或注不進等問題，嚴重制約了低滲油藏開發效果。基于低滲油藏開發過程中的變形力學行為，利用微觀動力學原理，綜合位錯運動行為、位錯密度及位錯增值機理，建立低滲油藏儲層介質變形微觀動力學模型。實例分析表明，井筒周圍儲層孔隙性在開發過程中大幅度下降，破壞了井筒周圍原油流入井底和注入水流入地層的通道。開展低滲油藏儲層介質微觀變形規律的研究，對編制低滲油藏開發方案及提高低滲油藏采收率具有重要指導意義。關鍵詞：深層低滲油藏；變形；孔隙度；微觀層次；位錯理論

引言

針對低滲油藏的變形力學行為［1－3］，國內外學者進行了一系列研究［4－7］，但在微觀上認識還不清楚。低滲油藏具有較強的應力敏感性［4］，在微觀層次上的變形力學行為也較常規油藏更明顯。以低滲油藏礦物晶體為研究對象，引入位錯理論［8］，建立描述低滲油藏儲層介質變形的微觀動力學模型，從微觀層次上揭示低滲油藏儲層介質變形的物理力學行為，為合理控制油水井工作制度及提高油藏開發效果提供基礎理論參考。

1 位錯基礎理論

礦物晶體受變化應力時，滑移區與未滑移區的分界線稱為位錯，它準確描述了晶體受不同應力作用下的運動行為。對于深層低滲油藏來說，其最大剪應力τ比較低，為方便計算，引入Perers－Nabarro臨界應力，將儲層介質變形的應力敏感性用位錯滑移速度［8］表示為：

深層油藏通常存在高溫，在此條件下，當晶體僅受某一不變方向應力時，位錯會沿平行于Burgers矢量的方向移動，此時，位錯滑移速度可表示為：

式中：L為障礙間距離，nm；ta為位錯翻越障礙時間，s；ts為位錯翻越相鄰障礙的滑移時間，s；a為實驗常數；γ為原子翻越障礙頻率，s－1；Ua為位錯吸收的活化能，kJ/mol；T為儲層溫度，℃；b為Burgers矢量；B為黏性系數。

油藏投入開發后，當晶體受不同方向應力作用時，位錯運動方向與Burgers矢量隨之變化，此時位錯滑移速度可表示為：

式中：G為實驗常數；λ1為位錯寬度，nm。

2 低滲油藏儲層介質變形微觀動力學模型

巖石微觀動力學研究表明，儲層巖石隨著凈上覆壓力的增加，先是發生晶粒有利取向的位錯運動(微觀塑性變形)，然后才是宏觀變形。巖石受應力越大，位錯運動速度也就越快，該運動行為稱為位錯增值。當位錯速度超過某一臨界值時，微觀塑性變形就逐漸轉化為宏觀彈性變形。對于低滲油藏來說，其應力敏感性越大，就越容易產生位錯增值行為。位錯增值方程可寫為：

用位錯密度表征位錯運動速度，描述油藏巖石變形與上覆壓力的變化率，其表達式可寫為：

著名微觀力學家Egon Orowan提出了表征應力、應變率、位錯密度及位錯增值率的相互關系，定量描述晶體滑移系統的位錯增值行為，引入ψs(τ，n)，可寫成：

綜合位錯運動行為、位錯密度及位錯增值機理，利用平均位錯密度將低滲油藏儲層介質變形過程表示為：

式(7)即為描述低滲油藏儲層介質變形的微觀動力學模型。右端第1項表征位錯密度的變化量，第2項表征不同應力狀態下位錯增值的變化量，第3項表征位錯密度和位錯增值共同作用下的湮滅。模型采用應力增量的方式求解，利用數值計算程序，計算儲層參數沿油藏徑向距離的變化規律［8］。

3 實例分析

以南堡凹陷高尚堡深層高12斷塊為例。該斷塊油藏埋深為3 300～4 000 m，儲層為扇三角洲沉積砂體，孔隙度為7.5%～16.5%，平均為14.37%，滲透率為2.6×10－3～111.4×10－3μm2，平均為22.36×10－3μm2，屬低孔低滲油藏類型。該油藏2012年6月投入開發，目前油井開井9口，日產油為13.5 t/d，含水率為16.6%，注水井6口(其中5口注水井2013年10月停注，1口為2013年10月轉注井)，采出程度為3.23%。油藏存在的主要問題為注水井注不進水，油藏能量下降快致使油井低壓低產。

3.1 儲層孔隙性分析

應用建立的低滲油藏儲層介質變形微觀動力學模型，分析高12斷塊油藏存在上述問題的作用機理。基于該斷塊油藏基本物性、儲層巖石力學性質及孔滲數據(油藏原始孔隙指數取18.37%，孔隙度取15.52%)，利用數值計算程序，分別計算油藏生產30、60、120、180 d儲層孔隙指數和孔隙度沿徑向距離的變化關系(圖1、2)。

圖1 不同時間儲層孔隙指數沿油藏徑向距離的變化關系

圖2 不同時間儲層孔隙度沿油藏徑向距離的變化關系

由圖1、2可以看出，隨著生產時間的增加，油藏近井筒周圍儲層孔隙指數和孔隙度下降幅度越來越大，近井筒周圍滲透率也大幅度下降，破壞了井筒周圍原油流入井底和注入水流入地層的通道，從而導致油井低壓低產、注水井注不進水等問題。

3.2 模型驗證

高12－32井為高12斷塊2012年6月投產井，投產初期自噴，日產液為10.5 m3/d，油壓和套壓分別為3.4、4.4 MPa，測井解釋射孔井段孔隙度平均為12.94%，滲透率平均為30.93×10－3μm2，校正后有效滲透為11.30×10－3μm2，說明投產初期井筒周圍儲層孔滲性良好［9］。

自噴生產第80 d，日產液為2.5 m3/d，油壓和套壓分別為0.3、0.8 MPa，井筒周圍儲層已受到破壞，油井產液量較低。根據方案部署意見，該井實施轉注，注水210 d后，配注30 m3/d，實注1 m3/d，油壓和套壓分別為30、30 MPa，表明原本已破壞的儲層無法通過增加井底壓力的方式完全恢復(儲層孔滲傷害實驗證明，低滲油藏孔滲僅能恢復原來的10%左右)，從而導致注水井注入量低甚至注不進。

為了解儲層物性情況，該井注水70 d時進行壓力降落測試，選擇“井筒儲集+表皮效應+均質儲層+無限大邊界”理論模型分析［10－11］，解釋儲層有效滲透率為0.18×10－3μm2，較儲層原始有效滲透率下降98.41%，再次證明井底壓力下降致使井筒周圍儲層孔滲指標大幅下降的結論。

3.3 開發對策

上述分析表明，已經破壞的儲層物性對油水井生產造成了極大影響，因此，開發該類低滲透油藏時應注意以下幾點。

(1)合理控制油水井生產工作制度，保持油水井周圍儲層在較高的孔滲狀態下工作。

(2)當井底壓力降低時，應及時補充地層能量，防止井筒周圍儲層破壞。

(3)針對已破壞的井筒周圍儲層，可依據儲層特性及破壞程度，采用微破裂、酸化、壓裂、增注等方式溝通井底與儲層深部的通道，恢復油井生產或注水井注水。

4 結論及建議

(1)基于低滲油藏開發過程中的變形力學行為，從微觀層次上建立了低滲油藏儲層介質變形動力學模型。

(2)實例分析表明，深層低滲油藏開發過程中，造成油井低壓低產和注水井注入量低或注不進等問題的作用機理為：近井筒周圍儲層孔隙性和滲透性的大幅度下降，破壞了井筒周圍原油流入井底和注入水流入地層的通道。

(3)深層低滲油藏開發時，應采用超前或同步注水、合理控制油井工作制度等方式，保持井筒周圍儲層處于良好的孔滲狀態下工作，防止井筒周圍儲層發生破壞。

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編輯姜嶺

TE311

A

1006－6535(2014)03－0090－03

10.3969/j.issn.1006－6535.2014.03.021

20130816；改回日期：20140401

高等學校博士學科點專項科研基金“油氣田開發動態預測預警及優化控制”(20095121110003)

劉道杰(1981－)，男，工程師，2006年畢業于中國石油大學(華東)石油工程專業，2012年畢業于西南石油大學石油與天然氣工程專業，獲博士學位，現從事油氣藏開發動態研究工作。