海上異常高壓氣藏應(yīng)力敏感特征及產(chǎn)能方程——以鶯歌海盆地為例

溫偉明 朱紹鵬 李茂

中海石油（中國(guó)）有限公司湛江分公司

南海西部海域鶯歌海盆地中深層為異常高壓（地層壓力系數(shù)大于1.8）天然氣氣藏，該類氣藏在衰竭式開(kāi)采過(guò)程中往往表現(xiàn)出強(qiáng)應(yīng)力敏感效應(yīng)［1－5］特征，國(guó)內(nèi)外［1－8］對(duì)該類氣藏的應(yīng)力敏感和產(chǎn)能的研究已有很多，但產(chǎn)能方程的建立中，混淆了有效應(yīng)力與生產(chǎn)壓差的概念。筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)和產(chǎn)能測(cè)試資料分析，探討了應(yīng)力敏感對(duì)儲(chǔ)層物性和氣井產(chǎn)量的影響，并基于修正的壓敏方程［9－11］，結(jié)合氣藏滲流特征［12－13］，推導(dǎo)了考慮應(yīng)力敏感效應(yīng)的新的二項(xiàng)式氣井產(chǎn)能方程，并對(duì)其產(chǎn)能特征進(jìn)行了分析。

1 應(yīng)力敏感特征

1.1 應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)研究

油氣藏儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性是指儲(chǔ)層物性隨有效應(yīng)力的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象，有效應(yīng)力通常定義為上覆地層壓力與地層孔隙壓力之差。因此在實(shí)驗(yàn)中常采用壓敏實(shí)驗(yàn)（定圍壓變內(nèi)壓）和覆壓實(shí)驗(yàn)（定內(nèi)壓變圍壓）來(lái)模擬實(shí)際油氣藏儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性。郭平等［14－18］通過(guò)對(duì)兩種實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析，得出兩種實(shí)驗(yàn)所獲得的巖心滲透率的變化規(guī)律是一致的。筆者依此選用鶯歌海某氣田D1井黃流組的巖心開(kāi)展覆壓實(shí)驗(yàn)研究。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，可見(jiàn)中新統(tǒng)黃流組儲(chǔ)層巖心對(duì)應(yīng)力具有強(qiáng)敏感性，當(dāng)有效應(yīng)力小于10MPa時(shí)，隨著有效應(yīng)力的增加儲(chǔ)層滲透率出現(xiàn)快速下降，即儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性強(qiáng)，滲透率傷害指數(shù)大；但隨著有效應(yīng)力的進(jìn)一步增加，儲(chǔ)層滲透率下降幅度出現(xiàn)降低，尤其當(dāng)有效應(yīng)力增大到15MPa后，儲(chǔ)層滲透率隨有效應(yīng)力增加下降幅度將進(jìn)一步減小，儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性較弱。

圖1 滲透率變化與有效應(yīng)力實(shí)驗(yàn)關(guān)系圖

實(shí)驗(yàn)研究表明，儲(chǔ)層滲透率與有效應(yīng)力具有冪指數(shù)關(guān)系，為了統(tǒng)一應(yīng)力敏感效應(yīng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。朱紹鵬［9］引入相對(duì)有效應(yīng)力概念（σf／σfmin），將實(shí)驗(yàn)條件下的應(yīng)力敏感相關(guān)式修正為：

其中 σf＝p圍－p內(nèi)

式中K0為實(shí)驗(yàn)條件下最小有效應(yīng)力時(shí)的滲透率，mD；σf為實(shí)驗(yàn)條件下有效應(yīng)力，MPa；σfmin為實(shí)驗(yàn)條件下最小的有效應(yīng)力，MPa；p圍為實(shí)驗(yàn)條件下圍壓，MPa；p內(nèi)為實(shí)驗(yàn)條件下內(nèi)壓，即流體壓力，MPa；m 為應(yīng)力敏感指數(shù)，簡(jiǎn)稱壓敏指數(shù)，無(wú)量綱。

由圖1獲得鶯歌海盆地黃流組儲(chǔ)層滲透率與相對(duì)有效應(yīng)力實(shí)驗(yàn)關(guān)系為：

1.2 應(yīng)力敏感影響產(chǎn)能實(shí)例

鶯歌海盆地某氣田黃流組主要為臨濱砂壩、臨濱灘砂沉積。砂體的規(guī)模較大，在氣田范圍內(nèi)連片分布，縱向上相互疊置，砂體整體上垂直物源方向呈西北向東南方向展布。整體看目的層儲(chǔ)層表現(xiàn)為中孔低滲的特征。測(cè)試資料表明，該地區(qū)在開(kāi)發(fā)生產(chǎn)進(jìn)程中隨著地層壓力的下降，地層滲透性將下降，無(wú)阻流量將降低。因此該地區(qū)不能忽視儲(chǔ)層應(yīng)力敏感對(duì)開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的影響。

2 新的二項(xiàng)式產(chǎn)能方程的推導(dǎo)

在平面徑向流情況下，氣體高速非達(dá)西滲流的速度方程［11－13］為：

根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式［8］得：

刻畫(huà)實(shí)際油氣田開(kāi)發(fā)過(guò)程中滲透率隨地層壓力變化的應(yīng)力敏感方程［9－10］（簡(jiǎn)稱壓敏方程）為：

把式（5）代入式（4）得：

以上各式代入式（3）后得：

對(duì)式（6）積分得：

已知井底壓力和邊界壓力為：

把式（10）、（11）代入式（9）后整理得：

式中qsc為標(biāo)準(zhǔn)狀況下氣井產(chǎn)量，104m3／d；h為氣層射開(kāi)有效厚度，m；珔μ為平均地層壓力及溫度下氣體的黏度，mPa·s；珚Z為平均地層壓力及溫度下氣體的偏差系數(shù)；ρsc為標(biāo)準(zhǔn)狀況下氣體密度，g／cm3；T 為地層溫度，℃；Tsc為標(biāo)準(zhǔn)狀況下溫度，℃；psc為標(biāo)準(zhǔn)狀況下壓力，MPa；pob為儲(chǔ)層上覆壓力，MPa；pi為儲(chǔ)層原始地層壓力，MPa；p為儲(chǔ)層目前地層壓力，MPa；pe為泄油半徑處地層壓力，MPa；pwf為井底流壓，MPa；r為徑向半徑，m；re為泄油半徑，m；rw為井筒半徑，m。

當(dāng)m＝0時(shí)，式（12）與常規(guī)二項(xiàng)式產(chǎn)能方程［11－13］相一致。

3 異常高壓氣藏產(chǎn)能特征分析

據(jù)鶯歌海盆地黃流組儲(chǔ)層特征，結(jié)合新推導(dǎo)考慮應(yīng)力敏感的二項(xiàng)式產(chǎn)能方程，對(duì)海上異常高壓氣藏產(chǎn)能特征進(jìn)行分析，探討了單個(gè)參數(shù)對(duì)氣井產(chǎn)能的影響。

3.1 應(yīng)力敏感指數(shù)對(duì)氣井無(wú)阻流量的影響

應(yīng)力敏感指數(shù)對(duì)氣井無(wú)阻流量的影響如圖2所示，可見(jiàn)氣井無(wú)阻流量隨應(yīng)力敏感指數(shù)的增大損失將越大。即說(shuō)明實(shí)際應(yīng)力敏感氣藏開(kāi)發(fā)生產(chǎn)過(guò)程中，越具有強(qiáng)應(yīng)力敏感效應(yīng)的氣藏，應(yīng)力敏感效應(yīng)越嚴(yán)重，氣井產(chǎn)能相對(duì)損失就越大。

圖2 應(yīng)力敏感指數(shù)對(duì)氣井產(chǎn)能的影響圖

3.2 地層壓力系數(shù)對(duì)產(chǎn)能的影響

在油氣藏開(kāi)發(fā)過(guò)中，儲(chǔ)層有效應(yīng)力可表述為上覆地層壓力與孔隙壓力之差，在一定的上覆地層壓力情況下，儲(chǔ)層有效應(yīng)力只與地層壓力有關(guān)，儲(chǔ)層有效應(yīng)力將會(huì)隨著地層壓力系數(shù)變化而變化。如圖3所示，在同樣的生產(chǎn)條件下，地層壓力系數(shù)越大的氣藏（即越具有高異常壓力顯著特征的氣藏），開(kāi)發(fā)過(guò)程中應(yīng)力敏感效應(yīng)將越嚴(yán)重，單井產(chǎn)能損失越大。

圖3 不同應(yīng)力敏感效應(yīng)下地層壓力系數(shù)對(duì)氣井產(chǎn)能的影響圖

3.3 上覆地層壓力對(duì)產(chǎn)能的影響

隨著上覆地層壓力的不斷增加，孔隙中流體排出，孔隙體積不斷減小。在同一沉積環(huán)境下，壓實(shí)強(qiáng)弱，即上覆地層壓力的改變，將影響儲(chǔ)層物性變化，從而影響產(chǎn)能。

根據(jù)上覆壓力的經(jīng)驗(yàn)公式：pob＝0.01［h水深＋2.3（h中深－h(huán)水深）］，計(jì)算出不同儲(chǔ)層埋深下的上覆壓力，再結(jié)合式（12）探討上覆壓力對(duì)產(chǎn)能的影響（圖4）。從圖4中可以看出：隨著沉積物埋藏深度增加，上覆壓力增大，應(yīng)力敏感效應(yīng)越嚴(yán)重，氣井產(chǎn)能損失越大。

圖4 沉積物埋藏深度變化對(duì)氣井產(chǎn)能的影響圖

4 實(shí)例分析

鶯歌海盆地某井對(duì)黃流組進(jìn)行產(chǎn)能測(cè)試，氣藏中部海拔－2 179.3m，海域水深119m，地層壓力系數(shù)為2.18，試井解釋滲透率為0.54mD，油層有效厚度為7.5m，地層氣黏度為0.06mPa·s，氣藏溫度136℃，偏差系數(shù)1.206。根據(jù)覆壓實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果分析有效儲(chǔ)層壓敏指數(shù)平均為0.15。

圖5 鶯歌海盆地某井黃流組IPR曲線圖

根據(jù)氣藏實(shí)際資料，計(jì)算得上覆地層壓力為61.0 MPa，油藏壓力為58.2MPa，結(jié)合筆者推導(dǎo)的公式對(duì)產(chǎn)能進(jìn)行分析，其結(jié)果如圖5所示。從圖5中可看出，該氣藏應(yīng)力敏感效應(yīng)嚴(yán)重，應(yīng)力敏感效應(yīng)引起的氣井無(wú)阻流量損失在23%左右。從產(chǎn)能測(cè)試數(shù)據(jù)分析，考慮應(yīng)力敏感效應(yīng)的產(chǎn)能方程更符合實(shí)際產(chǎn)能測(cè)試。因此對(duì)鶯歌海盆地異常高壓氣藏在產(chǎn)能評(píng)價(jià)時(shí)應(yīng)考慮應(yīng)力敏感效應(yīng)，綜合分析確定該氣藏單井合理工作制度，盡量減少應(yīng)力敏感效應(yīng)對(duì)單井產(chǎn)量造成的損失。

5 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

1）筆者從室內(nèi)實(shí)驗(yàn)及生產(chǎn)動(dòng)態(tài)兩方面，論證了海上異常高壓氣藏隨著有效應(yīng)力的變化將影響儲(chǔ)層滲透能力及單井產(chǎn)能。并在前人研究的基礎(chǔ)上，基于修正應(yīng)力敏感公式，重新推導(dǎo)了反映應(yīng)力敏感效應(yīng)的二項(xiàng)式產(chǎn)能方程，經(jīng)實(shí)際測(cè)試資料檢驗(yàn)具有實(shí)效性，為類似氣藏的產(chǎn)能求取提供了參考。

2）鶯歌海盆地異常高壓氣藏具有應(yīng)力敏感效應(yīng)，應(yīng)力敏感指數(shù)越大，應(yīng)力敏感效應(yīng)越嚴(yán)重，單井產(chǎn)能損失相對(duì)越大；開(kāi)發(fā)過(guò)程中越具有高異常壓力顯著特征的氣藏，應(yīng)力敏感效應(yīng)越嚴(yán)重，單井產(chǎn)能損失相對(duì)越大。

3）儲(chǔ)層壓實(shí)作用對(duì)氣井產(chǎn)能具有一定的影響，隨著沉積物壓實(shí)作用增強(qiáng)，應(yīng)力敏感效應(yīng)越嚴(yán)重，氣井產(chǎn)能損失越大。

4）海上異常高壓氣藏生產(chǎn)管理中要重視應(yīng)力敏感效應(yīng)，要采取合理的開(kāi)發(fā)技術(shù)手段和工作制度，防止井筒附近地層壓力迅速下降導(dǎo)致儲(chǔ)層滲透能力及氣井產(chǎn)能的下降。

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