西加盆地B氣田致密砂巖儲層應力敏感評價

王 欣，齊 梅，胡永樂

(中油勘探開發研究院，北京 100083)

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西加盆地B氣田致密砂巖儲層應力敏感評價

王 欣，齊 梅，胡永樂

(中油勘探開發研究院，北京 100083)

描述致密砂巖儲層滲透率應力敏感有多種經驗公式，根據巖心類型的不同，對各經驗公式的應用尚存在爭議。依據基質孔隙和裂縫尺度不同，將研究區儲層介質劃分為“微小孔+裂縫”模型和“中大孔+裂縫”模型2種類型，結合應力敏感實驗對經驗公式進行驗證。實驗結果表明， “微小孔+裂縫”模型儲層的滲透率隨有效應力變化符合冪律式，“中大孔+裂縫”模型符合指數式。Walsh模型的回歸結果表明，“微小孔+裂縫”模型擬合結果較好，說明該類儲層裂縫對滲透率的貢獻起絕對支配作用，滲透率隨有效應力變化符合冪律式。

致密砂巖儲層；應力敏感；裂縫；西加盆地

引 言

當深埋于地下的油氣藏儲層巖石所受到的有效應力改變時，其中的孔隙、喉道將變形，導致裂縫閉合，儲層巖石的滲流能力降低，這就是儲層應力敏感性現象[1-2]。應力敏感評價是儲層保護方案設計及油氣井產能評價的重要依據，對低滲儲層更為重要[3]。近年來，隨著常規油氣資源量日益減少，包括致密砂巖氣在內的非常規儲層已逐漸成為油氣勘探開發的重點[4]。致密砂巖氣藏天然裂縫發育，滲透率一般呈對數正態分布，儲層基質滲透率低，但儲層中存在高孔高滲的甜點區，儲層具有較強的應力敏感性[5-6]。在致密氣藏大規模的投入開發之前，進行儲層應力敏感評價對儲層保護及合理的開發方案設計至關重要。目前對儲層應力敏感進行評價的方法中，鮮有針對儲層不同孔縫尺度組合分別進行評價的研究，依據研究區致密砂巖儲層不同的孔縫尺度組合，將儲層介質劃分為“微小孔+裂縫”模型與“中大孔+裂縫”模型2種類型，并對2種類型的儲層分別進行儲層介質應力敏感評價。

1 研究區概況

西加盆地是北美地區重要的非常規天然氣聚集區，研究區位于阿爾伯達省境內西加沉積盆地的深盆區B氣田，該氣田主力儲層為白堊系砂巖，發育4組儲層，共有8個主力層段：Cardium、Dunvegan、Cadotte、Notikewin、Falher、Wilrich、Gething和Cadomin。研究區沉積特征由下至上表現為海相沉積演化為非海相沉積碎屑沉積，儲層孔隙度為3%～10%，滲透率為0.01×10-3～1.00×10-3μm2，屬于致密砂巖儲層，儲層有效厚度約為90 m，地層溫度為30～110℃，地層壓力系數為0.92～1.20，屬于正常壓力系統。目前氣田已接近開發中期，仍處于上產階段。原始天然氣地質儲量為9 340×108m3，預計可采儲量為990×108～ 2 320×108m3，目前生產井為374口，日產氣為7.28×106m3/d。

2 致密砂巖應力敏感實驗

實驗樣品采自研究區內6口井，共14塊巖心。實驗采用CMS 300 自動測量系統，測量了14塊巖心在不同有效應力條件下致密砂巖巖心的滲透率，對于低滲巖心的滲透率利用脈沖法測量。

根據取樣深度和層段不同將巖心分為3組，分別確定其最大凈上覆壓力為30.8、37.1、34.0 MPa。采用變圍壓的方法進行巖心滲透率應力敏感情況考察，實驗用致密砂巖巖心，直徑為2.54 cm，基礎數據見表1。14塊巖樣中，9塊為低滲巖心，滲透率為0.02×10-3～0.15×10-3μm2；5塊為中高滲巖樣，滲透率為0.37×10-3～38.70×10-3μm2。

通過改變圍壓的方法測量各巖心的滲透率隨有效應力的變化。目前國內外學者[7-15]建立了多種儲層物性參數應力敏感性模型，滲透率與有效應力之間的函數關系主要有指數、對數、冪函數、多項式等形式，筆者利用最常見的指數式和冪率式進行擬合，擬合參數見表2。由表2可知，2種關系式都可得到較好的擬合效果，但對于低滲巖心，冪率關系式擬合的相關系數更高；對于中高滲巖心，指數關系式擬合的相關系數更高。

表1 巖心基礎數據

表2 參數擬合結果

3 實驗結果分析與驗證

3.1 實驗結果分析

對于裂縫發育致密砂巖氣藏，儲層物性普遍較差，孔隙度和滲透率較低，儲層僅存在少量中高孔滲的區域。根據研究區致密砂巖氣藏的儲層特性，將儲層介質簡化為以下2種模型：①基質孔徑遠小于裂縫縫寬，儲層滲透率主要由裂縫控制，基質介質中的顆粒與顆粒之間排列緊湊，介質較為致密的“微小孔+裂縫”模型[16]；②基質孔徑略小于裂縫縫寬或與裂縫縫寬尺寸相當的“中大孔+裂縫”模型，裂縫和孔隙都對儲層滲透率有貢獻。

由于多孔介質的滲透率主要是由孔隙尺度控制，儲層孔隙的形狀和大小決定儲層的滲流能力。對2種儲層介質模型的應力敏感實驗結果進行分析，可以得到如下結論。

(1) “微小孔+裂縫”模型對應低滲巖心，巖心滲透率絕大部分由裂縫貢獻，基質孔徑對滲流貢獻很小。當巖樣有效應力增加，裂縫由于被壓縮后閉合，該過程中巖樣滲透率迅速下降。當裂縫閉合后，由于基質孔徑極小，對有效應力的增加變化并不敏感，因此滲透率降低不明顯。

(2) “中大孔+裂縫”模型對應中高滲巖心，除裂縫外基質孔隙也對滲透率有貢獻。當巖樣受到的有效應力增加，裂縫由于受壓導致開度降低至閉合后，基質中孔隙也由于有效應力的增加而孔徑變小，滲透率依然會隨有效應力增加而降低。

對比指數關系與冪率關系(圖1)，冪率函數初期下降非常迅速，而在中后期的下降趨于平緩；而對于孔小縫寬模型隨應力增加滲透率的變化趨勢與冪率式變化趨勢非常相近，因此，對于低滲的致密氣藏進行滲透率應力敏感評價時應使用冪率式表達；指數函數在整個過程中緩慢下降，該趨勢與孔縫相當模型滲透率應力敏感相應一致，對于致密砂巖氣藏中高孔滲“甜點區”的應力敏感評價應采用指數式表達。

圖1 指數式與冪率式函數示意圖

3.2 Walsh模型驗證

Walsh根據平板裂縫模型的流量公式推導得到裂縫性多孔介質滲透率與有效應力變化的關系式[5]：

(1)

式中：h為裂縫表面粗糙度，μm；a0為縫徑，μm。

利用該模型對3組巖心分別進行驗證，結果見圖2，各組巖樣的線性回歸相關系數見表3。

表3 線性回歸參數

由表3可知：第1組巖心共7塊，其中低滲巖樣4塊，中高滲巖樣3塊。由圖2a可知，巖心關系曲線明顯分為2個區域，低滲巖樣的關系曲線變化率較大，線性回歸的相關系數很高，都大于0.984，而中高滲巖心的關系曲線變化率小，且線性回歸的相關系數較低；第2組巖心共5塊，均為低滲巖樣，由圖2b可知，曲線變化率大，線性回歸的相關系數都大于0.99；第3組巖心為2塊中高滲巖樣，由圖2c可知，2塊巖心在Walsh模型關系曲線中進行線性回歸的相關性差。

通過3組共14塊巖心的Walsh模型驗證表明，低滲巖樣均滿足Walsh模型，線性回歸的相關系數都很高。說明低滲巖樣與Walsh模型的假設相近，多孔介質以裂縫為主，基質孔徑極小，幾乎不貢獻滲透率，當受到的有效應力增加時，裂縫閉合，滲透率迅速降低，而后隨著有效應力增加，孔徑變化小，滲透率隨有效應力變化不明顯，該類巖心的滲透率應力敏感符合冪率變化關系；中高滲巖樣對Walsh模型的符合程度不高，這說明中高滲巖樣與Walsh模型的假設不符，介質中除裂縫貢獻滲流通道外，基質孔徑對滲透率的貢獻不可忽視，當巖石受壓，介質中裂縫閉合，但此時基質孔隙提供滲流通道，對滲透率的貢獻不可忽視，隨著有效應力增加，孔隙被壓縮導致滲透率降低，該類巖心在有效應力增加的整個過程中，滲透率持續降低，其隨有效應力的變化關系滿足指數關系式。

圖2 Walsh模型驗證曲線

4 結 論

(1) 致密砂巖儲層天然裂縫發育，基質孔隙度和滲透率低，但也存在部分中高孔滲的“甜點區”。根據研究區致密砂巖儲層特性，利用“微小孔+裂縫”及“中大孔+裂縫”2種模型描述致密砂巖儲層介質。

(2) 通過研究區內6口井14塊巖心進行應力敏感性實驗發現，指數式和冪率式均能擬合各巖心滲透率隨有效應力變化趨勢，其中低滲巖心利用冪率式擬合相關系數更高，而中高滲巖心利用指數式擬合相關系數更高。

(3) 分析研究區應力敏感實驗結果，并利用基于平板裂縫模型推導得到的Walsh模型進行驗證，可以得到：低滲巖心對“微小孔+裂縫”模型巖心應力敏感實驗結果與Walsh模型符合程度很高，該類儲層的滲透率應力敏感應使用冪率式模型進行評價；中高滲巖心對“中大孔+裂縫”模型巖心的應力敏感實驗結果與Walsh模型符合程度不高，在對該類儲層進行應力敏感評價時應使用指數式進行描述。

[1] 王瑞飛，段雨安，等.深層高壓低滲砂巖油藏應力敏感性實驗[J].地質科技情報，2014，33(1)：90-94.

[2] 王珂，戴俊生，張宏國，等.裂縫性儲層應力敏感性數值模擬——以庫車凹陷克深氣田為例[J].2014，35(1)：123-133.

[3] 羅瑞蘭，馮金德，唐明龍，等.低滲儲層應力敏感評價方法探討[J].西南大學學報：自然科學版，2008，30(5)：161-165.

[4] 陳金輝，康毅力，游利軍，等.低滲透儲層應力敏感性研究進展及展望[J].天然氣地球科學，2011，22(1)：182-189.

[5] Walsh J B.Effect of pore and confining pressure on fracture permeability[J]. Journal of Rock Mechanics， Min. Sci. &Geoph， Abstracts，1981，18(5)：429-435.

[6] Buchsteiner H，Warpinski N R，Economies M J.Stress-induced permeability reduction in fissured reservoirs[C].SPE26513，1993：65-74.

[7] 李大奇，康毅力，游利軍.碳酸鹽巖儲層滲透率應力敏感性實驗研究[J].天然氣地球科學，2014，25(3)：409-413.

[8] Ali H S，Al-Marhoun M A，Abu-Khamsin S A，et a1. The Effect of overburden pressure on relative permeability[C].SPE15730，1987：335-338.

[9] Pedrosa.Pressure transient response in pore pressure of the tight mesaverde sandston， piceance basin， colorado[C].SPE13134，1987：129-137.

[10] 王歡，廖新維，趙曉亮，等.特低滲透應力敏感油藏數值模擬歷史擬合方法[J].大慶石油地質與開發，2014，33 (2)：73-76.

[11] 王培璽，劉仁靜.低滲透儲層應力敏感系數統一模型[J].油氣地質與采收率，2012，19(2)：75-77.

[12] Bernabe Y.An effective pressure law for permeability in Chelmsford granite and barre granite[J].Int.Rock Mache.Sci.Geomech.Abstr，1986，23(3)：267-275.

[13] 范學平，徐向榮.地應力對巖心滲透率傷害實驗及機理分析[J].石油勘探與開發，2002，29(2)：117-119.

[14] 劉順，何衡，賀艷祥，等.低滲透油藏應力敏感實驗數據處理方法對比[J].油氣地質與采收率，2012，19(4)：71-33.

[15] 薛永超，程林松.微裂縫低滲透巖石滲透率隨圍壓變化實驗研究[J].石油實驗地質，2007，29(1)：108-110.[16] 王瑞飛，康楠，呂新華，等.深層高壓低滲砂巖油藏儲層應力敏感性定量解釋模型——以東濮凹陷文東油田沙三中油藏為例[J].地球物理學進展，2013，28(5)：2611-2617.

編輯 王 昱

20141019；改回日期：20150211

國家科技重大專項“全球剩余油氣資源研究及油氣資產快速評價技術”(2008ZX05028)

王欣(1986-)，女，2009年畢業于中國石油大學(北京)石油工程專業，現為中國石油勘探開發研究院油氣田開發工程專業在讀博士研究生，主要從事非常規油氣藏開發評價方面的研究。

10.3969/j.issn.1006-6535.2015.02.021

TE312

A

1006-6535(2015)02-0085-04