考慮應力敏感的低滲致密砂巖氣藏數值模擬研究

王 廈

（中國石化華北油氣分公司采氣一廠，河南鄭州 450006）

致密砂巖儲層物性差，致密砂巖孔隙和喉道結構復雜，需采用分段壓裂水平井開發才能獲得經濟效益。在地層未打開之前，致密砂巖儲層受到上覆巖石及流體在孔隙內形成的孔隙壓力處在平衡狀態，隨著開采的進行，流體不斷流出，導致孔隙壓力持續下降，巖石骨架受到的有效應力不斷增加，使儲層發生彈塑性變形，造成儲層的滲透率和孔隙度持續變小，即儲層的應力敏感[1，2]。近年來，國內外學者均對應力敏感開展了研究。肖文聯等將加砂裂縫及不充填裂縫進行實驗對比，認為充填裂縫有比較強的應力敏感性是由于充填裂縫發生了結構變形造成，同時研究了不同圍壓下滲透率隨內壓的變化幅度[3]。王欣等利用數值模擬方法研究了不同井控條件下應力敏感對分段壓裂水平井產量的影響，明確了氣井在不同開發階段影響產量的主要因素，提出了能夠反映致密砂巖在開采過程中儲層應力敏感變化特征的實驗評價方法[4]。Jones 等[5-10]通過實驗得到了孔隙度、滲透率與圍壓之前的指數關系式。

這些研究多以室內實驗為主，大多考慮的是儲層巖石的結構變形，未綜合分析壓裂裂縫與儲層巖石變形程度不同。本文以大牛地氣田某氣井為例，通過室內實驗及數值模擬相結合的基礎上，重點研究巖石儲層及壓裂裂縫的應力敏感對氣井生產造成的影響。

1 室內實驗

大牛地氣田位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡北部東段，非均質強，具有低壓、低滲、低豐度的特點，開發難度大，是典型的低滲透致密砂巖氣藏，從2003 年開始進行水平井開發模式探索，2011 年進入水平井分段壓裂技術成熟完善階段。為研究儲層及壓裂裂縫的應力敏感性，利用某井在鉆井過程中取用的真實實鉆巖心，采用定圍壓變內壓的方式進行實驗，氣源采用氮氣。該井孔隙壓力（即原始地層壓力）為26.5 MPa，實驗測得滲透率為0.466 mD。實驗過程中，恒定圍壓26.5 MPa，內壓從26.5 MPa 下降到一定壓力后再恢復[11]，在每一個壓力的變化處計算各自的滲透率值。

為方便展示內壓下降及上升過程中滲透率的變化情況，對滲透率進行無因次化處理，定義無因次滲透率系數為：

圖1 基質巖心無因次滲透率系數與有效應力的關系

式中：k（p）-地層壓力為p 時的滲透率，10-3μm2；k0-初始滲透率，10-3μm2；pi-原始地層壓力，MPa；p-當前地層壓力，實驗中為內壓，MPa；αk-降壓/升壓過程滲透率應力敏感系數。

對實驗結果進行回歸分析（見圖1）得出，降壓過程中αk=0.041，升壓過程中αk=0.027。

分析結果表明，在降壓的過程中，隨著內壓的降低，有效應力在增大，巖心的滲透率不斷下降。在隨后的升壓過程中，隨著內壓的上升，有效應力在相應的減少，基質巖心的滲透率在持續恢復，但最終內壓恢復到原始地層壓力時，巖心的滲透率卻不能恢復到原始值，即出現了滲透率的滯后效應。由于滲透率的滯后效應，砂巖儲層發生了永久性的傷害。

另取一塊該井的巖心進行人工造縫，造縫時沿著軸線方向施加負載，使巖心產生貫穿軸向的裂縫，并對裂縫利用該井在鉆井過程中返排出的巖屑粉末進行充填。對此塊充填裂縫巖樣進行與基質巖樣相同的定圍壓變內壓實驗，同樣對實驗結果進行回歸分析（見圖2）得出，降壓過程中αk=0.058，升壓過程中αk=0.041。

將降壓過程中的基質巖心與充填裂縫巖心的無因次滲透率進行對比（見圖3）可以看出，這兩種巖心都存在較強的應力敏感效應，充填裂縫巖心的滲透率下降幅度比基質巖心的滲透率下降幅度要大，說明充填裂縫巖心的應力敏感性要強于基質裂縫。這是由于充填物的彈性變形比基質巖心的彈性變形大，隨著有效應力的增大，充填物發生了破碎、形變等結構性變形。由此可以認為，經過壓裂改造的充填裂縫儲層的應力敏感性要強于基質儲層。

2 氣藏數值模擬

利用Eclipse 軟件對該井建立均質機理模型，該井含氣儲層位于二疊系下統山西組山1 段，儲層埋深2 656 m，砂巖厚度8 m，原始地層壓力26.5 MPa，實鉆水平段長度為1 074 m，靶前距363 m，采用多級分段加砂壓裂工藝，壓裂液用量為1 210 m3，共壓開6 條裂縫，試氣無阻流量9.82×104m3/d。試井分析結果表明儲層平均滲透率0.466 mD，儲層平均孔隙度0.098 5，儲層初始含水飽和度0.45。氣藏縱向上劃分為4 個小層，模型網格節點數為180 814，網格步長為DX=10 m、DY=10 m、DZ=2 m，凈毛比為0.4，模擬采用氣水兩相黑油模型。設計水平段長度為1 100 m，靶前距350 m，共6 條裂縫，裂縫間距220 m，裂縫長度為250 m，裂縫導流能力30 D·cm。

圖2 充填裂縫巖心無因次滲透率系數與有效應力的關系

圖3 基質巖心與充填裂縫巖心無因次滲透率對比圖

在Eclipse 軟件中引入ROCKTABH 關鍵字并設置關鍵字數據（見表1），從而實現致密砂巖儲層由于應力敏感引起的滲透率滯后效應，根據前面覆壓實驗即可得到裂縫巖心無因次滲透率系數結果。其中，“p（降壓）”列數據為內壓下降過程中的壓力值；“p（升壓）”列數據為對應“p（降壓）”列內壓數據內壓上升時的壓力值，“傳導率系數”列對應內壓上升或者內壓下降時的傳導率乘數，即無因次滲透率系數。在塊中心網格中，在兩相鄰網格的接觸面積等參數不變的條件下，傳導率乘數的變化可以視為滲透率的變化。當內壓由原始地層壓力26.5 MPa 下降到10.5 MPa 時，滲透率變為原滲透率的38%；當壓力由10.5 MPa 恢復至26.5 MPa時，滲透率只能恢復到原滲透率的73 %，不能完全恢復。

由于覆壓實驗取得的數據量有限，為了保證數模結果的準確性，采用插值的方法對介于最高內壓和最低內壓之間的壓力值及對應的無因次滲透率系數進行處理。處理依據是實驗數據擬合得到的無因次滲透率系數，使所有介于最高內壓與最低內壓之間的數據點在升壓/降壓曲線取值的無因次滲透率系數之間，并保證內壓越高處的數據點，升壓/降壓曲線的滲透率應力敏感系數取值越大。

該井無阻流量為9.82×104m3/d，分別按照無阻流量的1/6、1/5、1/4 及1/3 配產，模型設計生產20 年，通過穩產期累計產氣量的對比，評價含壓裂裂縫儲層的應力敏感性。采用同樣的方法利用基質巖心的覆壓實驗數據對儲層進行數值模擬，并將基質儲層、含壓裂裂縫儲層的數值模擬結果與不考慮應力敏感時的結果進行對比（見表2）。

表1 裂縫ROCKTABH 關鍵字設置

表2 不同配產方案穩產期產氣量及產量下降幅度

由表2 分析表明，隨著配產的提高，含壓裂裂縫儲層和基質儲層在穩產期的累計產氣量均不斷下降，說明配產越高，應力敏感的效應越強，且含壓裂裂縫儲層的應力敏感性要高于基質儲層，當配產達到無阻流量的1/3 時，與基質儲層相比，含壓裂裂縫儲層穩產期累計產氣量的下降幅度可達到19.2 %。原因是隨著配產的增加，氣井的生產壓差增大，近井地帶的壓降漏斗加深，導致應力敏感效應增強，而含壓裂裂縫儲層隨著氣體采出裂縫內充填物發生了破碎、形變的結構性變形，應力敏感性強于基質儲層。因此考慮到應力敏感效應致密砂巖儲層分段壓裂水平井配產時不宜過高。

3 結論

（1）儲層存在著滲透率滯后效應，即有效應力降低后，滲透率無法恢復到初始值，對儲層造成永久傷害。

（2）含壓裂裂縫儲層的應力敏感性強于基質儲層，原因是隨著有效應力的增大，裂縫內充填物發生了破碎、形變等結構性變形。

（3）氣井配產越高儲層的應力敏感性越強，故致密砂巖儲層分段壓裂水平井配產不宜過高，避免較強的應力敏感效應，對氣井累產氣量產生較大影響，研究成果能為致密砂巖儲層氣井合理配產研究提供參考依據。