疏松砂巖稠油油藏巖石應力敏感性對蒸汽驅的影響
——以BZA 油田為例

陽曉燕，劉美佳，張 博，趙漢卿，劉 超

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300459）

疏松砂巖油藏隨著開采的進行，原油不斷被采出，地層壓力逐漸降低，巖石骨架所承受的凈上覆地層壓力增加，會對巖石滲透率造成影響，進而產生應力敏感性[1-2]；同時，油氣儲層的應力敏感性對油氣田開發(fā)過程中產能、滲流規(guī)律等均具有較大影響[3-5]，因此，研究巖石應力敏感性對油田開發(fā)生產具有重大意義。巖石變形主要由骨架所受有效應力控制，不同儲層的應力敏感性相差很大。關于有效 覆壓對滲透率的影響，前人已經(jīng)進行了大量的實驗測定和研究[6-7]，但大部分立足于低滲油氣藏[8-9]。本文首次針對稠油高滲疏松砂巖油藏進行應力敏感性實驗，并開展應力敏感性對蒸汽驅開發(fā)效果的影響分析。

1 實驗裝置及材料

物理模擬實驗裝置主要由物理模型模塊、供液控制模塊和壓力流量測量模塊三大模塊組成。其中，物理模型模塊主要由蒸汽發(fā)生器、圍壓泵、回壓泵、三軸圍壓巖心夾持器、水釜、油釜組成，供液控制模塊主要由ISCO-260D 高精度驅替泵（驅替精度為0.01 mL/min）組成，壓力流量測量模塊主要由壓力精密傳感器、液體計量裝置組成（圖1）。實驗巖心為BZA 油田天然巖心，分別選取有代表性的低滲巖心（滲透率為50×10-3μm2）和高滲巖心（滲透率為1 700×10-3μm2）；實驗用油為BZA 油田地面脫氣原油，實驗前進行脫水及過濾處理，地層溫度下原油黏度為353.0 mPa·s；實驗用水根據(jù)BZA 油田地層礦化度進行配制，礦化度為5 800 mg/L，地層水黏度為0.4 mPa·s。

圖1 實驗裝置示意圖

2 實驗方案及步驟

應力敏感的基本原理是模擬油氣藏有效覆壓，對巖心進行加壓，加載到一定值后逐漸卸壓，最后恢復到初始覆壓，研究滲透率隨覆壓變化的非穩(wěn)態(tài)過程。近似取上覆巖石壓力與巖石內孔隙流體壓力之差為有效覆壓，實驗過程中用圍壓來模擬上覆巖層壓力，以增加圍壓的方式來模擬地層孔隙壓力不斷下降而導致巖石骨架所承受的有效覆壓逐漸增加。實驗使用的流體介質為蒸餾水，由于實驗中孔隙壓力不超過0.2 MPa，因此在本實驗中近似認為圍壓即為儲層巖石的有效覆壓。

本次實驗主要包括兩部分，應力敏感性實驗及蒸汽驅實驗。其中，設計應力敏感性實驗兩組（低滲巖心、高滲巖心各一組），設計4 組不同有效覆壓條件下的蒸汽驅實驗，有效覆壓分別選取21.0，25.0，30.0，35.0 MPa。

實驗前檢查實驗儀器，確保誤差在允許范圍內，清洗管線以保證沒有堵塞。

2.1 應力敏感性實驗

（1）將低滲巖心放入巖心夾持器，將有效覆壓調整到設計的有效覆壓，穩(wěn)定后測定滲透率。

（2）緩慢增大圍壓即增大有效覆壓，由2.5 MPa逐漸增至25.0 MPa，測定9 個不同覆壓下的滲透率，每一個壓力點持續(xù)30 min 后再測定。

（3）有效覆壓從25.0 MPa 逐漸降低返回至2.5 MPa，再測定8 個不同覆壓下的滲透率，每一個壓力點持續(xù)1 h 后再測定，然后停止低滲巖心測試實驗。

（4）繼續(xù)測定高滲巖心應力敏感性，重復步驟（1）～（3）。

2.2 蒸汽驅實驗

（1）前期準備。選取與BZA 油田物性相近的巖心進行實驗，巖心孔隙度為31.5%、滲透率為2 062×10-3μm2。清洗巖心，烘干后稱干重，抽真空時間不短于24 h。

（2）飽和地層水。為避免水釜帶來的誤差，采用自吸水的方法來進行飽和水。

（3）飽和油。考慮實驗原油黏度較大，將模型升溫至80 ℃進行飽和油實驗。飽和油時，驅替速度設定為0.5 mL/min，初始圍壓設定為21.0 MPa。待壓力穩(wěn)定、出口端產油速度與進口端設定速度一致時結束，計算束縛水飽和度與初始含油飽和度。為了凸顯圍壓引起的敏感性問題，把圍壓升高至不同圍壓時需靜置2 h。

（4）蒸汽驅實驗過程。設置參數(shù)，包括注汽壓力、蒸汽發(fā)生器的溫度、注汽速度。在驅替之前打開蒸汽發(fā)生器旁邊的排氣閥，使管線放氣，吹出凝結水，待蒸汽連續(xù)穩(wěn)定后再進行恒速（2.0 mL/min）汽驅。記錄不同時刻（注汽PV 數(shù)）巖心入口端的壓力，以及巖心出口端的產液量、產油量，直到巖心出口端含水率大于98%時結束（大約注汽25 PV）；見水初期要加密記錄。

（5）根據(jù)實驗油水乳化程度，將油水分離并計量油水產量，產出液先靜置一段時間，使油水自然分離，然后采用離心機分離油水。

（6）分別進行不同圍壓（25.0，30.0，35.0 MPa）條件下的蒸汽驅實驗，重復步驟（1）～（5）。

3 實驗結果分析

3.1 應力敏感性對滲透率影響

無論是低滲巖心還是高滲巖心，隨著有效覆壓的增加，滲透率逐漸降低，滲透率變化與覆壓有關（圖2、圖3）。儲層條件不同，其應力敏感的強弱程度也不同。對于低滲巖心，隨著有效覆壓增加，滲透率初期降幅較小。當有效覆壓增加到一定值時，巖石顆粒之間發(fā)生彈塑性變形，孔喉半徑發(fā)生變化，滲透率大幅下降。加壓后期（10.0～25.0 MPa），滲透率變化變緩。對于高滲巖心，隨著有效覆壓增加，滲透率持續(xù)降低，當有效覆壓增加到10.0 MPa 后，滲透率降低幅度逐漸變緩。

無論是低滲巖心還是高滲巖心，隨有效覆壓的恢復，滲透率有所恢復，但卻不能恢復到初始有效覆壓所對應的滲透率值。對于低滲巖心，滲透率能恢復到原始滲透率的57.1%，這是因為低滲透儲層的滲流通道相對狹窄，隨有效應力的增加，滲流通道變得更加狹小，流體的流動更加艱難，滲透率下降幅度更大。對于高滲巖心，滲透率能恢復到原始滲透率的74.7%。整體來說，儲層的受壓變形不是彈性的，存在塑性影響，且滲透率越低傷害性越大。

圖2 滲透率隨有效覆壓的變化曲線（低滲巖心）

圖3 滲透率隨有效覆壓的變化曲線（高滲巖心）

3.2 應力敏感對蒸汽驅效果影響

應力敏感性實驗結束后，對高滲巖心、低滲巖心分別進行蒸汽驅實驗，在同等條件下再各自重復做一組儲層不受傷害的蒸汽驅實驗進行對比。結果表明（圖4、圖5），儲層物性對采收率影響較大，同等條件下高滲儲層蒸汽驅采收率較低滲儲層高15.8%；隨著驅替倍數(shù)的增加采出程度逐漸降低，不同條件下產油量均集中在早期。低滲儲層被傷害后，初期采出程度高；高滲儲層被傷害后，初期采出程度影響不大。隨著驅替倍數(shù)增加，不論是低滲儲層還是高滲儲層，儲層傷害后的采出程度總是低于未受傷害儲層的采出程度。儲層傷害對采收率影響較大，相同條件下，未受傷害的高滲儲層蒸汽驅采收率較受傷害后的高滲儲層蒸汽驅采收率高12.0%。

圖4 不同條件下瞬時采出程度與驅替倍數(shù)關系曲線

圖5 不同條件下累計采出程度與驅替倍數(shù)關系曲線

3.3 上覆巖層壓力對蒸汽驅效果影響

稠油油藏開采過程中，無論有效覆壓大小如何，蒸汽未突破前，都存在一個短暫的無水采油期（圖6），隨著有效覆壓的增加，無水采油期越來越短；蒸汽未突破前，瞬時采出程度較高，見水后，采出程度逐漸降低，隨著有效覆壓的增加，無水采油期的原油采出量增加，主要是因為隨有效覆壓增加，對巖石的孔隙進行壓縮，彈性能增大，從而利于前期原油的采出。但是，隨著開采的進行，有效覆壓越高，瞬時采出程度越低，原因是應力敏感性對儲層造成一定傷害，有效覆壓越大對儲層傷害越嚴重，儲層滲流能力越小。

圖6 不同有效覆壓下含水率與驅替倍數(shù)的關系曲線

隨著驅替倍數(shù)增加，采出程度增大，有效覆壓越高，驅油效率越低（圖7）。主要原因是隨著有效覆壓的增加，巖心受到擠壓加重，孔隙結構變形嚴重，孔隙空間以及滲透率均發(fā)生變化，致使儲層滲透率和滲流能力降低，呈現(xiàn)較強應力敏感性。隨著有效覆壓的增加，壓力梯度逐漸增加，變化趨勢幾乎呈線性增加（圖8），主要原因是圍壓的增大，使得巖心的滲透率降低，驅替壓差增大。

圖7 不同圍壓下采出程度與驅替倍數(shù)的關系曲線

圖8 突破壓差與上覆壓力的關系曲線

4 現(xiàn)場應用

BZA 油田主力含油層段位于明化鎮(zhèn)組下段Ⅱ油組，油藏埋深1 200 m，平均孔隙度33.0%，平均滲透率2 602×10-3μm2，具有高孔高滲的儲集物性特征。壓力系數(shù)為0.94，屬正常壓力系統(tǒng)，原始地層壓力11.6 MPa，飽和壓力3.2 MPa，地層原油黏度353 mPa·s。開發(fā)前期采用多元熱流體吞吐（N2、CO2、水蒸汽和熱水等組成的高壓多元熱流體混合物），注入溫度230 ℃。該油藏經(jīng)過多輪次吞吐后，地層壓力低于7.0 MPa，具備轉驅條件。

由于地層壓力下降較多，對儲層造成一定傷害，存在應力敏感。在蒸汽驅前期，應力敏感對采出程度具有促進作用，后期應力敏感則會制約采收率，因此，可通過在蒸汽驅過程中逐步恢復地層壓力，從而降低應力敏感傷害。利用油藏工程方法，開展注采比與壓力恢復速度關系研究，最終確定初期以注采比1.0∶1.1 進行驅替，一年后，注采比調整為1.0∶1.2，直至地層壓力恢復至原始地層壓力的95%時，再保持注采比1.0∶1.0 進行驅替。

近兩年來，通過實施變注采比蒸汽驅，BZA 油田綜合遞減率由23%下降至2%，日增油達到120 m3，含水率整體下降5%，取得了較好的開發(fā)效果和經(jīng)濟效益。

5 結論

（1）應力敏感性實驗結果表明，無論是低滲巖心還是高滲巖心，隨著有效覆壓的增加，滲透率逐漸降低；隨著有效覆壓的恢復，滲透率有所恢復，但不能恢復到初始有效覆壓所對應的滲透率值。低滲巖心，滲透率能恢復到原始滲透率的57.1%；高滲巖心，滲透率能恢復到原始滲透率的74.7%；原始滲透率越低對儲層傷害性越大。

（2）巖心發(fā)生應力敏感后，內部結構發(fā)生變化，使得后期滲流能力下降，有效覆壓對驅油效率、累計油氣比、含水率等均有重要影響。

（3）應力敏感性對儲層傷害存在兩面性，在開采初期，有利于采收率的提高；在開采后期，制約采收率的提高。綜合評價認為，應力敏感性對儲層的傷害不利于采收率提高。

（4）通過室內實驗分析了BZA 油田稠油油藏儲層的應力敏感性，以及應力敏感性對蒸汽驅開發(fā)的影響，對于掌握油田開發(fā)規(guī)律，在稠油油藏開發(fā)中后期進行開發(fā)方案及技術的調整、制定提供了技術依據(jù)。