可動水對儲層應力敏感性影響的實驗研究

楊國紅，李秀清，李明秋，吳 錚，朱 訊，鄒 娟，李雪松，豐 妍

(1.中國石油西南油氣田分公司，四川 成都 610213；2.西南石油大學，四川 成都 610500)

0 引 言

儲層應力敏感性是氣藏開發的必要參數。國內外對儲層應力敏感性及影響因素方面的研究較多，董紅坤[1]等運用理論模型方法，研究了氣藏可動水飽和度的壓敏效應；郭平[2]等開展了致密氣藏束縛水與可動水研究實驗；游利軍[3]等采用毛細管自吸法進行束縛水條件下的供氣實驗；劉宇展[4]等分析改變圍壓條件下氣水兩相流體在致密儲氣層中的流動變化；張陽[5]等對比應力敏感性實驗數據，建立了一套針對致密砂巖氣藏的應力敏感性的評價方法；茍燕[6]等采用變流壓定圍壓實驗方式模擬了高溫、高壓條件下氣藏開發過程中的應力敏感性；楊朝蓬[7]等運用定圍壓變內壓的方法，開展了恒定束縛水飽和度條件下的應力敏感性研究；盛軍[8]等通過實驗分析了壓力、含水飽和度、氣相相對滲透率三者的關系，認為生產壓差增大會導致含水飽和度升高，從而降低儲層氣相滲流能力；袁浩偉[9]等運用定外壓變內壓的實驗方法進行了致密氣應力敏感性實驗；李躍剛[10]等改進了應力敏感性實驗裝置，開展了應力敏感性對致密砂巖氣藏氣水兩相滲流特征的影響研究；朱金智[11]等轉變思路采用增加圍壓和改變驅替壓力的方式，研究了高溫高壓致密氣藏的應力敏感性；張小龍[12]等通過對比常規應力敏感性實驗和模擬氣藏開發過程中的應力敏感性實驗，分析了低滲儲層應力敏感性對滲透率和孔隙度的影響；閆健[13]采用改變回壓、圍壓及軸壓方式測試并分析不同壓力條件對氣藏應力敏感性的影響等。但目前儲層應力敏感性研究主要集中于束縛水巖心和干巖心，鮮有見到考慮可動水條件下的儲層應力敏感性實驗研究。可動水條件下應力敏感性研究的難點在于高溫高壓條件下巖心中穩定含水飽和度的控制及氣水兩相滲流穩態狀態的建立，且在實現穩態過程中大量的氣水量從巖心通過，現場取回的有限氣樣難以滿足實驗要求。為此，提出了一種高溫高壓氣水兩相滲流條件下應力敏感性實驗評價方法，通過引入電容法液體計量計控制巖心含水飽和度，利用蠕動泵調節實驗裝置內的氣水循環流動來獲取可動水飽和度下應力敏感性數據，可以實現高溫高壓條件下的巖心含水飽和度的精準控制，無限循環可以節約大量氣樣和水樣，為有水氣藏的滲流機理研究提供了技術支持。

1 可動水對儲層應力敏感性影響實驗方法

通過蠕動泵和氣液比檢測裝置調節巖樣中的含水飽和度，采用循環氣水量的方式來穩定實驗過程中高于束縛水條件的含水飽和度，然后通過電容式液量計量計測算巖樣中含水飽和度；采用電阻式加熱裝置模擬地層溫度，選用定圍壓降內壓的方式模擬儲層生產過程的壓力變化。實驗裝置優點在于可通過高溫高壓氣水量循環的方式進行穩態下的耐溫耐壓應力敏感性實驗。

1.1 實驗裝置及流程

實驗裝置(圖1)包括低摩阻中間容器、電動渦輪計量泵、電動圍壓泵、壓力傳感器、計量泵及檢測設備、蠕動泵、氣液比檢測裝置、電容式液體計量計、電阻式加熱裝置等。設立2套低摩阻中間容器，分別裝有實驗氣體和配置模擬地層水，實驗采用自主開發設計的高溫高壓應力敏感測量設備，該流程的實驗測試流體壓力最高為80 MPa，最高溫度為180 ℃，最高圍壓為200 MPa。測量的巖心長度為3～8 cm，巖心直徑為2.5 cm。該實驗裝置可進行可動水條件下的應力敏感性實驗，且能滿足耐溫耐壓的實驗要求。

1.2 實驗步驟

(1) 按圖1進行連接，準備巖心，配置地層水樣和模擬氣樣，檢查裝置氣密性，測量模擬氣樣和地層水樣的黏度。

圖1 實驗裝置Fig.1 The experimental flow chart

(2) 標定實驗死體積，采用逐級飽和的方式增加系統壓力(圍壓始終大于內壓3 MPa)，通過加熱裝置加溫，維持系統內溫度、壓力穩定。

(3) 通過計量泵調節計量計內的液面高度，保持裝置內巖心系統壓力平衡；待壓力穩定后，打開計量泵，在預先設定的流速下進行循環，待氣液流量穩定，記錄飽和地層水量。

(4) 根據蠕動泵的壓差以及氣水流量計算此時的氣相有效滲透率，再根據氣液比(由氣液比檢測裝置獲得)和死體積計算巖心中的含水飽和度。

(5) 氣液比保持在該含水飽和度條件下不變，調節計量泵降低內壓，進行不同有效應力下的氣相有效滲透率測定。

(6) 采用相同辦法，調節液體計量計內循環液量，測定第2個含水飽和度時不同內壓下的氣相有效滲透率。以此類推，直至可動水退完為止。

(7) 計算含水飽和度、以及該溫度壓力條件下的氣測滲透率和無因次滲透率(滲透率與原始滲透率的比值)并繪制曲線。

1.3 數據處理方法

利用上述實驗步驟及測量值，結合以下模型計算得到不同飽和度條件下Sw的滲透率應力敏感性曲線。

(1)

(2)

(3)

式中：Sw為巖樣中含水飽和度；Kg為氣測滲透率，mD；v0為系統管線死體積，cm3；v1為巖心飽和地層水體積，cm3；v2為液面下降的計量計內體積，cm3；μ為實驗氣體的黏度，mPa·s；L為巖心長度，cm；A為巖心橫截面積，cm2；Q為氣液總流量，cm3/s；Qg為氣相總流量，cm3/s；p0為測試條件下標準大氣壓，MPa；p1為進口兩端壓力，MPa；p2為出口兩端壓力，MPa；GWR為氣水比。

測定干巖心及束縛水飽和度條件下的巖心應力敏感性實驗采用常規測試方法，參照行業標準“儲層敏感性流動實驗評價方法”(SY/T5358-2010)[15]執行。

2 可動水條件下巖心應力敏感性實驗

2.1 不同物性巖心不同含水飽和度條件下的應力敏感性實驗

采用上述方法測定了不同物性巖心不同含水飽和度條件下的應力敏感性實驗，分析了可動水對不同物性巖心滲透率應力敏感性的影響，為氣藏含水開發過程提供實驗依據。實驗條件為：模擬地層溫度為67 ℃，初始實驗流體內壓為22 MPa，模擬上覆壓力為58 MPa，采用降內壓的方式進行敏感性實驗。實驗巖心基礎物性如表1所示，實驗結果如圖2～4所示。

圖2 1-75巖心無因次滲透率應力敏感性曲線Fig.2 The curve of dimensionless permeabilityto stress sensitivity of Core 1-75

表1 實驗巖心的基礎物性Table 1 The basic physical parameters of experimental cores

實驗結果表明：相同實驗條件下，隨著含水飽和度的增加，不同物性巖心的應力敏感性出現不同程度增強；物性較好的1-22、1-21巖心束縛水飽和度為31.00%～34.00%，含水繼續上升出現可動水，而物性較差的1-75巖心束縛水飽和度升至57.58%后才出現可動水；束縛水條件下的3塊巖心應力敏感程度均強于干巖心的應力敏感性；可動水條件下，含水飽和度增加至57%～79%，巖心的應力敏感性繼續加劇，遠大于干巖心和束縛水飽和度巖心，含水飽和度越高，應力敏感性越強。

圖3 1-22巖心無因次滲透率應力敏感性曲線Fig.3 The curve of dimensionless permeabilityto stress sensitivity of Core 1-22

圖4 1-21巖心無因次滲透率應力敏感性曲線Fig.4 The curve of dimensionless permeabilityto stress sensitivity of Core 1-21

2.2 可動水對不同物性巖心滲透率影響

圖5為地層條件下巖心含水飽和度與無因次滲透率的關系曲線。由圖5可知，含水飽和度增加使得儲層滲透性受到損害，含水飽和度越高，滲透率損失越大，地層條件下干巖心滲透率為0.1～2.0 mD，含水飽和度從0增至束縛水條件時，物性較好的1-22、1-21巖心地層氣測滲透率損害率為71%～74%，1-75巖心地層滲透率損害率為32%；含水飽和度繼續升至可動水條件時，含水飽和度增加為75%～79%，3塊巖心地層滲透率的損害率為76%～95%，其中物性較好的1-22、1-21巖心損害率要高于1-75巖心。相同的模擬地層條件下，干巖心滲透率越高，含水后滲透率損失越明顯，物性越好，滲透率損害越高。

圖5 地層條件下巖心含水飽和度與無因次滲透率的關系Fig.5 The relationship between water saturation and dimensionlesspermeability of the core under formation conditions

圖6為巖心含水飽和度與應力敏感性指數的關系曲線。由圖6可知，滲透率為0.1～2.0 mD的干巖心應力敏感性指數表現為地層條件下滲透率越低，應力敏感性指數越高；隨著巖心中含水飽和度的增加，應力敏感性增強；當含水飽和度由0增至束縛水條件時，應力敏感性指數升高，1-22、1-21巖心應力敏感性指數由0.100～0.200增至0.200～0.300，1-75巖心應力敏感性指數由0.330增至0.350；巖心含水飽和度從束縛水條件增至可動水條件，含水飽和度增加為70%～80%，物性較好的1-22、1-21巖心應力敏感性指數從0.200～0.300增至0.350～0.357，物性較差的1-75號巖心從0.356增至0.368，其應力敏感性仍強于物性較好的1-22、1-21巖心。

圖6 巖心含水飽和度與應力敏感性指數的關系Fig.6 The relationship between water saturation andstress sensitivity index parameter of the core

巖心應力敏感性受含水程度的影響較大，原因在于孔隙結構的變化，由于界面張力的作用水進入巖石骨架后產生水膜降低孔喉道半徑，造成地層滲透率降低，同時加劇儲層應力敏感程度，水的存在也會降低巖石骨架的抗壓強度，巖石骨架受有效壓力增加會進一步加劇應力敏感程度，同時，巖心的應力敏感程度也受氣水兩相滲流的影響，氣水兩相同時流動時，氣相相對滲透率始終維持在較低水平，隨著生產過程中地層流體壓力的降低，巖石中氣相相對滲透率也會降低，這就進一步減弱了巖石中的氣相滲流能力，降低氣井產能。

3 可動水條件的應力敏感性對氣井產能的影響

3.1 本構方程

滲透率隨有效壓力的變化可以用乘冪關系式進行描述：

Ki=aKgiebp

(4)

式中：a為應力敏感性系數參數；b為應力敏感性指數參數；p為地層有效壓力，MPa；Ki為氣測滲透率，mD；Kgi為地層條件氣測滲透率，mD。

通過計算上述實驗巖心的應力敏感性參數與含水飽和度的關系如圖7、8所示，可得到參數a、b與含水飽和度的關系：

圖7 含水飽和度與應力敏感性指數參數b的關系Fig.7 The relationship between water saturation andstress sensitivity index parameter b

b=0.000065Sw+0.003263

(5)

a=-0.000039Sw+0.999859

(6)

將式(5)、(6)代入式(4)可得：

(7)

式(7)即為表征該氣藏可動水條件下的應力敏感性關系式，通過該式比較地層條件下的無因次滲透率真實值與計算值發現，真實值與計算值平均誤差在2%以內，可由此式通過滲透率和含水飽和度計算該氣藏的應力敏感性。

3.2 考慮應力敏感性的氣井產能方程

為研究可動水條件下的氣藏應力敏感性對產能的影響，根據以上實驗研究數據建立了可動水條件下的考慮應力敏感性的氣井產能模型。

圖8 含水飽和度與應力敏感性系數參數a的關系Fig.8 The relationship between water saturation andstress sensitivity coefficient parameter a

不考慮應力敏感性的氣藏直井產能方程：

(8)

將式(6)、(7)、(8)聯立，建立考慮應力敏感性的氣藏直井產能方程[14]：

(9)

(10)

其中，氣相滲透率受含水飽和度的影響，含水飽和度與氣相滲透率呈指數關系，含水飽和度越高，氣相滲透率越低，以巖心1-21實驗結果為例，建立地層條件下的含水飽和度與氣相滲透率的關系：

Kgi=1.7859e-0.0415Sw

(11)

假定該氣藏原始地層壓力為22 MPa，儲層厚度為50 m，供給半徑為200 m，滲透率為1.85 mD，井筒半徑為0.1 m，根據式(7)～(11)繪制不同可動水飽和度條件下考慮應力敏感性與不考慮應力敏感性的產能流入動態曲線(圖9)。

圖9 不同含水飽和度下IPR曲線Fig.9 The IPR curve at different water saturation

(1) 對比35%～80%含水飽和度儲層IPR曲線可知，隨著含水飽和度增高，氣井產能降低，含水飽和度越高的氣井產能受應力敏感性影響越大；處于35%、40%、50%等低含水飽和度時，產能降低幅度明顯，氣井產能受應力敏感性損失可達9.24%；處于60%、70%、80%等高含水飽和度時，產能依然在降低，氣井受應力敏感性損失可達11.87%。

(2) 對比不同含水飽和度的無阻流量(圖10，表2)發現，考慮應力敏感性影響的無阻流量小于不考慮應力敏感性的無阻流量，儲層中含水飽和度越高，兩者的差異越大。

圖10 不同含水飽和度的無阻流量對比Fig.10 The comparison of open flow with different water saturation

(3) 從表2與圖10可知，儲層含水飽和度低時，受應力敏感作用產能降低幅度明顯；含水飽和度高時，產能降低幅度不明顯。其主要原因是由于處于高含水飽和度時，產能已經降低至極限，高含水飽和度時受應力敏感性程度雖然強于低含水飽和度，但產能變化幅度變小。

表2 不同含水飽和度無阻流量對比Table 2 The comparison of open flow with different water saturation

4 結 論

(1) 基于自主研發的電容法液體計量計控制巖心含水飽和度，蠕動泵控制氣水循環流動的應力敏感性實驗評價方法，擺脫了單一通過調整入口端氣水比例和回壓閥聯合控制的思路。將儀器裝備最高實驗溫度和實驗壓力分別提高到200 ℃和80 MPa，實驗周期大量縮短，穩定性大幅度提升。

(2) 建立模擬地層條件下基于高溫高壓電容液位計量方式的可動水對應力敏感性影響的實驗評價方法，可實現對巖心中含水飽和度的精準控制，無限循環節約大量的氣樣和水樣，縮短了實驗周期。

(3) 分析了含水飽和度對不同物性巖心應力敏感性影響，可動水存在條件下巖心的應力敏感性強于干巖心與束縛水巖心，含水飽和度越高，應力敏感性越強；巖心物性越好，可動水對應力敏感性的影響越小；考慮應力敏感性的產能模型計算表明，儲層含水飽和度越高，應力敏感性越強，產能降低越明顯。