渤海中深層油藏儲層應力敏感性研究
——以墾利A油田為例

王 龍，陽曉燕，宮平志，張俊廷，張 博

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300459）

目前國內外學術界已經認同儲層具有應力敏感性。上個世紀50年代，國外學者Fatt、Davis、Mclatchie等開始研究儲層巖石應力敏感性，分析滲透率隨應力的變化規律，發現初始滲透率較低的頁巖巖心隨有效上覆應力的增加，滲透率大幅度降低[1-2]。以李傳亮、羅川等為代表的學者從巖石力學角度和流管模型兩方面對應力敏感性進行了分析并給出評價方法，但其認為由實驗方法模擬的規律與實際規律不同而得出低滲透儲層強應力敏感的觀點是錯誤的，低滲透儲層實驗中巖心與封套之間的微間隙對實驗結果影響較大，巖心以形變為主[3-8]。羅瑞蘭、程林松、盛英帥等學者從啟動壓力梯度、毛管力、微裂縫、孔喉結構、膠結物、膠結程度等微觀角度進行了充分的分析，認為滲透率降低與有效應力有關，塑性礦物含量越高，應力敏感性越強，致密儲層喉道半徑的大小和數量是決定巖石應力敏感性的重要因素，且由于啟動壓力梯度的存在，低滲透、特低滲透儲層比中高滲透儲層具有更強的應力敏感性[9-12]。本文認為后者考慮的因素更全面、更符合實際情況，主要是因為巖石力學只考慮單一巖石顆粒的彈性/塑性形變對孔隙度和滲透率的影響，而實際儲層巖石是由不同巖石礦物和膠結物組成，且礦物比例不同、膠結物組成及膠結程度不同，導致巖石的強度不同，因此，其應力敏感性不同。

墾利A油田是渤海南部區域首個中深層整裝油藏，主要開發層系為沙河街組，屬薄互層沉積儲層。儲層縱向上單層厚度薄，滲透率級差大；平面上非均質性強，連通關系復雜。相比渤海已開發中深層油田，墾利A油田埋藏更深（2 500～3 100 m），地震分辨率更低（38 m），單層厚度更薄（2～5 m），沉積更加多樣。油田射孔厚度小于2 m的單層占63%，滲透率小于50.0×10-3μm2的單層占51%，低滲透儲層占比較大。墾利A油田地飽壓差較大（9.0 MPa），先期部分井區利用天然能量開發。隨著開發的進行，地層壓力逐漸下降，部分油井液量下降、遞減較快，開發效果逐漸變差。

為了改善油田開發效果，開展了應力敏感室內實驗。根據實驗結果量化應力敏感對滲透率的影響，建立考慮應力敏感影響下的產能方程，分析產能變化規律，并將應力敏感表征到油藏數值模型中，從而分析不同儲層滲透率、地層壓力和生產壓差下應力敏感對采收率的影響。研究結果能反映中深層油藏的實際生產情況，對合理開發中深層具有重要指導意義。

1 應力敏感實驗及結果

選取墾利A油田巖心3塊（基本參數見表1），開展應力敏感實驗研究。實驗采用氮氣驅替，驅替壓力定為2.0 MPa，室溫為20 ℃，氮氣黏度為0.018 mPa·s。實驗中，在巖心夾持器中放入測量巖心，采用氣測滲透率方法，驅動壓力定為2.0 MPa。待氣體流量計讀數平穩后，通過圍壓泵改變巖心所受有效應力，來模擬地層應力敏感環境。升壓過程中不斷增大圍壓，圍壓每增加2.0 MPa，記錄流量計讀數，當圍壓升至50.0 MPa時停止增壓，之后進入降壓過程，保持每降低2.0 MPa，記錄氣體流量計讀數。分別對3塊巖心重復三次升壓、降壓，記錄實驗數據，測得不同有效應力與初始狀態下滲透率的比值，具體實驗過程和要求參考《SY/T 5358-2010儲層敏感性流動實驗評價方法》。實驗所用儀器為氮氣瓶、巖心夾持器、圍壓泵、減壓閥、六通閥、氣泡發生器、中間容器、壓力表，實驗設計如圖1所示。

表1 應力敏感實驗巖心基本參數

圖1 應力敏感實驗流程

實驗結果表明，低滲透儲層（以滲透率為25.5×10-3μm2巖心實驗結果為例）隨著圍壓的增加，有效應力增大，儲層滲透率逐漸降低，滲透率最大損失達39%；隨著圍壓降低，有效應力減小，滲透率逐漸恢復，但不能恢復到原始滲透率水平；滲透率為102.9×10-3μm2和284.4×10-3μm2的巖心，滲透率隨圍壓變化規律與滲透率為25.5×10-3μm2實驗結果一致，但在圍壓增大過程中，滲透率最大損失減小，分別為27%和15%，有效應力減小后，滲透率更接近原始滲透率水平（圖2）。因此，不論巖石滲透率高低，均存在應力敏感，且滲透率越低，應力敏感性越強。通過回歸分析發現，不同的有效應力下滲透率和有效應力有良好的冪函數關系，其指數即為應力敏感系數（圖3），且應力敏感系數與滲透率初始值存在良好的線性關系（圖4）。

圖2 不同滲透率巖心應力敏感實驗結果

圖3 滲透率保持水平與有效應力關系

圖4 應力敏感系數與滲透率初始值關系

由此，建立墾利A油田儲層應力敏感定量表征公式，得到：

式中：S為應力敏感系數，無量綱；K為不同有效應力下測得巖心滲透率，10-3μm2；K0為巖心原始滲透率，10-3μm2；σeff為有效應力，MPa；σeff0為初始有效應力，一般取2.0 MPa。

根據實驗中不同巖心滲透率最大損失結果，并參考《SY/T 5358-2010儲層敏感性流動實驗評價方法》中應力敏感性損害程度評價指標可知，墾利A油田儲層屬于應力中等-弱敏感（以滲透率100.0×10-3μm2為界）。

2 應力敏感性對產能的影響

應力敏感性對儲層造成傷害，必然會影響油井的產能。通過建立考慮應力敏感的穩定滲流公式，可以分析應力敏感性對產能的影響。

油井平面徑向穩定滲流方程為：

式中：Q為產量，m3/d；h為油層厚度，m；Δp為生產壓差，MPa；μ為原油黏度，mPa.s；B為原油體積系數；er為供給半徑，m；wr為井筒半徑，m。

考慮油井生產過程中地層壓力下降導致儲層應力敏感，將公式（1）代入（2）得：

公式（3）即為考慮應力敏感的產能公式。兩邊除以儲層厚度及生產壓差后可得到考慮應力敏感時的比采油指數表達式，并與不考慮應力敏感時比采油指數相除，可得：

式中：J為考慮應力敏感的比采油指數，m3/（d·MPa·m）；J0為不考慮應力敏感的比采油指數，m3/（d·MPa·m）。

定義公式（4）為產能保持水平，由此可以得到不同滲透率下產能保持水平隨有效應力變化圖版（圖5）。從圖5可以看出，隨著有效應力的增加，產能保持水平逐漸降低；當有效應力相同時，滲透率越低的儲層，產能保持水平越低，且有效應力增加初期對產能保持水平的影響大于后期對產能保持水平的影響。以產能保持水平0.8為界，滲透率小于30.0×10-3μm2的儲層有效應力變化小于4.5 MPa，此時應力敏感對產能造成的影響較小；滲透率在300.0×10-3μm2以上的儲層，產能保持水平在0.8以上，說明應力敏感對中高滲儲層的產能影響不大。

3 應力敏感性對采收率的影響

為了進一步分析應力敏感性對采收率的影響，采用ECLIPSE油藏數值模擬方法，通過ROCKCOMP、ROCKTAB關鍵字將應力敏感定量表征到概念模型中[13-14]，并在模型中分別考慮和不考慮應力敏感，得到不同情況下的采收率差值（即為應力敏感影響采收率幅度），繪制了不同地層壓力、生產壓差下的采收率變化圖版（圖6）。

圖6 不同地層壓力、生產壓差下的采收率變化

結果表明，地層壓力越低，生產壓差越大，應力敏感性對采收率的影響幅度越大。低滲透儲層應力敏感性對采收率的影響最大，可以達到5.0%；滲透率為100.0×10-3μm2的儲層最大影響采收率3.5%；滲透率為300.0×10-3μm2的儲層最大影響采收率1.5%。地層壓力下降會導致儲層滲透率下降，當地層壓力（油井井底流壓）低于飽和壓力時，會導致原油脫氣，從而導致原油滲流阻力增加，這是采收率降低的主要原因。對于低滲透儲層，只有保持高的地層壓力水平和適當的生產壓差，才不會對采收率造成較大影響，從而獲得更高的采收率；而中高滲儲層可以適當降低地層壓力和放大生產壓差開采，這與敏感性對產能影響的規律是一致的。

4 現場應用

4.1 實例驗證

墾利A油田儲層結構復雜，河道窄、多期砂體疊置交錯，平面上分為多個井區，各井區儲層物性具有一定差異；縱向上小層發育較多、厚度薄，流體系統復雜，隨鉆實施過程中個別井區需進一步認識儲層、儲量潛力及產能狀況，提出部分注水井先期排液。

1井區邊部生產井A24井鉆遇油層厚度42 m，儲層滲透率為67.0×10-3μm2，投產效果較好。由于對應注水井A23井鉆遇油底，認為該區域存在潛力，提出A23井先期排液，待A23井證實儲量規模后及時轉注。排液過程中，A24井壓力下降較快，下降近10 MPa，產能快速降低，地層壓力降低導致該井儲層產生嚴重的應力敏感。后期A23井轉注后，A24井產能逐漸恢復，調整至初期的工作制度，但產能遠低于初期水平。

儲層物性較好的3井區B14井組需驗證邊部產能，B14井先期排液期間，對應生產井B12井初期液量穩定，隨著地層壓力下降，產能開始降低。后期B14井轉注后，B12井產能逐漸恢復（圖7）。對于儲層物性較好的區域，短期壓力降低未造成嚴重的應力敏感，對生產影響不大。

圖7 A24井、B12井生產曲線

整體來看，實際生產與理論研究結果一致。對于儲層物性較差的井，建議同步注水，保持原始地層壓力；儲層物性相對較好的區域，若有評價需求，可適當降壓開采，待評價完成后及時注水補充能量。

4.2 指導新油田方案編制

BZA油田位于渤海南部海域，構造主體區為受中部一組大斷層控制的復雜斷塊構造，具有多個斷塊、多個高點的特征，主要含油層系為明下段、東三段、沙一段和沙二段。該油田方案編制過程中，針對不同井區合理注水時機優化，將應力敏感影響表征在數值模型中，根據不同區塊儲層物性特征、天然能量情況，確定各井區的注水時機（表2）。對于儲層滲透率為200.0×10-3～300.0×10-3μm2的1、5、6井區，考慮本身地飽壓差大，且具有一定天然能量，方案推薦注水井排液半年后（即地層壓力保持水平在95%時）進行注水。對于儲層滲透率約為1 000.0×10-3μm2左右的2、3井區，考慮地飽壓差小，天然能量不足，方案推薦生產井投產即注，保持原始地層壓力開采。對于儲層滲透率在100.0×10-3μm2以下的8Sa井區，該井區地飽壓差較大，考慮地層壓力下降后對產能和滲流能力產生較大影響，方案也推薦生產井投產即注，保持原始地層壓力開采。該油田于2019年3月投產，投產后完全按照推薦方案執行注水，目前各井區開發效果較好，油井生產平穩。產壓差生產。

表2 不同井區不同壓力保持水平下的采收率對比

5 結論

（1）應力敏感性實驗表明，不同滲透率巖心均存在應力敏感性，且初始滲透率越低，應力敏感性越強。墾利A油田屬于應力中等-弱敏感，其滲透率界限為100.0×10-3μm2。

（2）為了減小對產能的影響，滲透率小于30.0×10-3μm2的低滲透儲層地層壓力下降不宜超過4.5 MPa，滲透率大于300.0×10-3μm2的儲層，應力敏感性對產能的影響較小。

（3）數值模擬結果表明，低滲透儲層適合保持原始地層壓力和適當生產壓差開發，對采收率影響不大，中高滲透儲層可適當降低地層壓力和放大生