大牛地氣田致密砂巖應力敏感性研究及應用

王瑞陽

（中石化華北油氣分公司石油工程技術研究院實驗中心， 河南 鄭州 450000）

大牛地氣田位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡北部，氣田內上古生界為一套海相-海陸過渡相-陸相沉積，具有良好的天然氣成藏條件，發育多套致密砂巖儲層[1-2]。由于致密砂巖氣藏生產中，壓降快，儲層基質膨脹大，導致儲層應力敏感性強，對氣井產能影響較大[3]。目前國內外學者針對儲層應力敏感開展了大量實驗工作，但研究條件和研究方法差異較大。本文通過固定圍壓，改變回壓的方式模擬了致密砂巖儲層有效應力增大時，大牛地氣田不同特征儲層的應力敏感性特征，并將其與氣井產能聯系起來，對研究致密砂巖氣藏產能預測和開發動態具有指導意義。

1 致密砂巖儲層物性特征

如表1所示，大牛地氣田下石盒子組、山西組、太原組為低孔低滲儲層，盒2+3段物性相對最好，平均孔隙度10.27%、平均滲透率1.36 mD；其次是太2段，平均孔隙度為8.58%，平均滲透率0.7 mD；而盒1、山2、山1段物性相對較差[3-4]，平均孔隙度大都小于8%。在實驗研究中，以8%為界限，將巖心按孔隙度大小分為兩類進行分析。

表1 大牛地氣田不同層位儲層孔滲特征

2 致密砂巖應力敏感性實驗

氣藏開發過程中，隨著地層流體產出，儲層巖石骨架承受的有效上覆壓力增大，巖石受壓變形，孔隙結構發生變化，從而使巖石的物性特征（孔隙度、滲透率等）發生變化，尤其是致密低滲氣藏和異常高壓氣藏，往往這種變化較大，對氣田的生產和產能預測將產生較大的影響[4-6]，需要通過室內實驗研究，分析不同有效應力條件下的儲層巖石孔隙度和滲透率變化特征，為儲層評價和開發設計提供基礎依據。

對于某一儲層，上覆巖層壓力為一固定值，只是在氣藏開發過程中孔隙流體壓力不斷減小，因此儲層巖石承受的有效上覆壓力不斷增大[7-8]。為高度契合致密砂巖氣藏氣井生產實際，本文采用固定圍壓，改變回壓的方式開展了大牛地氣田致密砂巖儲層敏感性研究。實驗過程中圍壓大小不變，巖心夾持器出口施加回壓，初始回壓大小與原始地層壓力相同，通過改變回壓大小來實現有效應力的變化，回壓降低導致的凈圍壓增加首先作用于巖心孔隙周圍的骨架顆粒上，模擬實驗條件更接近于油氣藏生產實際。實驗操作流程如下：

1）待測巖心干燥稱重，用模擬地層水抽真空飽和24 h；

2）將巖心放入夾持器中，同步升高夾持器進口壓力和圍壓，直到待測巖心流體壓力等于氣藏原始壓力，圍壓等于上覆巖石壓力；

3）保持進口壓力不變，逐漸降低出口回壓，模擬氣藏開采過程中地層壓力變化過程；

4）待實驗流量穩定后，計量流量、壓力、時間、溫度，計算該條件下的氣測孔隙度與滲透率；

5）再升高回壓，重復步驟(4)。

巖石力學、測井等研究資料表明，大牛地氣田上覆巖層壓力梯度約為0.025 MPa·m-1，若儲層深度為2 800 m，則原始地層條件下儲層巖石所承受的上覆巖層壓力為70 MPa。根據試井外推法和生產歷史擬合法計算得到大牛地氣田原始地層流體壓力平均為25 MPa，見表2。假設氣田開發過程中地層流體壓力由原始的25 MPa衰竭至后期的2 MPa，則有效應力的變化區間為45～68 MPa。

表2 大牛地氣田原始地層流體壓力

3 實驗結果分析

以實驗室常規條件下測定的氣測孔隙度φ0和氣測滲透率K0作為初始值，以不同有效應力下的孔隙度、滲透率（φ，K）除以初始孔隙度、滲透率（φ0，K0）得到比孔隙度和無因次滲透率（φD，KD）來討論實驗結果。

3.1 孔隙度與有效應力的關系

將實驗室常規條件下初始孔隙度按照φ0≥8%和φ0＜8%劃分為兩類，其原始地層條件下（有效應力45MPa）的比孔隙度分別為0.905和0.828，即原始地層條件下的孔隙度為實驗室常規測試孔隙度的90.5%和82.8%。

以原始地層條件下的孔隙度φ02為基準，計算氣田開發過程中的比孔隙度φD2變化。如圖1所示，當地層流體壓力由25 MPa衰竭至2 MPa（有效應力由45 MPa增大至68 MPa）時，兩類儲層的比孔隙度φD2分別由1.0變為0.986和0.973，即孔隙度的相對值分別降低了0.014%和0.027%，可見大牛地致密砂巖氣藏開發過程中的孔隙度隨地應力增大的變化是很小的，可以忽略不計。

圖1 孔隙度隨有效應力的變化規律

3.2 滲透率與有效應力的關系

以儲層物性分析的4個滲透率區間為依據，選取不同滲透率巖樣進行覆壓實驗，測得不同有效應力下的滲透率。以初始有效應力3.45 MPa的滲透率為基準，計算不同有效應力下的無因次滲透率，其結果見圖2，滲透率隨有效應力的變化較為復雜，相同有效應力條件下，初始滲透率高的下降速率慢，總的下降幅度低；初始滲透率低的隨有效應力增大而迅速下降，壓力增大到一定程度后滲透率下降速率減緩，但總的下降幅度很大。實驗室常規條件下初始滲透率越小，隨有效應力增大，滲透率下降越快。以大牛地氣田主要致密砂巖類型（滲透率在0.1～0.5 mD）為例，在原始地層壓力下，無因次滲透率為0.083，滲透率降低了1個數量級。

圖2 不同有效應力下的無因次滲透率

由圖2可知，當有效應力增大到20 MPa時，低滲巖樣的無因次滲透率大多降至0.3以下；到60 MPa時，全部降至0.2以下，即該壓力下的滲透率只有初始值的20%不到。

按滲透率區間計算平均無因次滲透率，得到平均無因次滲透率隨有效應力的變化曲線，見圖3。K0＞1 mD的曲線下降速率慢，總下降幅度低，可擬合為一條冪函數；K0＝0.5～1 mD的曲線在低壓段下降速率較快，總的下降幅度較大，可擬合為一條冪函數；K0＝0.1～0.5 mD和K0＜0.1 mD的兩條曲線，在低有效應力段滲透率下降非常迅速，無因次滲透率與有效應力呈半對數關系，有效應力大于20 MPa以后，無因次滲透率下降速率減緩，可用冪函數進行擬合，因此這兩條曲線在高、低壓段需要分別用兩個函數擬合，最終得到六個函數方程，見表3。

圖3 不同滲透率區間的平均無因次滲透率

表3 無因次滲透率與有效應力的關系方程

4 致密砂巖應力敏感性實驗結果應用

由于大牛地氣田致密砂巖儲層原始地層條件下的有效應力（45 MPa）大于20 MPa，隨著氣田開發，地層流體產出，儲層有效應力將越來越大，因此四類滲透率區間的砂巖儲層應力敏感性均可用冪函數表示。巖樣物性不同，應力敏感性表現不同，冪函數指數值的絕對值也不相同，取值范圍在0.093 5～1.624之間，平均0.468。儲層在原始地層條件下滲透率越低，敏感性越強，冪指數值絕對值越大。

四類儲層冪函數方程可簡化為：

式中：K— 有效應力下的滲透率，mD；

K0—原始地層條件下的滲透率，mD；

P1—實驗過程中巖心夾持器入口端壓力，MPa；

P2—巖心夾持器出口端回壓，MPa；

m—冪函數指數，可定義為應力敏感系數，從實驗數據獲得。

在本次實驗中，巖心夾持器入口端壓力為氣藏原始地層壓力Pi，通過調節巖心夾持器出口端回壓P2模擬地層流體壓力，則式（1）可寫為：

式中：Pi—原始地層壓力，MPa；

P —地層流體壓力，MPa。

4.1 氣井產能中的應用

將實驗室常規條件下初始孔隙度按照φ0≥8%和φ0＜8%劃分為兩類，其原始地層條件下（有效應力45 MPa）的比孔隙度分別為0.905和0.828，即原始地層條件下的孔隙度為實驗室常規測試孔隙度的90.5%和82.8%。

大牛地主要類型致密砂巖儲層應力敏感實驗中，孔隙度變化很小，可忽略不計，滲透率降低較快，降幅較大，對氣井產能影響大。以達西公式為基礎，推導出考慮滲透率變化的產能公式。取平均壓力，求出氣體平均黏度和偏差因子。

式中：h— 儲層有效厚度，m；

qsc—標況下產氣量，m3·d-1；

K—儲層巖石滲透率，mD；

μ—氣體黏度，mPa·s；

Z—氣體壓縮因子；

T—氣藏溫度，K；

rW—井底半徑，m；

r—距離井軸心半徑，m；

p— r處的壓力，MPa。

把（2）式引入（3）式，取r=re,p=pi，積分得到氣井標況下產量為：

4.2 實例分析

以大牛地致密砂巖氣藏大13井為例，原始地層流體壓力24.92 MPa，氣藏中部溫度358 K，平均氣體黏度0.015 6 mPa·s，偏差因子0.918，平均有效滲透率0.41 mD，儲層有效厚度7.5 m。不考慮應力敏感時，滲透率K不變，冪函數指數m=0；考慮應力敏感時，滲透率K隨有效應力增大迅速降低，取冪函數指數平均值m=0.468，帶入式（4），得到兩條生產曲線，見圖4。

圖4 應力敏感下大13井產能曲線

由計算結果可知，考慮應力敏感時氣井產能降低，無阻流量約為無應力敏感時的76.3%。且隨m值增大，氣井產能影響加劇，即初始滲透率越低，應力敏感性越強，氣井產能下降越大，見圖5

圖5 不同應力敏感下產能變化

5 結論與認識

1）大牛地致密砂巖儲層存在應力敏感。隨有效應力增加，儲層孔隙度變化較小，主要類型儲層孔隙度降低1%～1.5%，可忽略不計。

2）大牛地致密砂巖儲層滲透率的應力敏感性強，主要類型儲層原始地層條件下的滲透率比實驗室常規測定值低1個數量級，其滲透率隨有效應力變化符合冪指數關系。

3）以大13井為例，考慮應力敏感時，氣井無阻流量為不考慮應力敏感時的76.3%，且儲層初始滲透率越低，敏感性越強，產能下降越快，因此在產能預測時應考慮應力敏感影響。