異常高壓低滲透氣藏儲層應力敏感對氣井產能的影響

摘 要

摘要：異常高壓低滲透致密氣藏由于其自身的地質特征，在衰竭式開發過程中表現出較強的儲層應力敏感，特別是滲透率應力敏感會明顯影響氣藏的開發效果。在滲流力學理論基礎上建立了
摘要：異常高壓低滲透致密氣藏由于其自身的地質特征，在衰竭式開發過程中表現出較強的儲層應力敏感，特別是滲透率應力敏感會明顯影響氣藏的開發效果。在滲流力學理論基礎上建立了考慮應力敏感的三維氣、水兩相流數值模型，并編寫了相應的數值模擬軟件。模擬計算結果表明：隨壓力下降，巖石形變對低滲透儲層的影響明顯要高于對高滲透儲層的影響；儲層滲透率越低，應力敏感就越強，導致氣井所殺生產壓差就越大，使得氣井對地層能量的利用率越低，故由應力敏感所導致氣井產能的損失就越大；異常高壓氣藏由于原始地層壓力高，有效應力變化范圍大且變化的下限低，導致儲層巖石具有更強的應力敏感。因此在異常高壓、低滲透、特低滲透氣藏開發中應充分考慮儲層應力敏感的影響，并針對不同滲透率的儲層制訂相應的開發對策，使開發方案能更加準確地指導該類氣藏的開發。
關鍵詞：低滲透油氣藏；異常高壓；生產能力；應力；數值模型；開發對策
    目前，在我國西部發現了大量的異常高壓、低滲透致密透氣藏，如四川的磨溪氣田嘉二段氣藏、馬井氣田蓬萊鎮組氣藏等。這是一類特殊的氣藏，其滲流特征不同于一般的常規氣藏。異常高壓氣藏由于地壓系數高、原始地層壓力高，在衰竭式開采過程中，隨著氣藏的壓力下降，氣藏的巖石骨架承受的有效應力會大幅度增加，結果會使巖石發生顯著的彈塑性形變，巖石滲透率、孔隙度和巖石壓縮系數等物性參數減小，這種性質叫做儲層的應力敏感，且不同滲透類型的儲層應力敏感對氣藏的最終開發效果有著不同的影響[1]。因此，研究該類氣藏開發過程中不同滲透儲層應力敏感對氣井產能的影響是一個非常重要的課題。
1 異常高壓低滲透氣藏儲層應力敏感
    位于異常高壓帶的儲層巖石孔隙度通常比正常壓力下同類型的巖石孔隙度大[2]，孔隙度的增加往往伴隨著巖石其他特征的變化(如滲透率增加，油氣體積增大，毛細管壓力減小等)。氣藏開發中，由于地層壓力下降導致有效應力增加，從而使巖石的相關物性特征發生變化(即巖石變形)。由有效應力、上覆壓力和地層流體壓力的關系可知，異常高壓使得儲層巖石的原始有效應力降低，且增大了氣藏開發過程中有效應力的變化范圍，特別是使得有效應力變化的下限降低，這將使得儲層巖石變形更加敏感。關系式為：
    σe=σt-p    (1)
式中：σe為巖石基質的垂直有效應力，MPa；σt為上覆凈巖壓力，MPa；p為地層流體靜壓，MPa。
    由實際實驗數據(圖1)可知，不同滲透類型的儲層應力敏感具有較大差別。當地層壓力由原始值(19.5MPa)降到10MPa時，壓力下降了48.72%，氣藏平均產能由原始值1.0降到0.533，下降了46.7%。
 

    當地層壓力降到10MPa時，第1種特低滲透儲層(K≤0.04×10-3μm2)的產能下降幅度最大，產能只有初始的30.2%，該類儲層的應力敏感最強；第2種儲層(0.04×10-3μm2＜K≤0.1×10-3μm2)的產能只有初始的56.0%；第3種儲層(K＞0.1×10-3μm2)的應力敏感相對較弱，產能仍保持在初始的73.8%左右。
2 考慮應力敏感的數值模型
在滲流力學基礎上，從推廣的達西定律和黑油模型出發建立了三維氣、水兩相流考慮應力敏感的非線性滲流數學模型[3～4]，即
 
令K(pg)=KMULT(pg)Ki，并代入式(2)得：
 
式(2)中包含了4個基本變量：pg、pw、Sg、Sw。為了完整地描述方程，還需3個附加的輔助關系式：
 
筆者采用有限差分方法[5]離散方程式(3)(空間采用中心差分，時間采用向前差分)，并整理得到相應的數值方程：
 
式中：Tl為網格間的傳導率，；KMULT為隨地層壓力變化的滲透率乘子；Ki為原始地層壓力下的滲透率；fG為幾何因子，fG=A/L；A、L分別為網格間流動的截面積和距離；Vb為網格塊體積，Vb=△x△y△z；△x、△y、△z為網格步長。
3 應力敏感對氣井產能的影響
在所建立的數學模型基礎上，編制了考慮儲層應力敏感的單井數值模擬軟件。用本軟件模擬計算了馬井蓬萊鎮組氣藏氣井在3種不同滲透儲層應力敏感情況下的生產動態，并研究分析了不同滲透儲層的應力敏感對氣井產能的影響(圖1)。將氣藏相關參數輸入氣藏數值模擬模型進行計算，預測期為120個月(見表1)。
表1 不同滲透率儲層應力敏感對產能影響的指標預測表
生產指標
K≤0.04×10-3μm2
0.04×10-3μm2＜K≤0.1×10-3μm2
K＞0.1×10-3μm2
不考慮應力敏感
考慮基塊應力敏感
不考慮應力敏感
考慮基塊應力敏感
不考慮應力敏感
考慮基塊應力敏感
等穩產期
等產量
等穩產期
等產量
等穩產期
等產量
配產產量(104m3/d)
1.000
0.482
1.000
1.500
1.045
1.500
2.000
1.710
2.000
儲層滲透率(10-3μm2)
0.040
0.040
0.040
0.080
0.080
0.080
0.160
0.160
0.160
穩產期(mon)
47
47
6
71
71
16
92
92
64
穩產期末采出程度(%)
8.357
4.027
0.892
19.070
13.285
4.085
33.079
28.283
22.897
穩產期末地層壓力(MPa)
2.646
2.399
2.658
2.866
2.699
2.861
3.048
2.958
3.056
穩產期末井底流壓(MPa)
2.000
2.000
2.000
2.000
2.000
2.000
2.000
2.000
2.000
穩產期末生產壓差(MPa)
0.646
0.399
0.658
0.866
0.699
0.861
1.048
0.958
1.056
穩產期末單位壓降采氣量(104m3/MPa)
83.064
39.449
8.873
192.051
132.467
41.124
336.825
286.423
233.260
    對比預測期各項生產指標(表1)可知：
3.1 隨壓力下降。巖石形變對低滲透儲層的影響明顯要高于其對高滲透儲層的影響
    儲層滲透率越低，應力敏感就越強，由于應力敏感導致氣井產能的損失就越大。
    與不考慮應力敏感時等產量預測：考慮基塊應力敏感和不考慮基塊應力敏感相比，第3種儲層中的氣井穩產期只縮短了30.43%，穩產期末采出程度只降低了30.78%；第2種儲層中的氣井穩產期縮短了77.46%，穩產期末采出程度降低了78.58%；而第1種儲層種的氣井穩產期縮短了87.23%，穩產期末采出程度降低了89.32%，穩產期大大縮短了。
    與不考慮應力敏感時等穩產期預測：考慮基塊應力敏感和不考慮基塊應力敏感相比，要達到相同穩產期，第3種儲層中的氣井產量只減小了14.50%，穩產期末采出程度只降低了14.50%；第2種儲層中的氣井產量減小了30.33%，穩產期末采出程度降低了30.33%；而第1種儲層種的氣井產量減小了51.80%，穩產期末采出程度降低了51.80%，穩產期產量降低了一半多。
3.2 滲透率越低的儲層，氣井對地層能量的利用率越低
    與不考慮應力敏感時等產量預測：考慮基塊應力敏感和不考慮基塊應力敏感相比，第3種儲層中的氣井穩產期末單位壓降采氣量只降低了30.75%；第2種儲層中的氣井穩產期末單位壓降采氣量降低了78.59%；而第1種儲層種的氣井穩產期末單位壓降采氣量則非常低，降低了89.32%。
    與不考慮應力敏感時等穩產期：考慮基塊應力敏感和不考慮基塊應力敏感相比，第3種儲層中的氣井穩產期末單位壓降采氣量只降低了14.96%；第2種儲層中的氣井穩產期末單位壓降采氣量降低了31.03%；而第1種儲層種的氣井穩產期末單位壓降采氣量則降低了52.51%，降低了一半多。
3.3 儲層滲透率越低，氣井所需生產壓差就越大
    從生產壓差曲線上可以看出，滲透率越低的儲層，氣井在穩產期所需的生產壓差上升速度越快，這是由于井筒周圍的地層滲透率越低，滲透率隨壓力下降的幅度就越大，若要維持一定的產量，則必須快速降低井底流壓，放大生產壓差。
    等穩產期預測時，考慮和不考慮基塊應力敏感相比，第3種儲層中的氣井穩產期所需生產壓差比后者僅高8.59%；第2種儲層中的氣井穩產期所需生產壓差比后者高19.28%；而第1種儲層的氣井穩產期所需生產壓差最高，比后者高出了38.24%。
    總之，儲層滲透率越高，應力敏感就越低，氣藏就越容易開采；異常高壓、低滲透、特低滲透儲層中的應力變化范圍大、敏感性非常強，滲透率隨地層壓力下降將會較大程度地降低，因此，異常高壓、低滲透、特低滲透儲層在開發過程中就更應重視儲層應力敏感的影響。
4 結論
    1) 建立了考慮應力敏感的異常高壓、低滲透氣藏單井數值計算模型，并編制了考慮應力敏感的單井數值模擬軟件。
    2) 模擬計算表明，隨壓力下降，巖石形變對低滲透儲層的影響明顯要高于其對高滲儲層的影響。儲層滲透率越低，應力敏感就越強，導致氣井所需生產壓差就越大，使得氣井對地層能量的利用率越低，因此，由于應力敏感導致氣井產能的損失就越大。
    3) 異常高壓氣藏由于原始地層壓力高，有效應力變化范圍大且有效應力變化的下限低，其導致儲層巖石具有更強應力敏感。因此，在異常高壓、低滲透、特低滲透氣藏開發中應充分考慮儲層應力敏感的影響，且針對不同的滲透儲層制訂相應的開發對策，以使編制的開發方案能更加準確的指導該類氣藏的開發。
參考文獻
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[2] 史蒂文，羅伯特.異常高壓氣藏[M].北京：石油工業出版社，2003.
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[4] 張烈輝，向祖平，馮國慶.低滲透氣藏考慮啟動壓力梯度的單井數值模擬[J].天然氣工業，2008，28(1)：108-109.
[5] 李允.油藏模擬[M].山東東營：石油大學出版社，1999.
 
(本文作者：向祖平1 謝峰2 張箭2 魏學斌3 1.中國石化西南油氣分公司博士后科研工作站；2.中國石化西南油氣分公司勘探開發研究院；3.中國石油青海油田公司勘探開發研究院)