基于应力敏感的致密油藏孔隙结构及油水两相渗流特征.pdf

收稿日期:改回日期:基金项目:国家科技重大专项“低渗致密砂岩储层体系表征及评价新方法”()中国石油重点开发项目“低渗透油藏效益开发专项工程研究”()作者简介:王长权()男副教授 年毕业于重庆石油高等专科学校油气集输技术专业 年毕业于西南石油大学油气田开发工程专业获博士学位现从事油气藏渗流机理及提高采收率技术等方面的研究工作:/基于应力敏感的致密油藏孔隙结构及油水两相渗流特征王长权田中敬王晨晨陈 亮王国庆(长江大学油气钻采工程湖北省重点实验室湖北 武汉 中国石油冀东油田分公司河北 唐山 长江大学非常规油气湖北省协同创新中心湖北 武汉 中国石油新疆油田分公司新疆 克拉玛依)摘要:针对致密油藏应力敏感性强引起流体渗流能力变差和产能降低的问题选取冀东油田某致密储层岩心进行全直径岩心驱替实验和原位 扫描实验研究应力敏感作用下的致密油藏孔隙结构及油水两相渗流特征 研究表明:随净应力的增加应力敏感性增强岩心的喉道和较大孔隙受到压缩而发生变形部分超微细小孔隙甚至闭合油相相对渗透率下降速度和水相相对渗透率上升速度均增大两相渗透率曲线逐渐下移束缚水饱和度和残余油饱和度均增大共渗点右移两相渗流区逐渐变小水驱油效率降低说明油井见水后含水率大幅增加油水同产期较短水驱突破快水驱油效率下降主要依靠补充地层能量降低应力敏感对油水两相渗流规律及采收率的影响 研究成果对致密油藏开发技术方案的制订具有重要指导意义关键词:致密油藏应力敏感孔隙结构油水两相渗流相对渗透率驱油效率冀东油田中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):.特 种 油 气 藏第 卷 .:引 言应力敏感是致密储层的重要特征之一是影响油藏开发效果的重要因素 油气藏投入开发前流体压力、岩石骨架应力与上覆岩层压力处于平衡状态此时储层的渗透率为原始渗透率 油气藏投入开发后由于储层内部流体的产出引起地层压力下降导致应力状态发生变化从而对储层造成不可逆伤害影响储层的物性参数、渗流参数及开发效果 尤其是致密储层受非均质性强、孔喉小、油水两相共渗区小等因素影响其应力敏感性相对较强导致油水两相渗流规律受应力变化影响较大 致密储层岩心本身孔喉小受应力敏感作用后孔喉变化量也小常规小岩心柱的油水两相渗流规律实验受岩心尺度影响在应力敏感作用下油水两相相对渗透率实验误差较大采用全直径岩心可有效提高实验精度 因此采用 原位扫描技术与全直径岩心驱替技术相结合的方法以同一块岩心为研究对象利用 扫描装置研究致密储层岩石孔隙结构特征受应力敏感的影响规律同时利用全直径岩心驱替装置开展全直径岩心应力敏感影响下的油水两相渗流规律实验不仅可以实现从孔隙结构特征入手明确应力敏感作用下的油水两相渗流规律的效果还可以有效解决因致密储层孔隙度低、孔隙体积小以及应力敏感作用下的孔隙体积减小程度小造成的计量精度不足的问题为致密砂岩储层两相渗流规律研究提供方法同时也为致密油藏有效开发和开发技术政策研究提供依据 实验部分 材料与仪器实验岩心选取冀东某典型致密储层全直径天然岩心直径为 长度为 孔隙度为 空气渗透率为 验证对比岩心选用 块标准小柱体岩心其直径为 长度分别为 、平均孔隙度为 平均空气渗透率为 实验用水采用复配模拟水常温下黏度为 矿化度为 /水型为 型 实验用油采用复配模拟油常温下黏度为 实验设备:全直径岩心夹持器和中间容器海安石油科研仪器有限公司高压驱替泵美国 公司和海安石油科研仪器有限公司 型微纳米 分析仪 公司赛多利斯 电子分析天平赛多利斯科学仪器(北京)有限公司 实验方法应力敏感性实验和应力敏感下油水两相相对渗透率实验流程如图 所示(图中红色为油绿色为水)具体步骤如下:全直径岩心经清洗、烘干后切割端面测定其渗透率和孔隙度等物性参数岩心端面部分再钻取 直径的小岩心柱全直径岩心按图 流程放置于岩心夹持器中加载围压至 常温下抽真空加压 饱和地层水后以恒压 进行地层水驱替实验此时出口端为常压测定不同围压(、)下的单相水渗透率再逐渐降低围压(、)重复进行水驱实验绘制应力敏感性曲线的升压和降压曲线小岩心柱放置于 专用夹持器中夹持器放置于 导架上用围压泵逐级加载至与应力敏感实验相同的围压打开 射线源进行扫描形成数字化岩心再采用球棒法对岩心孔隙分布进行分析将完成应力敏感实验的全直径岩心取出放于烘干箱内烘干和恢复恢复时间不少于 以保证岩心恢复到初始状态将烘干后的全直径岩心放置于夹心夹持器中加围压至 常温下抽真空加压 饱和地层水后以恒压 进行地层水水驱实验测定单相水渗透率对比岩心恢复状态正常后进行模拟油驱水实验直至出口端不再出水后老化 对老化后的岩心进行恒压 水驱油实验分别测定水驱产油量、产水量和流量等根据标准/岩石中两相流体相对渗透 第 期王长权等:基于应力敏感的致密油藏孔隙结构及油水两相渗流特征 率测定方法中 方法处理数据形成油水两相相对渗透率曲线重复开展不同净应力作用下的水驱油相对渗透率曲线的测定对比分析不同净应力作用下的水驱油油水两相相对渗透率的特征为排除实验过程中温度变化对实验结果的影响实验均在常温条件下进行 另外将 块对比岩心开展净应力为 下的油水两相相对渗透率测试验证全直径岩心油水两相相对渗透率结果的有效性其实验过程参照标准/岩石中两相流体相对渗透率测定方法进行图 应力敏感性实验及应力敏感作用下的油水两相相对渗透率实验流程 实验结果与分析 储层应力敏感性特征将不同净应力作用下的单相水渗透率结果进行处理并绘制渗透率比值与净应力的关系曲线(图)结果表明:净应力增大过程中油藏岩心渗透率随净应力的增加而逐渐减小净应力由 增至 渗透率降低 净应力增至 时渗透率降低 增至 以后再继续增加净应力渗透率减小幅度开始变缓当净应力达到 时渗透率降低为初始渗透率的 达到中等偏强应力敏感程度净应力减小过程中油藏岩心渗透率随净应力的减小而逐渐增大但增大的幅度很小净应力由 降至 渗透率增加了 当净应力降至 时 渗 透 率 恢 复 到 原 渗 透 率 的 说明该岩心具有典型的中等偏强应力敏感性且在油藏条件下难以恢复从实验结果分析可知:应力敏感主要导致孔隙大小的变化净应力的增加导致孔隙大小或孔隙结构发生变化造成孔隙内部流体流动空间变小渗流阻力增加 根据微观渗流机理观点渗透率与孔隙大小存在平方的关系说明微小的孔隙变化将会引起渗透率的急剧下降图 应力敏感性实验结果 应力敏感作用下的孔隙结构特征为明确应力敏感性对岩石孔隙大小的影响进一步明确应力敏感对储层中油水两相渗流规律的影响通过开展在线驱替 原位扫描测定不同应力作用下的孔隙结构特征变化规律从孔隙结构特征角度分析和明确流体在微观孔隙结构中的赋存状态及流动特征对岩心进行微米 扫描得到在不同应力下的三维灰度图像(图)在此基础上对灰度图像进行区域选取和降噪处理构建三维数字岩心并提取相应的孔隙网络模型(图 图中蓝色部分为孔隙)图、图像大小为 精度为 结果表明:随净应力的增加可见孔隙逐 特 种 油 气 藏第 卷渐变小部分原可见小孔隙逐渐消失说明随净应力的增加孔隙被严重挤压孔隙体积逐渐缩小可渗流孔隙逐渐减少或渗流通道变小严重阻碍流体流动a0MPa?b10MPa?c20MPa?d30MPa?图 不同应力下的岩心三维灰度图像 a?0MPab10MPa?c20MPa?d30MPa?图 三维数字岩心提取的不同应力下的孔隙网络模型 为进一步量化孔隙大小变化规律通过数值分析法和球棒法对 扫描实验的数字岩心孔隙进行提取并对孔隙大小分布进行计算(图)结果表明原始状态下岩心孔隙半径分布主要集中在 随净应力的增加岩心孔隙半径分布曲线逐渐向左偏移但偏移的幅度逐渐变缓(图)总图 不同净应力作用下的岩心孔隙结构分布变化 第 期王长权等:基于应力敏感的致密油藏孔隙结构及油水两相渗流特征 体上喉道大小分布随净应力的增加变化较小主要体现在喉道大小分布频率上略有增加趋势(图)孔喉大小分布特征与孔隙大小分布特征类似随净应力的增大较大孔隙分布频率减小较小孔喉分布频率增加说明孔喉在净应力作用下有所减小从而影响流体渗流(图)孔隙配位数分布频率结果表明随净应力的增加配位数为 以上的均随净应力的增加而减少 以下的分布频率均随净应力的增加而增多(图)应力敏感作用下的油水两相渗流特征 油水两相相对渗透率曲线特征图 为油水两相相对渗透率曲线及归一化曲线(和 分别为油相和水相相对渗透率)由图 可知:种不同尺度岩心的油水两相渗透率曲线特征具有良好的一致性 图 表明:不同净应力下油水相渗曲线交点对应的含水饱和度很高最大值和最小值分别为 、平均值为 说明储层表现为强亲水性不同净应力下油 水 两 相 共 渗 区 范 围 很 小 为 两相共渗区平均值为 不同净应力下水驱油效率较好不同净应力下驱油效率为 平均值为 随着净应力的增加油水相渗曲线总体略向右下方偏移岩心的油相相对渗透率下降速度增大水相相对渗透率上升速度也增大等渗点右移残余油饱和度增大两相渗流区变小 残余油饱和度增大等渗点含水饱和度增加故水驱油效率降低 说明净应力增加岩心的喉道和较大孔隙受到压缩而发生变形部分超微细小孔隙甚至闭合导致水相渗透率、束缚水条件下油相渗透率及水驱油油水两相相对渗透率值整体下降 图 表明:种不同尺度岩心在低净应力下的油水两相渗流特征具有很强的一致性图 油水两相相对渗透率曲线及归一化曲线对比 对比净应力由 到 变化条件下的油水两相渗流归一化曲线(图)与净应力为 的油水两相渗流归一化曲线(图)可知:净应力逐渐增大的过程中油相相对渗透率下降幅度明显增大等渗点左移残余油饱和度增大驱油效率明显下降而水相相对渗透率曲线特征基本未变但残余油饱和度端点下的水相相对渗透率下降说明在应力敏感作用下由于孔隙直径的减小 特 种 油 气 藏第 卷导致原油渗流阻力增大对油相相对渗透率的影响大对水相后期提液的影响也较大 说明致密储层在生产过程中如果不能及时补充压力造成地层能量亏空应力敏感作用增加容易造成产量递减加快注水补压和提液更加困难 因此该类储层在开发过程中应在开发初期及时补充地层能量避免地层压力下降造成严重的应力敏感而导致产能下降过快 油水两相渗流分流曲线规律根据平均油水相对渗透率、地层原油黏度及地层水的黏度可计算出油水分流曲线即含水率与含水饱和度的关系曲线(图)由图 可知:油井见水后含水率大幅增加油水同产期较短随净应力增大应力敏感作用越强部分微小孔隙渗流能力变差有效流动孔隙减少随含水饱和度的增加水窜严重导致含水率上升速度加快见水后水驱时间变短图 岩心油水分流曲线 无因次采油、采液指数曲线及采出程度变化特征根据多孔介质平面径向稳定流产量公式得到无水期产油量公式为:()()/()()任意含水时平面径向稳定流生产井产液量公式为:()()/()()假定生产压差和驱动半径不变由式()得无因次产液指数和产油指数分别为:()()()()()式中:为无水期产油量/为岩石的绝对渗透率 为油层厚度、分别为油相和水相相对渗透率、分别为原油和地层水黏度、分别为任意时刻含水饱和度和束缚水饱和度、分别为原始地层压力和井底压力、分别为油藏半径和油井半径、分别为任意含水时产液量、产油量和产水量/、分别为无因次产液指数和无因次采油指数为含水率经归一化处理后计算不同净应力下的无因次采油、采液指数与含水率变化曲线(图)由图 可知:储层见水后 一直下降而 在含水率未达到 左右时随含水率的上升而下降在含水率超过 后随含水率的上升而上升且在高含水时上升幅度较小主要原因是油水流度差异较小流度比较小在驱替过程中当水突破后水驱油效率下降说明致密岩石在水突破后依靠提液提高原油采收率的难度极大且随净应力的增加提液越困难图 全直径岩心不同净应力下无因次指数与含水率关系 注入量与采出程度变化特征原油采出程度随注入孔隙体积倍数关系曲线如图 所示 由图 可知:净应力相同时当注入 第 期王长权等:基于应力敏感的致密油藏孔隙结构及油水两相渗流特征 约 倍孔隙体积时采出程度基本不变 不同净应力下驱油效率变化差异较大随净应力的增大采出程度不断降低净应力由 升至 时驱油效率由 降至 考虑净应力为 升到 变化时的驱油效率为 与净应力为 时相比所获驱油效率低 说明净应力的增大对油藏采收率有较大影响图 不同净应力下全直径岩心采出程度随注入孔隙体积倍数的变化关系曲线 综合上述结果可知对于应力敏感型致密油藏如无法有效补充能量地层压力将不断下降储层净应力不断增加油相流体流动能力下降速度加剧从而导致产量递减加快且流体注入能力更差同时造成地层能量和产能下降速度加剧进一步降低采收率 因此应结合实际情况采用可注性强的流体(如气体表面活性剂等)实现降压增注或采用压裂改造减小注采压差提高地层压力并尽可能地维持地层压力在合理水平减小应力敏感对储层的影响 结 论()目标致密储层岩心具有中等偏强的应力敏感性特征受应力敏感作用孔隙逐渐变小连通孔隙也逐渐减小造成流体渗流阻力增加油水两相相对渗透率曲线整体向下方移动等渗点右移束缚水和残余油饱和度增加见水后含水上升速度加快驱油效率变差()应力敏感条件下提液对采收率影响较小需要不断补充地层能量以降低有效应力增大对储层渗透率及采出程度所产生的影响参考文献:李传亮 上覆压力与流体压力和骨架应力之间的关系式.新疆石油地质 ():():肖文联 李闽 赵金洲等 低渗致密砂岩渗透率应力敏感性试验研究 岩土力学 ():():文华 低渗透应力敏感性油藏产能及影响因素 新疆石油地质 ():():田敏 李晓平 李楠等 低渗透油藏油水两相非线性渗流规律 特种油气藏 ():():刘丽 低渗透油藏两相渗流参数及驱油效率的应力敏感性研究 科学技术与工程 ():/():林光荣 刘学刚 卢燕等 应力变化对低渗储层两相流渗流规律的影响 特种油气藏 ():():沈瑞 胡志明 熊伟 等 应力敏感性油藏油水两相渗流数值模拟 渗流力学进展 ():():高辉 特低渗透砂岩储层微观孔隙结构与渗流机理研究.西安:西北大学 :董大鹏 低渗透油田油水两相渗流机理研究 成都:成都理工大学 :特 种 油 气 藏第 卷 崔永 王丽影 克拉玛依砾岩油藏应力敏感性对水驱油效率的影响研究 九江学院学报(自然科学版)():.()():石亮亮 王磊 陈世栋 等 超低渗透储层孔隙结构对渗流特征的影响 地质科技情报 ():():赵丁丁 孙卫 杜堃等 特低超低渗透砂岩储层微观水驱油特征及影响因素:以鄂尔多斯盆地马岭油田长 储层为例 地质科技情报 ():():贾振岐 孙念 吴景春等 特低渗透岩心相对渗透率实验研究 特种油气藏 ():.():宋明明 韩淑乔 董云鹏等 致密砂岩储层微观水驱油效率及其主控因素 岩性油气藏 ():.():张楠 王晓琴 徐锋等 启动压力梯度和应力敏感效应对低渗透油藏直井产能的影响 特种油气藏 ():():朱争李鹏真何吉波等 延长油田南部长 致密油藏注吞吐实验 非常规油气():():刘瑞郭少斌王继远 南华北盆地太康蚌埠隆起山西组致密砂岩储层孔隙特征及演化 长江大学学报(自然科学版)():()():任杨付云川刘成林等 深层致密砂岩扩容增注机理研究.石油地质与工程():():王玉霞尚庆华 致密油藏气驱最小混相压力预测 非常规油气():():田伟超文志刚罗雨舒等 鄂尔多斯盆地五蛟地区长 段致密砂岩物性分级评价 长江大学学报(自然科学版)():()():陈军军杨兴利高月等 安塞油田坪桥区长 致密油储层微观特征.石油地质与工程():():柴汝宽刘月田何宇廷等 鄂尔多斯盆地延长组致密砂岩油藏低盐度水驱作用规律 大庆石油地质与开发():():董献宇祖琳杨正明等 基于核磁共振实验的纳米驱油剂驱油效果:以大庆外围油田特低渗致密储层为例 大庆石油地质与开发():():毕晓明 改进物质平衡法在致密气藏气井生产动态预测中的应用 大庆石油地质与开发():():编辑 张耀星