红河油田长8储层应力敏感性研究

李嘉瑞　陈付虎　姚昌宇　沈妍斐

(1.中石化华北分公司工程技术研究院， 郑州 450006；

2.中石化华北分公司勘探开发研究院， 郑州 450006)



红河油田长8储层应力敏感性研究

李嘉瑞1陈付虎1姚昌宇1沈妍斐2

(1.中石化华北分公司工程技术研究院， 郑州 450006；

2.中石化华北分公司勘探开发研究院， 郑州 450006)

摘要：红河油田属于发育天然裂缝的低孔低渗致密油藏，衰竭式开发使得该油田存在应力敏感伤害的可能。通过几口井长8储层岩心的室内应力敏感实验，在对行业标准中关于应力敏感实验评价方法提出改进措施的基础上，定量评价基质岩心与裂缝岩心的应力敏感损害程度。运用数值模拟软件分析应力敏感对单井生产动态的影响，模拟结果表明应力敏感是前期产量递减和含水率上升的影响因素之一。通过不同生产制度下应力敏感的伤害程度分析，提出降低应力敏感伤害的建议。

关键词：红河油田； 低渗储层； 应力敏感； 数值模拟

如何高效开发低渗透油田是近年来石油工作者的研究重点和难点。鄂尔多斯盆地南部的红河油田储层低渗致密，在油藏衰竭式开发过程中，随着地层压力的不断降低，储层岩石所承受的有效应力不断增加，造成岩石骨架颗粒变形和岩石中微裂缝的闭合，从而导致储层岩石渗透率、孔隙度以及岩石的压缩系数等发生变化[1]。

对长8储层岩心进行室内应力敏感实验，提出新的评价方法并对3口井的实验数据重新做定量评价，认为裂缝发育区的应力敏感性强于基质区，尤其表现在有效应力增加的初期。利用Eclipse数值模拟软件，考虑储层应力敏感开展数值模拟研究[2]。模拟结果表明考虑应力敏感性的各项生产指标都明显低于不考虑应力敏感的各项生产指标，应力敏感是前期产量递减快的重要影响因素之一，并通过数值模拟等技术手段对生产制度进行了优化。

1应力敏感的伤害机理

(1)裂缝性储层的应力敏感伤害。天然裂缝在应力作用下，会发生一定程度上的闭合现象(图1(a))。

(2)岩石弹塑性变形的应力敏感伤害。随着岩石弹塑性变形的发生，孔隙空间会呈指数趋势降低，这将降低岩石的渗透率。对于低渗油田来说，孔隙中一些细小的喉道将变得更小，形成严重的贾敏效应(图1(b))。

图1　应力敏感的伤害机理示意图

(3)黏土矿物的应力敏感伤害机理。Bernabe和Berryman等人[3-5]的研究结果认为：黏土矿物相比于岩石，压缩性更大，更容易在孔隙压力降低的过程中膨胀；而分散状的黏土矿物附着物，极有可能随着流体的流动及孔隙压力的降低而产生运移，堵塞喉道(图1(c))。

2岩心应力敏感实验

2.1基质岩心的应力敏感实验

选取3口井长8层均不发育微裂缝的岩心进行基质储层应力敏感性分析。

图2　基质岩心应力敏感实验结果

国内应力敏感的主流评价指标有应力敏感系数法和渗透率损害率法[6]：应力敏感系数法能够定性的分析有效应力对渗透率的影响；渗透率损害率法能定量描述在实验最大有效应力与最小有效应力下的渗透率值的变化率，该方法为行业评价标准(SY标准)。

表1　岩心气测压敏SY标准评价结果

按照红河油田长8储层的岩石力学实验结果，平均垂向主应力梯度为 0.025 MPam，2 000 m埋深的地层上覆岩石压力为50.0 MPa。红河油田的平均地层压力系数为0.919，储层埋深2 000 m的地层压力为18.4 MPa。

岩石承受的有效应力等于围压(模拟上覆岩石压力)减去孔隙压力，然而2 000 m地层所承受的有效应力范围应该是31.6~50.0 MPa。按照SY标准围压从0 MPa增加到50.0 MPa，评价结果一般为中偏强或更强，即表示低渗透地层存在强应力敏感[7]。实际上对埋深2 000 m左右的储层而言，30.0 MPa以下的测点无实际的工程应用价值。

在设计基质地层的应力敏感实验时，可根据地层承受的实际有效应力来确定实验围压的变化范围。根据现有的实验数据，拟合这3口井在最大有效应力下的渗透率值(见图3)。

图3　渗透率与有效应力拟合曲线

30.0~50.0 MPa符合实际地层有效应力的变化范围，上覆压力不变，孔隙压力从原始地层压力降为0。因此以30.0，50.0 MPa为基准，计算红河373井的渗透率损害率为20.1%，红河49井的渗透率损害程度为12.9%，红河50井的渗透率损害程度为5.7%。

2.2裂缝岩心的应力敏感实验

红河油田在开发过程中表现出局部地区裂缝发育的特征，但所取岩心均无裂缝。因此为研究发育天然裂缝岩心的应力敏感，将岩石加压起裂，人为制造裂缝。实验岩心取自镇探1井长8储层。

图4　镇探1井裂缝性岩心应力敏感实验结果

红河油田因垂向应力较强，难以形成天然水平裂缝，多发育高角度的垂直裂缝，此时促使裂缝闭合的主要应力为水平最小主应力。根据岩石力学实验结果及地应力研究结果，平均水平最小主应力方向为北东171.6°，水平最小主应力梯度为0.015 4~0.017 0 MPam范围内，平均为0.016 1 MPam。镇探1井埋深2 174 m，孔隙压力为20.0 MPa，水平最小主应力为35.0 MPa。通过垂向应力梯度和地层压力梯度确定有效应力的变化范围为15.0~35.0 MPa。根据实验结果分析，镇探1井裂缝性岩心的渗透率从4.500×10-3μm2降到0.079×10-3μm2，渗透率损害率高达97.8%，且伤害几乎不可逆。

3考虑基质应力敏感的油藏数值模拟

通过Rocktab关键词，将岩石的压缩模拟为压力的函数，岩石的渗透率随着网格块压力的降低而降低。这种压缩可假设为不可逆或可逆2种情况。输入Eclipse中的上覆压力是关于深度的函数，假设上覆岩层不随时间而发生变化，上覆压力比流体压力大。这种情况下可用渗透率和孔隙流体压力的关系来表示岩石的压缩性，见表2。

表2　红河373井渗透率系数随地层压力的变化表

注：k0为原始地层压力所对应的渗透率值，k0=0.047×10-3μm2；k1为某地层压力所对应的气测渗透率值(经应力敏感性实验测定转换)。

为研究应力敏感对单井产量的影响，选择应力敏感较强的红河373井实验数据开展应力敏感对产量的影响研究。根据红河373井的地质资料与压裂施工情况，建立直井压裂后的均质单井理论地质模型。

根据该井实际生产情况，以4 m3d的产量进行配产，分别模拟考虑应力敏感与不考虑应力敏感条件下单井生产5 a的生产动态。储层厚度参考红河373井测井解释结果，有效厚度15 m，射孔5 m后压裂形成缝长200 m的双翼缝，模拟结果见图5。

图5　考虑应力敏感与不考虑应力敏感模拟结果对比

从图5中可看出随着生产的进行，地层压力的下降，应力敏感伤害显现。考虑应力敏感条件下，气井稳产期缩短，日产水量增加。红河373井的渗透率损害率为20.1%，生产1 800 d的累计产量比无应力敏感时少了10%，含水率明显升高。

通过适当关井恢复地层压力，保证井底压力，防止出现较严重的应力敏感伤害。根据应力敏感的特点，制定不同的间歇式关井生产制度，寻求降低伤害的方法。图6(a)中的开关井周期为关井30 d后，开井生产30 d；图6(b)中的关井周期为关井10 d后，开井生产60 d。2种间歇式关井预测结果表明，开关井周期越短，关井时间越长，则稳产时间越长；而开关井周期越长，关井时间越短，稳产时间相应变短，但采油速度相对较快。实际生产中，应根据应力敏感性的强弱、应力敏感伤害的可逆程度、地层压力恢复速度以及是否能够达到较快的生产速度这几个因素综合制定开关井制度。

图6　不同间歇式关井与连续生产的日产油量对比

4考虑应力敏感伤害的生产制度建议

(1)实验结果表明天然裂缝对应力的敏感性强，容易在应力作用下闭合导致渗透率大幅度下降。对于裂缝性油藏的开采而言，应该严格注意动液面的高度，控制井底流压，保持地层压力，避免造成不可逆的应力敏感伤害。模拟结果表明，控制开关井次数可在一定程度上减少应力敏感对地层的伤害，开关井制度可根据地层敏感伤害程度、生产速度等因素综合决定。

(2)对于实验中出现的伤害较为严重且不可逆的岩心，即随着有效应力的减小仍无法恢复原有渗透率(图2中红河49井)的岩心以塑性变形或结构性损坏为主。对于此类地层，采取关井恢复地层压力措施时已经发生不可逆伤害，地层恢复效果差，故不推荐这类井使用关井保压措施。

5结语

(1)分别讨论了基质岩心和裂缝性岩心的应力敏感评价思路。根据不同地层的埋深、地层压力、最小主应力，设计应力敏感实验，评价地层应力敏感程度。

(2)天然裂缝发育储层更容易出现强应力敏感性特征。在有效应力增加初期，渗透率即出现较大的损害，符合实际开发中裂缝发育区早期产量高，递减迅速的特征。

(3)基质地层的应力敏感性不强。通过数值模拟结果分析，适当关井保持地层压力的手段可行性较高。

(4)可根据实验中岩心渗透率伤害强弱程度及可逆性，决定是否采用关井恢复地层压力的措施以及如何优化开关井制度。

参考文献

[1] 宋传真,郑荣臣．致密低渗气藏储层应力敏感性及其对单井产能的影响[J].大庆石油地质与开发,2006(6)：47-49.

[2] 代平．低渗透应力敏感油藏实验及数值模拟研究[D]．成都：西南石油大学，2006:35-46.

[3] Bernabe Y. The Effective Pressure Law for Permeability in Chelmsford Granite and Barre Granite[J]. Intl.J.Rock Mech., Min Sci. & Geomech.Abstr, 1986, 23(3):267-275.

[4] Bernabe Y. The Effective Pressure Law for Permeability during Pore Pressure and Confining Pressure Cycling of Several Crystalline Rocks [J]. J.Geophys.Res, 1987, 92(B1):649-657.

[5] Berryman J G. Effective Stress for Transport Properties of Inhomogeneous Porous Rock[J]. J. Geophys. Res, 1992, 97(B12)：409-417.

[6] 李传亮．储层岩石的应力敏感性评价方法[J].大庆石油地质与开发,2006，25(1):40-42.

[7] 李传亮．低渗透储层不存在强应力敏感[J]．石油钻采工艺，2005，27(4):61-63.

[8] 李闽,陈昊．低渗砂岩储层岩石应力敏感实验与理论研究[J]．钻采工艺,2006，29(4)：91-93.

Study of Stress Sensitivity of Chang8 Reservoir in Honghe Oilfield

LIJiarui1CHENFuhu1YAOChangyu1SHENYanfei2

(1.Sinopec North China Company Research Institute of Engineering Technology, Zhengzhou 450006, China;

2.Sinopec North China Company Research Institute of Petroleum Exploration and Development,

Zhengzhou 450006, China)

Abstract:Honghe oilfield belongs to low porosity and low permeability tight reservoir with natural fracture; here exists the possibility of stress sensitivity damage due to depletion development. The cores and fractured cores stress sensitivity degree was evaluated according to several wells reservoir cores of interior stress sensitivity experiments, based on the improved evaluation method of industry stress sensitivity experiment standard. Numerical simulation software was used to analyze the effect of stress sensitivity on the single well production performance; the simulation results show that the stress sensitivity is one of the factors that affect the early yield decreasing and water cut rising. Through analysis of damage degree of sensitivity under different production system, it put forward a suggestion that could reduce the stress sensitivity damage.

Key words:Honghe oilfield; low permeability reservoir; stress sensitivity; numerical simulation

文献标识码：A

文章编号：1673-1980(2015)03-0052-04

中图分类号：P618

作者简介：李嘉瑞(1987 — )，男，河南濮阳人，硕士，助理工程师，研究方向为压裂酸化。

基金项目：中石化科研攻关项目“鄂南致密砂岩油田水平井高效开发关键技术”(P12130)

收稿日期：2014-09-12