苏里格低渗气田储层应力敏感性研究

1苏里格低渗气田储层应力敏感性研究朱华银1卢涛2万玉金1李跃刚2胡勇1罗瑞兰1（1.中国石油勘探开发研究院廊坊分院，2.中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院）摘要：低渗气田储层岩石孔隙结构复杂，具有较强的应力敏感性，不同类型储层由于岩石矿物与孔隙结构的差异，其孔隙度和渗透率随有效压力的变化特征有所不同。本文通过系统的实验分析了苏里格气田储层岩石的应力敏感性特征，给出了孔隙度和渗透率随有效压力的变化关系，并评价了苏里格气田储层在原始地层条件下的物性特征及开发过程中的变化规律。对于孔隙度来说，其地面测试值比地层压力条件下的值要高10％～17％（相对值），而在开发过程中的孔隙度变化不大，可以忽略不计。渗透率的应力敏感性体现在两个方面，一是苏里格气田储层在原始地层压力条件下的有效渗透率比常规岩心分析渗透率低一个数量级，80％储层的有效渗透率在0.1mD以下；二是苏里格气田开发至后期，储层因压实变形渗透率总体降低约三分之一。这些认识对苏里格气田的储层评价和开发技术政策的制定具有重要的意义。主题词：苏里格气田应力敏感孔隙度渗透率实验一、苏里格气田储层物性特征苏里格气田含气层段主要为二叠系下石盒子组的盒8段和山西组的山1段。盒8段主要为灰白色中－粗粒石英砂岩和岩屑质石英砂岩，地层厚度相对稳定，变化不大，约为30～42m。山1段以分流河道沉积的砂泥岩为主，砂岩由中－细粒岩屑砂岩、岩屑质石英砂岩组成，厚度30m左右。大量岩芯分析统计结果表明：苏里格气田储层孔隙度范围为3.0％～21.84%，平均值为8.95%，主要分布在5％～12%；渗透率范围为0.0148～561mD，平均值为0.73mD，主要分布范围为0.06～2.0mD。总体上属于典型的低孔低渗储层。由于苏里格气田储层非均质性很强，部分井段物性较好，例如苏6井3315.40～3325.47m段，单块岩样的渗透率最高达到561mD，该段平均渗透率为32.6mD，如果将这样的层段与其他层段物性数据进行简单的算术平均，显然会给出一个偏高的平均值，得出错误的认识。为了更详细地了解苏里格气田的储层物性特征，对具有系统岩心物性分析资料的井进行了单井单层分析，统计14口井35个气层段，累计厚度170.65m，实验分析样品913个。按常规岩心分析渗透率＞5mD、1～5mD、0.1～1mD和＜0.1mD四个区间进行统计分析（表1），结果表明：80％气层的渗透率在1mD以下，渗透率大于1mD的只有20％，主要渗透率分布区间为0.1～1mD，其渗透率平均值为0.297mD，这代表了苏里格表1按单层统计的渗透率分布渗透率区间，mD气层数百分比，％渗透率平均值，mD＞5514.316.661～525.73.4850.1～12262.90.297＜0.1617.10.083合计35100/2气田的主要气层类型。值得注意的是，这还只是地面常规岩心分析的渗透率值，尚未通过覆压校正到地下条件，下面将通过进一步的覆压实验研究表明，苏里格气田实际地层条件下的岩石渗透率比常规岩心分析值要低得多。二、储层应力敏感性实验分析气藏开发过程中，随着地层压力的下降，储层岩石骨架承受的有效上覆压力增大，导致岩石受压变形，孔隙结构发生变化，从而使岩石的物性特征（孔隙度、渗透率等）发生变化，尤其是低渗气藏和异常高压气藏，往往这种变化较大，对气田的生产和产能预测将产生较大的影响[1-10]，因此必须通过室内实验研究，分析不同有效压力条件下的储层岩石孔隙度和渗透率变化特征，为储层评价和开发设计提供基础依据。储层岩石在开发过程中所承受的上覆有效压力可由下式计算[10]：Pe＝PGS－Pf式中：Pe为有效上覆压力（MPa）；PGS为上覆地层压力（MPa）；Pf为储层孔隙流体压力（MPa）。对于某一气藏或储层，PGS为一固定值，只是在气藏衰竭开发过程中孔隙流体压力Pf不断减小，因此储层岩石存受的有效上覆压力Pe不断增大。根据岩石力学、测井等研究资料表明，苏里格气田上覆岩层压力梯度约为0.025MPa/m，如果储层深度按3300m，原始地层压力按30MPa计算，则原始地层条件下储层岩石所承受的上覆地层压力为82.5MPa，有效上覆压力为52.5MPa。假如气田开发过程中地层压力由原始的30MPa衰竭至后期的2MPa，则有效压力的变化区间为52.5～80.5MPa。研究分析中对不同有效压力下的孔隙度和渗透率进行归一化处理，便于对比分析，采用接近于气藏原始有效压力条件下的孔隙度和渗透率或地面测试的常规孔隙度和渗透率（0、0K）作为初始值，然后以不同有效压力下的孔隙度和渗透率（、K）除以初始值得到比孔隙度（D）和无因次渗透率（DK），即/Do，0/DKKK。1、孔隙度与有效压力的关系研究中选取不同类型岩样进行覆压孔隙度测试，结果见图1。随着有效压力的增大，孔隙度降低，低压段孔隙度的下降速率较快，随着压力增大，下降速率变缓。在同一有效压力下（62MPa），比孔隙度随岩样的初始孔隙度变小而减小（图2），说明岩样的初始孔隙度越小，在同一有效压力下其比孔隙度下降幅度越大。根据这一规律，可将苏里格储层划为0≥8％和0＜8％两种类型，分类统计计算比孔隙度随有效压力变化的平均值，并通过曲线拟和，得到比孔隙度随有效压力的变化关系为幂函数（图3）：当0≥8％时，/0＝1.0432Pe-0.0350当0＜8％时，/0＝1.0982Pe-0.069630.60.70.80.91.0010203040506070有效压力，MPa比孔隙度2-88/1381-14/1253-72/892-92/1383-32/1193-29/891-43/120Y41-17-22-83/1381-65/1201-54/1202-46/1381-32/1251-41/1251-59/1251-68/1251-119/1253-84/1191-97/1283-26/1283-39/102图1不同有效压力下的比孔隙度0.60.70.80.91.005101520初始孔隙度，％比孔隙度y=1.0432x-0.035R2=0.9978y=1.0982x-0.0696R2=0.99190.60.70.80.91.0010203040506070有效压力，MPa比孔隙度Φ≥8％Φ＜8％乘幂(Φ≥8％)乘幂(Φ＜8％)图262MPa时的比孔隙度与初始孔隙度的关系图3孔隙度随有效压力的变化规律2、渗透率与有效压力的关系按前面储层物性中分析的四个渗透率区间（＞5mD、1～5mD、0.1～1mD和＜0.1mD）选取不同渗透率岩样进行覆压实验，测得不同有效压力下的渗透率，以初始有效压力3.45MPa的渗透率为基准，计算不同有效压力下的无因次渗透率，其结果见图4，渗透率随有效压力的变化较为复杂，相同有效压力条件下，初始渗透率高的下降速率慢，总的下降幅度低；初始渗透率低的随有效压力增大而迅速下降，压力增大到一定程度后渗透率下降速率减缓，但总的下降幅度很大。无因次渗透率与岩样的初始渗透率具有较好的相关性，初始渗透率越大，相同有效压力下无因次渗透率保持越高；初始渗透率越小，相同有效压力下无因次渗透率越低（图5），即低渗岩样渗透率随有效压力增大而迅速下降，下降幅度较大。分析图4也可看出，当有效压力增大到20MPa时，低渗岩样的无因次渗透率大多降至0.3以下；到60MPa时，全部降至0.2以下，即该压力下的渗透率只有初始值的20％不到。按四个渗透率区间计算平均无因次渗透率，得到四条平均无因次渗透率随有效压力的变化曲线（图6），Ko＞5mD的曲线下降速率慢，总的下降幅度低，可用一条幂函数进行很好的拟合；Ko＝1～5mD的曲线在低压段下降速率较快，总的下降幅度也较大，但仍可用一条幂函数进行较好的拟合；Ko＝0.1～1mD和Ko＜0.1mD的两条曲线，在低压段渗透率下降非常迅速，无因次渗透率与有效压力呈半对数关系，有效压力大于20MPa以后，40.00.20.40.60.81.01.2010203040506070有效压力，MPa无因次渗透率2-88/1381-14/1253-72/892-92/1383-32/1193-29/891-43/120Y41-17-22-83/1381-65/1201-54/1202-46/1381-32/1251-41/1251-59/1251-68/1251-119/1253-84/1191-97/1283-26/1283-39/102图4不同有效压力下的无因次渗透率0.00.20.40.60.81.00.010.1110100初始渗透率（Ko）,mD无因次渗透率（K/Ko）0.00.20.40.60.81.01.2010203040506070有效压力，MPa无因次渗透率＞5mD1～5mD0.1～1mD＜0.1mD图562MPa时的无因次渗透率与初始渗透率的关系图6不同渗透率区间的平均无因次渗透率无因次渗透率下降速率减缓，可用幂函数进行很好的拟合，因此这两条曲线在高、低压段需要分别用两个函数拟合，最终得到六个函数方程（表2）。表2无因次渗透率与有效压力的关系方程渗透率区间，mDPe＜20MPaPe≥20MPa＞5mDK/Ko=1.1187Pe-0.09351～5mDK/Ko=1.6765Pe-0.41790.1～1mDK/Ko=-0.4344Ln(Pe)+1.5282K/Ko=4.5772Pe-0.9902＜0.1mDK/Ko=-0.4781Ln(Pe)+1.589K/Ko=22.051Pe-1.624三、地层压力条件下的物性特征与开发过程中的变化规律1、孔隙度变化根据实验研究得出的比孔隙度与有效压力的关系式，对不同有效压力条件下的比孔隙度进行计算（表3）。按初始孔隙度0≥8％和0＜8％两类来说，其原始地层条件下（Pe＝52.5MPa）的比孔隙度分别为0.908和0.834，也就是说原始地层条件下的孔隙度为地面5常规测试孔隙度的90.8％和83.4％。若以原始地层条件下的孔隙度为基准，计算气田开发过程中的比孔隙度变化，见表2中的2D，当地层压力由30MPa衰竭至2MPa时，两类储层的比孔隙度分别由1.0变为0.985和0.971，即孔隙度的相对值分别降低了1.5％和2.9％，可见开发过程中的孔隙度变化是很小的，基本可以忽略不计。表3不同有效压力条件下的比孔隙度和无因次渗透率有效压力Pe地层压力Pf比孔隙度无因次渗透率0≥8％0＜8％＞5mD1-5mD0.1-1mD＜0.1mDMPaMPa1D2D1D2D3.451.01.01.01.01.01.0100.9620.9360.9020.6400.4680.524200.9390.8920.8450.4790.2360.170300.9260.8670.8140.4050.1580.088400.9170.8500.7920.3590.1190.055500.9100.8360.7760.3270.0950.03852.530.00.9081.00.8341.00.7720.320.0910.03557.525.00.9050.9970.8280.9940.7660.3080.0830.03162.520.00.9030.9940.8240.9880.760.2980.0760.02767.515.00.9000.9910.8190.9830.7550.2880.0710.02472.510.00.8980.9890.8150.9780.750.280.0660.02177.55.00.8960.9860.8110.9730.7450.2720.0620.01980.52.00.8950.9850.8090.9710.7420.2680.0590.0182、渗透率变化根据上述得到的无因次渗透率与有效压力的关系函数，可计算不同类型储层的无因次渗透率变化规律，结果见表3。在原始地层压力条件下（Pe＝52.5MPa），四类储层（＞5mD、1～5mD、0.1～1mD和＜0.1mD）相对于地面常规渗透率的无