摘要：異常高壓低滲透致密氣藏由于其自身的地質(zhì)特征，在衰竭式開發(fā)過程中表現(xiàn)出較強(qiáng)的儲(chǔ)層應(yīng)力敏感，特別是滲透率應(yīng)力敏感會(huì)明顯影響氣藏的開發(fā)效果。在滲流力學(xué)理論基礎(chǔ)上建立了考慮應(yīng)力敏感的三維氣、水兩相流數(shù)值模型，并編寫了相應(yīng)的數(shù)值模擬軟件。模擬計(jì)算結(jié)果表明：隨壓力下降，巖石形變對(duì)低滲透儲(chǔ)層的影響明顯要高于對(duì)高滲透儲(chǔ)層的影響；儲(chǔ)層滲透率越低，應(yīng)力敏感就越強(qiáng)，導(dǎo)致氣井所殺生產(chǎn)壓差就越大，使得氣井對(duì)地層能量的利用率越低，故由應(yīng)力敏感所導(dǎo)致氣井產(chǎn)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(yīng)力變化范圍大且變化的下限低，導(dǎo)致儲(chǔ)層巖石具有更強(qiáng)的應(yīng)力敏感。因此在異常高壓、低滲透、特低滲透氣藏開發(fā)中應(yīng)充分考慮儲(chǔ)層應(yīng)力敏感的影響，并針對(duì)不同滲透率的儲(chǔ)層制訂相應(yīng)的開發(fā)對(duì)策，使開發(fā)方案能更加準(zhǔn)確地指導(dǎo)該類氣藏的開發(fā)。

關(guān)鍵詞：低滲透油氣藏；異常高壓；生產(chǎn)能力；應(yīng)力；數(shù)值模型；開發(fā)對(duì)策

    目前，在我國(guó)西部發(fā)現(xiàn)了大量的異常高壓、低滲透致密透氣藏，如四川的磨溪?dú)馓锛味螝獠亍ⅠR井氣田蓬萊鎮(zhèn)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(guī)氣藏。異常高壓氣藏由于地壓系數(shù)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(yīng)力會(huì)大幅度增加，結(jié)果會(huì)使巖石發(fā)生顯著的彈塑性形變，巖石滲透率、孔隙度和巖石壓縮系數(shù)等物性參數(shù)減小，這種性質(zhì)叫做儲(chǔ)層的應(yīng)力敏感，且不同滲透類型的儲(chǔ)層應(yīng)力敏感對(duì)氣藏的最終開發(fā)效果有著不同的影響^[1]。因此，研究該類氣藏開發(fā)過程中不同滲透儲(chǔ)層應(yīng)力敏感對(duì)氣井產(chǎn)能的影響是一個(gè)非常重要的課題。

    位于異常高壓帶的儲(chǔ)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(xì)管壓力減小等)。氣藏開發(fā)中，由于地層壓力下降導(dǎo)致有效應(yīng)力增加，從而使巖石的相關(guān)物性特征發(fā)生變化(即巖石變形)。由有效應(yīng)力、上覆壓力和地層流體壓力的關(guān)系可知，異常高壓使得儲(chǔ)層巖石的原始有效應(yīng)力降低，且增大了氣藏開發(fā)過程中有效應(yīng)力的變化范圍，特別是使得有效應(yīng)力變化的下限降低，這將使得儲(chǔ)層巖石變形更加敏感。關(guān)系式為：

    σ_e=σ_t-p    (1)

式中：σ_e為巖石基質(zhì)的垂直有效應(yīng)力，MPa；σ_t為上覆凈巖壓力，MPa；p為地層流體靜壓，MPa。

    由實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(圖1)可知，不同滲透類型的儲(chǔ)層應(yīng)力敏感具有較大差別。當(dāng)?shù)貙訅毫τ稍贾?19.5MPa)降到10MPa時(shí)，壓力下降了48.72%，氣藏平均產(chǎn)能由原始值1.0降到0.533，下降了46.7%。

 

    當(dāng)?shù)貙訅毫档?span>10MPa時(shí)，第1種特低滲透儲(chǔ)層(K≤0.04×10^-3μm²)的產(chǎn)能下降幅度最大，產(chǎn)能只有初始的30.2%，該類儲(chǔ)層的應(yīng)力敏感最強(qiáng)；第2種儲(chǔ)層(0.04×10^-3μm²＜K≤0.1×10^-3μm²)的產(chǎn)能只有初始的56.0%；第3種儲(chǔ)層(K＞0.1×10^-3μm²)的應(yīng)力敏感相對(duì)較弱，產(chǎn)能仍保持在初始的73.8%左右。

在滲流力學(xué)基礎(chǔ)上，從推廣的達(dá)西定律和黑油模型出發(fā)建立了三維氣、水兩相流考慮應(yīng)力敏感的非線性滲流數(shù)學(xué)模型^[3～4]，即

 

令K(p_g)=K_MULT(p_g)K_i，并代入式(2)得：

 

式(2)中包含了4個(gè)基本變量：p_g、p_w、S_g、S_w。為了完整地描述方程，還需3個(gè)附加的輔助關(guān)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(shí)間采用向前差分)，并整理得到相應(yīng)的數(shù)值方程：

 

式中：T_l為網(wǎng)格間的傳導(dǎo)率，；K_MULT為隨地層壓力變化的滲透率乘子；K_i為原始地層壓力下的滲透率；f_G為幾何因子，f_G=A/L；A、L分別為網(wǎng)格間流動(dòng)的截面積和距離；V_b為網(wǎng)格塊體積，V_b=△x△y△z；△x、△y、△z為網(wǎng)格步長(zhǎng)。

在所建立的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，編制了考慮儲(chǔ)層應(yīng)力敏感的單井?dāng)?shù)值模擬軟件。用本軟件模擬計(jì)算了馬井蓬萊鎮(zhèn)組氣藏氣井在3種不同滲透儲(chǔ)層應(yīng)力敏感情況下的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)，并研究分析了不同滲透儲(chǔ)層的應(yīng)力敏感對(duì)氣井產(chǎn)能的影響(圖1)。將氣藏相關(guān)參數(shù)輸入氣藏?cái)?shù)值模擬模型進(jìn)行計(jì)算，預(yù)測(cè)期為120個(gè)月(見表1)。

生產(chǎn)指標(biāo)	K≤0.04×10-3μm2			0.04×10-3μm2＜K≤0.1×10-3μm2			K＞0.1×10-3μm2
	不考慮應(yīng)力敏感	考慮基塊應(yīng)力敏感		不考慮應(yīng)力敏感	考慮基塊應(yīng)力敏感		不考慮應(yīng)力敏感	考慮基塊應(yīng)力敏感
		等穩(wěn)產(chǎn)期	等產(chǎn)量		等穩(wěn)產(chǎn)期	等產(chǎn)量		等穩(wěn)產(chǎn)期	等產(chǎn)量
配產(chǎn)產(chǎn)量(104m3/d)	1.000	0.482	1.000	1.500	1.045	1.500	2.000	1.710	2.000
儲(chǔ)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(wěn)產(chǎn)期(mon)	47	47	6	71	71	16	92	92	64
穩(wěn)產(chǎn)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(wěn)產(chǎn)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(wěn)產(chǎn)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(wěn)產(chǎn)期末生產(chǎn)壓差(MPa)	0.646	0.399	0.658	0.866	0.699	0.861	1.048	0.958	1.056
穩(wěn)產(chǎn)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(duì)比預(yù)測(cè)期各項(xiàng)生產(chǎn)指標(biāo)(表1)可知：

    儲(chǔ)層滲透率越低，應(yīng)力敏感就越強(qiáng)，由于應(yīng)力敏感導(dǎo)致氣井產(chǎn)能的損失就越大。

    與不考慮應(yīng)力敏感時(shí)等產(chǎn)量預(yù)測(cè)：考慮基塊應(yīng)力敏感和不考慮基塊應(yīng)力敏感相比，第3種儲(chǔ)層中的氣井穩(wěn)產(chǎn)期只縮短了30.43%，穩(wěn)產(chǎn)期末采出程度只降低了30.78%；第2種儲(chǔ)層中的氣井穩(wěn)產(chǎn)期縮短了77.46%，穩(wěn)產(chǎn)期末采出程度降低了78.58%；而第1種儲(chǔ)層種的氣井穩(wěn)產(chǎn)期縮短了87.23%，穩(wěn)產(chǎn)期末采出程度降低了89.32%，穩(wěn)產(chǎn)期大大縮短了。

    與不考慮應(yīng)力敏感時(shí)等穩(wěn)產(chǎn)期預(yù)測(cè)：考慮基塊應(yīng)力敏感和不考慮基塊應(yīng)力敏感相比，要達(dá)到相同穩(wěn)產(chǎn)期，第3種儲(chǔ)層中的氣井產(chǎn)量只減小了14.50%，穩(wěn)產(chǎn)期末采出程度只降低了14.50%；第2種儲(chǔ)層中的氣井產(chǎn)量減小了30.33%，穩(wěn)產(chǎn)期末采出程度降低了30.33%；而第1種儲(chǔ)層種的氣井產(chǎn)量減小了51.80%，穩(wěn)產(chǎn)期末采出程度降低了51.80%，穩(wěn)產(chǎn)期產(chǎn)量降低了一半多。

    與不考慮應(yīng)力敏感時(shí)等產(chǎn)量預(yù)測(cè)：考慮基塊應(yīng)力敏感和不考慮基塊應(yīng)力敏感相比，第3種儲(chǔ)層中的氣井穩(wěn)產(chǎn)期末單位壓降采氣量只降低了30.75%；第2種儲(chǔ)層中的氣井穩(wěn)產(chǎn)期末單位壓降采氣量降低了78.59%；而第1種儲(chǔ)層種的氣井穩(wěn)產(chǎn)期末單位壓降采氣量則非常低，降低了89.32%。

    與不考慮應(yīng)力敏感時(shí)等穩(wěn)產(chǎn)期：考慮基塊應(yīng)力敏感和不考慮基塊應(yīng)力敏感相比，第3種儲(chǔ)層中的氣井穩(wěn)產(chǎn)期末單位壓降采氣量只降低了14.96%；第2種儲(chǔ)層中的氣井穩(wěn)產(chǎn)期末單位壓降采氣量降低了31.03%；而第1種儲(chǔ)層種的氣井穩(wěn)產(chǎn)期末單位壓降采氣量則降低了52.51%，降低了一半多。

    從生產(chǎn)壓差曲線上可以看出，滲透率越低的儲(chǔ)層，氣井在穩(wěn)產(chǎn)期所需的生產(chǎn)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(chǎn)量，則必須快速降低井底流壓，放大生產(chǎn)壓差。

    等穩(wěn)產(chǎn)期預(yù)測(cè)時(shí)，考慮和不考慮基塊應(yīng)力敏感相比，第3種儲(chǔ)層中的氣井穩(wěn)產(chǎn)期所需生產(chǎn)壓差比后者僅高8.59%；第2種儲(chǔ)層中的氣井穩(wěn)產(chǎn)期所需生產(chǎn)壓差比后者高19.28%；而第1種儲(chǔ)層的氣井穩(wěn)產(chǎn)期所需生產(chǎn)壓差最高，比后者高出了38.24%。

    總之，儲(chǔ)層滲透率越高，應(yīng)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(chǔ)層中的應(yīng)力變化范圍大、敏感性非常強(qiáng)，滲透率隨地層壓力下降將會(huì)較大程度地降低，因此，異常高壓、低滲透、特低滲透儲(chǔ)層在開發(fā)過程中就更應(yīng)重視儲(chǔ)層應(yīng)力敏感的影響。

    1) 建立了考慮應(yīng)力敏感的異常高壓、低滲透氣藏單井?dāng)?shù)值計(jì)算模型，并編制了考慮應(yīng)力敏感的單井?dāng)?shù)值模擬軟件。

    2) 模擬計(jì)算表明，隨壓力下降，巖石形變對(duì)低滲透儲(chǔ)層的影響明顯要高于其對(duì)高滲儲(chǔ)層的影響。儲(chǔ)層滲透率越低，應(yīng)力敏感就越強(qiáng)，導(dǎo)致氣井所需生產(chǎn)壓差就越大，使得氣井對(duì)地層能量的利用率越低，因此，由于應(yīng)力敏感導(dǎo)致氣井產(chǎn)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(yīng)力變化范圍大且有效應(yīng)力變化的下限低，其導(dǎo)致儲(chǔ)層巖石具有更強(qiáng)應(yīng)力敏感。因此，在異常高壓、低滲透、特低滲透氣藏開發(fā)中應(yīng)充分考慮儲(chǔ)層應(yīng)力敏感的影響，且針對(duì)不同的滲透儲(chǔ)層制訂相應(yīng)的開發(fā)對(duì)策，以使編制的開發(fā)方案能更加準(zhǔn)確的指導(dǎo)該類氣藏的開發(fā)。

[1] DAVIES J P，DAVIES D K.Stress-dependent Dermeability：Characterization and modeling[C]∥SPE Annua.Technical Conference and Exhibition.Houston：SPE，1999.

[2] 史蒂文，羅伯特.異常高壓氣藏[M].北京：石油工業(yè)出版社，2003.

[3] 張居增.氣藏非線性滲流數(shù)值模擬技術(shù)研究[D].成都：西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院，2004.

[4] 張烈輝，向祖平，馮國(guó)慶.低滲透氣藏考慮啟動(dòng)壓力梯度的單井?dāng)?shù)值模擬[J].天然氣工業(yè)，2008，28(1)：108-109.

[5] 李允.油藏模擬[M].山東東營(yíng)：石油大學(xué)出版社，1999.

 

(本文作者：向祖平¹ 謝峰² 張箭² 魏學(xué)斌³ 1.中國(guó)石化西南油氣分公司博士后科研工作站；2.中國(guó)石化西南油氣分公司勘探開發(fā)研究院；3.中國(guó)石油青海油田公司勘探開發(fā)研究院)