高温高压气藏应力敏感表征及矿场应用

鲁瑞彬，胡 琳，王雯娟，杨 柳，张 骞

(中海石油(中国)有限公司湛江分公司，广东 湛江 524057)

0 引 言

应力敏感伴随气藏开发整个过程，对气藏开发方案研究、指标预测都有较大影响，通常采用室内实验的方式对应力敏感进行研究[1-4]。在实验过程中常采用变围压定内压及定围压变内压2种实验方法来模拟实际开发过程中的应力敏感，前人[5-9]实验研究较多，但在实验结果及实验代表性等认识上存在一定差异。2种实验方法均采用干岩心开展实验，未能真正模拟地层存在束缚水下的渗流情况，且已有应力敏感研究多是基于室内实验[7，10-11]，缺乏对实验结果和气藏开发实践认识的对比分析，无法解决南海西部高温高压气藏开发实践应力敏感程度较实验结果弱的问题。

南海西部高温高压气藏物性差，试井渗透率多在20.00 mD以下(部分区块试井渗透率小于3.00 mD)，压力系数大于1.90，开发过程中存在一定的应力敏感现象。通过优选变内压建立束缚水应力敏感实验，结合南海西部高温高压气藏开发应力敏感认识，对实验数据进行校正，从而指导探井、生产井试井解释及合理配产。

1 应力敏感实验方法及影响因素研究

1.1 应力敏感实验方法优选

变围压和变内压是目前常用的应力敏感实验方法[12]，2种方法均存在不能准确模拟气藏开发生产实际过程的问题。通过开展不同方式应力敏感实验，对比分析各实验结果差异，从而确定最佳实验。

(1)变围压应力敏感实验。变围压实验操作简单，是目前应力敏感实验最普遍的方法[13-15]。该实验模拟的是有效应力随上覆压力的变化而变化，与实际气藏开发过程中有效应力随孔隙压力的减小而变化存在一定差异，且有效应力计算存在较大争议[9,16-17]，综合分析认为变围压应力敏感实验代表性差。

(2)变内压应力敏感实验。变内压应力敏感实验一般设定入口压力等于地层压力，出口和入口保持一定压差，实验过程中出口和入口端压力同步下降[18]。该方法虽然能够很好模拟气藏开发过程中地层压力的变化情况，但没有考虑开发过程中地层束缚水对储层物性变化的影响。

(3)定围压变内压建立束缚水应力敏感实验。定围压变内压同时建立束缚水实验不但能够很好地模拟地层压力的变化，还可以考虑随着压力的下降束缚水对物性的影响，因此，采用该应力敏感实验开展研究。

1.2 应力敏感影响因素

从机理上分析，有效应力变化量及组成岩石的矿物成分是影响储层应力敏感强弱的决定因素[10]。在实际研究过程中，应力敏感程度还受实验温度、实验方式、岩心渗透率、裂缝发育程度等因素影响。结合南海西部地质油藏特征(裂缝不发育)及各影响因素主次关系，重点研究实验方式、矿物含量、岩心渗透率对应力敏感的影响。

1.2.1 不同实验方式对应力敏感的影响

由于变围压和变内压的应力作用机理不同，变围压增大了有效应力的变化量，导致变围压应力敏感实验结果大于变内压实验，放大了气藏开发过程中的应力敏感效应[9,15-17]。

在变内压实验中，岩心是否建立束缚水影响应力敏感实验结果，大量实验发现，岩心建立束缚水较不建立束缚水应力敏感更强。在建立束缚水应力敏感实验中，在孔隙被压缩后，会造成一定程度的束缚水运移，运移量小，无法移出岩心，只在岩心内部重新分布，堵塞较小的孔隙，增加小喉道气体的渗流阻力，造成岩心渗透率降低。因此，对于低渗透岩心，建立束缚水与不建立束缚水岩心应力敏感实验结果相差较大。

1.2.2 岩心矿物含量对应力敏感的影响

岩心中高硬度矿物含量越高，应力敏感越弱，影响岩心应力敏感性的主要矿物成分为石英、长石、黏土矿物等，其中，石英硬度最强，长石次之，黏土最弱。

1.2.3 初始渗透率对应力敏感的影响

南海西部大量应力敏感实验结果及前人[19]研究成果均表明初始渗透率越低，应力敏感越强。

2 研究区应力敏感实验

利用变内压建立束缚水实验开展研究区气田应力敏感研究，改进应力敏感表征方法，获得研究区应力敏感评价系数。

2.1 应力敏感表征

目前常用的评价储层应力敏感的方法有渗透率损失率[12]、渗透率损害系数和数学回归等方法。

(1)

(2)

式中：Dstn为有效应力增加过程中不同有效应力下的渗透率损害率；Ki为初始渗透率，mD；Kn为有效应力增加过程中不同有效应力下的岩心渗透率，mD；Dkp为渗透率损害系数，MPa-1；pn为有效应力增加过程中不同有效应力值，MPa。

式(2)用来表征气藏开发过程(应力敏感实验过程)中不同开发(实验)阶段应力敏感的强弱，计算结果是连续的，过程比较复杂，且指导应用意义较差，目前应用较少。对式(2)进行适当改进，用随有效应力增加过程中渗透率下降的比例来表征气藏开发过程中不同阶段应力敏感的强弱。

(3)

式中：Δσ为有效应力变化量，MPa。

利用式(3)计算气藏开发过程中不同开发阶段应力敏感的强弱更为简单，只涉及气藏初始状态和目前开发状态，与中间过程无关，与式(2)相比简单易用、推广性较强。

在南海西部高温高压气藏应力敏感研究中，以幂律关系式来表征不同气藏、不同应力敏感实验的强弱程度，指导气藏开发，如式(4)所示；利用式(3)对比分析气藏开发过程中不同开发阶段应力敏感的强弱，用于分析高温高压气藏应力敏感变化规律。

(4)

式中：a为系数；γ为应力敏感幂律系数。

2.2 研究区应力敏感实验结果

研究区F气田为中孔中低渗气藏，储层埋深约为2 700 m，压力系数为1.95。以研究区实际压力数据为基础，开展8块岩心变内压建立束缚水应力敏感实验(表1)，其中，围压设置为67.5 MPa，最大孔隙压力为51.5 MPa，最小孔隙压力为6.5 MPa左右，初始有效应力为16.0 MPa，最大有效应力为61.0 MPa，有效应力变化量为0.0～45.0 MPa，实验结果见图1。对8块岩心的实验数据进行归一化处理，得到研究区实验应力敏感幂律系数为0.176。

表1 岩心基础数据及实验结果

图1 研究区岩心应力敏感实验结果

3 研究区应力敏感校正

以南海西部高温高压F气田生产井历次试井解释结果数据为基础，对比分析实验结果与矿场实际应力敏感程度差异，并推导得出实验应力敏感校正系数，从而可以有效指导实验结果在气藏生产中的应用。

3.1 实验结果与矿场实际对比

F气田经过多次压力恢复测试的井共3口，均表现出一定的应力敏感效应，3口井历次试井解释结果见表2。分析3口井历次试井解释结果，并作归一化处理，得到研究区实际应力敏感幂律系数为0.094(图2)。

综合实验结果及研究区试井解释结果，分别得到研究区实验应力敏感方程和实际试井解释应力敏感方程，如式(5)和式(6)所示，应力敏感幂律系数分别为0.176和0.094，应力敏感程度存在较大差别(图3)，实验结果夸大了高温高压气藏应力敏感程度，不能直接应用到实际气田开发生产中。

(5)

(6)

式中：Kn实验为实验有效应力增加过程中不同有效应力下的岩心渗透率，mD；Ki实验为实验岩心初始渗透率，mD；Kn实际为试井解释有效应力增加过程中不同有效应力下的试井渗透率，mD；Ki实际为气井投产初期试井渗透率，mD。

表2 F气田各井历次试井解释结果

图2 研究区实际应力敏感曲线

图3 实验和生产井实际应力敏感对比

3.2 应力敏感校正系数

实验与实际应力敏感存在差异的原因为实验误差、试井解释误差、岩心代表性、储层非均质性及气藏开发实际过程中有效应力变化的计算方法等，各因素难以定量表征，因此，无法针对具体因素开展应力敏感校正。为方便开发应用，提出渗透率校正系数η来表征实验和实际之间的差异。

η为地层压力下降的函数，目前研究区地层压力下降约17 MPa，得到实际储层渗透率为实验渗透率的1.26倍，实际应力敏感程度仅为实验值的79%。

(7)

式中：η为渗透率校正系数。

进一步分析高温高压气藏应力敏感特征，利用应力敏感方程计算渗透率损害系数，计算结果如图4所示。

图4 渗透率损害系数计算结果

由图4可知，高压气藏前期渗透率下降速度较快，应力敏感表现较强，当研究区有效应力变化达到25 MPa之后，渗透率下降幅度明显降低，整个开发过程呈现“两段式”应力敏感，曲线为“先陡后缓”型。

3.3 应力敏感校正系数验证

南海西部LD气田为高温高压低渗气田，渗透率为5.00 mD左右，LD-1井为该气田的一口生产井，2017年2月投产，投产初期试井渗透率为7.60 mD，该井于2018年12月进行压力恢复测试，解释结果表明该井地层压力下降为16.4 MPa，渗透率为6.30 mD，下降1.30 mD。

利用该气田变内压、建立束缚水应力敏感实验数据，得到实验应力敏感方程为：

(8)

利用式(8)，带入相关参数，计算得到该井渗透率为5.20 mD，利用式(7)计算得到该气田实验应力敏感校正系数为1.260，进而计算得到该井实验渗透率为6.54 mD，与实测渗透率6.30 mD相比，误差仅为3.8%，计算精度较高。

4 指导应用

4.1 指导高温高压气井配产

以式(6)和产能方程为基础，进行应力敏感对产能影响研究(图5)。由图5可知，随着应力敏感幂律系数的增大，气井产能不断降低，无阻流量降低比例与应力敏感幂律系数增加比例基本呈线性关系，从而指导不同应力敏感下高压气井配产。

图5 不同应力敏感幂律系数下的气井流入动态曲线

4.2 指导高温高压气井试井解释

应力敏感研究成果可以很好地指导高温高压气藏生产井及探井的试井解释，已在南海西部4口生产井及3口探井中成功应用。

以L-3高温高压探井为例，该井地层压力为90 MPa，温度为194 ℃，压力系数为2.28。采用一开一关测试制度，开井产能测试阶段历经5个油嘴工作制度共36 h，压力恢复关井21 h。该井物性差，开井压降漏斗陡峭，压差大，依据应力敏感认识结果，解释采用径向复合模型，井周25 m范围内压差大，应力敏感强，外围压差小，应力敏感弱，外围物性好于井周，双对数曲线见图6。应力敏感认识结果对于探井、生产井的试井解释起到很好的指导作用。

5 结 论

(1)开展变内压建立束缚水应力敏感实验研究，有效模拟气藏开发实际，明确高压气藏“两段式”应力敏感变化规律，改进渗透率损害系数表征方法，并建立了实验、开发实践应力敏感方程。

图6 L-3井双对数曲线图

(2)对比分析实验应力敏感和开发认识应力敏感差异，建立了南海西部高温高压气藏应力敏感实验校正方程，获得靶区应力敏感校正系数，解决了南海西部应力敏感实验难以直接应用到矿场实践的问题。

(3)基于研究区应力敏感认识指导高温高压气藏气井配产及试井解释，为南海西部高温高压气藏合理开发提供科学依据。