可动水对储层应力敏感性影响的实验研究

杨国红，李秀清，李明秋，吴 铮，朱 讯，邹 娟，李雪松，丰 妍

(1.中国石油西南油气田分公司，四川 成都 610213；2.西南石油大学，四川 成都 610500)

0 引 言

储层应力敏感性是气藏开发的必要参数。国内外对储层应力敏感性及影响因素方面的研究较多，董红坤[1]等运用理论模型方法，研究了气藏可动水饱和度的压敏效应；郭平[2]等开展了致密气藏束缚水与可动水研究实验；游利军[3]等采用毛细管自吸法进行束缚水条件下的供气实验；刘宇展[4]等分析改变围压条件下气水两相流体在致密储气层中的流动变化；张阳[5]等对比应力敏感性实验数据，建立了一套针对致密砂岩气藏的应力敏感性的评价方法；苟燕[6]等采用变流压定围压实验方式模拟了高温、高压条件下气藏开发过程中的应力敏感性；杨朝蓬[7]等运用定围压变内压的方法，开展了恒定束缚水饱和度条件下的应力敏感性研究；盛军[8]等通过实验分析了压力、含水饱和度、气相相对渗透率三者的关系，认为生产压差增大会导致含水饱和度升高，从而降低储层气相渗流能力；袁浩伟[9]等运用定外压变内压的实验方法进行了致密气应力敏感性实验；李跃刚[10]等改进了应力敏感性实验装置，开展了应力敏感性对致密砂岩气藏气水两相渗流特征的影响研究；朱金智[11]等转变思路采用增加围压和改变驱替压力的方式，研究了高温高压致密气藏的应力敏感性；张小龙[12]等通过对比常规应力敏感性实验和模拟气藏开发过程中的应力敏感性实验，分析了低渗储层应力敏感性对渗透率和孔隙度的影响；闫健[13]采用改变回压、围压及轴压方式测试并分析不同压力条件对气藏应力敏感性的影响等。但目前储层应力敏感性研究主要集中于束缚水岩心和干岩心，鲜有见到考虑可动水条件下的储层应力敏感性实验研究。可动水条件下应力敏感性研究的难点在于高温高压条件下岩心中稳定含水饱和度的控制及气水两相渗流稳态状态的建立，且在实现稳态过程中大量的气水量从岩心通过，现场取回的有限气样难以满足实验要求。为此，提出了一种高温高压气水两相渗流条件下应力敏感性实验评价方法，通过引入电容法液体计量计控制岩心含水饱和度，利用蠕动泵调节实验装置内的气水循环流动来获取可动水饱和度下应力敏感性数据，可以实现高温高压条件下的岩心含水饱和度的精准控制，无限循环可以节约大量气样和水样，为有水气藏的渗流机理研究提供了技术支持。

1 可动水对储层应力敏感性影响实验方法

通过蠕动泵和气液比检测装置调节岩样中的含水饱和度，采用循环气水量的方式来稳定实验过程中高于束缚水条件的含水饱和度，然后通过电容式液量计量计测算岩样中含水饱和度；采用电阻式加热装置模拟地层温度，选用定围压降内压的方式模拟储层生产过程的压力变化。实验装置优点在于可通过高温高压气水量循环的方式进行稳态下的耐温耐压应力敏感性实验。

1.1 实验装置及流程

实验装置(图1)包括低摩阻中间容器、电动涡轮计量泵、电动围压泵、压力传感器、计量泵及检测设备、蠕动泵、气液比检测装置、电容式液体计量计、电阻式加热装置等。设立2套低摩阻中间容器，分别装有实验气体和配置模拟地层水，实验采用自主开发设计的高温高压应力敏感测量设备，该流程的实验测试流体压力最高为80 MPa，最高温度为180 ℃，最高围压为200 MPa。测量的岩心长度为3～8 cm，岩心直径为2.5 cm。该实验装置可进行可动水条件下的应力敏感性实验，且能满足耐温耐压的实验要求。

1.2 实验步骤

(1) 按图1进行连接，准备岩心，配置地层水样和模拟气样，检查装置气密性，测量模拟气样和地层水样的黏度。

图1 实验装置Fig.1 The experimental flow chart

(2) 标定实验死体积，采用逐级饱和的方式增加系统压力(围压始终大于内压3 MPa)，通过加热装置加温，维持系统内温度、压力稳定。

(3) 通过计量泵调节计量计内的液面高度，保持装置内岩心系统压力平衡；待压力稳定后，打开计量泵，在预先设定的流速下进行循环，待气液流量稳定，记录饱和地层水量。

(4) 根据蠕动泵的压差以及气水流量计算此时的气相有效渗透率，再根据气液比(由气液比检测装置获得)和死体积计算岩心中的含水饱和度。

(5) 气液比保持在该含水饱和度条件下不变，调节计量泵降低内压，进行不同有效应力下的气相有效渗透率测定。

(6) 采用相同办法，调节液体计量计内循环液量，测定第2个含水饱和度时不同内压下的气相有效渗透率。以此类推，直至可动水退完为止。

(7) 计算含水饱和度、以及该温度压力条件下的气测渗透率和无因次渗透率(渗透率与原始渗透率的比值)并绘制曲线。

1.3 数据处理方法

利用上述实验步骤及测量值，结合以下模型计算得到不同饱和度条件下Sw的渗透率应力敏感性曲线。

(1)

(2)

(3)

式中：Sw为岩样中含水饱和度；Kg为气测渗透率，mD；v0为系统管线死体积，cm3；v1为岩心饱和地层水体积，cm3；v2为液面下降的计量计内体积，cm3；μ为实验气体的黏度，mPa·s；L为岩心长度，cm；A为岩心横截面积，cm2；Q为气液总流量，cm3/s；Qg为气相总流量，cm3/s；p0为测试条件下标准大气压，MPa；p1为进口两端压力，MPa；p2为出口两端压力，MPa；GWR为气水比。

测定干岩心及束缚水饱和度条件下的岩心应力敏感性实验采用常规测试方法，参照行业标准“储层敏感性流动实验评价方法”(SY/T5358-2010)[15]执行。

2 可动水条件下岩心应力敏感性实验

2.1 不同物性岩心不同含水饱和度条件下的应力敏感性实验

采用上述方法测定了不同物性岩心不同含水饱和度条件下的应力敏感性实验，分析了可动水对不同物性岩心渗透率应力敏感性的影响，为气藏含水开发过程提供实验依据。实验条件为：模拟地层温度为67 ℃，初始实验流体内压为22 MPa，模拟上覆压力为58 MPa，采用降内压的方式进行敏感性实验。实验岩心基础物性如表1所示，实验结果如图2～4所示。

图2 1-75岩心无因次渗透率应力敏感性曲线Fig.2 The curve of dimensionless permeabilityto stress sensitivity of Core 1-75

表1 实验岩心的基础物性Table 1 The basic physical parameters of experimental cores

实验结果表明：相同实验条件下，随着含水饱和度的增加，不同物性岩心的应力敏感性出现不同程度增强；物性较好的1-22、1-21岩心束缚水饱和度为31.00%～34.00%，含水继续上升出现可动水，而物性较差的1-75岩心束缚水饱和度升至57.58%后才出现可动水；束缚水条件下的3块岩心应力敏感程度均强于干岩心的应力敏感性；可动水条件下，含水饱和度增加至57%～79%，岩心的应力敏感性继续加剧，远大于干岩心和束缚水饱和度岩心，含水饱和度越高，应力敏感性越强。

图3 1-22岩心无因次渗透率应力敏感性曲线Fig.3 The curve of dimensionless permeabilityto stress sensitivity of Core 1-22

图4 1-21岩心无因次渗透率应力敏感性曲线Fig.4 The curve of dimensionless permeabilityto stress sensitivity of Core 1-21

2.2 可动水对不同物性岩心渗透率影响

图5为地层条件下岩心含水饱和度与无因次渗透率的关系曲线。由图5可知，含水饱和度增加使得储层渗透性受到损害，含水饱和度越高，渗透率损失越大，地层条件下干岩心渗透率为0.1～2.0 mD，含水饱和度从0增至束缚水条件时，物性较好的1-22、1-21岩心地层气测渗透率损害率为71%～74%，1-75岩心地层渗透率损害率为32%；含水饱和度继续升至可动水条件时，含水饱和度增加为75%～79%，3块岩心地层渗透率的损害率为76%～95%，其中物性较好的1-22、1-21岩心损害率要高于1-75岩心。相同的模拟地层条件下，干岩心渗透率越高，含水后渗透率损失越明显，物性越好，渗透率损害越高。

图5 地层条件下岩心含水饱和度与无因次渗透率的关系Fig.5 The relationship between water saturation and dimensionlesspermeability of the core under formation conditions

图6为岩心含水饱和度与应力敏感性指数的关系曲线。由图6可知，渗透率为0.1～2.0 mD的干岩心应力敏感性指数表现为地层条件下渗透率越低，应力敏感性指数越高；随着岩心中含水饱和度的增加，应力敏感性增强；当含水饱和度由0增至束缚水条件时，应力敏感性指数升高，1-22、1-21岩心应力敏感性指数由0.100～0.200增至0.200～0.300，1-75岩心应力敏感性指数由0.330增至0.350；岩心含水饱和度从束缚水条件增至可动水条件，含水饱和度增加为70%～80%，物性较好的1-22、1-21岩心应力敏感性指数从0.200～0.300增至0.350～0.357，物性较差的1-75号岩心从0.356增至0.368，其应力敏感性仍强于物性较好的1-22、1-21岩心。

图6 岩心含水饱和度与应力敏感性指数的关系Fig.6 The relationship between water saturation andstress sensitivity index parameter of the core

岩心应力敏感性受含水程度的影响较大，原因在于孔隙结构的变化，由于界面张力的作用水进入岩石骨架后产生水膜降低孔喉道半径，造成地层渗透率降低，同时加剧储层应力敏感程度，水的存在也会降低岩石骨架的抗压强度，岩石骨架受有效压力增加会进一步加剧应力敏感程度，同时，岩心的应力敏感程度也受气水两相渗流的影响，气水两相同时流动时，气相相对渗透率始终维持在较低水平，随着生产过程中地层流体压力的降低，岩石中气相相对渗透率也会降低，这就进一步减弱了岩石中的气相渗流能力，降低气井产能。

3 可动水条件的应力敏感性对气井产能的影响

3.1 本构方程

渗透率随有效压力的变化可以用乘幂关系式进行描述：

Ki=aKgiebp

(4)

式中：a为应力敏感性系数参数；b为应力敏感性指数参数；p为地层有效压力，MPa；Ki为气测渗透率，mD；Kgi为地层条件气测渗透率，mD。

通过计算上述实验岩心的应力敏感性参数与含水饱和度的关系如图7、8所示，可得到参数a、b与含水饱和度的关系：

图7 含水饱和度与应力敏感性指数参数b的关系Fig.7 The relationship between water saturation andstress sensitivity index parameter b

b=0.000065Sw+0.003263

(5)

a=-0.000039Sw+0.999859

(6)

将式(5)、(6)代入式(4)可得：

(7)

式(7)即为表征该气藏可动水条件下的应力敏感性关系式，通过该式比较地层条件下的无因次渗透率真实值与计算值发现，真实值与计算值平均误差在2%以内，可由此式通过渗透率和含水饱和度计算该气藏的应力敏感性。

3.2 考虑应力敏感性的气井产能方程

为研究可动水条件下的气藏应力敏感性对产能的影响，根据以上实验研究数据建立了可动水条件下的考虑应力敏感性的气井产能模型。

图8 含水饱和度与应力敏感性系数参数a的关系Fig.8 The relationship between water saturation andstress sensitivity coefficient parameter a

不考虑应力敏感性的气藏直井产能方程：

(8)

将式(6)、(7)、(8)联立，建立考虑应力敏感性的气藏直井产能方程[14]：

(9)

(10)

其中，气相渗透率受含水饱和度的影响，含水饱和度与气相渗透率呈指数关系，含水饱和度越高，气相渗透率越低，以岩心1-21实验结果为例，建立地层条件下的含水饱和度与气相渗透率的关系：

Kgi=1.7859e-0.0415Sw

(11)

假定该气藏原始地层压力为22 MPa，储层厚度为50 m，供给半径为200 m，渗透率为1.85 mD，井筒半径为0.1 m，根据式(7)～(11)绘制不同可动水饱和度条件下考虑应力敏感性与不考虑应力敏感性的产能流入动态曲线(图9)。

图9 不同含水饱和度下IPR曲线Fig.9 The IPR curve at different water saturation

(1) 对比35%～80%含水饱和度储层IPR曲线可知，随着含水饱和度增高，气井产能降低，含水饱和度越高的气井产能受应力敏感性影响越大；处于35%、40%、50%等低含水饱和度时，产能降低幅度明显，气井产能受应力敏感性损失可达9.24%；处于60%、70%、80%等高含水饱和度时，产能依然在降低，气井受应力敏感性损失可达11.87%。

(2) 对比不同含水饱和度的无阻流量(图10，表2)发现，考虑应力敏感性影响的无阻流量小于不考虑应力敏感性的无阻流量，储层中含水饱和度越高，两者的差异越大。

图10 不同含水饱和度的无阻流量对比Fig.10 The comparison of open flow with different water saturation

(3) 从表2与图10可知，储层含水饱和度低时，受应力敏感作用产能降低幅度明显；含水饱和度高时，产能降低幅度不明显。其主要原因是由于处于高含水饱和度时，产能已经降低至极限，高含水饱和度时受应力敏感性程度虽然强于低含水饱和度，但产能变化幅度变小。

表2 不同含水饱和度无阻流量对比Table 2 The comparison of open flow with different water saturation

4 结 论

(1) 基于自主研发的电容法液体计量计控制岩心含水饱和度，蠕动泵控制气水循环流动的应力敏感性实验评价方法，摆脱了单一通过调整入口端气水比例和回压阀联合控制的思路。将仪器装备最高实验温度和实验压力分别提高到200 ℃和80 MPa，实验周期大量缩短，稳定性大幅度提升。

(2) 建立模拟地层条件下基于高温高压电容液位计量方式的可动水对应力敏感性影响的实验评价方法，可实现对岩心中含水饱和度的精准控制，无限循环节约大量的气样和水样，缩短了实验周期。

(3) 分析了含水饱和度对不同物性岩心应力敏感性影响，可动水存在条件下岩心的应力敏感性强于干岩心与束缚水岩心，含水饱和度越高，应力敏感性越强；岩心物性越好，可动水对应力敏感性的影响越小；考虑应力敏感性的产能模型计算表明，储层含水饱和度越高，应力敏感性越强，产能降低越明显。