劉道杰，高文明，付小坡，溫玉煥，馮旭光

(中油冀東油田分公司，河北唐山 063004）

深層低滲油藏儲層介質(zhì)微觀層次變形機(jī)理研究

劉道杰，高文明，付小坡，溫玉煥，馮旭光

(中油冀東油田分公司，河北唐山 063004）

深層低滲油藏生產(chǎn)過程中，近井區(qū)域儲層孔隙性和滲透性急劇降低，造成油井低壓低產(chǎn)和注水井低注入或注不進(jìn)等問題，嚴(yán)重制約了低滲油藏開發(fā)效果。基于低滲油藏開發(fā)過程中的變形力學(xué)行為，利用微觀動力學(xué)原理，綜合位錯運(yùn)動行為、位錯密度及位錯增值機(jī)理，建立低滲油藏儲層介質(zhì)變形微觀動力學(xué)模型。實(shí)例分析表明，井筒周圍儲層孔隙性在開發(fā)過程中大幅度下降，破壞了井筒周圍原油流入井底和注入水流入地層的通道。開展低滲油藏儲層介質(zhì)微觀變形規(guī)律的研究，對編制低滲油藏開發(fā)方案及提高低滲油藏采收率具有重要指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞：深層低滲油藏；變形；孔隙度；微觀層次；位錯理論

引言

針對低滲油藏的變形力學(xué)行為［1－3］，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一系列研究［4－7］，但在微觀上認(rèn)識還不清楚。低滲油藏具有較強(qiáng)的應(yīng)力敏感性［4］，在微觀層次上的變形力學(xué)行為也較常規(guī)油藏更明顯。以低滲油藏礦物晶體為研究對象，引入位錯理論［8］，建立描述低滲油藏儲層介質(zhì)變形的微觀動力學(xué)模型，從微觀層次上揭示低滲油藏儲層介質(zhì)變形的物理力學(xué)行為，為合理控制油水井工作制度及提高油藏開發(fā)效果提供基礎(chǔ)理論參考。

1 位錯基礎(chǔ)理論

礦物晶體受變化應(yīng)力時，滑移區(qū)與未滑移區(qū)的分界線稱為位錯，它準(zhǔn)確描述了晶體受不同應(yīng)力作用下的運(yùn)動行為。對于深層低滲油藏來說，其最大剪應(yīng)力τ比較低，為方便計(jì)算，引入Perers－Nabarro臨界應(yīng)力，將儲層介質(zhì)變形的應(yīng)力敏感性用位錯滑移速度［8］表示為：

深層油藏通常存在高溫，在此條件下，當(dāng)晶體僅受某一不變方向應(yīng)力時，位錯會沿平行于Burgers矢量的方向移動，此時，位錯滑移速度可表示為：

式中：L為障礙間距離，nm；ta為位錯翻越障礙時間，s；ts為位錯翻越相鄰障礙的滑移時間，s；a為實(shí)驗(yàn)常數(shù)；γ為原子翻越障礙頻率，s－1；Ua為位錯吸收的活化能，kJ/mol；T為儲層溫度，℃；b為Burgers矢量；B為黏性系數(shù)。

油藏投入開發(fā)后，當(dāng)晶體受不同方向應(yīng)力作用時，位錯運(yùn)動方向與Burgers矢量隨之變化，此時位錯滑移速度可表示為：

式中：G為實(shí)驗(yàn)常數(shù)；λ1為位錯寬度，nm。

2 低滲油藏儲層介質(zhì)變形微觀動力學(xué)模型

巖石微觀動力學(xué)研究表明，儲層巖石隨著凈上覆壓力的增加，先是發(fā)生晶粒有利取向的位錯運(yùn)動(微觀塑性變形)，然后才是宏觀變形。巖石受應(yīng)力越大，位錯運(yùn)動速度也就越快，該運(yùn)動行為稱為位錯增值。當(dāng)位錯速度超過某一臨界值時，微觀塑性變形就逐漸轉(zhuǎn)化為宏觀彈性變形。對于低滲油藏來說，其應(yīng)力敏感性越大，就越容易產(chǎn)生位錯增值行為。位錯增值方程可寫為：

用位錯密度表征位錯運(yùn)動速度，描述油藏巖石變形與上覆壓力的變化率，其表達(dá)式可寫為：

著名微觀力學(xué)家Egon Orowan提出了表征應(yīng)力、應(yīng)變率、位錯密度及位錯增值率的相互關(guān)系，定量描述晶體滑移系統(tǒng)的位錯增值行為，引入ψs(τ，n)，可寫成：

綜合位錯運(yùn)動行為、位錯密度及位錯增值機(jī)理，利用平均位錯密度將低滲油藏儲層介質(zhì)變形過程表示為：

式(7)即為描述低滲油藏儲層介質(zhì)變形的微觀動力學(xué)模型。右端第1項(xiàng)表征位錯密度的變化量，第2項(xiàng)表征不同應(yīng)力狀態(tài)下位錯增值的變化量，第3項(xiàng)表征位錯密度和位錯增值共同作用下的湮滅。模型采用應(yīng)力增量的方式求解，利用數(shù)值計(jì)算程序，計(jì)算儲層參數(shù)沿油藏徑向距離的變化規(guī)律［8］。

3 實(shí)例分析

以南堡凹陷高尚堡深層高12斷塊為例。該斷塊油藏埋深為3 300～4 000 m，儲層為扇三角洲沉積砂體，孔隙度為7.5%～16.5%，平均為14.37%，滲透率為2.6×10－3～111.4×10－3μm2，平均為22.36×10－3μm2，屬低孔低滲油藏類型。該油藏2012年6月投入開發(fā)，目前油井開井9口，日產(chǎn)油為13.5 t/d，含水率為16.6%，注水井6口(其中5口注水井2013年10月停注，1口為2013年10月轉(zhuǎn)注井)，采出程度為3.23%。油藏存在的主要問題為注水井注不進(jìn)水，油藏能量下降快致使油井低壓低產(chǎn)。

3.1 儲層孔隙性分析

應(yīng)用建立的低滲油藏儲層介質(zhì)變形微觀動力學(xué)模型，分析高12斷塊油藏存在上述問題的作用機(jī)理?；谠摂鄩K油藏基本物性、儲層巖石力學(xué)性質(zhì)及孔滲數(shù)據(jù)(油藏原始孔隙指數(shù)取18.37%，孔隙度取15.52%)，利用數(shù)值計(jì)算程序，分別計(jì)算油藏生產(chǎn)30、60、120、180 d儲層孔隙指數(shù)和孔隙度沿徑向距離的變化關(guān)系(圖1、2)。

圖1 不同時間儲層孔隙指數(shù)沿油藏徑向距離的變化關(guān)系

圖2 不同時間儲層孔隙度沿油藏徑向距離的變化關(guān)系

由圖1、2可以看出，隨著生產(chǎn)時間的增加，油藏近井筒周圍儲層孔隙指數(shù)和孔隙度下降幅度越來越大，近井筒周圍滲透率也大幅度下降，破壞了井筒周圍原油流入井底和注入水流入地層的通道，從而導(dǎo)致油井低壓低產(chǎn)、注水井注不進(jìn)水等問題。

3.2 模型驗(yàn)證

高12－32井為高12斷塊2012年6月投產(chǎn)井，投產(chǎn)初期自噴，日產(chǎn)液為10.5 m3/d，油壓和套壓分別為3.4、4.4 MPa，測井解釋射孔井段孔隙度平均為12.94%，滲透率平均為30.93×10－3μm2，校正后有效滲透為11.30×10－3μm2，說明投產(chǎn)初期井筒周圍儲層孔滲性良好［9］。

自噴生產(chǎn)第80 d，日產(chǎn)液為2.5 m3/d，油壓和套壓分別為0.3、0.8 MPa，井筒周圍儲層已受到破壞，油井產(chǎn)液量較低。根據(jù)方案部署意見，該井實(shí)施轉(zhuǎn)注，注水210 d后，配注30 m3/d，實(shí)注1 m3/d，油壓和套壓分別為30、30 MPa，表明原本已破壞的儲層無法通過增加井底壓力的方式完全恢復(fù)(儲層孔滲傷害實(shí)驗(yàn)證明，低滲油藏孔滲僅能恢復(fù)原來的10%左右)，從而導(dǎo)致注水井注入量低甚至注不進(jìn)。

為了解儲層物性情況，該井注水70 d時進(jìn)行壓力降落測試，選擇“井筒儲集+表皮效應(yīng)+均質(zhì)儲層+無限大邊界”理論模型分析［10－11］，解釋儲層有效滲透率為0.18×10－3μm2，較儲層原始有效滲透率下降98.41%，再次證明井底壓力下降致使井筒周圍儲層孔滲指標(biāo)大幅下降的結(jié)論。

3.3 開發(fā)對策

上述分析表明，已經(jīng)破壞的儲層物性對油水井生產(chǎn)造成了極大影響，因此，開發(fā)該類低滲透油藏時應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

(1)合理控制油水井生產(chǎn)工作制度，保持油水井周圍儲層在較高的孔滲狀態(tài)下工作。

(2)當(dāng)井底壓力降低時，應(yīng)及時補(bǔ)充地層能量，防止井筒周圍儲層破壞。

(3)針對已破壞的井筒周圍儲層，可依據(jù)儲層特性及破壞程度，采用微破裂、酸化、壓裂、增注等方式溝通井底與儲層深部的通道，恢復(fù)油井生產(chǎn)或注水井注水。

4 結(jié)論及建議

(1)基于低滲油藏開發(fā)過程中的變形力學(xué)行為，從微觀層次上建立了低滲油藏儲層介質(zhì)變形動力學(xué)模型。

(2)實(shí)例分析表明，深層低滲油藏開發(fā)過程中，造成油井低壓低產(chǎn)和注水井注入量低或注不進(jìn)等問題的作用機(jī)理為：近井筒周圍儲層孔隙性和滲透性的大幅度下降，破壞了井筒周圍原油流入井底和注入水流入地層的通道。

(3)深層低滲油藏開發(fā)時，應(yīng)采用超前或同步注水、合理控制油井工作制度等方式，保持井筒周圍儲層處于良好的孔滲狀態(tài)下工作，防止井筒周圍儲層發(fā)生破壞。

［1］滕建彬.基于低滲透成因分析的儲層分類方法——以臨南洼陷帶沙三段下亞段碎屑巖儲層為例［J］.油氣地質(zhì)與采收率，2012，19(5)：6－9.

［2］Sulem J，Ouffroulth H.Shear banding in drained and untrained triaxial tests on a saturated sandstone：porosity and permeability evolution［J］.International Journal of Rock Mechanics＆Mining Sciences，2006，43(2)：292－310.

［3］張國輝，任曉娟.低滲儲層孔隙結(jié)構(gòu)分形特征及對水驅(qū)油效率的影響［J］.大慶石油地質(zhì)與開發(fā)，2011，30 (2)：94－99.

［4］李芳芳，高旺來，楊勝來，等.安塞油田高52區(qū)低滲油藏儲層敏感性研究［J］.特種油氣藏，2012，19(4)：127－129.

［5］高輝，孫衛(wèi)，高靜樂，等.特低滲透砂巖儲層微觀孔喉與可動流體變化特征［J］.大慶石油地質(zhì)與開發(fā)，2011，30(2)：89－93.

［6］王培璽，劉仁靜.低滲透儲層應(yīng)力敏感系數(shù)統(tǒng)一模型［J］.油氣地質(zhì)與采收率，2012，19(2)：75－77.

［7］熊健，王紹平，郭平.低滲油藏水平裂縫井增產(chǎn)規(guī)律研究［J］.特種油氣藏，2012，19(6)：101－103.

［8］戚承志，錢七虎.巖體動力變形與破壞的基本問題［M］.北京：科學(xué)出版社，2009：66－132.

［9］武毅，肖紅林.遼河油田低滲油藏水驅(qū)開發(fā)潛力評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)建立［J］.特種油氣藏，2012，19(6)：91－94.

［10］劉文超，張世明，劉曉燕，等.變形三重介質(zhì)低滲透油藏雙滲流動模型［J］.特種油氣藏，2010，17(3)：73－76.

［11］張利軍，程時清，尹洪軍.雙滲三重介質(zhì)油藏試井分析［J］.特種油氣藏，2008，15(5)：66－69，73.

編輯姜嶺

TE311

A

1006－6535(2014)03－0090－03

10.3969/j.issn.1006－6535.2014.03.021

20130816；改回日期：20140401

高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金“油氣田開發(fā)動態(tài)預(yù)測預(yù)警及優(yōu)化控制”(20095121110003)

劉道杰(1981－)，男，工程師，2006年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(華東)石油工程專業(yè)，2012年畢業(yè)于西南石油大學(xué)石油與天然氣工程專業(yè)，獲博士學(xué)位，現(xiàn)從事油氣藏開發(fā)動態(tài)研究工作。