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汪来潮 杨朝强 彭小东 陈建华 周小涪
1. 中海石油（中国）有限公司湛江分公司 2. 中海石油（中国）有限公司海南分公司
近年来，国内陆上及海上勘探发现的气藏的温度、压力越来越高[1]。在气藏开发研究工作中，比如在进行气藏产能评价和数值模拟时，需要考虑温度、压力的升高给渗透率应力敏感带来的影响，进而对气藏产能评价、数模结果的可靠性产生影响[2-4]。应力敏感实验方法随之进行了诸多改进，测试方式由变围压测试改进为变内压测试，测试条件由常温扩展为地层温度[5-7]，同时对于应力敏感机理也有较多研究[8]。但目前应力敏感实验评价方法仍然在沿用2010年的行业标准[9]，即SY/T 5358—2010《储层敏感性流动试验评价方法》。应用该标准进行高温高压条件下的渗透率应力敏感实验时，如在W气田，出现渗透率随着有效应力的增加而上升的异常现象。究其原因，行业标准评价方法是建立在压力平方形式的渗透率计算公式基础之上[9]，而压力平方形式的渗透率计算公式仅适用于常温常压条件，不适用于高温高压条件[10]。本次研究，从达西公式出发，推导单相可压缩气体的一维流动渗透率计算公式[10]，提出了一种对常温常压条件、高温高压条件均适用的渗透率应力敏感实验评价新方法。采用新方法评价的应力敏感损害率，大于采用行业标准评价的应力敏感损害率，即渗透率的应力敏感程度更高。一般情况下，压力越高，偏差因子（Z）越大，新旧方法的评价结果相差越大。研究成果对行业标准的补充和改进有重要的参考作用。
W气田属于低渗—特低渗为主、局部中渗的气藏，埋藏深度3 300～3 900 m，上覆岩石压力为71.52～82.66 MPa，地层温度和原始地层压力较高，地层温度为138.6～156.1 ºC，原始地层压力为33.50～39.00 MPa，测井含水饱和度为40.8%～59.0%，测井渗透率为0.1～38.5 mD。在W气田共取了4颗柱塞状岩心开展高温高压条件下的应力敏感实验，4颗岩心常规物性分析所得的气测渗透率为0.36～10.80 mD。以5号岩心为例，测井含水饱和度为51.0%，实验中首先以地层水样品饱和岩心，用气驱水的方式建立岩心的束缚水饱和度条件为49.0%，与测井饱和度相当。然后采用氮气测试不同压力下的渗透率。实验在模拟地层温度138.6 ℃下进行，如表1所示，保持围压（上覆岩压）71.500 MPa不变，第一个压力点模拟气藏的原始地层压力33.804 MPa，测试计算该温度、压力下的渗透率，再改变内压（驱替压力），以约5 MPa为间隔依次模拟气藏开采过程中的压力下降，来实现净应力的变化，并计算不同压力条件下的渗透率。表1为实验测试过程数据及渗透率计算结果。
如前所述，在进行高温高压条件下的渗透率应力敏感实验时，评价方法仍在沿用2010年的行业标准（即SY/T 5358—2010《储层敏感性流动试验评价方法》），具体计算步骤如下。
第一步，计算不同压力点下的气体渗透率[9]：
第二步，计算每个压力点下的渗透率损耗率，评价其应力敏感程度[9]：
采用这种行业标准评价方法，如表1所示，分别计算33.804 MPa、30.107 MPa、25.101 MPa、20.101 MPa、15.101 MPa等不同压力点下的渗透率。计算结果如图1所示，随着岩石压缩的进行，W气田的应力敏感曲线上，渗透率随着有效应力的增加而上升。而这与气藏实际情况正好相反。气藏实际是上覆岩压不变，地层压力随着气藏开发而逐步降低，岩石发生压缩变形，孔隙体积变小，导致岩石渗流能力降低，即渗透率降低，因此应力敏感曲线的正常趋势应为：渗透率随着有效应力的增加而下降。显然，W气田出现的渗透率上翘现象是异常的。
图1 W气田5号岩心应力敏感曲线图
表1 W气田5号岩心应力敏感实验测试数据及计算结果表
是什么原因导致这一异常现象呢？经过深入分析发现，由μZ—p关系曲线可知，压力平方形式是基于μZ乘积在低于15 MPa的低压范围内接近一个常数而推导得到的，压力平方形式的渗透率计算公式（1）不适用于高温高压情况[10]。以W气田为例，由于实验初始内压（即初始驱替压力，模拟的是气藏原始地层压力）较高，随着内压的下降，μZ乘积并不是接近一个常数，而是在递减（图2）。因此，目前行业标准中的应力敏感实验评价方法并不适用于高温高压情况。
图2 W气田5号岩心μZ—p关系曲线图
从基本渗流原理出发，重新推导适合于高温高压实验条件的渗透率计算公式。
以达西公式为基础，推导模拟单相可压缩气体在岩心中一维流动的渗透率计算公式为[10]：
由于带有积分的拟压力形式不方便计算，故进一步推导低压情况和高压情况下的渗透率计算公式。
在低压情况下，μZ乘积约等于一个常数[10]：
以上积分可化简得：
因此，式（5）代入式（3）可变形得：
在高压情况下，μZ乘积并非为一个常数，而是与压力p基本呈线性关系，p与μZ乘积的比值约等于一个常数[10]：
在低压条件下，由于μZ乘积约等于一个常数，因此低压下的式（6）也可以变形为式（11），从而低压和高压两种情况下推导得到了统一的渗透率计算公式，即式（11）。
在公式推导的基础上，提出一种适合于高温高压气藏的应力敏感实验评价新方法：第一步，利用式（11），可以准确计算不同压力点下的气体渗透率；
第二步，在第一步基础上，可以利用式（2）计算每个压力点下的渗透率损害率，评价其应力敏感程度。
公式（11）与行业标准中渗透率的计算公式（1）对比可知，两个渗透率计算公式相差一项系数Z12T/Tsc。行业标准公式本身是一种简化的公式，简化的前提有两个：一是常压条件，这种情况下偏差因子Z才约等于1[11]（图3）；
二是常温条件，这样实验温度与标况温度的比值才约等于1。因此行业标准公式对于常温常压下应力敏感实验的渗透率评价是没有问题的，只是应用于高温高压情况时，偏差太大。本文提出的这种新方法，既适用于常温常压气藏，又尤其适用于高温高压气藏，对于高温高压气藏的渗透率评价结果比行业标准方法更可靠。
图3 氮气测试的偏差因子图版
利用W气田5号岩心应力敏感实验数据，采用行业标准评价方法、新方法分别对实验数据进行计算处理，两种评价结果的对比如图4所示。显而易见，与行业标准方法计算结果相比，新方法的计算结果不再表现出渗透率随着压力增加而上升的异常现象。由于新方法理论基础坚实，对公式中的参数项未作常温常压条件下的简化处理，因而评价结果更为合理。
图4 采用两种方法评价的W气田5号岩心应力敏感曲线图
再将新方法应用于D气田。D气田属于中孔中渗的高温高压气藏，压力系数为1.65～1.72，埋藏深度2 900 m～3 300 m，上覆岩石压力为66.7～75.9 MPa，原始地层压力为52～54 MPa，地层温度为133～142 ℃，测井解释含水饱和度为44.6%～54.1%，岩心气测渗透率为20～80 mD。D气田同样开展了渗透率的应力敏感评价实验，采用行业标准方法、新方法分别对实验数据进行了计算处理，结果如图5所示。在此基础上，新方法评价的应力敏感损害率为43%，远大于行业标准方法评价的应力敏感损害率（19%）。根据新方法的评价结果，对D气田的认识发生变化，由之前的应力敏感程度较弱，变化为目前的应力敏感程度中等，目前认识更符合气藏实际情况。由此建议D气田开发过程中务必要控制生产压差。如果生产压差过高，会导致井底附近孔隙压力降低，岩石骨架应力增加，引起储层应力敏感损害率增加。
图5 采用两种方法评价的D气田应力敏感曲线图
1）建立了一种对常温常压条件、高温高压条件均适用的气藏应力敏感实验评价新方法，与行业标准评价方法的渗透率计算公式相差一项系数（Z12T/Tsc）。
2）目前普遍使用的行业标准（SY/T 5358—2010《储层敏感性流动试验评价方法》）中的应力敏感实验评价方法，应用于高温高压实验条件时误差较大，其误差来源于偏差因子（Z）、实验条件温度与标况条件温度的比值（T/Tsc）。
3）采用新方法评价的应力敏感损害率，大于采用行业标准评价的应力敏感损害率；
压力越高、偏差因子（Z）越大、温度越高，新旧方法的评价结果差异越大。
4）本文提出的新方法，对于高温高压条件下的压力敏感评价结果比行业标准方法更可靠。建议地层压力15 MPa以上的气田采用新方法进行应力敏感实验评价。
符 号 说 明
Kg为岩石气体渗透率，mD；
μ为测试条件下气体黏度，mPa·s；
L为岩样长度，cm；
A为岩样横截面积，cm2；
psc为标准大气压，MPa；
Qsc为气体在一定时间内通过岩样的体积，cm3/s；
p为压力，MPa；
p1为岩样进口压力，MPa；
p2为岩样出口压力，MPa；
Dstn为净应力增加过程中不同净应力下渗透率变化率，百分数；
Ki为初始渗透率，mD；
Kn为某应力条件下的岩心渗透率，mD；
T为测试温度，℃；
Tsc为标准条件下的温度，℃；
Z为气体偏差因子，无因次；
μ12为对应岩样进、出口平均压力[(p1+p2)/2]下的气体黏度，mPa·s；
Z12为对应岩样进、出口平均压力[(p1+p2)/2]下的气体偏差因子，无因次；
C表示常数。
——以崖城13-1气田北块气藏为例中国海上油气(2017年1期)2017-06-21本文来源：http://www.zhangdahai.com/shiyongfanwen/qitafanwen/2023/0716/626107.html
