低滲透滲流機(jī)理及試井解釋方法-姚軍

低滲透油藏滲流理論與試井解釋新方法提高油氣采收率研究中心姚軍2004年8月6日

一、低滲透油藏滲流機(jī)理及其存在的問題

二、低滲透油藏試井解釋新方法三、結(jié)論及建議主要匯報內(nèi)容

滲流機(jī)理是描述地下流體在某一特定介質(zhì)下流動規(guī)律以及解釋流動規(guī)律本質(zhì)的理論；滲流機(jī)理的研究兩個層面：(1)滲流模式研究;(2)開采機(jī)理(開發(fā)規(guī)律)的研究

滲流模式用運(yùn)動方程表述，運(yùn)動方程是定量描述地下流體滲流時各種力（外力、粘滯力、慣性力、毛管力和重力等）的關(guān)系。如達(dá)西方程、非線性滲流方程等滲流模式。開采機(jī)理：含水變化規(guī)律、采出程度變化規(guī)律、壓力變化規(guī)律、采油指數(shù)變化規(guī)律等等。

重要性：滲流機(jī)理或運(yùn)動方程是油氣田開發(fā)工程理論與方法（試井解釋與產(chǎn)能評價、數(shù)值模擬、開發(fā)指標(biāo)概算、油井優(yōu)化設(shè)計(jì)等）的研究基礎(chǔ)。

油氣田開發(fā)的生產(chǎn)動態(tài)是一定條件下地下流體流動(流動機(jī)理)的綜合、宏觀體現(xiàn)。一、低滲透油藏滲流機(jī)理

(1)低滲透介質(zhì)特征及其對滲流的影響

(2)低滲透儲層的非達(dá)西滲流理論

(3)低滲變形介質(zhì)油藏滲流模式

(4)非達(dá)西滲流對低滲透油藏開發(fā)的影響

(5)低滲透油藏滲流機(jī)理存在的問題1、低滲透介質(zhì)特征及其對滲流的影響

(1)小喉道連通的孔隙體積比例大

利用不同滲透率巖樣的毛管力曲線，整理計(jì)算出各類不同大小孔隙的體積占巖樣總孔隙體積的百分?jǐn)?shù)。一、低滲透油藏滲流機(jī)理小孔道的孔隙體積占巖樣總孔隙體積的比例隨滲透率的減小而增大，而且滲透率越底，此比例上升的幅度就越大。對于低-特低滲透油層，要采出的油則主要來自小孔隙。流體通過小孔隙的滲流與通過大孔隙的滲流有明顯的差別。當(dāng)孔隙小到一定程度時，它就將導(dǎo)致滲流規(guī)律的變化。一、低滲透油藏滲流機(jī)理(2)低滲透介質(zhì)的比表面積大一般巖石顆粒越細(xì)，比表面積越大。物質(zhì)的比表面積越大，其吸附力越強(qiáng)，吸附的物質(zhì)越多。低滲透油層的比表面積大，因而油層的束縛水一般較高，水驅(qū)油效率較低。比表面S與滲透率K的關(guān)系曲線一、低滲透油藏滲流機(jī)理(3)低滲透巖石表面油膜量大——存在邊界層原油是由烴類和非烴類組成的復(fù)雜混合物，含有大量的極性物質(zhì)。當(dāng)它們與巖石顆粒表面接觸時，就表現(xiàn)出明顯的相互作用。在巖石顆粒表面就形成一個富有極性物質(zhì)的特殊液體層——原油邊界層。高滲透介質(zhì)的孔道也存在原油邊界層。

但是，低滲透介質(zhì)的邊界層厚度與孔隙孔道半徑比要遠(yuǎn)大于高滲透介質(zhì)的邊界層厚度與孔隙孔道半徑比，因而，對滲流的影響要大。原油邊界層組成：原油的重質(zhì)組分和膠質(zhì)瀝青質(zhì)原油邊界層物性：粘度和密度大，大于體相原油物性。一、低滲透油藏滲流機(jī)理原油邊界層厚度與孔吼半徑的關(guān)系：在同一壓力梯度下，油層的孔道越小，原油邊界層的厚度就越大，它對低滲透率和特低滲透率油層中的流體滲流有著重要的影響。一、低滲透油藏滲流機(jī)理原油邊界層厚度與原油性質(zhì)的關(guān)系

不同性質(zhì)的原油，其邊界層的厚度也不同。瀝青質(zhì)含量較多的原油，在其它相同條件下，就會形成較大厚度的邊界層。瀝青質(zhì)含量(%)邊界層厚度um一、低滲透油藏滲流機(jī)理原油邊界層厚度與壓力梯度的關(guān)系

壓力梯度的增加，導(dǎo)致原油邊界層厚度的減小，它們之間的關(guān)系在雙對數(shù)坐標(biāo)中是一條直線。一、低滲透油藏滲流機(jī)理

原油邊界層厚度與原油的物理化學(xué)性質(zhì)、孔隙孔道半徑大小及驅(qū)動壓力梯度等因素有關(guān)。當(dāng)油層的平均孔道半徑越小，由于邊界層的存在，難以開采的原油比例就越大，原油的采收率就越低。這對低滲透砂巖油層，特別是特低滲透砂巖油層，是一個不可忽視的影響滲流特征的重要因素。一、低滲透油藏滲流機(jī)理(4)毛細(xì)管力的影響顯著毛管力的大小與毛管半徑成反比，即毛管半徑愈小，毛管力愈大。低滲透油層喉道半徑很小，其毛細(xì)管力非常大，對滲流的影響相當(dāng)顯著。一、低滲透油藏滲流機(jī)理(5)賈敏效應(yīng)顯著油層的孔隙系統(tǒng)是不同大小的孔隙與連通的喉道所組成的一個復(fù)雜的孔隙網(wǎng)絡(luò)。因此，當(dāng)珠泡流動到孔道窄口時就遇到阻擋。要使珠泡通過窄口，則需要克服珠泡遇阻變形所發(fā)生的毛細(xì)管力。——賈敏效應(yīng)。低滲透率砂巖油藏中孔喉變化的頻繁程度要比中高滲透率油藏的更甚，孔喉比更大，賈敏效應(yīng)將更顯著。

一、低滲透油藏滲流機(jī)理(6)卡斷現(xiàn)象嚴(yán)重

在連續(xù)油流通過巖石孔隙喉道時，由于低滲透層喉道半徑很小，毛細(xì)管力急劇增大，當(dāng)驅(qū)動壓力不足以抵消毛細(xì)管力效應(yīng)時，油流被卡斷，連續(xù)的油流變成分散的油滴。這種流動形態(tài)的變化將導(dǎo)致滲流阻力的增大和驅(qū)油效率的降低。一、低滲透油藏滲流機(jī)理(7)可動的流體飽和度小低滲透儲層由于孔道半徑小、比表面積大、吸附較大和原油邊界層的存在等因素，導(dǎo)致可流動油飽和度小，可動流體飽和度與裂縫孔隙度密切相關(guān)。低滲透儲層含油飽和度低，驅(qū)油效率也比較低，而且規(guī)律性不強(qiáng)。一、低滲透油藏滲流機(jī)理一、低滲透油藏滲流機(jī)理

(1)低滲透介質(zhì)特征及其對滲流的影響

(2)低滲透儲層的非達(dá)西滲流理論

(3)低滲變形介質(zhì)油藏滲流模式

(4)非達(dá)西滲流對低滲透油藏開發(fā)的影響

(5)低滲透油藏滲流機(jī)理存在的問題2、低滲透儲層的非達(dá)西滲流理論(1)低速非達(dá)西滲流產(chǎn)生的原因

孔隙喉道狹窄、連通性差、滲透性差的巖層，即所謂致密儲集層，是造成非達(dá)西低速滲流的重要地質(zhì)因素。由于滲流阻力大流體通過這些介質(zhì)時，必須達(dá)到臨界壓力梯度(起始壓力梯度)后才開始流動。

流體在多孔介質(zhì)中滲流時，固液兩相間始終存在表面作用。原油中的表面活性組份在巖石孔道表面的吸附，形成吸附層，粘附在孔隙喉道的壁上，或使喉道減小，或部分或全部堵塞孔道，使?jié)B透率急劇下降，滲流速度減少。這個過程是動態(tài)的，因而導(dǎo)致非線性滲流。一、低滲透油藏滲流機(jī)理

有效應(yīng)力的上升迫使巖石格架變形以致破壞，造成孔隙度、滲透率急劇下降。即使巖石中的壓力恢復(fù)到它原來的壓力，孔隙度、滲透率等也不會恢復(fù)到它原來的值。

考慮啟動壓力剃度的滲流方程：(2)、低滲油藏非達(dá)西滲流模式

國內(nèi)外學(xué)者通過大量的流動實(shí)驗(yàn)，得到各種形式的低滲介質(zhì)的滲流模式。主要有：一、低滲透油藏滲流機(jī)理二參數(shù)低速非達(dá)西滲流模式：三參數(shù)低速非達(dá)西滲流模式：流體滲流阻力由兩部分組成：

第一部：粘性阻力，它與滲流速度的一次方成正比；第二部：巖石固體與滲流液體相互作用阻力。

一、低滲透油藏滲流機(jī)理第1項(xiàng)：巖心真實(shí)啟動壓力梯度；第2項(xiàng)：曲線滲流段特征；第3項(xiàng)：達(dá)西線性滲流特征；第4項(xiàng)：速度很大時慣性非線性特征。

一、低滲透油藏滲流機(jī)理雷諾數(shù)滲流阻力雷諾數(shù)：滲流阻力：超低速低速線性亞高速高速滲流模式n=0超低速1/3低速1達(dá)西范圍1<n<2亞高速N=2高速一、低滲透油藏滲流機(jī)理一、低滲透油藏滲流機(jī)理

(1)低滲透介質(zhì)特征及其對滲流的影響

(2)低滲透儲層的非達(dá)西滲流理論

(3)低滲變形介質(zhì)油藏滲流模式

(4)非達(dá)西滲流對低滲透油藏開發(fā)的影響

(5)低滲透油藏滲流機(jī)理存在的問題3、低滲變形（壓敏）介質(zhì)油藏滲流模式

在低滲透油藏的生產(chǎn)中,由于地層壓力下降,導(dǎo)致儲集層骨架變形,而使油層的滲透率和孔隙度降低這種現(xiàn)象常稱為應(yīng)力敏感效應(yīng)。相應(yīng)的介質(zhì)稱之為變形介質(zhì)。一般在低滲透油藏和深層高壓油藏中應(yīng)力敏感效應(yīng)比較明顯。

變形介質(zhì)滲流問題的研究有兩大方法：

(1)滲透率變異模數(shù)方法；

(2)流固耦合(應(yīng)力場和滲流場的耦合)方法；

一、低滲透油藏滲流機(jī)理有效應(yīng)力對低滲低孔介質(zhì)孔滲參數(shù)的影響：低滲透砂巖壓縮系數(shù)是有效應(yīng)力的函數(shù)；低滲透砂巖的滲透率隨有效應(yīng)力的增大而減少，最大可以減少30%，撤消有效應(yīng)力后滲透率不能完全恢復(fù)，最終損失率較大，一般為5-10%；裂縫巖心滲透率隨有效應(yīng)力增加大幅度下降，最終滲透率損失可達(dá)90%以上；滲透率越低的巖心，對有效應(yīng)力的變化越敏感；巖石孔隙體積隨有效應(yīng)力的變化不大，一般在5%以內(nèi)，而且基本可以恢復(fù)，最終損失率一般不超過1%。一、低滲透油藏滲流機(jī)理(1)滲透率變異模數(shù)方法滲透率變異模數(shù)：

滲透率隨壓力變化模型：

指數(shù)模型：冪率模型：多項(xiàng)式模型：兩段式模型：一、低滲透油藏滲流機(jī)理(2)流固耦合方法在原來的滲流方程中，滲透率是常數(shù)，對于變形介質(zhì)而言，滲透率是個變量，將上述滲透率模型帶入滲流方程，得到非線性不穩(wěn)定滲流方程。介質(zhì)變形按照固體的彈性、塑性或彈塑性力學(xué)根據(jù)應(yīng)力場的變化來計(jì)算巖石變形得到孔隙度和滲透率的變化。滲流場根據(jù)油氣滲流力學(xué)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算過程中，應(yīng)力場和滲流場是互相制約和影響的，必須同時連立進(jìn)行求解。

一、低滲透油藏滲流機(jī)理一、低滲透油藏滲流機(jī)理

(1)低滲透介質(zhì)特征及其對滲流的影響

(2)低滲透儲層的非達(dá)西滲流理論

(3)低滲變形介質(zhì)油藏滲流模式

(4)非達(dá)西滲流對低滲透油藏開發(fā)的影響

(5)低滲透油藏滲流機(jī)理存在的問題4、非達(dá)西滲流對低滲透油藏開發(fā)的影響(1)啟動壓力對開發(fā)的影響產(chǎn)量下降百分?jǐn)?shù)E=產(chǎn)量—產(chǎn)量(壓力梯度)產(chǎn)量不同井距條件下產(chǎn)量下降百分?jǐn)?shù)關(guān)系曲線。當(dāng)井距為200m時，產(chǎn)量下降20％，即由于啟動壓力梯度的存在，單井產(chǎn)量比不考率啟動壓力梯度計(jì)算的產(chǎn)量減少20％。一、低滲透油藏滲流機(jī)理（2）啟動壓力梯度存在條件下，生產(chǎn)壓差對開發(fā)的影響不同井距下產(chǎn)量下降百分?jǐn)?shù)與生產(chǎn)壓差的關(guān)系曲線

(1)井距一定時，生產(chǎn)壓差越大，產(chǎn)量下降百分?jǐn)?shù)越小。

(2)井距越小，產(chǎn)量下降百分?jǐn)?shù)越小。一、低滲透油藏滲流機(jī)理(3)達(dá)西滲流與非達(dá)西滲流對開發(fā)的影響考慮壓力梯度的非達(dá)西滲流計(jì)算效果要比不考慮壓力梯度的非達(dá)西滲流的計(jì)算效果差，前者更符合實(shí)際情況。一、低滲透油藏滲流機(jī)理(4)考慮啟動壓力梯度時壓力場分布特征隨著滲透率的減小，注采井間的壓力差增加、近井壓力梯度增加；而且超過井距大約一半的距離時壓力梯度迅速增加，因此注水要克服較大的壓力梯度才能見效。一、低滲透油藏滲流機(jī)理由滲流機(jī)理及開發(fā)特征分析，開發(fā)好低滲油藏應(yīng)該注意的幾個主要問題：注采井周圍存在較大的壓力梯度，要通過壓裂等技術(shù)手段改變注采井周圍的滲流狀況，以減少啟動壓力造成的影響，因此整體壓裂改造是開發(fā)低滲透油藏重要措施。應(yīng)采取跟積極的方法徹底改善注采井周圍的介質(zhì)狀況，降低注采周圍的過大的壓力梯度如爆炸。在技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)允許范圍內(nèi)，井距盡可能的小。小井眼采油是降低成本，減小井距的重要途徑。盡量采用大一些的生產(chǎn)壓差。一、低滲透油藏滲流機(jī)理一、低滲透油藏滲流機(jī)理

(1)低滲透介質(zhì)特征及其對滲流的影響

(2)低滲透儲層的非達(dá)西滲流理論

(3)低滲變形介質(zhì)油藏滲流模式

(4)非達(dá)西滲流對低滲透油藏開發(fā)的影響

(5)低滲透油藏滲流機(jī)理存在的問題5、滲流機(jī)理存在的問題目前，所有關(guān)于低滲透滲流機(jī)理的研究都停留在宏觀層面上，而且由于滲流模式的多樣性，導(dǎo)致了研究的復(fù)雜性，多數(shù)只是考慮單因素影響。如只考慮啟動壓力梯度的影響或只考慮非達(dá)西滲流的影響或只考慮壓力敏感引起的變形介質(zhì)的影響，缺乏綜合性研究。另外，微觀層面上的滲流問題應(yīng)加大研究力度。如原油邊界層、吸附以及油滴的卡斷等對滲流的影響。一、低滲透油藏滲流機(jī)理?纖觀微觀細(xì)觀直觀

宏觀

巨觀

宇觀埃米級納米級微米級毫米級厘米級米級千米級兆米級?nmmmmcmmKmMm10-1010-910-610-310-2100103106超微孔孔內(nèi)粘土裂縫巖屑巖心區(qū)塊地層孔隙表面孔洞一次采油工程二次采油工程強(qiáng)化采油工程殘油分布研究注：

剩油分布孔隙表面孔隙空間巖心油田開發(fā)成藏成盆分子學(xué)研究研究分析工程研究運(yùn)移研究滲流動力學(xué)研究多相滲流單相滲流

一、低滲透油藏滲流機(jī)理進(jìn)一步加強(qiáng)微觀層面的滲流機(jī)理研究：

啟動壓力梯度的影響因素問題毛管力？原油界面層？賈敏效應(yīng)？吸附？啟動壓力梯度隨著滲透率的變化而變化，對于非均質(zhì)油藏啟動壓力梯度如何變化的，不能通用一個啟動壓力梯度。

原油界面層對滲流的影響如何考慮？方程中加入啟動壓力梯度項(xiàng)后是否就考慮了原油界面層的問題。借助于核磁共振、CT等設(shè)備能更好地開展微觀層面的滲流問題的研究。不同的工程有不同的視角和不同的尺度；不同階段的采油方法召喚不同精細(xì)程度的研究。二、低滲透油藏試井解釋新方法1、低滲透油藏試井解釋的特點(diǎn)2、低滲透油藏早期試井解釋方法3、低滲透油藏低速非線性滲流試井解釋方法4、低滲透壓敏油藏試井解釋方法5、低滲透油藏解釋實(shí)例二、低滲透油藏試井解釋方法1、低滲透油藏試井解釋的特點(diǎn)

(1)滲透率低，壓力波傳導(dǎo)慢，測試時間長。一般情況下，需要半個月左右，有的甚至一個月；

(2)測試解釋方法應(yīng)考慮低滲透油藏滲流的特點(diǎn)，如試井解釋模型中應(yīng)考慮啟動壓力梯度、非達(dá)西滲流和變形介質(zhì)的影響的影響目前，所有的試井解釋的商業(yè)軟件中均沒有考慮這些因素的軟件。二、低滲透油藏試井解釋新方法1、低滲透油藏試井解釋的特點(diǎn)2、低滲透油藏早期試井解釋方法3、低滲透油藏低速非線性滲流試井解釋方法4、低滲透壓敏油藏試井解釋方法5、低滲透油藏解釋實(shí)例如何利用早期測試資料確定井和地層參數(shù)一直是試井技術(shù)領(lǐng)域的一大難題。從信息學(xué)的角度上看，用較少的信息獲取復(fù)雜系統(tǒng)的特征參數(shù)存在信息不對稱，必須借助于其它的信息。早期資料的處理一般需要同時測量壓力和流量。2、低滲透油藏早期試井解釋方法二、低滲透油藏試井解釋方法(1)Gladfelter方法：修正的MDH方法關(guān)系曲線為一條直線。斜率：MDH方法：二、低滲透油藏試井解釋方法（2）修正的Horner方法Horner曲線修正Horner曲線滲透率：污染系數(shù)：平均壓力：二、低滲透油藏試井解釋方法（3）層面流量褶積方法（SFRC）

壓降方程為：恢復(fù)方程為：二、低滲透油藏試井解釋方法（4）反褶積法

壓力表達(dá)式為：

二、低滲透油藏試井解釋方法早期測試資料解釋的幾點(diǎn)說明：（1）測試過程中須同時測量壓力和流量資料；（2）處理變產(chǎn)量時進(jìn)行褶積積分需要對離散的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行積分，復(fù)雜性增加，同時會產(chǎn)生一些計(jì)算誤差；（3）早期資料的解釋只能解釋滲透率、污染系數(shù)、井儲系數(shù)（近井范圍內(nèi)的地層參數(shù)），求取地層壓力準(zhǔn)確性較差。（4）在進(jìn)行壓力校正時沒有對污染引起的附加壓力降落進(jìn)行校正。（5）目前所有早期資料的解釋方法都不是太成熟，均沒有考慮低滲透油藏的滲流特點(diǎn)下（如啟動壓力梯度）推導(dǎo)的，商業(yè)化試井解釋軟件中沒有相關(guān)的功能。二、低滲透油藏試井解釋方法二、低滲透油藏試井解釋新方法1、低滲透油藏試井解釋的特點(diǎn)2、低滲透油藏早期試井解釋方法3、低滲透油藏低速非線性滲流試井解釋方法4、低滲透壓敏油藏試井解釋方法5、低滲透油藏解釋實(shí)例3、低滲透油藏低速非線性滲流試井解釋方法(1)(2)(3)二、低滲透油藏試井解釋方法(1)均質(zhì)低滲透油藏低速非線性滲流試井解釋方法考慮壓力梯度的非線性滲流試井解釋模型：進(jìn)行無因次化，進(jìn)行Laplace變化，并在Laplace空間考慮井筒儲存系數(shù)和污染系數(shù)的影響二、低滲透油藏試井解釋方法均質(zhì)無限大油藏低速非線性滲流時的試井解釋圖板從導(dǎo)數(shù)曲線上看出：即使沒有外邊界的影響，只是由于啟動壓力梯度的影響，導(dǎo)數(shù)曲線仍然上翹。而且，啟動壓力梯度越大導(dǎo)數(shù)曲線上翹幅度越大。二、低滲透油藏試井解釋方法(2)雙重介質(zhì)油藏低速非線性滲流試井解釋方法試井解釋模型二、低滲透油藏試井解釋方法雙重介質(zhì)油藏?cái)M穩(wěn)態(tài)竄流下的低速非線性滲流試井解釋圖板二、低滲透油藏試井解釋方法雙重介質(zhì)油藏不穩(wěn)態(tài)竄流下的低速非線性滲流試井解釋圖板二、低滲透油藏試井解釋方法外邊界的影響：非達(dá)西滲流時導(dǎo)數(shù)曲線上翹時間比達(dá)西滲流時導(dǎo)數(shù)曲線上翹時間。原因：啟動壓力梯度的影響。二、低滲透油藏試井解釋方法定壓邊界：啟動壓力梯度越大導(dǎo)數(shù)上升幅度越大，然后，導(dǎo)數(shù)曲線開始下降。二、低滲透油藏試井解釋方法二、低滲透油藏試井解釋新方法1、低滲透油藏試井解釋的特點(diǎn)2、低滲透油藏早期試井解釋方法3、低滲透油藏低速非線性滲流試井解釋方法4、低滲透壓敏油藏試井解釋方法5、低滲透油藏解釋實(shí)例4、壓敏油藏試井解釋方法二、低滲透油藏試井解釋方法(1)均質(zhì)均質(zhì)油藏的試井解釋方法

滲透率變化模數(shù)：

均質(zhì)油藏壓力敏感影響曲線分析隨著滲透率模數(shù)的增加，導(dǎo)數(shù)曲線逐漸上翹。但是與封閉邊界引起的導(dǎo)數(shù)曲線上翹完全不一樣。二、低滲透油藏試井解釋方法二、低滲透油藏試井解釋方法(2)雙重孔隙壓敏介質(zhì)油藏試井解釋雙重孔隙介質(zhì)油藏模型雙重介質(zhì)油藏壓力敏感影響曲線井筒存儲系數(shù)為10.0MPa/m3，表皮系數(shù)為