特低滲透多孔介質(zhì)非線性滲流規(guī)律研究

特低滲透多孔介質(zhì)非線性滲流規(guī)律研究

0特低滲透油藏流體非線性滲流模型在過去10年中，我國的石油勘探儲量和非動用儲量中特低滲透儲量占很大比例，投資建設(shè)中的特低滲透儲量也有所增加。因此,迫切需要對特低滲透多孔介質(zhì)中流體滲流規(guī)律進(jìn)行深入研究,以指導(dǎo)特低滲透油田的合理開發(fā)。流體在特低滲透多孔介質(zhì)中的流動規(guī)律明顯區(qū)別于常規(guī)低滲透和中、高滲透多孔介質(zhì)中流體滲流的規(guī)律,最本質(zhì)也是最明顯的一點(diǎn)就是其中的流動規(guī)律不再符合經(jīng)典的滲流規(guī)律——達(dá)西定律。自1924年,前蘇聯(lián)學(xué)者HЛ布茲列夫斯基首先指出,在某些情況下,多孔介質(zhì)中只有在超過某個起始的壓力梯度時才發(fā)生液體的滲流以來,人們對低滲透多孔介質(zhì)中非達(dá)西滲流規(guī)律進(jìn)行了一系列的研究,建立了比較成熟的考慮擬啟動壓力梯度的低滲透油藏滲流理論。但隨著特低滲透油藏大規(guī)模的開發(fā),實(shí)驗(yàn)研究成果和礦場實(shí)際表明:特低滲透油藏中的流體滲流在大多數(shù)區(qū)域處于非線性滲流,而只有在井口附近區(qū)域處于擬線性滲流,若還沿用常規(guī)低滲透油藏的考慮擬啟動壓力梯度的滲流理論將會產(chǎn)生較大的誤差。目前,研究特低滲透油藏流體非線性滲流的模型主要有2種:一種是以邊界層為理論基礎(chǔ)所建立的非線性滲流模型,該模型物理意義明確,但模型參數(shù)測試較難,從而導(dǎo)致應(yīng)用較難;另一種是以變滲透率系數(shù)而建立的非線性滲流模型,該模型應(yīng)用較容易,但物理意義不明確,存在許多爭議。本文根據(jù)特低滲透油田儲集層特征和流體滲流規(guī)律,建立了特低滲透油藏流體非線性滲流新模型,在此基礎(chǔ)上,建立了特低滲透油藏非線性滲流數(shù)值模擬的數(shù)學(xué)模型。利用所研制的特低滲透油藏數(shù)值模擬軟件,對榆樹林特低滲透油田樹322區(qū)塊進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,研究其流體滲流區(qū)域、有效驅(qū)動壓力體系和合理井網(wǎng)部署。1非ms-特羅裂縫模型的構(gòu)建1.1喉道半徑與滲透率的關(guān)系用恒速壓汞儀測定了6塊不同滲透率的特低滲透巖心的孔道半徑和喉道半徑,測試結(jié)果見圖1。從圖中可以看出,不同滲透率級別巖心其孔道大小及分布性質(zhì)差別并不大,差別主要體現(xiàn)在喉道大小及分布上。說明特低滲透儲集層性質(zhì)主要受喉道控制,正是喉道大小決定了儲集層流通性質(zhì)的好壞,并進(jìn)而影響開發(fā)效果。同時也可以看出:對于同一塊特低滲透巖心來說,它是由不同級別的喉道所組成,小的喉道半徑所占的比例較高,從而導(dǎo)致滲透率隨壓力梯度的變化而變化(見圖2)。圖2為5塊不同空氣滲透率的特低滲透率巖心的水測滲透率與壓力梯度的關(guān)系曲線。從圖中可以看出:特低滲透巖心水測滲透率隨壓力梯度的增大而增大。這是由于當(dāng)壓力梯度較小時,巖心中只有一部分較大喉道半徑中的水可以驅(qū)動,而大多數(shù)的較小喉道半徑中的水難以動用,因而水測滲透率較小;而當(dāng)壓力梯度再增加時,又有一部分喉道中的水參與流動,滲透率也繼續(xù)增加。直到特低滲透巖心中所有的喉道都參與流動時,滲透率趨于常數(shù)。徐紹良等論述了不同毛管半徑下有不同的啟動壓力梯度,也就是說,在不同的喉道半徑下有不同的啟動壓力梯度。圖3為一典型特低滲透巖心流體非線性滲流曲線。圖中A點(diǎn)表示的是最大半徑毛管的啟動壓力梯度,C點(diǎn)對應(yīng)的是平均半徑毛管啟動壓力梯度,B點(diǎn)是最小半徑毛管啟動壓力梯度。A、C兩點(diǎn)對應(yīng)的壓力梯度分別稱為真實(shí)啟動壓力梯度和擬啟動壓力梯度。D是滲流由非線性滲流到擬線性滲流的過渡點(diǎn),直線DE對應(yīng)的滲流過程為擬線性滲流,曲線AD對應(yīng)的滲流過程為非線性滲流。1.2流體非線性滲流新模型基于上面的特低滲透油藏儲集層特征和滲流規(guī)律,提出了新的特低滲透油藏流體非線性滲流模型。即為:v=Kμ?p(1?δi?p)(1)v=Κμ?p(1-δi?p)(1)式中v——流速,m/s;K——滲透率,隨著壓力梯度變化而變化,10-3μm2;μ——黏度,mPa·s;δi——啟動壓力梯度,不同的喉道半徑對應(yīng)不同的啟動壓力梯度,MPa/m;?p——壓力梯度,MPa/m。(1)式提出的特低滲透油藏流體非線性滲流新模型與前人研究相比,其滲透率和啟動壓力梯度都是變量。滲透率隨著壓力梯度變化而變化,而啟動壓力梯度隨喉道半徑和含水飽和度的不同而不同。討論:①當(dāng)K為常數(shù)、δi為零,則(1)式變成達(dá)西定律,適用于中、高滲透油藏;②當(dāng)K為常數(shù),δi為常數(shù),則(1)式變成考慮啟動壓力梯度的非達(dá)西滲流模型,適用于常規(guī)低滲透油藏;③當(dāng)K為變量,δi為零,則(1)式變成楊清立博士提出的非線性滲流模型,適用于特低滲透油藏。綜上所述,本文提出的新的特低滲透油藏流體非線性滲流模型,更適合特低滲透油藏,并具有明確的物理意義。2模擬數(shù)學(xué)模型和特低滲透油田的非線性滲流值2.1油氣水相互溶模型在黑油模型的基本假設(shè)條件下又增加了特低滲油藏流體非線性滲流的假設(shè):①油藏中的滲流是等溫滲流;②油藏中最多只有油、氣、水三相,油水不互溶,氣體可以溶解在油、水相中,油、水相中的溶解氣與自由氣之間能夠交換;③油藏中油氣兩相瞬時達(dá)到相平衡;④油和水相滲流不遵循經(jīng)典達(dá)西定律,而是遵守非線性滲流規(guī)律。2.2輔助方程的建立在上述特低滲透油田流體非線性滲流模型的基礎(chǔ)上,建立特低滲透油田油藏數(shù)值模擬的數(shù)學(xué)模型。運(yùn)動方程:vo=KKroμo?po(1?δoi?po)(2)vw=KKrwμw?pw(1?δwi?pw)(3)vg=KaKrgμg?pg(4)vo=ΚΚroμo?po(1-δoi?po)(2)vw=ΚΚrwμw?pw(1-δwi?pw)(3)vg=ΚaΚrgμg?pg(4)連續(xù)性方程:???(ρovo/Bo)+qo=?(?ρoSo/Bo)?t(5)???(ρwvw/Bw)+qw=?(?ρwSw/Bw)?t(6)???(ρgBgvg+RsoρgBovo+RswρgBwvw)+qg=??t[?ρg(SgBg+RsoSoBo+RswSwBw)](7)-??(ρovo/Bo)+qo=?(?ρoSo/Bo)?t(5)-??(ρwvw/Bw)+qw=?(?ρwSw/Bw)?t(6)-??(ρgBgvg+RsoρgBovo+RswρgBwvw)+qg=??t[?ρg(SgBg+RsoSoBo+RswSwBw)](7)輔助方程:So+Sw+Sg=1(8)pcgw=pg?pw(9?1)pcow=po?pw(9?2)So+Sw+Sg=1(8)pcgw=pg-pw(9-1)pcow=po-pw(9-2)式中Ka——空氣滲透率,10-3μm2;Kro,Krw,Krg——油、水、氣的相對滲透率,無因次;δoi,δwi——油相、水相的啟動壓力梯度,MPa/m;ρ——密度,g/cm3;B——體積系數(shù),f;?——孔隙度,f;S——飽和度,f;t——時間,s;Rso,Rsw——?dú)怏w在油中、水中的溶解系數(shù),m3/m3;pcgw,pcow——?dú)馑陀退缑婷芰?MPa;q——單位時間內(nèi)單位地層體積內(nèi)產(chǎn)出(或注入)的質(zhì)量流量,kg/(m3·s)。下標(biāo):o,w,g——油、水、氣。2.3數(shù)值解決方案采用隱式壓力顯式飽和度方法求解參數(shù),即IMPES方法。該方法具有占用內(nèi)存少,計(jì)算工作量小,方法簡便,計(jì)算穩(wěn)定的特點(diǎn)。3油藏數(shù)值模擬研究利用研制的特低滲透油藏非線性滲流數(shù)值模擬軟件對榆樹林特低滲透油田樹322區(qū)塊進(jìn)行油藏數(shù)值模擬研究,研究其流體滲流區(qū)域、有效驅(qū)動壓力體系和合理井網(wǎng)部署。3.1產(chǎn)油井網(wǎng),控制好采出量樹322區(qū)塊屬于大慶油田外圍特低滲透的三類區(qū)塊,是榆樹林油田最早投入開發(fā)的區(qū)塊,平均空氣滲透率為1.40×10-3μm2,儲集層物性較差,注不進(jìn)采不出,大多數(shù)油層難以形成有效驅(qū)動,開發(fā)效果差。截至2008年12月底,累計(jì)核實(shí)產(chǎn)油77.40×104t,采油速度為0.16%,采出程度8.23%。投產(chǎn)采用300m×300m正方形井網(wǎng)、反九點(diǎn)面積注水方式開采。本次模擬選擇樹322區(qū)塊的典型井組進(jìn)行計(jì)算。3.2非線性滲流地層圖4為榆樹林油田樹322特低滲透研究區(qū)塊在不同井距、不同時間流體流動滲流區(qū)域?qū)Ρ葓D。模擬計(jì)算生產(chǎn)1a和10a壓力梯度的分布情況。從圖中可以看出:擬線性滲流只發(fā)生在井口附近的局部小區(qū)域內(nèi),而在地層內(nèi)部相當(dāng)大的區(qū)域內(nèi)是非線性滲流,非線性滲流占據(jù)了地層滲流的主導(dǎo)地位。因此,考慮非線性滲流要比以往只考慮線性滲流以及考慮擬啟動壓力梯度的方法更適合特低滲透油田。并且隨著開發(fā)時間的延長和井距的縮小,擬線性流和非線性滲流區(qū)域逐漸增大,死油區(qū)逐漸變小。以目前樹322區(qū)塊300m井距來說,計(jì)算到10a,邊井也得不到很好動用,只有縮小井距才能改善開發(fā)效果。當(dāng)井距為100m時,邊井得到了有效動用。因此,對于特低滲透油藏來說,可以通過縮小井距來改善有效驅(qū)動壓力體系。3.3井身部位表面兩井井距研究不同開發(fā)時間300m井距井網(wǎng)內(nèi)壓力梯度變化的規(guī)律,模擬結(jié)果見圖5。從圖中可以看出:在特低滲透油田開發(fā)過程中,地層中壓力隨著開發(fā)時間的延長由井筒附近地層向周圍傳播。注水井的壓力梯度沿油水井排方向上傳播最快,壓力梯度剖面呈橢圓形向四周傳播。由于反九點(diǎn)井網(wǎng)注采比為1∶3,所以在注水井井口附近會產(chǎn)生較高的壓力梯度。油井見效之前,生產(chǎn)井井口附近區(qū)域先發(fā)生流動,依靠地層的原始能量進(jìn)行生產(chǎn)。邊井的產(chǎn)量大于角井的產(chǎn)量,導(dǎo)致在邊井井口附近產(chǎn)生較高的壓力梯度。生產(chǎn)井與注水井的壓力梯度從井口向外逐漸減小。與水井在一條水平線上的2口邊井最先見效,在水驅(qū)開采過程中也是效果最好的2口井,其次是在油井排的2口邊井,角井距離注水井的距離最遠(yuǎn),見效最慢,開發(fā)效果最差。也可以看出:當(dāng)井距為300m時,模擬計(jì)算到365d時,樹322區(qū)塊水驅(qū)效果較差,油井只在注水井排上見效,而油井排上的邊井和角井都未見效;當(dāng)模擬計(jì)算到3650d時,樹322區(qū)塊的角井也未見效。因此,對于樹322區(qū)塊來說,300m井距是不合適的。3.4井距需加以壓降模擬計(jì)算不同井距條件下開采365d地層內(nèi)流體壓力梯度變化的規(guī)律,模擬結(jié)果見圖6。從圖中可以看出:開發(fā)時間相同時,井距越大壓力傳播越慢,油井見效也相對較晚。計(jì)算結(jié)果表明,以100m井距進(jìn)行開發(fā)水驅(qū)見效快,剩余油分布面積最小,開發(fā)效果最好。因此,在特低滲透油田的開發(fā)過程中,適當(dāng)縮小井排距是提高油田開發(fā)效果的有效途徑。4特低滲透油藏數(shù)值模擬通過對特低滲透油田巖心儲集層特征和滲流特征的分析和研究,建立了特低滲透油田流體滲流的非線性滲流模型,與前人的研究相比,其物理意義更明確,更適合于研究特低滲透油藏滲流。特低滲透油藏流體在油藏中滲流時存在3個區(qū)域:死油區(qū)、非線性滲流區(qū)和擬線性滲流區(qū)。在特低滲透油藏中,非線性滲流區(qū)要大于擬線性滲流區(qū),從而驗(yàn)證了采用非線性滲流理