低滲油藏滲流機理研究

1、低滲油藏滲流機理研究孤東采油廠新灘試采礦 王林明摘 要：根據(jù)低滲透油田和中高滲透油田的不同，本文對低滲透油田的啟動壓力和滲流規(guī)律進行了研究，提出了一種建立低滲透油田兩相啟動壓力曲線的方法，并對兩相啟動壓力，水驅(qū)油和氣驅(qū)油特征的影響，油水兩相滲流規(guī)律進行了分析與研究；提出了低滲透非達西滲流相對滲透率計算方法，并進行了非穩(wěn)態(tài)流動實驗，計算了相對滲透率曲線，分析了其特征，討論了非達西滲流對相對滲透率特征的影響。結果表明：油水、油氣各相的啟動壓力梯度與驅(qū)替相的飽和度間均呈指數(shù)變化規(guī)律，氣驅(qū)、水驅(qū)后期指數(shù)變化規(guī)律遭到破壞；在低滲油層中，油井見水后，產(chǎn)油量會迅速下降，水驅(qū)低滲油藏采收率較低；考慮非達西流后

2、，計算的油相相對滲透率增大，水相相對滲透率減小，等滲點右移；在相同的含水飽和度下，非達西流使產(chǎn)水率增大，并得到了非達西滲流油水兩相滲流數(shù)學模型，相對滲透率的計算公式，并進行了非穩(wěn)態(tài)試驗，對低滲油田的開發(fā)有指導意義。關鍵詞：啟動壓力；壓力梯度；滲透率；驅(qū)替1引言同中高滲透率油層相比，低滲透油層具有以下幾個特點：低滲透油層一般連續(xù)性差、采收率與井網(wǎng)密度關系特別密切；低滲透油層存在“啟動生產(chǎn)壓差現(xiàn)象”，滲流阻力和壓力消耗特別大；低滲透油層見水后，采液和采油指數(shù)急劇下降，對油田穩(wěn)產(chǎn)造成急劇影響；低滲透油田一般裂縫都較發(fā)育，注入水沿裂縫竄進十分嚴重。為了更好地開發(fā)利用低滲透率油藏，本文將從啟動壓力與滲流

3、規(guī)律著手，對影響低滲透砂巖油藏開發(fā)的一些重要問題進行分析研究。2低滲透砂巖油藏啟動壓力研究2.1低滲砂巖油藏啟動壓力梯度研究2.1.1測定方法及原理室內(nèi)實驗測定低滲透砂巖單相滲流啟動壓力梯度大都是測定不同驅(qū)替壓差流體通過低滲透砂巖巖心的滲流速度，求得流量與壓力梯度的關系，描述流體在巖心中的滲流過程再用數(shù)學的方法獲得壓力梯度，又稱作“壓差流量法”。在測定最小啟動壓力梯度值時，采用“毛細管平衡法”與“壓差流量法”相結合的方法，“毛細管平衡法”應用的是連通器原理。圖2-1 毛細管平衡法原理示意圖圖2-2典型非達西滲流曲線示意圖測定時毛細管和巖心中充滿實驗流體，使進口端液面高于出口端。重力作用使進口端

4、流體通過巖心流向出口端，進口端液面下降，出口端液面上升，如果是一個普通的連通器兩端液面會持平。由于低滲透巖心啟動壓力的存在，兩端液面經(jīng)過充分平衡后，最終會保持一個高度差，該高度差就是該樣品的最小啟動壓力值。夾持器兩端采用毛細管，一是能精確靈敏的反映液面變化，二是減少滲流總量縮短測定周期。該方法不僅證明了低滲透巖心啟動壓力梯度的存在而且可以直接測定出最小啟動壓力梯度值。見圖2-2中的a點，用“毛細管平衡法”獲得，實線def為“壓差流量法”獲得。2.1.2實驗方法的特點如何通過實驗的方法準確、完整的描述低速非達西滲流規(guī)律，成為啟動壓力梯度研究的關鍵，由于流體在巖心中的低速非線性滲流段的滲流速度和驅(qū)

5、替壓差非常小，即使使用先進的進口設備也無法實現(xiàn)流量和壓差的準確采集，圖2-2中a-d-e段可能占整個滲流段一半的數(shù)據(jù)無法準確采集到，在缺少數(shù)據(jù)點的情況下很難用數(shù)學的方法描述流體滲流的非線性特征。但本實驗方法能準確完整的測定出整個非線性滲流段，“毛細管平衡法”對硬件要求不高且操作簡便，且測定周期短，可以安裝多套測定裝置同時測定多個巖樣。2.2一種兩相啟動壓力曲線的建立方法為探討兩相流體滲流時的啟動壓力變化規(guī)律，對天然巖心進行水驅(qū)油和氣驅(qū)油實驗，計算出各自的相對滲透率，然后按單相啟動壓力梯度公式推算出相對啟動壓力梯度，繪制油水、油氣相滲曲線。研究結果表明，在兩相啟動壓力曲線上，各相的啟動壓力梯度與

6、驅(qū)替相的飽和度之間均呈指數(shù)變化規(guī)律；氣驅(qū)、水驅(qū)后期指數(shù)變化規(guī)律遭到破壞，是驅(qū)替后期驅(qū)油效率急劇變小的主要原因。2.2.1驅(qū)替試驗方法實際油氣藏的開發(fā)過程中，一般是兩相(油水、油氣、氣水)或三相(油、氣、水)同時流動，在滲流過程中，各相間會發(fā)生相互干擾和影響。描述相間的相互影響程度一般用相對滲透率的概念。測定相對滲透率有3種方法：非穩(wěn)態(tài)驅(qū)替、穩(wěn)態(tài)法和離心法，用非穩(wěn)態(tài)驅(qū)替法測定油水(氣)相對滲透率仍是最普遍的，在國內(nèi)外得到廣泛的應用，本文也采用非穩(wěn)態(tài)驅(qū)替法測定油水(氣)相對滲透率“文獻報道，在常溫常壓條件下，用洗凈巖心和精制油所測得的相對滲透率結果與地層條件下使用地層流體測的結果相差很大”，因此，

7、現(xiàn)在采用以下實驗條件和步驟進行有關實驗。實驗流體：現(xiàn)場脫水原油；飽和及驅(qū)替均用礦化度為300g/L的NaCl溶液，避免產(chǎn)生水敏。實驗溫度：70。實驗步驟：將巖心抽空，飽和礦化度為300g/L的NaCl鹽水，計量飽和水量，計算孔隙體積；建立束縛水，用原油驅(qū)替含水巖心，當不再出水時，計量驅(qū)出的水量，計算束縛水飽和度和油相滲透率；水(氣)驅(qū)油，用礦化度為300g/L的NaCl鹽水(氮氣)驅(qū)替含油巖心，注入以恒速(氣驅(qū)以恒壓)方式進行，計量排出的油、水量(油、氣量)以及注入壓差和試驗時間；當不再出油(氣)時，測定水相(氣相)滲透率，結束實驗。2.2.2兩相啟動壓力曲線的建立氣驅(qū)油或水驅(qū)油的滲流過程中，

8、兩相的存在造成互相干擾和影響，均減少了本身相的滲流通道，導致各相的相滲透率有所降低。因此，兩相滲流時的啟動壓力規(guī)律必將對驅(qū)替特征產(chǎn)生明顯的影響，如果直接在驅(qū)替過程中測定各相的啟動壓力梯度，非常費時、費工且精細，這里采用間接法：因兩相滲流時單相仍遵循各自的滲流規(guī)律，依靠已建立的單相啟動壓力梯度規(guī)律來描述兩相啟動壓力規(guī)律的表達形式，據(jù)此分析與研究兩相啟動壓力規(guī)律對驅(qū)替特征的影響，以中原油田天然巖心為例，中性煤油與飽和鹽水雖然液體性質(zhì)不同，但啟動壓力具有統(tǒng)一的表現(xiàn)形式。 （2-1）式中為啟動壓力梯度，MPa/m；為流體黏度，mPas；K為液體滲透率，D （2-2）式中 K為巖心平均空氣滲透率，md首

9、先采用前述驅(qū)替實驗方法進行水驅(qū)油和氣驅(qū)油實驗，計算出各自的相對滲透率，然后按照液體和氣體啟動壓力梯度公式推算出相對啟動壓力梯度，繪制曲線，以下分述油水、油氣兩相啟動壓力曲線的建立以及對驅(qū)替特征的影響。2.2.3油水兩相啟動壓力對水驅(qū)油特征的影響在水驅(qū)油過程中，未見水前是單相的流動，無法計算兩相啟動壓力梯度，因此將無水期的啟動壓力梯度認同為單相原油的啟動壓力梯度，即水驅(qū)油時其驅(qū)動壓力梯度必須克服油相的啟動壓力梯度后水、油才能發(fā)生流動；只有見水后，油水才按本身的滲流規(guī)律進行水驅(qū)油流動，其相對滲透率見表2-1。圖2-3含水及含氣飽和度因油水啟動壓力規(guī)律具有相同的表達式，換算油、水相對滲透率值，可分別

10、計算出各相的絕對滲透率值，根據(jù)油水粘度值，就可計算出單相的絕對滲透率，按(2-1)式，可分別計算出油、水兩相在不同驅(qū)替相飽和度條件下的啟動壓力梯度值，其實驗數(shù)據(jù)和計算結果見表2-1。表2-1 油水相對滲透率表正如油水相滲是以油相滲透率為基準一樣，其油水兩相啟動壓力梯度曲線是以束縛水時的油相啟動壓力梯度為基準，根據(jù)油水兩相啟動壓力梯度實驗數(shù)據(jù)(相對啟動壓力梯度曲線)，油水兩相相對啟動壓力梯度具有以下規(guī)律(見圖2-3)：見水后，油水兩相相對啟動壓力梯度開始發(fā)散，隨著含水飽和度的增加，水相啟動壓力梯度逐漸變小，油相啟動壓力梯度逐漸變大；在大部分水驅(qū)階段，油、水均按自己的規(guī)律隨含水飽和度的增加而規(guī)律性

11、地增大和減小，后期油水兩相的啟動壓力梯度變化均偏離直線而急劇增大和減小。這充分揭示出水驅(qū)油后期的強水洗階段驅(qū)油效率急劇變小的原因。2.2.4油氣兩相啟動壓力規(guī)律對氣驅(qū)油特征的影響在氣驅(qū)油的過程中，當氣體尚未突破即未見氣階段，兩相啟動壓力梯度其實就是單相原油的啟動壓力梯度，處理方法同油水兩相，即氣驅(qū)油時，驅(qū)動壓力梯度必須克服油相的啟動壓力梯度后，油、氣才能發(fā)生流動。當氣驅(qū)階段見氣后，油、氣即按本身的滲流規(guī)律進行流動，將氣、油相對滲透率轉(zhuǎn)換成各自的絕對滲透率，并根據(jù)油的啟動壓力梯度規(guī)律(2-1)式和氣的啟動壓力梯度規(guī)律(2-2)式分別計算出不同氣飽和度下的油、氣啟動壓力梯度。為便于對比與研究，按照

12、相滲曲線的處理方法，以氣驅(qū)結束后的氣相的滲透率、啟動壓力梯度為基數(shù)，分別計算油、氣相對滲透率、相對啟動壓力梯度與含氣飽和度的數(shù)據(jù)(見表2-2)。表2-2 油氣相滲實驗及相對啟動壓力梯度計算數(shù)據(jù)表由圖2-3可見，見氣后，油氣兩相相對啟動壓力梯度具有以下明顯特征：氣相相對啟動壓力梯度即急劇變小，隨著含氣飽和度的增加，其氣相相對啟動壓力梯度呈規(guī)律性地減小，氣相相對啟動壓力梯度與含氣飽和度之間為指數(shù)關系，在單對數(shù)坐標中為一直線，隨著含氣飽和度的進一步增加，氣相相對啟動壓力梯度偏離直線規(guī)律而略有減少。油相相對啟動壓力梯度增大，隨著含氣飽和度的增加，油相相對啟動壓力梯度呈規(guī)律性地增大，與氣相一樣，與含氣飽

13、和度之間為指數(shù)關系。隨含氣飽和度的進一步增加，油相相對啟動壓力梯度偏離規(guī)律而急劇增大，在相同驅(qū)動壓力梯度條件下，氣相滲流相對更加容易，因此高氣油比的氣驅(qū)階段很長是氣驅(qū)油過程中最為顯著的特征。在氣驅(qū)油后期，油相啟動壓力梯度急劇增大，因巖石孔道的非均質(zhì)性，部分細小孔道中的原油在同一驅(qū)動壓力梯度條件下不可能流動，以原始狀態(tài)殘留于細小孔道內(nèi)，因此氣驅(qū)油效率低是其驅(qū)替又一重要特征。3低滲非達西滲流相對滲透率計算方法及特征現(xiàn)有的相對滲透率計算公式是基于達西定律的，而低滲油層滲流為非達西類型。建立了低滲非達西滲流相對滲透率計算方法，導出了計算公式，并進行了非穩(wěn)態(tài)流動實驗。結果表明：在低滲油藏相對滲透率曲線中

14、，束縛水和殘余油飽和度較高，兩相滲流區(qū)范圍較窄；隨含水飽和度增大，油相對滲透率遞減較快，水相對滲透率遞增較慢；非達西滲流使油相相對滲透率增大，使水相相對滲透率減小，使產(chǎn)水率增大；油井見水后，產(chǎn)油量會迅速下降，水驅(qū)低滲油藏采收率不高。達西定律一直作為一個基本定律被廣泛應用于油氣田開發(fā)滲流計算中，作為制定開發(fā)方案和分析預測開發(fā)動態(tài)的重要基礎資料-相對滲透率的計算就是建立在達西定律基礎上的；然而，低滲油層滲流不符合達西定律。因此，改進相對滲透率計算以獲得準確反映油層實際情況的相對滲透率資料就顯得十分重要。本文研究了低滲兩相非達西非穩(wěn)態(tài)滲流相對滲透率理論，并進行了非穩(wěn)態(tài)流動實驗，計算了相對滲透率曲線，

15、分析了其特征，討論了非達西滲流對相對滲透率特征的影響。3.1低滲非達西相對滲透率理論與計算現(xiàn)有的非穩(wěn)態(tài)相對滲透率計算方法(JBN方法)是在一定的假設條件下推出的。本文研究低滲非達西流情形時仍假定：多孔介質(zhì)是均勻的，驅(qū)動力和流體性質(zhì)保持不變，相間無傳質(zhì)現(xiàn)象，油水不可壓縮，不計重力和毛管力的影響，則油、水相連續(xù)性方程分別為： （3-1） （3-2）低滲油、水相非達西流運動方程分別為： （3-3） （3-4）總的滲流速度為： （3-5）油、水兩相分別為： （3-6） （3-7）可得巖芯出口端水相分流量為： （3-8）得油水兩相滲流微分方程： （3-9）其特征線方程為： （3-10）特征線上的相容關系

16、為： （3-11）易得等飽和度面推進速度方程： （3-12）其中為對含水飽和度的導數(shù)。巖芯兩端的壓差可表示為： （3-13）由(12)式得： （3-14）將(3-3)、(3-14)式代入(3-13)式得： （3-15）其中： （3-16）對求導得 （3-17）可得： （3-18）將(3-18)式代入(3-8)： （3-19）由物質(zhì)平衡原理得： （3-20）巖芯出口端含水飽和度為： （3-21）由(3-18)、(3-19)、(3-21)式可計算出口端含水飽和度下的油水相對滲透率。當啟動壓力梯度為零時，上述相對滲透率計算公式與常用的JBN方法計算公式相同。3.2油水相對滲透率非穩(wěn)態(tài)實驗（1）實驗材

17、料實驗所用材料有:油層巖芯、抽提液、模擬地層油和地層水。巖芯和流體基本參數(shù)如表3-2所示：表3-2 巖心和流體參數(shù)（2）實驗裝置流程實驗裝置流程如圖3-2所示圖3-2 非穩(wěn)態(tài)相對滲透率實驗流程圖（3）實驗方法a.將清洗、烘干的巖芯抽真空36h，飽和地層水。b.將飽和地層水的巖芯置于巖芯夾持器，排氣后在恒定的速度下用地層水驅(qū)替直到壓力穩(wěn)定，再用模擬油驅(qū)替，建立束縛水飽和度，并測定束縛水條件下的油相滲透率。c.用地層水驅(qū)替模擬油，記錄見水時間、見水時的累積產(chǎn)油量及巖芯兩端的壓差。見水初期加密記錄，隨出油量的不斷下降，增大記錄時間間隔，注水30倍孔隙體積后測定殘余油飽和度下的水相滲透率。3.3實驗分

18、析根據(jù)上述相對滲透率計算公式，對實驗結果進行計算，得到了油水相對滲透率曲線(圖3-3)和非達西流與達西流油水相對滲透率值及其比較(表3-3)。表3-3 油水相對滲透率值圖3-3 油水相對滲透率曲線（1）低滲相對滲透率曲線特征低滲巖芯油水相對滲透率曲線具有下列特征：1)束縛水和殘余油飽和度較高2)兩相滲流區(qū)范圍較窄3)隨含水飽和度增大，油相對滲透率遞減較快，水相對滲透率遞增較慢由相滲特征還可推出低滲油層兩相滲流具有以下特征：a.油井見水后，產(chǎn)油量會迅速下降b.水驅(qū)低滲油藏采收率較低（2）非達西流對油水相對滲透率曲線的影響考慮非達西流后，計算的油相相對滲透率增大，水相對滲透率減小，等滲點右移（3）非達西流對產(chǎn)水率的影響產(chǎn)水率曲線如圖3-4所示。由圖3-4可知：在相同的含水飽和度下，非達西流使產(chǎn)水率增大。圖3-4 產(chǎn)水率曲線4 結論（1）根據(jù)油水、油氣相滲曲線，采用液體和氣體啟動壓力梯度公式，可推算出各自的相對啟動壓力梯度，繪制出與含水(氣)飽和度的關系曲線。因巖石中孔道的