低渗透储层非达西渗流机理及理论研究

摘要多年来，人们运用达西线性渗流规律，成功地解决了中高渗 透油气田 油水渗流及开发技术指标的计算问题。 然而在低渗透油 田的开发过程中出 现了 一系列有别于中高渗透油田开发的 特殊问 题，对于低渗透介质渗流规律的实验研究也显示出了其特殊性。 低渗介质渗流遵循非线性渗流规律。本文的目的是通过对低渗透岩样进行单相低速渗流实验，发 现和总结其非达西渗流特征和规律，并使用数学的方法建立可以 描述低渗透岩样非达西单相渗流的 数学模型; 在低渗透岩样油水 两相渗流研究方面突破传统方法的束缚，在考虑了拟启动压力和 较强的毛管力影响的条件下，推导出 低渗透岩样的油水两相非达 西渗流公式，提出新的低渗透岩样油水两相相对渗透率曲线测定 公式，并给出其计算的方法。首先我们选用了榆树林地区的低渗透岩样来进行实验研究， 使用了不同渗透率的岩样进行了单相渗流实验， 从实验结果上看， 这些低速渗流曲 线都不同 程度地偏离了达西定律。而且渗透率越 低，非达西渗流的特征就越明显，非达西渗流的 剧烈程度可以由 拟启动压力梯度来描述。我们可以得到这样一个物理概念。即岩 样的空气渗透率越小，拟启动压力梯度也就越大，非达西渗流特 征也就越明显。许多国内外学者认为， 低渗透岩样中固一 液之间表面分子力的 作用比 较突出，即孔道管壁在渗流时存在一个有着特殊运动规律 的固一 液边界层，即边界流体，它在低速渗流中随压差增加而逐渐 变薄，大于某压力梯度后不再起变化，渗流呈现达西流， 我们称 之为有效边界层厚度D r。我们在数学上使用了毛管束微观数值 模型对上述问题进行了研究:。子汀( r ， 一 : ) 4 d P口=Z n一. 一忆8 h d x我们使用上述低渗透岩样的毛管束微观数值模型，结合对实 验数据进行的理论分析，得到了描述油水两相非达西渗流的经验 关系式，从而建立了单相拟启动压力与孔隙结构参数的数学关系。 利用该经验关系式，我们可以 使用压汞实验数据来预测低渗透油 层的油水非达西渗流规律，从而避免漫长的实验测定。与单相渗流相对比，低渗透岩样油水两相渗流情况要复杂得多，不仅油水渗流各有自 己的特殊规律，而且随着含水饱和度的 变化，油水非达西渗流的特征也会发生变化。因此我们使用稳态 法对在不同含水饱和度下的渗流特征进行了研究。实验结果表明， 拟启动压力随含水饱和度的变化呈现出 抛物线的形状，即两相共 渗时的 拟启动压力要大于单相渗流的情况。 这说明，到了两相渗 流阶段，油水之间会相互产生影响， 考虑到低渗透岩样的非均质 特性，我们认为是贾敏效应极大地影响了两相渗流，贾敏效应的 发生实际上也就是油水毛管力发生的强烈作用。对于非稳态油水两相相对渗透率曲 线的测定， 传统的 计算方 法为J B N 方法， 但该方法以 达西定律为基础，并忽略了毛管力的 作 用， 而且 还要求 在较高 流速下进行油 水两 相实 验， 因 此该方 法并 不适合低渗透储层，必须加以改进。由于油水两相相对渗透率曲 线是计算油田 开发指标、储量计算、油田开发数值模拟的基础数 据，因此正确描述低渗透油层的非达西渗流和油水两相相对渗透 率曲线具有十分重要的意义。根据上述考虑，本文提出一种新的非稳态驱替实验的油水相 对渗透率曲线测定方法，在该方法中， 不仅考虑了毛管压力的影 响，还考虑了油水非线性渗流的影响，即加入了油水两相渗流时 的拟启动压力梯度。 这样，在非稳态驱替实验中，既可以去掉L Ii v ,I的限 制，又能反映低渗透样品的渗流特征。基于低渗透岩样在低速渗流条件下偏离达西定律的事实，我 们修正了低渗透岩样在低速渗流条件下的渗流基本方程，从这个 非达西渗流方程出发，推导出了一套适合低渗透油层油水渗流的 两相非达西渗流公式，使得该公式不仅考虑了非达西渗流，即拟 启动压力梯度，而且还考虑了油水毛管力的影响。从而，使得整 理的实验油水两相相对渗透率曲线能够正确反映油水的真实渗流 情况。经过数学推导，得到了能够描述低渗透储层的油水相对渗 透率测定公式:油相相对渗透率d (工 ) I d V一 从K_ _ =f _ · 心， 司L ， .，、 ，1、 ， 。-tJ T 一 。+ ( T _ A _+1 _ .ti , . ) , al ，二 万pa胜d V , 一峨 一 “- - - 一 V水相相对渗透率 ，u. f ， 二 八 、 = 几= 八 ，o产 。Ja其中 I 一A P J = 一 止 一a P峨 - V ,峨 I V a s .为了验证上述公式的正确性，我们对一批低渗透岩样用稳态 法进行了实验，再分别使用新公式和老公式计算了油水两相相对 渗透率曲 线。我们经过对比分析认为，新公式能够正确反映低渗 透油层油水的两相非达西渗流。根据新公式对非达西渗流的描述，低渗透油层油水的两相非 达西渗流特征是:随着含水饱和度的 增加， 水相相对渗透率略低 且增加较快。油相相对渗透率下降幅度较大。如果降 低驱替速度， 油相相对渗透率下降幅度更大。从同一岩心在不同驱替速度下的 实验结果上看，油相相对渗透率下降幅度与启动压力梯度成正比， 启动压力梯度越大，油相相对渗透率下降幅度就越大。水驱油起 点速度高，油水渗流接近线性，能够一定程度上克服非线性渗流 的影响;相反，水驱油起点速度低，油水渗流非线性起主导作用， 油相分压很快降至拟启动压力，严重影响两相渗流。这正是低渗 透储层的两相非线性渗流特点。因此，建立较大的驱动压力梯度 是改善低渗透率油田开发效果的重要手段，较大的压力梯度能够 减轻启动压力带来的负面影响。对国内外相关文献的调研表明，目 前此领域的研究仍处于初 级阶段。本文对此领域，尤其是在油水两相渗流方面， 进行了 较 系统的研究，给低渗透油田的开发提供了一定的理论依据。ABS T RACTU s in g D a r c y ' s li n e a r it y la w , P e o p le h a v e s o lv e d m a n y p r o b le m s s u c c e s s f u lly s u c h a s t h e o il- w a t e r s e e p a g e in m e d ia l o r h ig h p e r m e a b i lit y o il f ie ld a n d t h e t e c h n ic a l g u id e li n e in d e v e lo p m e n t . B u t d u r in g t h e d e v e lo p m e n t in lo w p e r m e a b i l it y o i l f ie ld , a s e r ie s o f s p e c ia l p r o b le m w h ic h a r e d iff e r e n t f r o m h ig h p e r m e a b i lity o i l f ie ld h a v e a p p e a r e d , s t u d y o n t h e s e e p a g e i n lo w p e r m e a b i lity p o r o u s m e d ia w it h e x p e r im e n t , it a ls o a p p e a r s s o m e s p e c ia l r u le , s o s e e p a g e in lo w p e r m e a b i l ity p o r o u s m e d i a o b e y s N o n - l in e a r ity r u le .T h e o b j e c t iv e o f t h i s p a p e r is t o d is c o v e r a n d s u m m a r iz e t h e c h a r a c t e r is t ic o f N o n - D a r c y fl o w in lo w p e r m e a b ility c o r e t h r o u g h t h e s in g le - p h a s e fl o w e x p e r i m e n t o n lo w p e r m e a b ilit y c o r e , a n d u s e ma t h e ma t ic a l me t h o d t o e s t a b l i s h t h e ma t h e ma t ic a l mo d e l w h ic h c a n d e s c r ib e t h e N o n - D a r c y fl o w i n lo w p e r m e a b il ity c o r e ; I n a s p e c t o f t h e s t u d y o f t w o - p h a s e f lo w in lo w p e r m e a b i lity c o r e , b r e a k i n g t h e l im it o f t r a d it io n a l m e t h o d , w e c o n s id e r e d t h e s t a rt - u p p r e s s u r e , t h e in fl u e n c e o f s t r o n g c a p illa ry p r e s s u r e , d e d u c e d t h e f o r m u la w h ic h d e s c r ib e t h e N o n - D a r c y fl o w in lo w p e r m e a b ility c o r e , d e d u c e d t h e n e w f o r m u la o f o il- w a t e r t w o - p h a s e r e la t iv e p e r m e a b ility in lo w p e r m e a b il ity c o r e a n d g a v e t h e c a l c u la t i o n me t h o d .F ir s t w e s e le c t s o m e s a m p le s o f Y U - S N U - L I N o i l fi le d a n d d o s o m e e x p e r im e n t s o n it , a n d w e h a v e d o n e s o m e s i n g le - p h a s e fl o w e x p e r im e n t o n lo w p e r m e a b il ity c o r e w it h d iff e r e n t p e r m e a b i lity . A s a r e s u lt o f t h e e x p e r i m e n t s , t h is s e e p a g e c u r v e s i n lo w v e lo c ity d o n 't o b e y D a r c y 's la w , p e r m e a b i lity a r e lo w e r , c h a r a c t e r s o f N o n - D a r c y fl o w a r e m o r e o b v io u s , a n d t h e d e g r e e o f N o n - D a r c y fl o w c a n b e d e s c r ib e d