特低渗透油层原油边界层特征及其对渗流规律的影响.doc

特低渗透油层原油边界层特征及其 对渗流规律的影响摘要：对于粘性和可压缩性流体，除了法应力外，实际流体内部各层之间还传递切应力，在浸没于流体中的固壁附近也是如此，真实流体中的切向力(即摩擦力)与称为流体粘性的这一性质有关，切应力的存在造成固壁上的难以滑移的边界流体利用流管模型描述了原油边界的基本特征，通过实验手段，探索了特低渗透率岩心单相流体渗流过程中原油边界层随驱动压力梯度、流体粘度以及岩心渗透率的变化规律，分析了边界层流体所占总流体的比例以及边界层厚度对油井产能的影响关键词：特低渗透；原油边界层；渗流规律；流管模型1 低渗透油层原油边界层的特征1.1 原油边界层基本特征 油藏渗流环境中的渗流流体有体相流体和边界流体两部分体相流体是指其性质不受界面现象影响的流体，它分布在多孔介质孔道的中轴部位边界流体是指其性质受界面现象影响的流体，它紧靠在孔道壁上形成一个边界层[1，2]原油边界层中，越靠近固体表面的地方，其原油的流动需要更大的驱动压力梯度说明越接近固体表面，原油边界层的结构变得更加牢固即越接近固体表面，原油的粘度和极限剪切应力也越大，其开采难度也越大[1，2]实际流体和理想流体的本质区别就是前者具有粘性。

对层流而言，单位面积摩擦力的大小，可以看出，对于确定的流体的等温流场，摩擦力的大小与速度/du dy梯度有关，其比例函数即动力粘度速度梯度大，粘性力也大，此时的流场称/du dy为粘性流场若速度梯度很小，则粘性力可以忽略，称为非粘性流场对于非/du dy粘性流场，则可按理想流体来处理[3,4]则纳维-斯托克斯方程可由欧拉方程代替，从而使问题大为简化VlvllVvAyuVltVltum2223dddd粘性力惯性力雷诺准数  Vd dVdV yuxuuRe2222// //＝粘性力惯性力当空气、蒸汽，水等小粘度的流体与其它物体作高速相对运动时，一般雷诺数很大在这些流动中，惯性力远大于粘性力，所以可略去粘性力但在紧靠物体壁面存在一流体薄层，粘性力却与惯性力为同一数量级所以，在这一薄层中，两者均不能略去这一薄层就叫边界层，或叫速度边界层，由普朗特在 1904 年发现[3]边界层η(x)xy0图 1 流体沿毛管边界层速度分布边界层的基本特征有：(1)层流边界层的厚度与成正比，随着沿平板流动的深入边界层厚度不断增长；x(2)层内很大，边界层内存在层流和紊流两种流态；/uy(3)边界层内，即认为边界层内各截面上的压力等于同一截面上边界层外/0py 边界上的压力；惯性力和粘性力为同一数量级。

1.2 原油边界层的分类 边界层又分为层流边界层（图 2） ，紊流边界层以及起始部分为层流，然后是紊流的，为混合边界层[3,5]层流边界层η(x)xy0紊流边界层dL图 2 毛管中原油边界层的类型2 存在边界层的渗流特征2.1 毛管渗流理论 在实际的低渗透油藏中，由于孔隙半径和边界层厚度几乎在同一个数量级上甚至更小，导致边界层流体对渗流产生较大的影响，产生非线性渗流[6~9]目前，对于边界层的研究主要采用实验室内微毛管实验，一般采用等直径微圆管液体流动公式，即 Hagen-Poiseuill 方程（1）  8844 Gepr LprQ则： （2）48GepQr（3）ierr 根据毛管束模型有：（4）4min8GipQr变形为： （5）)(8GepKr＝其中：——为边界层厚度，； 、——为毛管半径、渗流毛管半径，；mirerm——为流量，10-12；——为流体粘度，；——为压力梯度，Q3cmmPa s Gp。

/MPa m2.2 原油边界层的渗流实验研究 实验室内研究表明，随着毛管半径的增大，边界层流体对渗流的影响越小，边界层厚度随毛管半径变大而指数递减本次研究采用实际的低渗透储层岩心的实验室实测数据，通过视渗透率的变化来推断边界层对渗流的影响程度y = 0.0696Ln(x) + 0.2654R2 = 0.9552y = 0.2772Ln(x) + 1.2227R2 = 0.9791y = 1.0632Ln(x) + 1.3257R2 = 0.78610.101.0010.000.02.04.06.08.010.012.014.0压力梯度(MPa/m)渗透率(×10-5μm2)西28-31井1-41/97-1-1 西28-31井1-10/97-1-1 西33-033井1-77/269-2图 3 压力梯度与渗透率的关系研究认为，在低速非达西流动区的每一个准静态过程，仍符合达西公式的形式：（6）)()(GGpApKQ其中：K(△p)——表示渗透率为压力梯度的函数根据岩心实验数据的拟合结果，与存在以下关系KGp（7）bpaKG)ln(图 3 西 28-31 井 1-41/97-1-1 号岩心煤油测试压力梯度与渗透率的关系统计的实验室测试岩心数据如下：表 1 实验室测试岩心数据统计表井号岩心号ab渗透率 (10- 3μm2)孔隙 度(%)ζ (μm)1-10/97-2-2 0.01 0.03711.2812.9 0.09761-41/97-30.006 0.1107 1.6032 12.69 0.11241-41/97-1-2 0.0066 0.0767 0.6683 11.73 0.07551-12/97-2-2 0.0022 0.0162 0.7851 12.41 0.07951-10/97-1-1 0.0028 0.0251.1411.87 0.098西 28-311-41/97-1-1 0.0007 0.0059 0.6388 12.59 0.07121-11/86-1 0.0067 0.044 1.2966 10.9 0.10911-70/80-1 0.0009 0.0033 0.3506 17.57 0.0447平 14-141-11/86-2 0.0124 0.0736 1.134 11.16 0.10081-139/269-20.0225 0.11121.639.80.1291-77/269-2 0.0195 0.14681.3610.7 0.1127西 33-0331-77/269-2 0.0133 0.06821.0410.7 0.0986 研究人员分析了 a，b 值与 ζ 之间的关系，结果如下： 0.7116R 0014. 024334. 0ea 0.6001R 144. 024057. 0eb其中，称孔隙综合结构指数，简称孔隙指数，。

孔隙指数是孔喉的渗Km透率与孔隙度的比值，孔喉渗流能力越大、存储能力越小，则孔隙结构值越大通常由于储层的孔隙度的差别较小，而渗透率的差别较大，因此孔隙结构更多地反映了储层的渗流能力那么就可以得到对低渗透岩心低速区的渗流方程：（8） )ln()()()(bpapKppK LpApKQGGGG 实验分析，从拟合的公式中可以看出：（1）对于同一块岩心，视渗透随压力梯度的增加而呈指数增长，这与存在固化层的理论相吻合2）对于同一块岩心，视渗透率随压力梯度指数增加导致流量（流速）在压力梯度某个值后随压力梯度的增加趋于线性增加3）从公式可以看出，随着 ζ 的增加，K(△P)越来越受到值的影响，流量（流b速）和压力梯度越趋于线性根据公式，继续做 re 与压力梯度之间关系：)(8GepKr0.000.050.100.150.200.250.300.350.02.04.06.08.010.012.014.0压力梯度(MPa/m)re(μm)西28-31井1-41/97-1-1 西28-31井1-10/97-1-1 西33-033井1-77/269-2图 4 不同有效半径与压力梯度的关系y = -0.0101Ln(x) + 0.0307R2 = 0.9682y = -0.0101Ln(x) + 0.0272R2 = 0.9611y = -0.007Ln(x) + 0.0225R2 = 0.96540.00000.00750.01500.02250.03000.03750.04500.02.04.06.08.010.012.014.0 压力梯度(MPa/m)η(μm)西28-31井1-41/97-1-1 西28-31井1-10/97-1-1 平14-14-1-11/86-2图 5 岩心拟边界层厚度与压力梯度的关系从图 3、图 4 中可以看出，渗流有效半径随着压力梯度的增加而指数增加，经过某一压力梯度值后，曲线趋于平坦，边界层厚度基本无变化。

拟边界层厚度：最大有效半径计算值与各压力梯度点有效半径计算值之差从拟边界层厚度的变化趋势（图 4）可以看出，在起始阶段拟边界层厚度急剧减小，经过某一压力梯度值后，曲线逐渐趋于平坦，说明拟边界层基本无变化3. 边界层原油所占比例渗流流体的性质取决于体相流体的性质、边界流体的性质、多孔介质的性质及流动条件边界层是由于固液表面分子力作用而吸附在储层岩石表面的原油组分，它的厚度与多孔介质的结构、原油的性质有关原油胶质沥青质含量高，密度粘度大，则原油边界层越厚边界层内原油的储量份额也随多孔介质和原油性质不同而变化同一压力梯度下，毛管半径减小，则原油边界层厚度增加，它对低渗透率和特低渗透率油层中的流体渗流影响非常重要[1,2]设平均孔喉半径为，原油边界层厚为，则孔道中边界层的体积占流体总体积aR比可表示为：( )R（9）2/)2(rrR将图 6 中代入式（9）得 R 与渗透率 K 的关系式：4138. 02491. 0Kra（10）24138. 04138. 02491. 02491. 02KKR式（10）说明当边界原油层厚度一定时，值随渗透率的增大而减小，当渗透率R一定时，值随边界原油层厚度增大而增大（图 7） 。

R对长庆油田白于山、大路沟、王窑东、杏河、白马等油区岩心实验数据进行处理计算，得到原油边界层厚度值多在 0.01～0.035之间，渗透率为 1×10-3的储层孔m2m道中原油边界层的体积占流体总体积的百分比为 7%～22.5%r = 0.2491K0.4138R2 = 0.873600.10.20.30.40.50.60.700.511.522.533.544.5 渗透率(10-3μm2)平均孔喉半径(μm)图 6 平均孔喉半径与渗透率的关系11010000.250.50.7511.251.51.752渗透率(10-3μm2)R值(%)h=0.002μmh=0.005μm h=0.01μmh=0.015μmh=0.02μmh=0.025μm h=0.03μmh=0.035μm图 7 边界层流体占总流体的比例与渗透率的关系 4.边界层对油井产能的影响 当考虑原油边界层时，单井产量的计算公式为：（11）we owero o ln)(π24 .86rrppKhKQ （12）8/)()(2irK式中 ——单井产量，；、——供给边界压力和采油井井底流压，0Q3/mdepwp；、——供给半径、井筒半径，；——原油黏度，；——油MPaerwrmomPa s roK相相对渗透率，小数；——油层厚度，； ——原始孔喉半径，。

hmirm假设注采压差恒定，计算得到不同原油边界层厚度条件下的单井初始产量，可见原油边界层厚度越大，单井产量越小总之，原油边界层的存在减小了油层的渗透率，增加了残余油饱和度，通过增加注采压差、提高油层温度或注活性水等化学剂等措施可以改变原油的流变行，从而进一步降低边界层的厚度3.04.05.06.07.08.00。