低渗透油藏数值模拟技术研究

辽宁石油化工大学继续教育学院论文I低渗透油藏数值模拟技术研究摘要随着现代石油工业的发展，低渗透油田的开发愈来愈为人们所重视。与中、高渗油藏相比较，低渗透油藏具有以下明显渗流特征：流体渗流不遵循达西定律，渗流中存在启动压力梯度，并且应力敏感性影响不可忽略。本文在广泛调研的基础上，综合考虑启动压力梯度和应力敏感性，对低渗透油田的数值模拟方法进行研究。主要考虑油水两相具有相同的启动压力梯度，并且启动压力梯度的大小与地层渗透率和含水饱和度有关，同时考虑地层弹塑性变形引起的渗透率改变。在此基础上，建立了符合实际情况的二维油水两相数学模型，并通过 IMPES 方法进行数值求解，对低渗透油藏注水开发的生产特征，产能影响因素及不同注采井网方式进行了研究，研究表明启动压力梯度、应力敏感性、油水粘度差和毛管力对低渗透油藏产能影响明显。关键词：低渗透油藏，启动压力梯度，应力敏感性，IMPES 方法，数值模拟辽宁石油化工大学继续教育学院论文IIAbstractWith the development of modern oil industry, the exploitation of low permeability reservoir has been paid more and more attention in recent years. Compared with medium and high permeability reservoirs, the low permeability reservoir has different seepage flow characteristics,which are as follows: The flow of the fluid does not obey Darcys Law; The starting pressure gradient exists in transfusion; The stress sensitivity influence can not neglect.This paper, based on widespread investigation and study, considered starting pressure gradient and stress sensitivity influence, makes some research on numerical simulation of low permeability reservoir. Specifically, it is considered that oil and water have the same starting pressure gradient, which has the relationship with absolute permeability and water saturation.At the same time, it is also considered that the absolute permeability will vary, because of stratum elastoplasticity distortion. On this basis, a two-dimensional mathematical model of oil-water two-phase is set up, which is solved with the IMPES numerical method. The production characteristics, the factors affecting the deliverability and the different injection pattern were studied. The result indicates that starting pressure gradient、stress sensitivity、oil/water viscosity ratio and capillary pressure have obvious effect to the deliverability of low permeability reservoir.Key words: Low permeability reservoir, Starting pressure gradient, Stress sensitivity,The method of IMPES, Numerical simulation辽宁石油化工大学继续教育学院论文III目 录摘要 .IAbstract .II目 录 .III1 绪论 .11.1 研究目的和意义 .11.2 国内外研究现状 .11.2.1 低渗透油藏渗流机理及特征研究 .11.2.2 低渗透油藏渗流模型的研究 .31.2.3 低渗透油藏数值模拟技术应用的研究 .51.3 研究内容和技术路线 .51.3.1 研究内容 .51.3.2 技术路线 .72 低渗透油藏渗流基本规律和油藏数值模拟基础 .82.1 低渗透油藏渗流特征 .82.1.1 低渗透油藏渗流呈现非线性特征 .82.1.2 低渗透油藏存在启动压力梯度 .102.1.3 低渗透油藏存在应力敏感性 .122.2 低渗透油藏渗流基本方程 .162.2.1 低渗透油藏运动方程 .162.2.2 低渗透油藏平面径向流公式 .182.3 低渗透油藏数值模拟基础 .192.4 小结 .21总 结 .22参考文献 .23致 谢 .25辽宁石油化工大学继续教育学院论文11 绪论1.1 研究目的和意义在我国，低渗透油田具有丰富的储量资源，广泛分布于各大油区。目前，全国累计探明原油储量为 212.89108吨，其中，低渗油藏的探明储量为90.97108吨，约占 43%。新增探明储量中，低渗透油田所占比例也在逐年增加。我国陆上新增探明储量中低渗透油藏所占比例 1989 年为 27.1%，1990 年为45.9%，1995 年为 72.7%。近几年，中石化新增探明储量中低渗油藏所占比例增加的也很明显，19952003 年，低渗油藏当年探明储量占砂岩油藏探明储量的比例由 23.3%上升到 28.9%， 9 年累计新增储量 41896104吨，阶段探明储量占砂岩油藏探明储量的 27.34%。所以开发低渗透油田，将对我国石油产能的接替和增长做出重要贡献 1。但是与中高渗油田相比，低渗透油田在开发效果上存在很大差异：（1）绝大部分低渗油藏天然能量不足，产量下降快，注水井吸水能力差了；（2）注水压力高，而采油（气）井难以见到注水效果；（3）见水后含水上升快，采液指数和采油（气）指数急剧下降；（4）油田最终采收率低。因此对于低渗透油藏，需要加大研究的力度，从渗流机理入手，弄清渗流规律。同时，数值模拟技术是一门非常重要并且实用的技术，可以用来进行油藏描述，油藏动态预测和水驱油的机理研究。合适的油藏数值模拟可以帮助工程师们确定油田有效的开发方式，优化具体方法中的参数。如果在低渗透油田开发上合理应用油藏数值模拟技术，可以使我们更准确地认识油藏，更经济合理地开采。可是目前，成熟的商业软件中集成了黑油模型、多组分模型、热采模型、聚合物模型、三元复合驱模型和水平井模型，却没有描述低渗透渗流规律的模型，这给油藏工作者们带来了极大的不便。因此在研究渗流规律的基础上，进行数值模拟方法的研究，努力开发适用的软件是十分有意义的。1.2 国内外研究现状1.2.1 低渗透油藏渗流机理及特征研究（1）渗流机理研究辽宁石油化工大学继续教育学院论文2国外，1924 年 H.JI.布兹列夫斯基研究流体渗流时指出，某些情况下，只有在超过某个起始的压力梯度时液体才会发生渗流。1951 年，B.A.弗洛林正式提出启动压力梯度的概念 2。1940 年库萨柯夫发现低渗透介质的渗流速度与压力梯度不成比例的迅速增加。1945 年，特列宾首次提出了石油渗流不符合达西流。随后，国外一些学者都曾发现低渗透介质中的非线性现象 3-7。但是总的来说，由于经济和技术多方面的原因，国外对低渗透的问题研究力度不大。而国内，由于低渗透油田占有很大的比例，国内许多专家学者都对此做了大量研究，尤其是近十年，国际油价居高不落，使得开发低渗透油田也具有很大的效益，所以关于低渗透油藏的研究越来越多。阎庆来比较早地指出了低渗透油层渗流过程的非达西性，并提出了启动压力梯度的概念。黄延章，李道品分别在低渗透渗流机理和低渗透开发方式上做了大量的工作。1990 年，阎庆来 8分别用蒸馏水、盐水和煤油测定砂岩，证实了存在启动压力梯度的曲线渗流。1997 年，黄延章 9研究了低渗透油藏的非线性渗流特征，指出对于低渗透油藏，正是由于孔隙内的原油边界层的影响不可忽略，才使得渗流规律发生明显变化，出现非达西渗流，存在启动压力梯度。同时他还指出另外两个特征：低渗透多孔介质的渗透率存在变化；低渗透多孔介质中流体流动的横截面积存在变化。1999 年，吴景春 10等人利用低浓度盐水和模拟油对不同渗透率的天然岩芯和人工胶结岩芯做单相低速渗流实验，同样证明了非达西流是客观存在的。并且认为产生非达西渗流的原因是：喉道狭窄；固相与液相之间的表面作用；变形介质的应力敏感性；非牛顿流体本身的流变性质。2004 年，李中锋、何顺利 11在综合了众人的研究后比较全面地从多孔介质的孔隙结构、孔隙介质与渗流流体之间的相互作用和渗流流体性质等方面总结了低速非达西渗流的产生机理。目前渗流的机理主要是从多孔介质的孔隙结构，孔隙介质与渗流流体之间的相互作用和渗流流体本身的性质三方面总结的，具体因素有孔道细小、孔喉结构作用增强，比表面高，液、固界面的作用以及流体的流变性增强等。但大都是比较定性的解释。辽宁石油化工大学继续教育学院论文3（2）启动压力梯度研究低渗透油藏渗流的首要特征就是存在启动压力梯度。很多专家学者都通过试验验证了这一问题。1998 年，孙黎娟 12通过试验测量中原油田 11 块没有速敏现象的低渗岩心的流速与压力梯度的关系，回归出启动压力梯度的表达式。结果表明启动压力梯度与流度呈反比关系。2002 年，吕成远、王建、孙志刚 13采用“毛细管平衡法”和传统的“压差- 流量法”相结合，对某一岩样进行了单相流体渗流的试验研究，得出了最小启动压力梯度、最大启动压力梯度与气测渗透率关系，并且由试验数据回归得到经验公式。公式表明启动压力梯度与渗透率成幂函数关系。2006 年，邓玉珍、刘慧卿 14对低渗透岩心油水两相渗流的启动压力梯度进行了试验研究。研究表明，不同初始含水饱和度的两相最小启动压力梯度与流度均呈幂指数关系，且随含水饱和度的增加，启动压力梯度逐渐减小。综上，在单相渗流时，启动压力梯度与地层渗透率和流体粘度存在关系，在油水两相渗流时，启动压力梯度还与饱和度有关。（3）应力敏感性研究应力敏感性是指油气储集层随地层压力的变化而产生变化的性质。大量研究已表明，在低渗透油藏中，应力敏感性不可忽略。2002 年，阮敏、王连刚 15对低渗透油田的应力敏感性进行了研究。研究表明，因压敏效应的存在，在井壁附近地层渗透率值只占供液边界处渗透率值的 45%左右；当地层压力下降 5MPa 时，产量下降可达 13%左右。2006 年，郝明强、杨正明 16等以室内试验为基础，研究了有效上覆压力对无裂缝低渗透岩心渗透率的影响，以及有效上覆压力对含水平裂缝低渗透岩心渗透率的影响。结果表明，含有水平裂缝的情况下，应力敏感性比之不含裂缝的情况更加严重。并通过对试验数据的回归，得出渗透率与压力的变化呈指数关系。目前大多数学者都认可这一函数关系。1.2.2 低渗透油藏渗流模型的研究（1）单相渗流情况对于单相的低渗透渗流，学者们最初的研究是对非达西渗流曲线的选用和推算单井单相的产能公式。辽宁石油化工大学继续教育学院论文42001 年，邓英尔 17根据实验结果，提出了低渗透非线性渗流规律的连续函数模型，为使低渗透非线性渗流的研究从定性分析到定量分析奠定了基础。基于此模型建立了单相的低渗透非线性定常和非定常渗流的数学模型。虽然用连续函数描述运动方程更符合实际，但是我们一般还是采用 的描述方式。)(Gdlpkv2002 年，宋付权 18综合考虑了启动压力梯度和变形介质的应力敏感性，推导了定压边界圆形油藏中心一口井稳定生产时的产能与压力公式。这个公式应用比较广泛，因为宋付权考虑了启动压力梯度和压敏效应，并且处理的比较合理，适合工程应用：对于启动压力梯度，考虑的是含拟启动压力梯度的非达西渗流运动方程（即原达西渗流方程中增加一个拟启动压力梯度项） ；对于应力敏感性，考虑的是渗透率随应力呈指数形式变化。2003 年，姚约东、葛家理 19做了近一步考虑，不再将整个渗流过程用一个运动方程考虑，而是做分段考虑。他先是由阻力系数与雷诺数的关系得出一个亚临界雷诺数，以此作为达西线性流和非线性流的分界，之后建立分段的无因次数学模型，用数值解法对方程进行求解并进行试井解释。采用的非线性段的运动方程为 ，没有考虑启动压力梯度和应力敏感性。3)(dlpcv2006 年，陈明强 20继续分段考虑低渗透油藏，在宋付权的非达西压力公式上直接应用，引入增产激活半径和增产激活系数，建立了分段考虑的压力公式。同年郝斐、程林松 21建立了只考虑启动压力梯度的不稳定的渗流模型，即考虑分段边界随渗流过程不断变化（动边界）的情况。从上述的研究过程可以看出，单相的渗流研究从稳态到非稳态逐渐复杂。（2）多相渗流情况油水两相渗流规律的模型建设及求解更加复杂，只单纯依靠推导试图求出解析解十分困难。少数学者进行了这方面的研究。1995 年，计秉玉 22研究了油水两相径向稳定渗流条件下压力分布及产量变化特征，提出运用油水相对渗透率曲线和径向 Buckley-Leverett 方程确定油水总流度径向变化的方法，并进行了实际计算和分析。1999 年，宋付权、刘慈群 23进行了含启动压力梯度油藏的两相渗流分析，得到了含启动压力梯度油藏中线性水驱、径向水驱、垂直裂缝井水驱和水平井油水两相渗流的解析解公式。而大部分学者开始通过数值模拟技术进行分析或求解。辽宁石油化工大学继续教育学院论文5对于三相问题，都用数值模拟技术进行求解。1.2.3 低渗透油藏数值模拟技术应用的研究数值模拟技可以用来帮助认清渗流规律，进行精细油藏描述，确定具体开发方式的参数界限，进行试井分析等。但目前，对低渗透油层渗流规律进行描述的数值模拟器仍处于研究中。（1） 两相数值模拟研究1994 年，李传亮 24对油水两相考虑启动压力梯度的数学模型做了一些研究。1998 年，程时清、陈明卓 25建立了考虑启动压力梯度的油水两相二维模型，并经过差分，线性化处理，最后编制程序完成了完整的数值模拟计算，并且在注水井和采油井单元考虑了表皮系数，但是模型中，把岩石的绝对渗透率，油水粘度都作为常数进行处理，并且忽略了毛管力和重力的影响。2004 年，王新海、张东丽 26等建立了考虑启动压力梯度的油水两相三维模型，对界面处的传导系数作了优化，油水取用相同的启动压力梯度，且为渗透率的函数，而地层绝对渗透率看作是压力的函数，以作为对介质变形的考虑。2006 年，李莉、董平川 27等同样建立了油水两相三维的数学模型，考虑油水具有不同的启动压力梯度，启动压力梯度同样取作渗透率的函数，并编制模拟软件。（2）三相数值模拟研究2004 年，韩洪宝、程林