（制冷及低温工程专业论文）基于注蒸汽井测温数据的地层油藏参数分析方法研究.pdf

u n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c hn o l o g yo fc h i n a adi s s e r t a t i o nf o rm a s t e r sd e gr e e o te n q l n e e n n q s t u d y o ne v a l u a t i o nm e t h o do f f o r m a t i o na n dr e s e r v o ir lali p a r a m e t e r sb a s e do ns t e a m t e m p e r a t u r el o g s a u t h o r sn a m e ： s p e c i a l i t y ：j l， s u p e r v i s o r ： 。o ri n i s h e dt i m e ： y o n g h u ah u a n g r e f r i g e r a t i o n & c r y o g e n i ce n g i n e e r i n g 一 - 一一一 a s s o p r o f w e n l o n gc h e n g m a y , 2 0 1 2 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除已特 别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我 一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论 文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内 容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 幽开口保密( 年) 作者签名：雌 各饵 v l 1 摘要 摘要 在注蒸汽热采稠油过程中，热导率和体积比热容等地层的热物性参数是热采 分析中的重要基础数据。而剩余油饱和度直接反映已开采油田的剩余油含量，是 评价稠油油藏开采价值的关键参数。但是，现有地层热物性参数与油藏剩余油饱 和度的测量方法在测量精度、测量效率和环境保护等方面都还存在着一定的局限 性。因此，研究注蒸汽过程井筒和地层的传热特性，准确预测地层的热物性和油 藏的剩余油饱和度参数，对于评价剩余油采储量、优化注汽工艺和提高采收率具 有重要的意义。针对上述情况，本文提出基于注汽井测温数据反演地层热物性和 油藏剩余油饱和度的方法，该方法有可能为地层热物性和油藏剩余油饱和度的高 精度确定探索出一条行之有效的新途径。 首先，本文分析了注蒸汽热采过程中井筒和地层的传热特性，在考虑井筒热 容对传热的影响的条件下，建立了地层非稳态传热模型并推导出新的地层瞬态导 热函数解析表达式。新的地层瞬态导热函数适用于整个注汽过程，弥补了传统地 层瞬态导热函数不适用于注汽初期的缺陷。基于新的地层瞬态导热函数，建立了 井筒内的蒸汽参数分析模型，并利用该模型研究了蒸汽压力、温度和干度以及井 筒热损沿井深的变化规律。研究发现，蒸汽参数的模拟结果与实测数据吻合得很 好，说明所建模型具有较高的精度，可以为注汽热采方案的优化提供可靠的理论 依据。 基于注汽井井筒和地层的传热模型，提出并建立了利用实测的蒸汽温度数据 反演地层热物性参数的方法。利用蒙特卡洛随机近似法和s p e a r m a n 偏秩相关系 数分析法对不确定性参数进行敏感性分析，结果显示，井筒与地层间的热流值为 强影响因子，地层的热导率为较强影响因子，地层的体积比热容为弱影响因子。 因此，为提高地层热物性的反演精度，本文建立了先修正热流，再修正热导率， 最后修正体积比热容的分步修正的随机近似反演方法。为检验该方法的可行性， 分别通过一口虚拟井和三口辽河油田实测井对该方法进行了验证，结果发现该方 法对于地层的热导率和比热容均具有很好的反演精度：对于虚拟井，地层热导率 和体积比热容的反演误差分别为0 0 4 和0 5 9 ；对于辽河油m - - 口注汽井，地 层相应参数的平均反演误差分别为0 2 9 和4 6 2 。 为了更真实地反映地层参数随地层深度变化的实际情况，利用上述方法对地 层热物性进行了分层反演。分层反演结果表明，地层热物性随着油井位置和井深 的变化而变化，所得结果能够客观的反映地层结构及其热物性的差异。而且，通 过与地层平均热物性的比较发现，在绝大部分井段内地层的热物性参数变化并不 摘要 太明显，工程计算中可以采用地层的平均热物性值。 最后，本文基于蒙特卡洛随机近似法，研究利用注蒸汽井测温数据反演油藏 剩余油饱和度的方法。主要分成两步进行：首先，利用注蒸汽井的测温数据对岩 芯的热物性参数进行反演；其次，基于第一步反演得到的岩芯热物性参数，利用 油藏剩余油饱和度和油藏热物性的关系模型反演岩芯的含油饱和度。研究结果表 明，基于注蒸汽井测温数据的岩芯含油饱和度的反演误差在- t - 3 0 以内，说明所 建立的剩余油饱和度反演方法是可行的。进一步的研究发现，岩芯含油饱和度的 反演误差主要来自于油藏剩余油饱和度和油藏热物性的关系模型本身的误差，利 用测温数据反演岩芯热物性的误差对最后的油饱和度反演结果影响不大。因此， 可以通过对油藏剩余油饱和度和油藏热物性的关系模型进行修正和改进，进一步 提高剩余油饱和度的反演精度。 关键词：注蒸汽；测温数据；稠油油藏；地层热物性；剩余油饱和度；蒙特卡洛； 敏感性分析 a b s t r a c t a b s t r a c t i ne x p l o i t i n gh e a v yo i lb ys t e a mi n j e c t i o nt e c h n i q u e ，t h e r m a lc o n d u c t i v i t ya n d v o l u m e t r i ch e a tc a p a c i t yo ff o r m a t i o na r eb a s i cp a r a m e t e r si nt h et h e r m a lr e c o v e r y a n a l y s i s 。1 1 1 er e s i d u a lo i ls a t u r a t i o nw h i c hr e f l e c t st h er e s i d u a lo i lc o n t e n ti sa n i m p o r t a n tp a r a m e t e rf o re v a l u a t i n gt h er e c o v e r yv a l u eo fh e a v yo i lr e s e r v o i nh o w e v e r , c o n v e n t i o n a lm e t h o d so fm e a s u r i n gf o r m a t i o nt h e r m a l p r o p e r t i e s o rr e s i d u a lo i l s a t u r a t i o nh a v es o m ed e f i c i e n c i e s ，s u c ha sl o wm e a s u r e m e n te f f i c i e n c ya n da c c u r a c y , a n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na n ds of o r t h e r e f o r e ，i ti s n e c e s s a r yt od e v e l o pa n e f f e c t i v ea n da c c u r a t em e t h o df o re s t i m a t i n gt h ef o r m a t i o nt h e r m a lp r o p e r t i e sa n dt h e r e s i d u a lo i ls a t u r a t i o n t 【l i sp a p e rf o c u s e so nt h et h e r m a la n a l y s i so fs t e a mi n j e c t i o n w e l la n dp r e s e n t sa ne f f i c i e n ti n v e r s i o nm e t h o df o rt h ee s t i m a t i o no ft h e r m a l p r o p e r t i e sa n dr e s i d u a lo i ls a t u r a t i o nf r o ms t e a mt e m p e r a t u r ed a t a f i r s t l y , t h eh e a tt r a n s f e rb e t w e e nt h ew e l l b o r ea n dt h ef o r m a t i o nd u r i n gs t e a m i n j e c t i o np r o c e s sw a si n v e s t i g a t e d b yc o n s i d e r i n gt h ew e l l b o r eh e a tc a p a c i t ye f f e c t ， a nu n s t e a d yf o r m a t i o nh e a t - t r a n s f e rm o d e lw a se s t a b l i s h e da n dan o v e la n a l y t i c a l t r a n s i e n th e a t c o n d u c t i o nt i m ef u n c t i o nw a so b t a i n e d c o m p a r e dt ot h ec o n v e n t i o n a l t r a n s i e n th e a t c o n d u c t i o nt i m ef u n c t i o n sw h i c ho n l yg a v eg o o dr e s u l t sf o rl o n gt i m e s ， t h en o v e lt r a n s i e n th e a t c o n d u c t i o nt i m ef u n c t i o no f f e r e dr e a s o n a b l er e s u l tf o ra 1 1 t i m e s b a s e do nt h en o v e lt r a n s i e n th e a t c o n d u c t i o nt i m ef u n c t i o n ，ac o m p r e h e n s i v e m o d e lf o r p r e d i c t i n gt h es t e a mp a r a m e t e r sw a sp r o p o s e d ，n l es i m u l a t e ds t e a m p r e s s u r e ，t e m p e r a t u r ea n ds t e a mq u a l i t yb yt h ep r o p o s e dm o d e ls h o w ng o o d a g r e e m e n t sw i t ht h ef i e l dd a t a ，d e m o n s t r a t i n gah i 曲a c c u r a c y o nt h eb a s i so ft h ew e l l b o r ea n df o r m a t i o nh e a tt r a n s f e r , ar o b u s ti n v e r s i o n m e t h o df o re s t i m a t i n gt h ef o r m a t i o nt h e r m a lp r o p e r t i e sf r o ms t e a mt e m p e r a t u r el o g s w a sd e v e l o p e d t h es e n s i t i v i t yo fu n c e r t a i np a r a m e t e r sw a ss t u d i e dt h r o u g ht h e m o n t ec a r l os t o c h a s t i ca p p r o x i m a t i o nm e t h o da n dt h es p e a r m a n sr a n kc o r r e l a t i o n m e t h o d t h er e s u l t ss h o w nt h a th e a tf l u xe x e r c i s e dt h eg r e a t e s te f f e c to nt h es t e a m t e m p e r a t u r e ，f o l l o w e db yt h e r m a lc o n d u c t i v i t ya n dv o l u m e t r i ch e a tc a p a c i t y a sa r e s u l t ，al a y e r e dc o r r e c t i o na p p r o a c hw a sa d o p t e dt oi m p r o v et h ei n v e r s i o na c c u r a c y s p e c i f i c a l l y , h e a tf l u xw a sc o r r e c t e df i r s t l y , f o l l o w e db yt h e r m a lc o n d u c t i v i t y , a n d v o l u m e t r i ch e a tc a p a c i t yw a sc o r r e c t e dl a s t l y t oa s s e s st h ef e a s i b i l i t yo ft h ei n v e r s i o n m e t h o d ，t h ef o r m a t i o nt h e r m a lp r o p e r t i e so fav i r t u a ls t e a mi n j e c t i o nw e l la n dt h r e e a b s t r a c t f i e l dt e s tw e l l sw e r ec o n c e r n e d f o rt h ev i r t u a lw e l l t h e1 n v e r s i o ne r r o r so ft h em e a n t h e r m a lc o n d u c t i v i t ya n dt h em e a nv o l u m e t r i ch e a tc a p a c i t yw e r eo 0 4 a n d - 0 5 9 ， r e s p e c t i v e l y f o rt h et h r e ef i e l dt e s tw e l l s ，t h ea v e r a g ee r r o r so ft h em e a nt h e r m a l c o n d u c t i v i t ya n dt h em e a nv o l u m e t r i ch e a tc a p a c i t yw e r e 一0 2 9 a n d 一4 6 2 ， r e s p e c t i v e l y t h ei n v e r s i o nr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ep r o p o s e d i n v e r s i o nm e t h o dw a s e f f e c t i v ef o re s t i m a t i n gt h ef o r m a t i o nt h e r m a lp r o p e r t i e s i no r d e rt oi n v e s t i g a t et h ef o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sw i t hw e l ld e p t h ，al a y e r e d i n v e r s i o nm e t h o df o r p r e d i c t i n g t h e s p a t i a l d i s t r i b u t i o no ff o r m a t i o nt h e r m a l p r o p e r t i e sw a si n t r o d u c e d 珏el a y e r e di n v e r s i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a tt h et h e r m a l c o n d u c t i v i t ya n d t h ev o l u m e t r i ch e a tc a p a c i t ys h o w n v a r i a b i l i t yo v e rt h ew h o l es p r e a d i n d e p t h ，r e f l e c t i n gt h ev a r i o u s t h e r m a l p r o p e r t i e s o fg e o g r a p h i cr e g i o n sa n d g e o l o g i c a lf o r m a t i o n s b e s i d e s ，ac o m p a r i s o nb e t w e e n t h em e a ni n v e r s i o nr e s u l t sa n d t h el a y e r e di n v e r s i o nr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h et h e r m a lp r o p e r t i e sd i dn o ts h o wg r e a t v a r i a t i o n si nm o s tw e l ls e g m e n t s t h u s ，t h em e a nv a l u e so ff o r m a t i o nt h e r m a l p r o p e r t i e sc o u l db eu s e df o re n g i n e e r i n gs i m u l a t i o n i nt h el a s tp a r to ft h i sp a p e r , a ni n v e r s i o na p p r o a c hf o re s t i m a t i n gt h er e s i d u a lo i l s a t u r a t i o nb yu s i n gt h es t e a mt e m p e r a t u r el o g sw a sp r e s e n t e d f i r s t l y , t h et h e r m a l p r o p e r t i e so fc o r es a m p l e sw e r ee v a l u a t e dt h r o u 曲t h em o n t e c a r l oi n v e r s i o nm e t h o d b yu s i n gt h es t e a mt e m p e r a t u r el o g s b a s e do nt h ee v a l u a t e dt h e r m a lp r o p e r t i e s ，t h e o i ls a t u r a t i o no fc o r ew a sf i n a l l yo b t a i n e da c c o r d i n gt ot h ec o r r e l a t i o nb e t w e e n t h e r m a lp r o p e r t i e sa n do i ls a t u r a t i o n i tw a sf o u n dt h a tt h ei n v e r s i o ne r r o r so fo i l s a t u r a t i o no fc o r es a m p l e sw e r ew i t h i n 士3 0 ，i n d i c a t i n gt h a tt h ep r o p o s e dm e t h o di s e f f i c i e n ti nt h ee s t i m a t i o no fo i ls a t u r a t i o n f u r t h e ri n v e s t i g a t i o nr e v e a l e dt h a tt h e i n v e r s i o ne r r o ro fo i ls a t u r a t i o nm a i n l yr e s u l t e df r o mt h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt h e r m a l p r o p e r t i e sa n do i ls a t u r a t i o n t oe n h a n c et h ep r e d i c t i o na c c u r a c yo fo i ls a t u r a t i o n ， e f f o r t ss h o u l db em a d et oi m p r o v et h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt h e r m a lp r o p e r t i e sa n do i l s a t u r a t i o n k e yw o r d s ：s t e a mi n j e c t i o n ；h e a v yo i lr e s e r v o i r ；f o r m a t i o nt h e r m a lp r o p e r t i e s ； r e s i d u a lo i ls a t u r a t i o n ；m o n t ec a r l o ；s e n s i t i v i t ya n a l y s i s 目录 目录 摘要。i a b s t p a c t 。iii 第1 章绪论。1 1 1 研究目的及意义1 1 2 研究背景2 1 。2 1 注蒸汽井井筒和地层热力分析2 1 2 2 地层热物性分析方法3 1 2 3 油藏剩余油饱和度确定方法4 1 3 本文的主要工作。6 第2 章瞬态导热函数及注蒸汽井井筒一地层热力分析7 2 1 本章简介7 2 2 井筒传热分析j 7 2 3 地层传热分析9 2 3 1 新瞬态导热函数9 2 3 2 井筒热容的计算方法 2 3 3 新瞬态导热函数与传统瞬态导热函数的比较 1 2 。1 3 2 4 注蒸汽井井筒参数特性研究。1 4 2 4 1 蒸汽压力和干度计算模型1 4 2 4 2 相关参数的求解1 5 2 4 3 蒸汽参数的模拟结果与讨论2 0 2 5 本章小结2 4 第3 章基于注汽井测温数据的地层热物性测算研究2 5 3 1 本章简介2 5 3 2 地层热物性反演方法研究2 5 3 2 1 蒸汽温度和地层热物性的关系2 5 目录 3 2 2 蒙特卡洛( m o n t ec a r l o ) 随机近似方法2 7 3 2 3 参数的敏感性分析2 8 3 3 基于虚拟井的地层热物性反演方法研究2 9 3 4 基于实测井的地层热物性反演方法的应用及验证。3 l 3 4 1 参数的敏感性分析结果3 1 3 4 2 实测并的地层平均热物性反演3 6 3 4 3 实测井的地层热物性分层反演3 9 3 5 本章小结。4 5 第4 章油藏剩余油饱和度反演方法研究4 7 4 1 本章简介。4 7 4 2 油藏剩余油饱和度模型。4 7 4 。2 。1 物理模型4 7 4 2 2 计算模型4 8 4 3 基于热导率的油饱和度反演方法5 0 4 3 1 克恩河油砂的油饱和度反演。5 0 4 3 2 人造岩芯的油饱和度反演5 2 4 4 基于注汽井测温数据的油饱和度反演方法及误差分析5 3 4 4 1 岩芯热物性反演。5 4 4 4 2 岩芯含油饱和度反演5 8 4 5 本章小结5 9 第5 章本文总结与工作展望6 1 5 1 本文总结6 1 5 2 工作展望6 2 参考文献6 3 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果7 1 致谢7 3 第1 章绪论 1 1研究目的及意义 第1 章绪论 随着石油需求量的不断增加和油田石油储量的递减，稠油已经成为一种重要 的能量补给资源。研究表明，我国稠油资源十分丰富，目前探明的稠油资源储量 超过1 6 4 1 0 9 t ，其中陆地稠油资源约占石油总资源的2 0 以上【l 】。因此，提高 稠油油藏的开发水平具有重大的现实意义。然而，稠油的粘度高，流动阻力大， 采用常规方法难以实现稠油的有效开采。鉴于稠油粘度对温度的高度敏感性，通 过向地层内注入高温蒸汽，既可以提高油层温度、降低稠油粘度，也可以提升油 层压力、增加驱油动力。因此，采用注蒸汽热采的方式可以有效地提高稠油油藏 的开发效果。 油井的井筒传热特性是影响注蒸汽稠油开采的重要因素。准确分析井筒传热 特性和地层热阻对传热的影响，并精确计算不同深度处蒸汽和地层的温度，对于 保护井筒结构和估算井筒热损失，显得尤为重要。同时，研究蒸汽的压力、温度 和干度等参数沿井深的变化规律，有助于合理选择蒸汽注入参数，优化注采工艺， 提高热采效果。然而，传统分析方法由于没有考虑井筒热容对井筒和地层传热的 影响，使得井筒热损和蒸汽参数的预测均存在着一定的误差。 地层热物性参数是表征地层传热特性的重要参数，也是注蒸汽热采中井筒与 地层传热分析的重要基础数据。地层的热物性参数主要包括地层的热导率、体积 比热容和热扩散系数等。由于不同油井周围地质结构不同，地层的热物性差异很 大。即便对于同一口井，由于不同深度处地层温度、压力、孔隙率、矿物成分及 孔隙流体的不同，地层的热物性也是不同的。鉴于地层复杂的地质结构和组成， 采用常规方法很难获得准确的地层热物性参数。 油藏剩余油饱和度是研究已开采油田剩余油分布情况的关键参数。准确预测 油藏的剩余油饱和度对于科学评价可采储量和提高采收率具有非常重要的意义。 所谓剩余油饱和度是指油藏流体相中剩余油的含量。受实验成本和测试技术的限 制，通过现场测量的方法很难获得准确的剩余油饱和度。特别是对于复杂储层的 剩余油饱和度评价，现场测量不仅成本高、对环境具有一定的污染，而且精度比 较低。 针对上述问题，本文首先在考虑了井筒热容对注蒸汽井井筒和地层传热影响 的条件下，推导出新的地层瞬态导热函数，建立了具有更高精度的井筒热损和蒸 汽参数的热力分析模型。其次，提出了基于注蒸汽井的实测蒸汽温度数据，利用 第1 章绪论 蒙特卡洛随机近似法反演地层热物性和油藏剩余油饱和度的方法。该方法直接利 用注汽井测温数据，不需要采用其他测井手段，方便、经济、高效，有可能成为 获取地层热物性和油藏剩余油饱和度的一种新方法。 1 2 研究背景 1 2 1注蒸汽井井筒和地层热力分析 自上世纪6 0 年代起，国内外研究者对注蒸汽井的井筒传热，进行了大量的 研究工作。 r a m e y l 2 】在对井筒内流体流动的传热分析基础上，建立了井内温度与井深和 时间的函数关系式，研究了不同的注入条件下流体温度分布的特点。然而，r a m e y 方法只适用于单相流的稳态传热过程，对于井筒内为多相流或者井筒传热为非稳 态的情况并不适用。 以r a m e y 方法为基础，人们对模型进行了相应的改进，并提出了更符合实 际情况的井筒热力分析模型。其中，s a g a r 等【3 】考虑了动能的影响，将r a m e y 方 法推广应用至多相流；a l v e s 等【4 】考虑了摩擦阻力的影响，建立了适用于多相流 和任意倾斜角的井筒传热模型；s a t t e r 5 】考虑了蒸汽流动过程中相变的影响以及蒸 汽注入参数和时间等对井筒热损失的影响；p a c h e c o f a r o u q 6 】考虑了蒸汽的温度、 压力对摩擦阻力的影响，建立了井筒内蒸汽的两相流数学模型和井筒传热模型； c h i u 等r 7 】考虑了变注汽压力、温度和干度条件下井筒的传热情况，针对垂直井和 倾斜井建立了计算井筒热损失的半解析模型；徐玉兵等【8 】建立了注蒸汽井筒内的 两相流流动模型和井筒与周围地层的温度场计算模型；倪学锋等【9 】从动量定理和 能量守恒角度出发，考虑了蒸汽在垂直井筒中的重力冲量和摩擦能量的损失；李 明忠等i l o 】对影响蒸汽热采效果的主要参数进行敏感性分析，并提出了减小井筒热 损失的方法；程簧等 i l 】根据蒸汽的流动情况，考虑了摩擦阻力和热损失对蒸汽流 动的影响，并采用了不同方法计算井筒内的蒸汽压降；近年来，h a s a n 和k a b i r 1 2 - 1 4 对井筒内的两相流传热情况进行了较为深入的研究和探讨，并分别给出了稳定和 不稳定条件下井筒温度的计算方法。 对于注蒸汽井，井筒传热和地层传热是相互联系的，因此地层的传热分析准 确与否直接影响着井筒的传热分析结果。对于注蒸汽井的地层传热问题，关键是 确定反映地层传热特性的瞬态导热函数。对此，人们也进行了有益的探索和研究。 c a r s l a w 和j a e g e r 1 5 】研究了圆柱形热源在恒定热流、恒定壁温等边界条件下 地层中的非稳态导热问题，并给出了地层瞬态导热函数的精确解。但是，该精确 第1 章绪论 解没有考虑井筒热容的影响，只适用于较长注汽时间的情况。 为便于工程计算，人们以c a r s l a w j a e g e r 精确解为基础给出了很多形式较为 简单的地层瞬态导热函数近似解。其中，r a m e y 2 】忽略井筒热阻和井筒热容的影 响，得到了恒定热流条件下的地层瞬态导热函数近似式，然而该近似式不适用于 注汽初期井筒和和地层的热力计算。w i l l h i t e 1 6 】以列表的形式给出了瞬态导热函 数解，该解对于注汽时间较短的情况同样适用，一定程度上弥补了r a m e y 公式 的不足。徐世杰等【1 7 】对r a m e y 近似解进行了相应的分析和改进，得到了适用于 变热源强度和较短注汽时间的计算地层瞬态导热函数的方法。c h i u j 以 c a r s l a w j a e g e r 精确解为基础拟合得到了新的经验表达式，并与c a r s l a w j a e g e r 精确解、r a m e y 近似解和指数积分解等进行了比较和分析。 h a s a n 和k a b i r t l 8 】根据傅里叶热传导原理给出了井筒和地层交界处的边界条 件，建立了地层中的非稳态传热模型，推导出以贝塞尔积分函数表示的地层瞬态 导热函数解析节以及形式较为简便的经验公式。然而，h a s a n - k a b i r 解析解和经 验解同样没有考虑井筒热容对传热的影响。 基于h a s a n - k a b i r 解析解【l 引，人们对地层瞬态导热函数进行了进一步的研 究。王弥康【”】对r a m e y 近似解、c h i u 经验解和h a s a n k a b i r 经验解【l8 】进行了比 较，并认为h a s a n - k a b i r 经验解较之r a m e y 近似解适用性更好。张钦军【2 0 】和李瑞 清等【2 l 】研究了恒壁温边界条件下地层的导热问题，并给出了地层瞬态导热函数的 计算式。宋永臣等【2 2 】以h a s a n - k a b i r 解析解为基础，利用最小二乘法原理拟合得 到两个新的地层瞬态导热函数近似表达式。 综上可以看出，各地层瞬态导热函数的近似解基本上都是以c a r s l a w j a e g e r 精确解或h a s a n - k a b i r 解析解为基础得到的。虽然各地层瞬态导热函数解的表达 式各不相同，但是在推导的过程中个别模型忽略了井筒热阻的影响，而且所有模 型均认为井筒结构的热惯性远小于地层的热惯性，并忽略井筒热容的影响。然而， 井筒热阻尤其是隔热层、环空和水泥环的热阻对传热的影响很大，而且井筒热容 对传热的影响也不能忽略，特别是对于注汽时间较短的情况。所以，有必要在考 虑井筒热阻和井筒热容的条件下建立新的地层传热模型，给出更为精确的地层瞬 态导热函数解，为井筒和地层的热力分析提供更为准确的数据。 1 2 2 地层热物性分析方法 地层热物性是稠油热采中的重要参数，然而由于地层的地质结构十分复杂， 受测试技术和成本等条件的限制，很难直接通过实地测量的方法获得准确可靠的 地层热物性数据。因此，在实际应用中主要通过实验室测量、理论推算或测井技 术来获取地层的热物性参数。 第1 章绪论 实验室测量是直接获取地层热物性参数的有效方法，主要通过在实验室条件 下对岩芯样品进行测量来分析地层的热物性 2 3 - 2 7 】。然而，受到实验条件和测量成 本等因素的限制，通过实验室测量的方法获得的地层热物性数据是比较有限的， 不能满足稠油热采工程计算的需求。 理论推算是通过建立近似反映地层结构及其特性的物理和数学模型来分析 地层的热物性。常用的地层热物性分析模型包括理论模型和分形模型。理论模型 是以具有简单几何结构的复合材料的热传导为基础建立的。然而，由于地层中岩 石颗粒之间与岩石颗粒和孔隙流体间的接触热阻的不确定性，以及地层岩石( 尤 其是流体饱和岩石) 微观结构的极其不规则性，理论模型的精度很难得到保证 2 8 - 2 9 】。分形模型是将不规则的几何体集合视为分形体，按分形几何的方法定量求 解分形体空间的分布特征参数。国内外利用分形理论在研究多孔介质结构及热物 性方面进行了有益的探索 3 0 - 3 1 】，但是分形理论在确定地层等多孔介质的热物性方 面仍然有很多问题和困难，还有待进一步研刭3 2 】。鉴于地层复杂的地质结构，以 及深层地层岩石和孔隙流体成分及含量的不确定性，通过理论推算的方法无法获 得准确的地层热物性数据。 利用测井技术获取地层热物性参数的方法主要是通过测井数据( 包括声速、 密度和电阻率等) 确定地层岩石和所含流体的成分及其含量，再根据各组分的热 导率等参数选用合适的半经验模型计算地层的热物性。常用的半经验模型主要包 括 2 8 】：算术平均模型【3 3 1 、调和平均模型【3 3 1 、几何平均模型【3 4 】和球形孔隙模型 【2 他8 , 3 3 , 3 5 等。其中，算术平均模型、调和平均模型、几何平均模型是三种最基本 的半经验模型，而算术平均模型和调和平均模型则被认为是地层等多孔介质等效 热导率的下限和上限值；几何平均模型介于算术平均模型和调和平均模型之间， 但只适用于各向同性介质；球形孔隙模型考虑了岩石结构的影响，并假定岩石中 孔隙为球形或类球形结构。为了尽可能的接近真实的地层结构，在实际应用中通 常假定地层为两种或多种结构组成的复合结构【3 6 0 7 1 。由于测井数据能够提供较为 全面的地层和岩性信息，因此其在分析地层热物性方面获得了较大的发展和应用 3 8 - 4 0 】。然而，测井技术在实际应用中也存在一定的局限性，如数据准确度低、模 型适用性差、分析过程复杂以及费用昂贵等。尤其对于低孔低渗和非均质等复杂 储层结构，测井数据的精度将大大降低。 1 2 3 油藏剩余油饱和度确定方法 随着油田的开发，储油层情况变得日趋复杂，而精确的剩余油饱和度数据是 提高油井采收率的必要保证。从2 0 世纪7 0 年代初至今，国内外提出了许多确定 剩余油饱和度的方法，大体可以分为直接测量和间接计算两种。直接测量是指岩 4 第1 章绪论 芯分析法；间接计算主要是通过各种测井技术，包括电法测井、脉冲中子类测井、 核磁共振测井和示踪剂测井等技术来计算剩余油饱和度的方法。 岩芯分析法是通过对含油岩芯的测定来确定取心井所在区域的油藏剩余油 饱和度的方法 4 1 - 4 2 】。目前国内外主要采用的是密闭取心法或压力取心法来获取含 油岩芯样品。密闭取芯由于不能保持油藏地层压力，需要对测试结果进行修正 4 3 - 4 5 】。压力取心法可以保持地层的压力，测试精度较高，但是费用也较为昂贵。 岩芯分析法由于能够直接对油藏岩石参数和流体特性进行分析，在确定油藏剩余 油饱和度方面具有较高的精度。然而，由于我国大多数油田的储层结构复杂，均 质性差，受测试技术和实验成本的限制，无法获得足够的岩芯样品来准确预测油 藏的剩余油分布规律。 电法测井、脉冲中子类测井、核磁共振测井和示踪剂测井等测井技术，不仅 采集的地层信息多，而且可以实时监测各项地层参数，所以其在研究油藏剩余油 饱和度分布规律方面得到了广泛的应用。 电法测井具有施工方便、探测深度大及费用低廉等特点，是确定油藏剩余油 饱和度的有效方法。利用该方法确定剩余油饱和度的基础是阿尔奇公式【4 6 1 ，然而 实验室条件下对公式中的各个岩电参数的测量均存在着一定的误差 4 7 - 4 9 】。为了提 高剩余油饱和度的测量精度，人们对电法测井中地层电阻率的影响因素进行了较 为深入的研究和分析，并在此基础上提出了相应的校正方法【5 m 5 3 】。但是，由于岩 性和地层导电机理的复杂性、以及地层电阻率和岩电参数的不确定性等原因，电 法测井在实际应用中很难准确计算储层流体的饱和度 5 4 - 5 5 】。当地层孔隙中含有多 种具有不同导电特性的流体时，该方法就变得无能为力【5 6 1 。 脉冲中子类测井包括中子寿命测井【5 7 】、碳氧比测井 5 8 - 5 9 】等几十种测井方法。 然而，随着油田勘探开发的深入，其在获取剩余油饱和度方面的局限性也日益显 现出来，具体体现在【6 0 】：1 ) 测井数据所含地层信息少，获得的剩余油饱和度值 精度不高；2 ) 测井深度浅，受地层岩石和孔隙流体等因素的影响较大，对测试 数据的解释和标定极为困难；3 ) 测试速度较慢，常需进行多次重复测量以获得 足够的测量精度。 核磁共振测井是通过测量岩石空隙中的流体在外加磁场作用下所表现出来 的特性来描述油藏剩余油饱和度的一种新型测井技术【6 1 6 3 】。与常规测井技术相 比，核磁共振测井能提供更为丰富的地层信息，即使对于低孔隙率、低渗透率和 低饱和度等较为复杂的储层，核磁共振测井也是一种有效的测井方法。但是相对 于其他测井方法，核磁共振测井技术较为复杂，而且作为一种新型测井技术，其 发展还不够成熟，有很多问题还需要进一步的研究和完善【6 4 】。 示踪剂测井是一种通过向井内注入示踪剂段塞，并根据示踪剂产出情况来监 第1 章绪论 测油藏剩余油饱和度的方法。常用的示踪剂有化学示踪剂、放射性同位素示踪剂、 非放射性同位素示踪剂以及微量物质示踪剂等。由于示踪剂测井技术能够较为直 观的确定油藏剩余油饱和度，所以该技术在世界范围内均得到了极大的发展和应 用 6 5 - 6 8 】。然而，在实际的应用中，示踪剂测试技术存在着诸多的问题 6 8 - 6 9 】，如化 学示踪剂用量大、成本高、测试精度低；放射性同位素示踪剂投放和检测都必须 由专门