（油气田开发工程专业论文）缝洞型介质流动机理实验与数值模拟研究.pdf

e x p e r i m e n t a la n dn u m e r i c a ls t u d yo ff l u i df l o wm e c h a n i s mi n f r a c t u r e d - v u g g y p o r o u sm e d i a w a n gd i a n s h e n g ( o i l - g a sf i e l dd e v e l o p m e n te n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f y a oj u n f r a c t u r e d - v u g g yc a r b o n a t er e s e r v o i rw i t hm a t r i x , f r a c t u r ea n dr u gi sw e l lk n o w n 嬲 e x t r e m e l ya n i s o t r o p ya n dh e t e r o g e n e i t y , w h e r ep o r es t r u c t u r e i sc o m p l e xa n dp o r es i z eh a s al a r g es c a l e t h e r e f o r et h ef l u i df l o wi nf r a c t u r e d - v u g g yc a r b o n a t er e s e r v o i rh a ss p e c i a l p r o p e r t i e s s t u d yo nf l u i df l o wm e c h a n i s mi nf i 芝m t u r e d - v u g g yp o r o u sm e d i ah a si m p o r t a n t s i g n i f i c a t i o nt oo p t i m i z a t i o no fo i lr e c o v e r yf r o ms u c kr e s e r v o i r s i nt h i sd i s s e r t a t i o n , p h y s i c a lm o d e l i n ge x p e r i m e n ts t u d ya t t a c h i n gt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o no nf l u i df l o wi n t h ea r t i f i c i a lf r a c t u r e d - v u g g yi sp r e s e n t e & f i r s t , ag r o u po fs i m i l a r i t yc r i t e r i o no fp h y s i c a ls i m u l a t i o nw a sd c r i ：v e db a s e do nt h e s i m i l a r i t yt h e o r yo fp h y s i c a lm o d e l i n g , a n ds i m p l ea n dp r a c t i c a ls c v e l lm a i ns i m i l a r i t y c r i t e r i o n sw i t hs p e c i f i cp h y s i c a lm e a n i n gw e r cd e f i n e do nc o n s i d e r i n gc h a r a c t e r i s t i c so f f r a c t u r e d - v u g g yp o r o u sm e d i a 1 1 地d e s i g nm e t h o do fc o n c e p t u a lm o d e lc o n s i d e r i n gt h es i m p l eb u tc o n c e m f u l f 戤t o l sw a sp u tf o z w a r da c c o r d i n gt ot h ep r o p e r t yt h a t f l u i di sa l m o s ti n c a p a b l eo f p e r m e a t i n ga n ds t o r i n g i nm a t r i x o fm a n yf i a c t u r e d - v u g g yc a r b o n a t er e s e r v o i r s t h i r t y - e i g h tm o d e l sw i t hd i f f e r e n tf r a c t u r e - v u gs t r u c t u r e s w e r em a d ef r o mm a r b l e m a t e r i a l st h r o u g ht h e s e r f - d e v e l o p e dt e c h n i q u eo fc o n t r o l l i n ga c c u r a t e l y s i z ea n d c o n f i g u r a t i o no ff r a c t u r ea n dr u g as e to fe x p e r i m e n t a la p p a r a t u sf o rp h y s i c a lm o d e l i n g e x p e r i m e n tw a sb u i l tb e i n ge q u i p p e dw i t hs e n s o rm e a s u r i n gt e c h n i q u ea n dc o m p u t e r a u t o m a t i cc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o nt e c h n i q u e as y s t e m ss o r w a r e o f f e r i n ge x p e r i m e n t a ! c o n t r o la n dd a t am e a s u r e m e n ta n dp r o c e s s i n gw a sd e v e l o p e d , i nw h i c ht h er e a l - t i m e m e a s u r i n g , a c q u i r e m e n t , m e m o r ya n dp r o c e s s i n go f d a t aw e r ei m p l e m e n t e d ，w h i c hi n c l u d e p r e s s u r e , i n j e c t i o na n do u t p u tf l o wr a t e ，a c c u m u l a t e dm a s sa n dv o l u m ep r o d u c t i o n , a n d d e n s i t ya n dt e m p e r a t u r eo fp r o d u c e df l u i d o na c c o u n to ft h ee x p e r i m e n t a lp r o c e s so ff l u i d f l o wi np o r o mm e d i aa n d0 1 1t h eb a s i co fm u c he x p e r i m e n t a l p r a c t i c e ，as u i t o f e x p e r i m e n t a lm e t h o d sa n dt e c h n i q u e sf o rf l u i df l o wi nt h ef r a c t u r e d - v u g g ym e d i aw a s g e n e r a t e d , a n dt h ep h y s i c a lm o d e l i n ge x p e r i m e n t so fo n e - a n dt w o - p h a s ef l u i df l o w w e r e s y s t e m i c a l l yc a r r i e do u ta sf o l l o w i n g ， 耽en e x t , b yt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n a l y s i so fs i n g l ep h a s ef l o w , a ne m p i r i c a l f o r m u l ab e t w e e np e r m e a b i l i t yo ff r a c t u r e d - v u g g ym e d i aa n ds e v e np a r a m e t e r s ，i n c l u d i n g f r a c t u r ed e n s i t y , f r a c t u r ea p e r t u r e ，f r a c t u r er o u g h n e s s ，f r a c t u r ec o n n e c t i v i t y , r u gp o r o s i t y , p o r o s i t ya n dm e d i at h i c k n e s s ，w e r ef i t t e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tf r a c t u r es y s t e mi st h e m a i nf a c t o ra f f e c t i n go np e r m e a b i l i t ya n dr u gs y s t e mg e n e r a l l yw o u l d n tm a k et h e p e r m e a b i l i t yd o u b l e a tt h es a n l et i m e , t h ee f f e c t so nt h ec r i t i c a lv e l o c i t yo fl i n e a ra n d n o n - l i n e a rf l o wb e t w e e nf r a c t u r ea n d f r a c t u r e ，f r a c t u r ea n dv u g ，w g r er e s p e c t i v e l ya n a l y z e d , a n dt h ed a r c ye q u a t i o no fl i n e a rf l o wa n db i n o m i a le q u a t i o n , e x p o n e n t i a le q u a t i o na n d r e y n o l d se q u a t i o no fn o n - l i n e a rf l o ww e r eg i v e n 。 t h i r d , t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e ns t r u c t u r eo ff r a c t u r e d - v u g g ym e d i aa n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so fo i l - w a t e rr e l a t i v ep e r m e a b i l i t yg u l v e ，w a t e r - o i ld i s p l a c e m e n te f f i c i e n c y a n dw a t e rc u tv a r i a t i o nw a s r e s p e c t i v e l ya n a l y z e db yt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so ft w o - p h a s e f l o w r e l a t i v ep e r m e a b i l i t yc u r v eo fw a t e r g e n e r a l l ys h o w sd o w nc o n c a v ea n di tw i l la l s o s h o wl i n ew h e nt h ea p e r t u r eo fs i n g l ef r a c t u r ei sg r e a t e rt h a nl o o p r a 。珏es m a l l e ri st h e f r a c t u r ea p e r t u r ea n dm o r ec o m p l e xi st h en e ts t r u c t u r e ，t h es l o w e ri n c r e a s e st h er e l a t i v e p e r m e a b i l i t yo fw a t e rw i t hw a t e rs a t u r a t i o n w a t e r - o i ld i s p l a c e m e n te f f i c i e n c yi sl o ww h e n f r a c t u r e d - v u g g yn e t w o r k sa r ec o m p l e x ，b u tt h es t r u c t u r ec o m p l e x i t yh a ss m a l l e re f f e c t so n t h e w a t e r - o i l d i s p l a c e m e n te f f i c i e n c y w i t hr u gp o r o s i t yi n c r e a s i n g w a t e r - f r e eo i l p r o d u c t i o ni sh i 啦w h e nf i 隐z t u r e d - v u g g yn e t w o r k sa l ec o m p l e x ，b u tw a t e rc u tr i s e sq u i c k l y a f t e rw a t e rb r e a k t h r o u g hr e s u l t i n gi nl o wu l t i m a t er e c o v e r y t h el a s t , t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) f o rn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fl i n e a ra n d n o n - l i n e a rf l o wo fs i n g l ep h a s ef l u i da n dt w o - p h a s ef l o wi nf r a c t u r e d - v u g g ym e d i aw e r e c o n s t r u c t e d b yt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nt ot h et y p i c a lp h y s i c a lm o d e le x p e n m e n t , i ti s v e r i f i e dt h a tt h ed e v e l o p i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o di sr e l i a b l e 砸1 ev a r i a t i o n so f p r e s s t l r e ，v e l o c i t ya n dw a t e rs a t u r a t i o n i nf r a c t u r e d v u g g ym e d i aw e r es i m u l a t e db yf e m ， o nw h i c hi n f l u e n c e so fc o r r e l a t i v ep a r a m e t e r sw e r ed i s c u s s e d n l er e s u l t ss u g g e s tt h a tt h e e x i s t i n go fr u ga f f e c t ss e r i o u s l yf l o wl a w , a n dg r a v i t yh a si m p o t e n te f f e c to nw a t e r - o i l d i s p l a c e m e n ti nv u g 。t h er e s e a r c h _ r e s u l t sl a yas o l i df o u n d a t i o nf o rw e l lt e s ti n t e r p r e t a t i o n , r e s e r v o i r n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dd e v e l o p m e n td e c i s i o no ff r a c t u r e d - v u g g yr e s e r v o i r s ，a n dh a v e b r o a d p r a c t i c ev a l u e k e yw o r d s ：f r a c t u r e d - v u g g ym e d i a ，f l u i df l o wm e c h a n i s m ，p h y s i c a lm o d e l i n g ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得 的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致 谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得 中国石油大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 日期：川年月多日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其 印刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关 部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位 论文被查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名： 指导教师签名： 1 5 g q ：川年石月莎日 吼叶年月7 日 缝洞型介质流动机理实验与数值模拟研究 创新点摘要 1 建立了_ 套指导缝洞型介质流动物理模型实验的相似准则，开发了缝洞规格 和结构可精确控制的缝洞型介质物理模型制作技术，形成了一套缝洞型介质流动模拟 的实验方法和技术。根据物理模拟的相似理论推导了缝洞型介质物理模拟的相似准则 数群，结合缝洞型油藏的开发实际，确定了物理意义明确、简单实用的7 个主要相似 准则。针对基质基本没有储渗能力的碳酸盐岩缝洞型油藏，提出了重点考虑简单且主 要因素的概念化模型设计思想，开发了缝洞规格和结构的精确控制技术，设计制作了 不同缝洞结构的机理研究物理模型。( 见第2 章) 2 建立了缝洞型介质的渗透率经验公式和流动模式方程。在单相流动实验结果 的基础上，拟合出了缝洞型介质渗透率与缝密度、缝张开度、缝粗糙度、缝连通度、 洞隙度、空隙度、介质厚度等7 个参数之间关系的经验公式，发现了缝系统是影响渗 透率的主要因素，洞系统的影响一般不会使渗透率增加一倍；分析了缝与缝之间以及 缝与洞之间的结构关系对线性流动与非线性流动之间临界速度的影响；总结了缝洞型 介质的流动规律，给出了线性流动的达西方程，非线性流动的二项式方程、指数式方 程和雷诺数方程。( 见第3 章) 3 发现了缝洞型介质水驱油相对渗透率曲线的基本特征。通过两相流动实验结 果，研究了缝洞型介质结构与油水相对渗透率曲线特征、水驱油效率和含水率变化规 律的关系。水相相对渗透率曲线一般呈下凹型，随着含水饱和度的不断增大水相相对 渗透率增加越缓慢。缝洞网络结构复杂，水驱油效率低，但结构复杂性对水驱油效率 的影响程度随洞隙度的增大而减小；无水采出程度高，但见水后含水率上升快，最终 采出程度低。( 见第4 章) 4 建立了缝洞型介质流动的有限元数值模拟方法。在流动规律实验研究成果的 基础上，采用等效连续介质模型建立了缝洞型介质单相线性流动和非线性流动以及两 相流动的有限元数值模拟方法，研究了不同结构的缝洞型介质中压力、速度、饱和度 的变化规律，阐述了各因素的影响机制。 ( 见第5 章) 。 中国石油大学( 华东) 博士学位论文 1 1 论文研究背景 第1 章引言 碳酸盐岩油藏约占世界沉积岩的2 0 ，石油储量约占世界石油储量的4 0 i l 】。 碳酸盐岩油藏的孔隙结构复杂多样，孔隙大小的分布范围非常大，从微晶到大洞或洞 穴，一般具有基岩、裂缝和洞穴三种类型。碳酸盐岩的油层物理性质和产能特性取决 于两个基本孔隙网络【2 】，一是粒间孔隙网络，二是缝洞孔隙网络。粒问孔隙指颗粒间 或晶粒间的空隙，是原生孔隙；缝洞孔隙指裂缝、溶孔、不规则洞穴的空隙，是次生 孔隙。 碳酸盐岩油藏的根本特征是显著的各向异性和非均质性。储集层岩石的沉积形成 过程有一定的方向性，使储集层介质的许多特性在不同的方向上有差异，具有各向异 性。储集层岩石的形成和沉积过程受多种因素的影响，因此储集层介质的性质在横向 上和纵向上变化范围非常大，有时相差几个数量级，具有明显的非均质性。这些重要 特性对流体在介质中的运动规律有重要影响。因此，碳酸盐岩油藏可以分为两种基本 类型：裂缝一洞穴型( 缝洞型) 和裂缝 孔隙型( 裂缝型) 。在缝洞型储集体中，基岩 通常渗透率很低，粒间孔隙主要充满水：石油储集空间和渗流通道是次生孔隙，包括 裂缝、溶洞、各种形状和尺寸的洞穴等整个次生孔隙系统。在裂缝型储集体中，石油 主要储集在基岩的粒间孔隙中，占很小一部分的裂缝等次生孔隙所含石油数量较少； 但次生孔隙的渗透率远远超过基岩的渗透率，是石油渗流的主要通道。 2 0 世纪9 0 年代发现的塔河油田是中国碳酸盐岩油藏的典型代表之一。塔河油田 是目前塔里木中盆地中储量最大的油田，2 0 0 7 年底已累积探明石油地质储量3 4 亿 吨，已经成为中国石油资源战略的主要战场。塔河油田奥陶系碳酸盐岩油藏以裂缝、 溶洞为主要的储集空间，含油气丰度完全受缝洞发育的控制，属于典型的缝洞型油藏； 目前是塔河油田开发的主力油藏。与国内外其他油藏相比，塔河油田奥陶系碳酸盐岩 油藏又具有其特殊性和复杂性。 ：( 1 ) 裂缝、断裂的发育程度较国内外同类油田差，分布具有更强的非均匀性。 塔河油田岩心观察裂缝发育密度为2 1 1 条m ，张开度大于l m m 的仅占1 ， 10 0 1 0 0 0 1 t m 的占1 0 ，峰值为5 - 1 6 u m ，裂缝孔隙度为0 2 - 0 3 9 ，主要以发育细 缝、微缝为主；油藏大的断裂也少，多数为断距3 0 - 8 0 m 、长度1 3 k r n 的中、小断 裂。 ( 2 ) 基质基本不具有储渗能力。岩心统计孔隙度分布区间为0 0 4 0 o - , 1 0 6 ，平 均为0 7 6 ，8 7 的样品孔隙度小于1 o ：渗透率平均为0 7 0 8 7 1 0 0 心，9 6 的 样品渗透率小于1 0 1 0 刁啪2 。 ( 3 ) 岩性主要为泥微晶灰岩( 矿物成分9 9 为方解石) ，岩性单一。 第1 章引言 ( 4 ) 油藏流体性质变化较大，密度轻的仅o 8 2 9 e r a 3 ，重的可达1 0 9 e m 3 以上， 平面上密度分布轻重交互。轻质油含硫、高蜡、低粘度：重质油高硫、高蜡。油藏中 所含天然气多为成熟油田气。 ( 5 ) 储集体为多期次古构造，岩溶叠加改造产物，类型复杂。油藏类型主要有： 缝洞型层状凝析气藏、缝洞型带凝析气顶层状油藏、缝洞型低饱和重质油藏。 塔河油田这类缝洞型油藏的复杂性决定了其开发难度大，开发经济效益差。目前 高效开发缝洞型油藏具有极大的困难。这主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 缝洞型油藏储层结构复杂，具有多重介质特征，存在明显不同的介质系统， 基岩系统、裂缝系统和洞穴系统。不同介质系统的渗透率和孔隙度相差巨大，整个油 藏呈现出严重的非均质性和各向异性，与单纯孔隙介质中的渗流规律相比，油气在多 重介质系统中的流动要复杂得多，深入认识多相流动机理的难度大。 ( 2 ) 与单一孔隙介质储层相比，复杂多重介质储层具有更强的应力敏感性。多 重介质储层的缝洞在有效应力作用下产生变形，缝洞空隙随有效应力的增加而迅速减 小，储层有效渗透率急剧降低，导致地层压力和油井产量的迅速变化。如何合理利用 天然能量和人工能量，实现驱动方式的适时转化，是改善缝洞型油藏开发效果的主要 问题之一。 ( 3 ) 国内外注水开发缝洞型油藏的研究和实践表明，采用常规( 连续) 注水开 发，注入水沿缝洞水窜，暴性水淹严重，驱油效率低，稳产时间短，开发效果差。如 何改善和强化缝洞型油藏的开采，进行合理有效地开发，提高原油采收率，是缝洞型 油藏开发中的重点和难点问题。 因此，解决缝洞型油藏的开发难点，归结起来有两方面：一是要深入研究和掌握 缝洞型油藏中流体特有的流动方式和规律，发展成缝洞型油藏的流动理论，科学地指 导油藏开发；二是更新和提高缝洞型油藏的开发技术，解决好缝洞型油藏开发中遇到 的新问题。 综上所述，从理论和技术上系统深入地开展缝洞型油藏流动机理和开发技术的综 合研究，对于实现缝洞型油藏的高效开发具有重要的战略意义。本文主要针对缝洞型 油藏目前的开发现状和存在的问题，以物理模拟实验为主，结合理论分析和数值模拟， 开展缝洞型油藏流动机理的研究。 1 2 国内外研究现状 碳酸盐岩油藏在世界石油工业中占有重要的位置。国内外已经进行了多年的理论 研究和开发实践，但是这些研究和实践主要集中在裂缝型油藏，关于缝洞型油藏的研 究相对较少，对其流体流动机理和开发技术缺乏足够的认识。 裂缝型油藏经过多年的大量实验和理论研究以及开发实践，人们对采油机理和开 发技术有了更加深入的了解和认识。裂缝型油藏的开发过程，实质上是流体在裂缝孔 2 中国石油大学( 华东) 博士学位论文 隙网络中的多相流动过程，与常规油藏开发相比，裂缝型油藏的开发具有双重介质的 显著特征 3 1 。 1 2 1 单裂缝流动规律研究 单条裂缝作为缝洞型油藏的基本单元，决定了流体在油藏中的基本渗透特征，是 各种流动理论模型的基础。立方定律是描述光滑平行板裂缝面流体运动规律的一个著 名的定律，将裂缝假设为由两片光滑、平直、无限长的平行板构成，由流体为不可压 缩、粘性及流体为层流的假定，根据流体力学基本原理，在等温、稳定流条件下，可 以推导出平行板裂缝的单相流体渗流的立方定律。 苏联的l o m i z e 4 1 和r o m m 5 1 、英国的l o u i s 6 】等人首先进行了平行板裂缝的水流物 理模型实验，以光学光滑的平行玻璃板模拟裂缝，提出了著名的立方定律，证明层流 时通过裂缝面的渗流流量与裂缝张开度的三次方成正比。r o m m 5 】还研究了微裂缝 ( 1 0 - - 1 0 0 9 i n ) 和极微裂缝( 0 2 5 4 3 1 a r a ) 的情况，提出了只要裂缝张开度大于0 2 1 u n 立方定律总是成立的。 实际天然情况下的裂缝面大多是粗糙不平的，很难满足平行板裂缝的假定。因此， 许多学者相继对粗糙裂缝的水流特性进行了研究。根据对粗糙性定义的不同，分别提 出了相应的修正立方定律。苏联的l o m i z e a 4 1 和英国的l o u i s 6 】等通过对仿天然裂缝的实 验研究提出了裂缝面粗糙性修正系数修正法，并指出裂缝面粗糙性修正系数与裂缝面 的凸起高度分布情况有关。耿克勤【2 3 】等人进一步的研究表明，对粗糙裂缝而言，裂缝 的水力特性取决于机械张开度和其本身的粗糙程度等因素，而不仅仅是绝对突起高度 与张开度之比。b a r t o n 等人f 7 】通过大量的实验提出了节理粗糙度系数j r c ( j r c 为节 理粗糙度系数) 修正法。n e u z i l 【8 】等人基于裂缝张开度只沿垂直水流方向变化而沿平 行水流方向不变的假定，通过数学推导提出了裂缝张开度密度分布函数修正法。t s a n g 等人【9 l o j 又将其推广至二维裂缝面情况，并考虑了试样尺寸效应的影响，建立了直接 采用裂缝张开度函数并考虑尺寸效应的修正公式。e l s w o r t h 等人【l l 】考虑到裂缝的张开 度函数很难实际量测，建议了一种近似方法，以标准正弦曲线或锯齿形曲线这些有规 律的曲线来近似表征裂缝面的几何形状，再根据裂缝面发生压缩或错位的程度得到裂 缝张开度的函数。实验研究发现裂缝面粗糙性对裂缝水流规律的影响主要体现在裂缝 面面积接触率上。根据这一思想，w a l s h 1 2 】模仿热传导理论、周创兵等人【1 3 】通过数学 推导建立了含裂缝面面积接触率的修正公式。 由于人们习惯于采用立方定律来描述实际裂缝的单相流体运动规律，所以对于粗 糙裂缝如果仍采用立方定律，则其中的裂缝张开度含义不再是几何平均裂缝张开度的 含义，称为等效水力张开度。等效水力张开度是为了应用立方定律于实际裂缝而提出 的概念，即是将实验所得裂缝渗流流量代入立方定律反求得到的裂缝张开度。 缝洞型油藏的开采必然涉及两( 多) 相流动问题【l 引，单裂缝两相流动规律是认识 缝洞型油藏两( 多) 相流动问题的基础，研究的最关键的问题是单裂缝毛管压力饱 3 第l 章引言 和度和相对渗透率饱和度( 或毛管压力) 关系的建立。国外已有不少学者对单裂缝两 相流动规律进行了物理模拟实验研究，目前的实验研究工作主要集中在毛管压力饱 和度和相对渗透率饱和度( 或毛管压力) 的函数关系的测定和确定方面，即直接通过 单裂缝拟稳态驱替实验和两相流动实验，借用孔隙介质拟合模型拟合出经验关系式。 天然裂缝壁面是凹凸不平的，两粗糙裂缝面间的空隙空间的张开度是逐点变化的 1 5 , 1 6 1 。天然裂缝可概化为二维非均质的孔隙介质( 1 7 】，而且两粗糙裂缝面的间隙形成的 张开度分布与孔隙介质固体颗粒间形成的喉道孔隙分布的持水机制有一定的相似性 1 4 , 1 8 】。基于上述发现，不少学者认为，通过拟稳态驱替实验并借用孔隙介质的拟合模 型来拟合单裂缝毛管压力饱和度的实验观测数据，可得出经验关系式。 r e i t s m a 和k u e p e r 0 4 1 用人工生成的石灰岩裂缝做了水、油互不溶混拟稳态驱替实 验。拟合实验数据采用描述孔隙介质水分特征曲线的拟合模型：b r o o k s c o r e y 模型【1 9 】 和v a ng e n u c h t e n 模型【2 0 1 。 在b r o o k s c o r e y 模型中 j p c = p d ( 疋) 丑 ( 1 - 1 ) 式( 1 1 ) 中尸c 为毛管压力；n 为油相的起始驱替压力；a 反映裂缝张开度分布特征的 指数；& 表示水相的有效饱和度，即 疋= 畿 ( 心， 式( 1 2 ) 中为水相饱和度；& c 为束缚水饱和度。模型中p c 、a 和& c 为拟合参数。 在v a ng e n u c h t e n 模型中 ! p 。= p 。( s 。”- 1 ) ” ( 1 3 ) 式( 1 3 ) 中聊、丹间关系采用刀= n 叫；m 与裂缝张开度分布有关；巴与油相的起 始驱替压力有关，但其值稍高；p o 、m 、& 为拟合参数。 r e i t s m a 和k u e p e r t l 4 】先根据驱替出的总水量估计出裂缝总体积，以求出每个毛管 压力下的水相饱和度，再借用b r o o k s c o r e y 模型和v a ng e n u c h t e n 模型用非线性最小 二乘法拟合出单裂缝毛管压力饱和度关系式。 叶自桐等【1 8 1 做了天然花岗岩裂缝的水、油互不溶混拟稳态驱替实验。拟合方法和 拟合采用的模型同r e i t s m a 和k u e p e r 的。所不同的是，把裂缝总体积也作为拟合参数， 而不是估计一个值。这样处理较妥当，特别是拟合出的束缚水饱和度更准确。 由于油、气物理特性的差异，通过以上两个水、油驱替实验所得出的单裂缝毛管 压力饱和度关系式尚不能直接应用于油气两相渗流。此外，通过上述拟稳态驱替实 验所得的关系式应用于非恒定渗流计算时，也会有一定的误差【2 1 】。 为了建立相对渗透率饱和度关系，r o m m 2 2 】最早用表面混合湿润的平行平板裂 缝做了水和煤油的两相流实验。实验采用的物理模型是用两块平行平板的间距模拟裂 4 中国石油大学( 华东) 博士学位论文 缝张开度，通过测电阻率的方法确定裂缝空间中的水和煤油的饱和度，并用实测流量 计算渗透率。理想裂缝中的水驱油实验表明，裂缝系统的张开度远大于一般孔隙尺寸， 毛管力作用较小，不会对裂缝系统中的油水分布产生明显的影响，因而，油水相对渗 透率与流体饱和度的关系，接近于线性关系，两者的相对渗透率均等于其饱和度，即 厶= s w ( 1 _ 4 ) 如= 1 一& ( 1 5 ) 式中k 朋为水的相对渗透率，k ，d 为油的相对渗透率。 实际油藏中存在着的天然裂缝是变张开度的，并且不同张开度的裂缝彼此相互连 通构成裂缝系统，概化为平行平板裂缝不能完全反映实际情况，因而其油水相对渗透 率曲线并非完全呈线性关系，但与孔隙介质的油水相对渗透率曲线仍有明显的不同。 实际应用时一般两相渗流简化理论中均假设纯裂缝系统的油水相对渗透率与含水饱 和度呈线性关系瞄】。 p e r s o f 卿p r u e s s 2 4 ； 恿过天然凝灰岩裂缝的水一气两相流实验和孔隙介质的拟合模 型得出了相对渗透率饱和度的经验关系式。所采用的拟合模型为c o r e y 模型【2 5 1 ，即 b = ( 疋) 4 ( 1 6 ) 式( 1 6 ) 中& 可表示为 母2 轰鼍 m 7 ) 式( 1 7 ) 中岛为残余气饱和度。 除了物理模拟实验以外，一些学者也进行了数值模拟研列1 7 , 2 6 - - 2 9 。通过建立单裂 缝概化模型，利用数值模拟法和孔隙介质拟合模型得出单裂缝毛管压力饱和度和相 对渗透率饱和度( 或毛管压力) 的经验关系式。 根据裂缝张开度分布和假设的张开度空间相关长度生成裂缝随机样本，再概化为 许多等面积( 在平面上划分成等面积小矩形网格) 不等张开度的小平行板组合体；或 者直接把实际的天然裂缝离散成许多等面积不等张开度的小平行板组合体。基于毛细 吸持理论的l a p l a c e 方程和小平行板间的水力联系确定驱替准则，并且假设满足驱替 准则的小平行板内均充满水，给定多个毛管压力值，通过计算出多个类似于物理模拟 实验的毛管压力与饱和度关系数据点，拟合出单裂缝毛管压力与饱和度的经验关系 式。再假设充水的小平行板内单裂缝渗流的立方定理成立，用数值模拟法和达西定律 获得一系列相对渗透率和毛管压力的关系数据点，根据上述毛管压力与饱和度的关系 式换算为相对渗透率与饱和度的关系数据点，拟合出了相对渗透率饱和度关系式。 数值模拟研究中均假设小平行板内立方定理成立，这有待于实验证实，因为立方 定理是针对无限大平行光滑平板推导出来的。此外，天然裂缝概化成等面积不等张开 5 第1 章引言 度的小平行板组合体也不一定合适【3 0 1 。鉴于以上两点，还应通过物理模拟实验的结果 来修正。 1 2 2 裂缝渗流与应力耦合关系研究 根据裂缝渗流的立方定律，裂缝张开度的微小改变将引起渗流流量的重大变化。 裂缝张开度的大小又受作用在裂缝面上的应力所控制，所以通过裂缝面渗流量的大小 与应力大小密切相关。同时，渗流流体压力又直接影响着裂缝面上的有效应力，因此 在单裂缝面渗流与应力之间存在着相互作用，这一特性即称为耦合特性。由上述的耦 合机理可知，单裂缝面渗流与应力的耦合特性将取决于单裂缝面的流体运动规律和力 学变形性质。 单裂缝面渗流与应力耦合关系的选取对耦合分析结果影响很大。在单裂缝面渗流 与应力耦合特性方面，许多学者通过实验研究直接建立了裂缝渗透性和应力关系的经 验公式【3 l 3 5 1 。这些经验公式都揭示出了裂缝的渗透性随着法向应力的增加而减小的 规律，但所反映的减小程度不一样。有些文献 6 , 3 3 , 3 4 反映出渗透性随着应力的增加而 衰减很快，最后趋近于零。实际上渗透性不可能达到零，实验发现，当应力达到2 0 m p a 时，裂缝岩体的力学特性已接近于完整岩块，但其渗透性却远远大于完整岩块。 n e l s o n l 3 2 通过对砂岩裂缝、速宝玉等人【3 5 】通过对混凝土叠合人工裂缝实验研究提出的 经验公式都反映了这一点，更为合理一些。h i c k s 等人瞰】研究了剪切应力下渗流与应 力耦合特性。赵阳升等人【3 7 】进行了三维应力作用下天然粗糙单裂缝渗流特性的实验研 究，进一步考虑了三维应力的影响，使其更接近实际天然岩体中裂缝的受力状态，从 而使单裂缝面渗流与应力耦合特性的研究水平上升到一个新的高度。 根据裂缝与应力的耦合关系，1 w a i 3 明( 1 9 7 6 年) 、w i t h e r s p o o n 等t 3 9 1 ( 1 9 8 0 年) 、 e l s w o r t h ( 1 9 8 9 年) 【4 0 】和b a i 等【4 1 】( 1 9 9 3 年) 建立了变形裂缝介质中流体流动模型。 1 9 8 6 年a n d e r s o n 4 2 在一个可随时间变形的网格中模拟了流体流动和热传导过程，以及 在滑脱面上产生断裂的柔性和脆性变形过程。前苏联学者at 戈尔布诺夫详细研究了 弹塑性介质油藏的渗流问题【4 3 】，冉启全博士采用流固耦合方法对低渗透油藏问题也进 行了深入的研究h 4 i 。研究认为，在介质变形较快的情况下，变化的介质物性将显著影 响流体压力场和流量。 1 2 。3 缝洞型介质系统流动规律研究 为了认识缝洞型油藏的流动特性，许多研究者假设缝洞系统中的油水流动如同孔 隙介质中的油水两相渗流一样，也可以用达西方程来描述，其流动特点决定于油水相 对渗透率曲线。以此为基础，对缝洞系统的渗透率进行大量实验研究和理论分析，来 认识缝洞系统流动规律。 1 9 7 1 年e h r l i c h 4 5 】测量了缝洞型岩心的渗透率，发现与只有微观孔隙介质的渗透 率大不相同，并且给出了一个数学模型解释实验结果，预测实际油藏的流动特性。 6 中国石油大学( 华东) 博士学位论文 19 7 3 年l e f e b v r ed up r e y 和v e r r e 4 6 通过单裂缝和正交裂缝网络的水驱油实验测 量了油水相对渗透率。单裂缝长5 5 c m 、宽5 c m 、裂缝张开度0 0 8 c m ；裂缝网络由1 8 条纵缝和3 条横缝组成，纵缝长2 9 c m ，横缝长2 8 e m ，缝宽均为3 c m ，裂缝张开度均 为o 0 3 c m ；实验流体为水和煤油。单裂缝的实验结果表明：相对渗透率很低，规律 性很差；裂缝的倾斜度对相对渗透率的影响很小，流体注入方式和流速对相对渗透率 影响很大。裂缝网络的实验结果表明：相对渗透率曲线呈线性，k , o = s o ；b = ，这 与r o m m l 4 7 】在平行裂缝中的实验结果一致。但是，f o u r a rm 等人( 1 9 9 3 、1 9 9 5 、1 9 9 9 年) 4 8 , 4 9 , 5 1 】和p e r s o f fp 等人( 1 9 9 5 年) 【5 0 1 对裂缝介质相对渗透率的测量结果与此不 同。p e r s o f fp 等人1 9 9 5 年的测量结果表明，油相和水相的相对渗透率之和明显小于 l 。1 9 9 9 年f o u r a rm 等人【5 1 1 进行了人造裂缝网络气水相对渗透率实验研究，结果表 明水相和气相的相对渗透率之和的数量级近似为l ，流体之间的相互作用的影响好像 不起作用，这与单裂缝中的结果不同【4 9 】。 l e f e b w ed up e r y i 垌在裂缝网络相对渗透率的实验研究中计算相对渗透率公式为 k = 糌 ( 1 - 8 ) k = 警 ( 1 - 9 1 ) m e r r i l l 在类似的实验研究中建议用以下公式计算裂缝网络的相对渗透率，即 如2 再恧忑q o t o 万丽 1 - 1 0 ) h 。瓦忑q 而w l a w 乃万 1 - 1 1 ) 式中q 和q 为油和水的流量；心和为油和水的粘度；必和哦为油相和水相的 压力差；工，为裂缝的长度；a 为裂缝间距，b 为裂缝张开度。 苏联学者1 9 7 3 年建立了裂缝溶洞介质系统的一维和二维物理