（油气田开发工程专业论文）低渗透油田注水冷伤害的研究.pdf

s u b j e c t ： s p e c i a l i t y ： n a m e ： i n s t r u c t o r i n s t r u c t o r s t u d y o nc o l d d a m a g e o f w a t e r - f l o o di nl o w p e r m e a b i l i t yo i lf i e l d o i l g a s e x p l o i t a t i o ne n g i n e e r i n g l i n y a n b i n g ( s i g n a t u r e ) 垒监 白 z h a n g xuanqi(signature，)zhug u o j u n ( s i g n a t u r e 毯 ) 2 丝坐经! a b s t r a c t i t p l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt o d a y sw o r l dp e t r o l e u mi n d u s t r ya b o u tl o wp e r m e a b i l i t y o i l g a sf i e l dd e v e l o p m e n t t h e r ea r em a n yp a p e r sa b o u tw a t e r - f l o o di nl o wp e r m e a b i l i t yo i l f i e l di nd o m e s t i ca n di n t e m a t i o n a l b u tt h em a j o r i t yl i t e r a t u r e sn e a r l yd i d n ti n v o l v et ot h e r e s e r v o i rc o l dd a m a g ed u et oc o l ds t i m u l a t i o n i ts t u d i e dt h et e m p e r a t u r ei n f l u e n c et ot h ef l o wr u l eo ff l u i dt h r o u g h p o r o u sm e d i u m ，t h e i n f l u e n c eo fc o l df l u i dt ot h ep e r m e a b i l i t yo fl o w p e r m e a t ep o r o u sm e d i u ma n d t h er e v e r s i b l e d e g r e e ，t h ei n f l u e n c eo ft e m p e r a t u r et or e s i d u a lo i ls a t u r a t i o na n do i ld i s p l a c e m e n te f f i c i e n c y o nt h eb a s eo fc o r ef l o wt h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t i tm a d es u r et h ec o l dd a m a g em e c h a n i s m o ft h ew a t e r - f l o o dt e m p e r a t u r ei nr e s e r v o i ra tf i r s ts t e p e x p e r i m e n tr e s u l t se n u n c i a t i o n ：t h e l o w e ra l o n gw i t ht h ew a t e r f l o o dt e m p e r a t u r e ，t h em o r ed e s c e n d sd e g r e eo f l a y e rp e r m e a b i l i t y a n dt h ep e r m e a b i l i t yd e c r e a s ei s p a r to fa n - r e v e r s i b l e ，t h em o r ev i s i b l en o n l i n e a rv a r i e t yo f f l u i df l o wt h r o u g h p o r o u s m e d i u m t h eh i g e rr e s i d u a lo i ls a t u r a t i o na n dt h ew o r s eo i l d i s p l a c e m e n tr e s u l t t h em o s ts e n s i t i v et e m p e r a t u r es c o p eo f c o l dd a m a g et ol o w p e r m e a b i l i t y p o r o u sm e d i u m i sb e t w e e n2 5 ca n d15 i tg a v et h ef l u i df l o we q u a t i o n ( f l u i df l o w t h r o u g h l o wp e r m e a b i l i t yp o r o u sm e d i u m ) a b o u tt h ev a r i e t yr e l a t i o no ft h el a y e rp e r m e a b i l i t ya l o n g w i t ht e m p e r a t u r ef r o m e x p e r i m e n t i te s t a b l i s h e dt h em a t h e m a t i c sm o d e lo ft h et e m p e r a t u r ei n f l u e n c et ol o wp e r m e a b i l i t y s i n g l ef l u i df l o wt h r o u g hp o r o u sm e d i u mr e g u l a t i o no nt h eb a s eo fe x p e r i m e n tr e s e a r c h ，t h e d i f f e r e n t i a le q u a t i o ng a v et h eb a s et ot h en e x tr e s e a r c h i t g a v ea l li m p o r t a n tg i s ti fw a t e r f l o o dd e v e l o p m e n ta n dc o n s t r u c t i o nw i l lb r i n gc o l d d a m a g e t ol o w p e r m e a b i l i t yo i lf i e l do nt h eb a s i so fe x p e r i m e n tr e s e a r c ha n dt h e o r ya n a l y s i s i t i ts h o u l db eg a v eas i n gh i g hc o n c e n t r a t i o ni no i lf i e l dd e v e l o p m e n t p r a c t i c ei nt h e f u t u r e k e y w o r d s ：l o wp e r m e a b i l i t y c o l dd a m a g em e t h a m e t i c sm o d e l f l u i df l o wr u l et h r o u g hl o w p e r m e a b i l i t yp o r o u sm e d u m y 6 0 5 5 5 c 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谓十中所罗列的内容 以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得 西安石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢 ：e m 0 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名 控当墨： 日期：山旧* 囊，广 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以 任何方法发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发 表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然 为西安石油大学。 论文作者签名：盘塑丝： 日期：塑笙主! ! 妒 导师繇塑鹭吼! 竺! 导师签名：垒趁 日期：竺壁：妄c ， 第一章引言 第一章引言 随着勘探开发程度的深入和石油勘探开发工艺技术的不断提高和完善， 尤其是中、高渗透油田逐渐进入开发中后期，低渗透砂岩油藏发现和投入的 比例不断增加，原认为没有经济价值的低渗透砂岩油藏，经过储层改造、注 水开发等工艺措施，获得了良好的经济效益，使得低渗透砂岩油藏的储量、 产量大幅度增加。 大部分低渗透砂岩油藏，天然产能低、原始地层能量不足，为了达到一 定的采油速度和保持一定的稳产时间，人们利用注水补充能量的方法进行开 采。2 0 世纪5 0 年代初，注水得到了广泛应用。到1 9 8 0 年初，美国国内原 油总产量的一半是来自注水开发。在苏联，注水井采出的原油占原油总产量 的9 0 以上。人工注水保持地层能量提高产量和采收率是目前世界各主要产 油国油田开发的重要开发方法之一，注水方法的采油量占了很大比重。然而， 大量实践表明，注水开发油气藏存在着各种问题，选择不同的注水工艺措施 会得到不同的开发效果。 1 - 1 注水对油田开发效果的影响 油田注水开发的实践表明，注水开发可以提高采油速度、实现较长期的 高产和较充分的动用原油储量。从现场资料和理论计算的注水开发所获得最 终采收率将比天然驱动开采提高1 2 倍。油田开发设计和分析方法的是否 合理将会直接影响着开发效果。 1 1 1 注水工艺对开发效果的影响 ( 1 ) 井网选择 注水时选取不同的井网系统会得到不同的注采强度、注水波及系数和井 网控制程度“1 ，采用何种注采井网形式，直接关系低渗透油藏注水开发的成 败，井网密度的选择影响着水驱采收率的大小。一般来说，井网密度越大， 水驱采收率越高：对于非均质性较为严重，储层连续性差的陆相碎屑岩储层 更是如此。储层连续性越好，注采井距和井网密度对水驱控制程度的敏感性 相对减弱。井网密度也从井数上影响油田的采油速度，在一定的单井产能条 件下，井网越密，采油速度越高。然而井网密度是决定油田建设投资的最重 西安石油大学硕士学位论文 要因素之一，井网密度增大，建设投资将大幅度增加。 ( 2 ) 注水方式 油田注水开发方式的选择直接影响注水波及系数、相同含水率下的采出 程度和最终采收率。注水补充能量开发低渗透砂岩油藏，一般都采用面积注 水方式，这类油藏必须选用较小的注采井距，以满足较大的驱动压力梯度。 除很小规模的油藏可以采用边缘、边外注水方式外，一般以一排注水井影响 多排油井的行列注水，边缘、边外注水方式开发效果都很差。如扶余油田部 分区块曾采用两排注水井夹三排采油井的行列注水方式，中间井排见不到注 水效果，后改为线状面积注水，开发效果才得以改善。水平井的注水方式、 注采压力对水平井的最终采收率起着决定性影响，注水井的位置选择应该在 取得最大波及系数的方向上，注采压力梯度应维持在较低水平，一般小于 o 0 9 m p a m 为宜。 ( 3 ) 注采速度 在低渗透油层中，岩心中固一液相的作用增强，在小孔隙内原油的流动阻 力增加。在压力梯度较小、驱替速度较低时，油相存在严重的非达西流动， 流速很低；而水相粘度小，非达西流动不严重，流速较快，导致含水上升快， 水驱采收率低。随着驱动压差的增大，驱替速度增加，非达西流对油相的影 响逐渐减小，油水驱替前缘推进速度均匀，水驱采收率较高。当驱替速度增 加到一定程度时，将出现高速非达西流，不利于水驱油。殷代印。1 通过实验 研究注采速度对低渗透油层开发效果的影响表明：对于渗透率小于0 2 5 g n ： 的岩心，在某一含水率级差下，驱替速度存在一个合理范围，在该范围内能 够获得最大的阶段采出程度。克拉玛依油田“3 室内物理模型与矿场典型试验 表明，地质开发条件越好，合理的最大注水速度允许的界限值就要高一些。 ( 4 ) 注水时机 注水的时机是影响油田人工注水开发效果的一个重要因素。原苏联大多 数学者认为早期注水、保持地层压力，可以获得较长时期的高产稳产，从而 在获得相同采出程度的情况下缩短开采年限；美国学者则主张首先利用天然 能量，当地层压力降至饱和压力附近时开始注水。即：注水时机的选择与油 西安石油大学硕士学位论文 藏驱油能量的类型和大小有关。对于天然驱油能量明显不足的油藏，采用早 期注水或周期注水保持压力开采对提高采收率最为有利。但对于地质条件复 杂的砾岩油藏，在可能条件下可借助于先期利用天然驱能量开采，深入认识 油藏以及完善注采条件是十分有益的。 i i 2 注水水质对开发效果的影响 合格的注入水水质应满足三个条件：一不腐蚀地面及地下的设备；二是 注入水与地层岩石配伍；三是注入水与地层的流体配伍。 低渗透砂岩油藏一般注水压力高，压裂施工频繁，长期注水必然出现油 水井套管损坏状况。在水敏性粘土层发育、断层发育、尤其是构造裂缝发育 情况下，诱发套损的几率更高。另外，注入水可能会通过断层、岩层界面、 窜槽等侵入非注入层。盐岩和泥岩属于不稳定岩体，被水润湿后胶结强度大 大降低。随着水的继续入侵，胶结力逐渐消失，其内聚力随泥岩含水增多而 下降，内摩擦角也减小，抗剪强度很低，极易破碎滑动，加速套管损坏。 注入水与地层岩石不配伍表现为：( 1 ) 注入水与地层粘土矿物反应，造成 水敏、酸敏、碱敏等敏感性伤害；( 2 ) 由于注水速度过快，引起速敏，导致微 粒分散、运移；( 3 ) 注入水机械杂质粒径、浓度超标，堵塞孔道，使油藏的孔 隙度和渗透率降低；( 4 ) 岩石由水润湿变成油润湿引起的损害等。 注入水与地层流体不配伍主要表现在注入水的化学组分与地层流体的 化学组分不相匹配，在油气层中引起沉淀、结垢、乳化或促进细菌繁殖等， 最终影响储层渗透性。注入水引起的大面积地下温度下降，不仅使油变稠， 流动阻力增加，而且常常会引起有机垢、无机垢同时产生，堵塞油气层。结 垢可以发生在地层和井筒的各个部位。有些沉淀以悬浮颗粒的形式存在，在 流动中堵塞孔喉通道，有的也可能在储、渗空间岩石表面结成固体的垢，减 少了孔隙通道有效横截面积，甚至会完全堵死孔道。另外，注入水中含有超 标的细菌、溶解氧、铁离子、二氧化碳等都易产生各类沉淀，堵塞地层。 综合上面的论述：油田注水开发，一方面可以提高各作业区块的采出程 度和开采效果，但另一方面也可能对储层的物性造成严重的伤害。石油工作 者花费了很大的精力进行研究和现场实验，考虑了众多可能对地层造成伤害 西安石油大学硕士学位论文 的因素，以求完善注水工艺和施工参数，尽可能地将注水对储层造成的伤害 降到最低。但通过文献调研发现，无论国内外文献或资料，关于注水温度对 储层影响的研究非常少，大部分研究都是将地层视为一个恒定不变的温度场 来进行的，而实际上地层温度场也处于不断变化之中，油田注水的温度效应 是影响开发效果的一个重要因素。油气田开采过程中，人们发现夏季和冬季 油井的投产效果不同；夏季和冬季油井作业的效果也有很大的差异，夏季的 投产效果和作业效果明显比冬季的好。通过分析认为这主要是由于注入流体 的温度过低对油层造成不同程度的冷伤害所致。因此，对注水开发的低渗透 砂岩油藏，保护好储层，尽可能的降低冷伤害的程度是十分重要的。 1 2 国内外油田注水冷伤害研究的进展情况 1 2 。l 高凝油油藏注水造成的冷伤害 国内外对高凝油藏进行了注水冷伤害的研究。认为高凝油藏可分为易受 冷伤害油藏和不易受冷伤害油藏。当油层温度与析蜡温度接近( 两者相差小 于2 0 。c ) ，注冷水开发在注水井近井带形成一个降温区，造成井底附近渗流 阻力增大，影响开发效果，这类油藏为易受冷伤害油藏；当油藏温度与析蜡 温度相差较大( 温差大于2 0 时) ，由于近井带的油层温度总是处于析蜡温 度以上，在开采过程中仅仅是井筒温度场的变化影响油井的举升效果，近井 地带不会由于注入水温度而使油层产生冷伤害，这类油藏为不易受到冷伤害 油藏。北小湖油田哺1 和沈8 4 - 安1 2 油田似1 都属于易受冷伤害的高凝油藏。通 过研究发现，注水对其造成的冷伤害主要表现在以下几个方面。 ( 1 ) 油层温度变化剧烈 利用北小湖油田北1 井的岩心和井口油样进行室内实验，结果表明：当 地层出现伤害后，残余油饱和度升高，驱油效率大幅度降低，油相渗透率和 水相渗透率均降低，水相渗透率降低到原来的1 3 。 假设：油层为圆形，其流体为刚性流体；油层内热量传递主要靠介 质作用；项、底盖层只存在垂直热扩散且有均匀的热容量和导热系数，建 立了注冷水油层温度分布的数学模型。根据能量守恒关系导出油层温度分布 表达式为： 西安石油大学硕士学位论文 r e ，= l + c l 一，e x p 卜：j 兰鳊西 当月2 时 ；、喜一l 叫糍崭 烈r r ) = 生矗青坠 ( 1 2 ) 当竹= 1 时 k ( “) ：f 坐生d 壁( 1 3 v府1 式中，n 为时间步长个数；，为油层中的径向位置；p 。为水的密度，单位 k g m ，；c ，为水的比热，单位i ( k g k ) ；k ( r ，f ) 为某一时间油层中某一位置 的电传热系数，单位w ( m 2 - k ) ；g 。( r ) 为某一时间的注水速率，单位m 3 s ； l ( r ，f ) 为某一时间油层中某一位置的含水率；o 为注水井半径，单位辫；l 为原始油层温度，单位k ；l 为注水井井底温度，单位k ；九为顶、底盖层 的导热系数，单位g 矿( m k ) ；c 。为顶、底盖层的比热，单位( k g ，k ) ；，。为 顶、底盖层的岩石密度，单位k g m 3 ；r 为初始时间，单位s 。根据油田的实 际资料，并结合冷伤害的油、水相渗透关系，可以计算出不同井底注水温度 下油层内温度分布及距注水井底一定距离处的温度变化。从实验结果中可以 看出，当注入水为常温水( 冷水) 时，单井日注量越大，油层温度变化越剧 烈。油层中某一部位旦被水淹，温度将迅速降低，之后随注水时间延长逐 渐趋于地层温度。 对沈8 4 一安1 2 块的十几口注水井测试的实测数据进行分析，从压降曲 线上可以看出，注水压力都比较高，从双对数导数曲线图上可以看到明显的 双重介质反映，说明注水效果是好的。但是，对某些井的参数进行霍纳、叠 加及典型曲线分析发现，地层的渗透率k 相对来说都不是很高，表皮系数s 均为正值，数值都较大，而且表皮系数较高的井，地层堵塞比d r 也较大； 从实测数据上看，地层温度均高于注水温度，这就说明注水层由于受到注入 水的影晌，都有明显的温度降低，受到了污染。并且由于注水量、注水温度 西安石油大学硕士学位论文 等原因，井筒周围附近部分高凝油凝固，表皮系数s 值增加，注水压力增加， 注水效果变差，对油藏造成了很大的伤害。 ( 2 ) 注水井吸水能力变差 沈8 4 一安1 2 块注水开发已有1 0 年之久，通过进行井温剖面测试发现， 注水已经对注水井附近油层造成了冷伤害。主要表现是注水井吸水能力变 差，在注水初期，地层吸水能力较强，视吸水指数一般在1 2 8 8 m 3 ( d m p a ) 之 间，吸水厚度达7 8 2 ，到1 9 9 4 年吸水指数已经下降至2 啪3 即- m e a ) 以下， 有的井甚至在正常的注水压力( 1 6 1 7 m p a ) 下，注不迸水，不吸水厚度由 注水初期的2 1 8 增加至3 6 ，较大地影响着断块水驱开采。 ( 3 ) 油藏流体和岩石矿物的温度敏感性 若注入流体的温度低于原油中石蜡的凝固点，即可出现地层析蜡。实验 研究与矿场实践都表明，原油在地层中的析蜡过程为部分可逆过程。因此， 当地层温度恢复到原始油层温度以后，析出的蜡并未完全溶解，从而对岩石 渗透率造成伤害。注入水进入地层后，地层内形成油、水、岩石等组成的多 相体系，导致系统内温度、压力、组分发生变化，并逐渐达到平衡。随着注 入水的推进，原有的平衡被破坏，同时又建立起新的平衡，每次平衡的产生 与破坏都会伴随系列的物性变化。注入水与地层水混合后的溶度积远小于 其离子积，形成过饱和溶液，可能产生盐垢。当温度变化时，岩石的绝对渗 透率、孔隙度等也发生变化，同时岩石的润湿性和流度比随着温度的变化而 改变，从而使得岩石的相对渗透率和毛管压力曲线发生变化。 分析注水对沈8 4 一安1 2 块油田造成冷伤害的原因发现，在油层中造成 冷伤害、产生析蜡现象，必须具备两个条件：油层温度低于石蜡凝固点温 度；油层中必须具备一定的含油饱和度。注水对地层的伤害主要是由于注 水温度对地层造成的冷伤害，在注水过程中，注入水进入地层，并运移一定 距离后，水的温度就慢慢接近地层原始温度，即注冷水或注热水到定时间 后，水的温度作用就很小了，这一点和北小湖油田冷伤害的实验研究结果非 常接近。若注入水为热水，热水已经把注水井附近的油驱到远离井筒的地方； 西安石油大学硕士学位论文 若注入水为冷水，温度低于析蜡温度的范围只是在井筒附近，而且要视石蜡 凝固点温度的高低而变化，即当油层温度较低甚至低于原油石蜡的凝固点温 度时，会导致大量蜡析出在地层中，进而使原油失去其流动性，产生所谓的 “凝固”。 1 2 2 高凝油油藏水驱数值模拟研究 田乃林、冯积累口3 描述了高凝油油藏在早期注冷水开发过程中，含蜡原 油和水在地层中的渗流过程及热量传递过程，并建立了油藏中流体质量和能 量变化规律的数学模型。模型的基本假设为：( j ) 在整个水驱油过程中，只 有水和油两相流动，析出的蜡晶以及被之网络住的原油不参与流动；( 2 ) 油 水两相互不相溶，蜡可随温度的变化而溶于原油之中或从原油中析出：( 3 ) 油 水两相的流动都服从达西渗流定律；( 4 ) 油水及岩石微可压缩；( 5 ) 毛管力和 重力的影响忽略不计；( 6 ) 油层各处均处于瞬时的热平衡和相平衡状态之中， 在任一点处，油藏流体与岩石均具有相同的温度：( 7 ，在能量方程的推导过 程中，采用单等效连续介质假设，并引入等效导热系数的概念；( 8 ) 忽略 析蜡及溶蜡过程中的体积效应和热效应，即认为蜡和油的密度、比焓及比内 能相等。 水相质量守恒方程为 v ( 圭丝v 尸) + q 。；皇掣( 1 4 ) 。 o i 油相质量守恒方程为 v - ( 丛v p ) 帆：塑哩芒趔 ) p 口 a 式中，女，和k 。为水相和油相的相对渗透率；凤和觞为水相和油相的粘度， p a s ；p 。和成为水相和油相的密度，g l c m 3 ；s 。、s o 和s 一分别为含水、油 和蜡的饱和度。 能量守恒方程为 一v ( p ，日，矿。+ , o o h 。瓦) 一v q + q 。：华 ( 卜6 ) 西安石油大学硕士学位论文 其中 e = ( 1 一矿) 丁( p c ) ，+ ( s pe + ( 1 一s 。) p 。e 。)( 1 7 ) 式中，h 。为水相的比焓；h 。为油相的比焓；q 为热源强度w m 3 ， q 。= g 。h 。+ q o h 。；e 为单位体积油藏内能，j m 3 ；e 。和e 。分别为水相和油 相的比内能；( 心) ，为岩石的体积热容。 由于油藏孔隙空间完全被流体所饱和，因此，饱和度满足归一化条件， 其约束方程为 s 。+ 瓯+ s o = 1( 1 8 ) 通过线性插值确定含蜡饱和度，可得如下形式的相平衡方程： s 一= 0 ( t l ，) 等( 乙一r ) ( 乙 丁 k ) ( 1 - 9 ) l l “一is o l 1 一s 。( 丁蔓l “) 式中，t 。为蜡晶的饱和温度，通常取含蜡原油中石蜡的凝固点温度，；l ， 为含蜡原油的凝固点温度，。 室内物理模拟实验和数值模拟计算表明，地层温度和含蜡饱和度随冷水 注入时间沿径向变化，即随着时间的延长，温度的作用也逐渐向前推移，温 度响应半径( 地层温度等于含蜡原油析蜡点温度所对应的半径) 也随之增大， 但向前推移的速度越来越小；含蜡饱和度& 。沿径向逐渐向前推移增大，冷 伤害程度加重。对于垂向上非均质的油藏，如果注水井采用多层合注，高渗 透层在较大的范围内会过早地被冷流体所冷却，同时低渗透层也受与之相邻 的高渗透层中冷流体的冷却作用，最终导致原油粘度急剧提高、冷水突进， 生产井产水率猛增的严重局面。对于非均质油藏，在近井带几米范围之内含 蜡饱和度s 。的分布出现异常，使得此处含蜡饱和度较大，蜡晶吸附在岩石 表面，岩石的润湿性由亲水转化为亲油。 从上述文献的研究结果可以看出，注入水的温度对油藏的影响相当大， 如果注水温度达不到要求，就有可能导致油层原来的热力状态发生变化，使 油层受到伤害。但上面的研究针对的仅是高凝油藏，研究的重点集中在流体 性质随温度的变化上，缺乏一般性油藏的理论研究和实验研究。事实上，注 西安石油大学硕士学位论文 水冷伤害的产生非常复杂，注水引起温度场的改变、流体运动场的变化、岩 石及流体性质的变化等都会造成储层的伤害。为了有效改善地层的冷伤害的 程度并优化开发效果，国内外现有的实验研究和理论研究远不能适应实际油 田开发的需要，应将温度效应对油田开发的影响做深入细致的探讨。 1 3 本课题研究的内容 在国内外关于注水造成储层伤害研究的基础上，本文主要进行以下几个 方面的研究：( 1 ) 温度变化时流体通过低渗透多孔介质时渗流规律的变化规 律，弄清楚渗流规律受温度影响变化的机理：( 2 ) 温度变化时流体通过低渗 透多孔介质渗透率的变化规律，初步界定引起渗透率变化的温度范围和变化 程度；( 3 ) 研究和分析温度变化引起的注水过程中岩心剩余油饱和度和驱油 效率的变化，确定合理的注水温度范围；( 4 ) 通过实验研究，建立有关流场 流体运动的温度模型，研究注入冷水后地层温度场的变化进而引起流体运动 场的变化情况。 第二章注冷水对流体通过低渗透多孔介质渗透率影响的研究 第二章温度对流体通过低渗透多孔介质渗透率影响的研究 研究储层时，人们最关注的是储层岩石的两个特性储集性和可渗性 ( 渗透性) 。储集性直接影响到单位体积岩石中原油储量的多少，而岩石的 可渗性则直接影响油、气井的产能( 或产量) 。渗透率表征了岩石孔隙内流 体的流动能力，是储层岩石的一个重要参数。 2 1 影响低渗透多孔介质渗透率的因素 影响岩石渗透率的因素有很多方面，主要包括：岩石骨架构成对岩石 渗透率的影响。这里主要指岩石的粒度、分选、胶结物和层理等。实验发现， 疏松砂的粒度越细，分选越差，渗透率越低；渗透率与孔隙度和孔隙结构 有关，凡影响岩石孔隙结构的因素都影响渗透率。渗透率还受地静压力和 地层温度的影响。弗特等人用纯净干燥砂岩样品做压实实验表明：作用于岩 样上的压力越大时，渗透率就相应减小，当压力超过某一数值时渗透率就急 剧下降。h a b y p l a k o f 等人发现，随温度升高，压力对渗透率的影响将减小， 特别在压力较小的情况下，温度的升高会引起岩石骨架和孔隙中流体发生膨 胀，阻碍压实。 在油田中，渗透率主要决定于孔隙结构，同时还受到有效应力的影响。 关于注水开发对砂岩储层孔隙结构的影响，前人曾作过大量工作。刘子晋。1 研究发现，油层在注水开发后，岩石中的胶结物减少，孔隙变大，渗透率提 高；黄福堂注意到储层岩石在受到注入水长期冲刷后，粘土矿物被冲走或 冲散，颗粒表面油膜剥离，导致孔隙半径增加，渗透率提高，岩石吸附能力 减弱和极性物质脱附，岩石表面向亲水方面转化；王传禹等“叩研究表明，注 入水在流动过程中会造成流动通道进一步堵塞，使迂曲度发生改变；王允诚 也注意到了油田开发对储集岩孔隙结构的影响。阮敏“耵的研究表明因压敏 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4 5 左 右；当地层压力下降5 m p a 时，产量下降可达1 3 左右。刘建军“”的研究则 表明：流体在低渗透多孔介质中渗流时的流固耦合效应十分显著，并提出由 于流固耦合效应的存在，在低渗透油气藏的开发中不宣采用降压开采，进行 油藏数值模拟时也应进行流固耦合数值模拟。 西安石油大学硕士学位论文 国内外众多学者关于注水作业对地层渗透率影响的研究主要集中在应 力变化上，丽关于影响地层性质的另一个重要因素温度的研究则非常 少，由第一章高凝油藏的数学模型知道，温度影响储层渗透率和流体粘度， 进而影响注水作业的效果。分析北小湖油田油层注水造成的冷伤害，发现伤 害是由多种复杂因素耦合所产生的渗透率下降现象，其核心是油藏流体和岩 石物性对温度的敏感性，主要包括： ( 1 ) 原油析蜡 由于地层岩石对流体具有过滤效果，当流体经过时，流体中所含的固体 颗粒物质就会被滞留，并且渗透率越低，过滤效果越明显，对析蜡的反应越 敏感。这样，因注水造成的冷伤害使得油相和水相的渗流阻力同时增加，注 水井井底附近出现严重堵塞。 ( 2 ) 注入水的配伍性 注入水进入地层后，破坏地层原有的平衡，带来物性的变化。注入水与 地层水混合后的溶度积远小于其离子积，形成过饱和溶液，可能产生盐垢。 其中，碳酸盐、硫酸钙的形成为吸热反应，随着温度的升高，他们逐渐沉淀 出来；而如硫酸钡、硫酸锶等化合物的形成主要是放热反应，随着冷流体的 推进，这些化合物的溶度积变小，特别在油井附近，这些化合物会从溶液中 大量析出，沉积在孔隙表面、井眼附近，严重影响生产。 ( 3 ) 岩石物性热敏感性 冷水注入后，在推进区域的一定范围内形成低温区，降低孔隙度和渗透 率，造成储层伤害，影响产能；在油水两相状态下，地层中亲水的颗粒，随 着温度的降低，颗粒的润湿性可能变为亲油。在转化过程中，颗粒将经历中 间润湿性状态，此时，它们将倾向于集中在油水界面上，颗粒密度增加，很 容易在孔喉处形成架桥堵塞。这样，沿着温度差剖面将形成严重损害的地带。 高凝油藏的数值模拟计算的结果表明，注入冷流体的温度越低，冷伤害 的程度越严重，伤害的程度与注入流体的温度、油层温度和地层渗透率等多 种因素有关。高凝油藏注水冷伤害主要是因注冷水引起地层温度变化、油层 流体析蜡产生的，对一般性油藏，其中的蜡质含量可能比较少，因析蜡造成 西安石油大学硕士学位论文 的储层伤害程度相对高凝油藏来说较小。这是否意味着一般性油藏不受注冷 流体的影响或其影响是否可逆变化的呢? 本章就注冷流体时对地层渗透率 的伤害及其不可逆性进行了室内模拟研究。 2 2 实验研究 2 2 1 实验方法及流程 实验在实验室条件下进行，实验温度由s g 8 3 一l 型双联自控恒温箱控制， 油样主要用原油和煤油按定的比例配置而成，用来配比的原油取自长庆油 田，含有蜡质和沥青质；部分岩样实验用油为航空煤油，实验用水为普通淡 水，实验流程如图2 1 所示。 图2 1 实验流程不薏图 1 动力源2 、5 六通阀3 、4 中间容器6 压力表 7 环压泵8 一岩心夹持器9 鼍筒 2 2 2 岩心和岩心处理 岩心经过特殊处理，实验过程中可以不考虑岩石矿物敏感性的影响。岩 心处理是依据中华人民共和国能源部石油行业标准s y 5 3 3 6 8 8 进行的， 具体步骤如下： ( 1 ) 钻取目的区块岩心，洗净( 用溶剂抽提法进行) 、烘干、烧结，然后 放入干燥器待用： ( 2 ) 用气测渗透率的方法测得实验岩心的绝对渗透率，并进行校正； ( 3 ) 称得干岩样质量后，将岩心放入烧杯并置于真空干燥塔中抽真空、 饱和( 先干抽8 小时，待液体浸泡岩心继续抽4 小时) ，饱和后在常压下浸泡 2 4 小时以上。 西安石油大学硕士学位论文 2 2 3 测试方法和精度 实验主要测试参数为压力、流量、实验前后岩心质量。压力计量用0 4 级精密压力表，依据不同的压力范围采用不同量程的压力表。恒压法实验用 气源控制实验压力；恒流量法实验用双柱塞流量泵控制实验流量，岩心质量 用a e l 一2 0 0 电子分析天平称量。 2 2 4 实验步骤 ( 1 ) 用原油和煤油按体积比l ：1 配油样，用毛管粘度计测所配油样在各 实验温度下的粘度，用公式计算油样粘度； ( 2 ) 称量岩心干重、测岩心的长度和直径，抽真空饱和实验流体并进行 饱和浸泡； ( 3 ) 图2 1 中，中间容器3 中吸满所配油样，中间容器4 中吸满水样， 调节恒温箱温度至实验温度，并对中间容器中的液体进行预热处理； ( 4 ) 将岩心放入岩心夹持器8 中，并保持驱替方向与气测渗透率方向一 致； ( 5 ) 开动力源进行驱替，对管线进行排气处理； ( 6 ) 加环压，进行岩心流动模拟实验； ( 7 ) 打开岩心进口端六通阀5 ，对管线第二次排气； ( 8 ) 调节岩心进口端压力，当岩心出口端有液体流出时，记录此刻的压 力值，即初始启动压力值；待流动状态趋于稳定后，准确计量压力和流量， 每1 0 m i n 测一次，当连续三次的相对误差小于1 时，取平均值； ( 9 ) 改变实验温度，重复步骤； 更换实验岩心，重复实验步骤。 2 2 5 实验原理 根据达西定律： k ：q p z 1 0 1 a p ( 2 - t ) 式中，k 为岩心渗透率( o n 2 ) ；q 为出口端流量( c m 3 s ) ；弘为通过岩心 流体的粘度( m p a s ) ；l 为实验岩心长度( c m ) ；a 为实验岩心截面积( c 脚：) ； 西安石油大学硕士学位论文 p 为岩心两端压差( m p a ) 。由公式可以看出，在岩心两端压差p 不变的情 况下，改变实验温度，待通过岩心的流体渗流达到稳定时，测定不同温度下 岩心出口端的流量，就可以根据实验数据作出q r 或k t 关系曲线。 2 3 实验研究的结果与分析 2 ，3 1 不同岩心相同压力梯度下渗透率随温度变化规律 为了弄清楚温度变化引起的岩心渗透率变化情况，室内实验选取了六块 不同渗透率的岩心( 岩心和流体参数见附表卜3 和l 2 ) ，在相同压力梯度、 不同温度下进行岩心流动模拟实验。实验结果见附表2 一l 2 4 和附图卜l 卜8 。图2 2 表示用水样实验时温度对水测渗透率的影响，图2 3 表示用油 样实验时温度对油测渗透率的影响。现以图2 2 和图2 3 为例进行分析。 窖o 。2 0 量0 。侣 o + 1 2 o 0 8 0 0 4 0 0 0 5 04 03 02 d1 00 图2 _ 2 不同岩心同一压力梯度、水样下渗透率宥鑫温度变化美系馥线 0 0 2 0 言o 0 1 6 y o 0 1 2 0 ，0 0 8 0 0 0 4 0 0 0 0 5 04 03 02 01 0o 囤2 - 3 不同岩心同一压力梯度、油样下渗透率随温度变化关系曲线 1 4 西安石油大学硕士学位论文 由图2 2 和图2 3 可以看出： ( i ) 流体通过岩心的渗透率随温度的变化呈一定关系，魃线的回归方程 及相关系数如表2 - 1 和表2 2 所示。 表2 1用水祥实验时曲线的回归方程及相关系数 初始渗透率 回归方程相关系数 ( 彪1 0 3 z , n 2 ) 线性 k 。= 6 x 1 0 。t + 0 0 1 5 6 0 9 4 0 1 1 2 5 非线性 k 。= 0 2 1 + 2 9 2 x 1 0 5 t + 1 1 8 1 0 5 t 2 0 9 9 8 6 线性 k 。= 1 1 1 0 3 t + o 0 7 09 5 4 1 3 4 8 非线性 k 。= 0 0 7 5 + 4 9 6 x 1 0 。4 t + i 2 5 1 0 5 t 2 0 9 9 7 4 线性 k ，= o 0 0 3 t + o 0 6 4 0 9 6 8 1 9 5 5 非线性 k ，= 0 0 6 5 + 0 0 0 2 9 t + 2 0 2 x 1 0 。t 2 09 7 8 表2 - 2 用油样实验时曲线的回归方程及相关系数 初始渗透率 回归方程相关系数 ( k 1 0 。, u r n 2 ) 线性 砭= 1 2 3 x 1 0 4 t + 6 9 6 x 1 0 。 0 9 4 5 1 1 2 4 非线性 k o = - 2 7 5 1 0 4 + 1 6 x 1 0 4 t 一7 8 1 0 。t 2 0 9 5 2 线性 也= 1 8 1 0 _ 4 r + 2 5 x 1 0 。 0 9 3 7 1 3 5 1 非线性 k 。= 1 5 8 x 1 0 3 + 2 8 x 1 0 4 t 一2 x 1 0 t 2 0 9 5 7 线性 巧= 2 x 1 0 。3 t + 9 9 x 1 0 。 0 9 9 6 i 9 5 8 非线性 k 。= 9 5 x 1 0 一+ 2 6 x 1 0 4 t 一9 6 x 1 0 。t 2 0 9 9 9 8 表2 1 和2 2 显示，无论是油样还是水样的渗透率随温度变化关系曲线， 按非线性回归的相关系数均比该曲线按线性回归的要大，说明温度对流体通 过低渗透多孔介质的渗透率影响趋向于呈非线性变化，其回归方程符合二项 式规律：k = a t 2 + + y ，d 、屏，仅与温度有关。假定r 为各温度下流体通 过岩心的渗透率茁) 相对4 5 时的变化程度，计算公式为： r ：k ( t t ) 鬲- - k ( l s ) 。1 0 0 ，当i 相对应于各个实验温度，分别为4 5 c 、3 0 、 a l 帖， 2 5 4 c 、1 5 和5 时，可以得到如表2 3 和2 4 所示的计算结果。 西安石油大学硕士学位论文 表2 3 各温度下水样通过岩心的渗透率相对4 5 c 时渗透率的降低程度 、心 4 5 3 0 2 5 1 5 5 1 1 2 6 1 0 3 册27 6 81 6 2 43 3 3 33 8 7 5 1 3 4 8 1 0 3 册24 0 31 0 6 92 9 2 33 4 7 3 1 9 5 5 1 0 3 脚z 22 3 98 3 8 2 4 8 43 0 9 3 表2 - 4 各温度下油样通过岩心的渗透率相对4 5 时渗透率的降低程度 、孓 4 5 3 0 2 5 1 5 5 1 1 2 4 1 0 3 册22 0 73 4 07 5 5 8 4 9 1 3 5 1 1 0 3 册21 3 0 52 4 1 9 5 5 5 76 6 5 2 1 9 5 8 1 0 3 删21 2 3 3 1 9 6 533 6 54 3 9 7 由表2 3 和表2 4 中的数据可以看出，r 值呈一定的规律性：在温度较 高阶段( 表中显示为2 56 c 左右) ，r 值变化比较缓慢，岩心初始渗透率k 不同， 相同温度下的r 值也不同( k 越大，相同温度下的r 越小) ；在2 5 c 1 5 。c 温 度段内，r 值变化幅度( 相邻两实验温度下的r 值进行比较) 比前两个温度段 下的大，然后随着温度继续降低，r 值增加的趋势再次变缓，说明不同温度 段流体通过岩心的渗透率的影响程度是不同的，存在一个流体通过岩心渗透 率降低幅度比较大的温度范围，结果显示在2 5 。c 1 5 。c 温度范围内。不同 流体进行实验时，各温度下r 值不同，油样实验r 值高于相同温度下水样实 验的r 值，这主要是由于油样中蜡质、沥青等物质随温度降低会逐渐沉淀在 孔隙之中，造成油样实验中孔隙通道被堵塞，加剧了渗透率下降的程度。 ( 2 ) 随着温度降低，流体通过各岩心的渗透率均呈下降趋势，并且由于 初始渗透率的不同，渗透率下降的程度也不一样，流体通过高渗透率岩心时 受温度影响渗透率下降的绝对数值较大。但由表2 3 和表2 4 可以看出，流 体通过低渗透岩心时，随温度降低造成的渗透率降低( 伤害) 程度( 百分数) 比高渗透岩心更为显著，即低渗透率岩心对温度更敏感。当温度低于一定程 度后，流体通过岩心的渗透率在原来伤害的基础上随温度降低而下降的趋势 西安石油大学硕士学位论文 逐渐趋于平缓( 表2 3 和表2 4 显示当温度低于1 5 。c 时) 。所以，对于低渗 透油田，注冷流体造成的伤害可能引起地层渗透率降低，使油井产量大幅度 下降，原来具有工业价值的油流产不出来甚至完全不出油，因此必须重视低 渗地层冷伤害对开发效果的影响。 2 3 2 温度对渗透率的影响及其可逆程度的研究 高凝油藏的研究表明，注冷水对地层造成的冷伤害，主要是由于石蜡、 沥青等物质的凝结造成渗透率降低，当地层温度回升，这种伤害随即解除。 但对于普通油藏，如果不含蜡质、沥青等物质或其含量较少，受到冷刺激是 否会造成地层渗透率的降低昵? 如果地层受到伤害，其伤害程度是可逆的还 是不可逆的呢? 这些是石油工作者非常关心的问题。本节利用水样进行了低 渗透油气藏冷伤害及其可逆程度的研究。 选取七块岩心( 基本参数见附表卜4 ) ，在五个温度下进行岩心流动模拟 实验。实验温度由高到低，分别为4 5 、3 0o c 、2 5 c 、1 5 和5 。c ；到5 时再逐步使实验温度由5 9 c 恢复至4 5 。实验结果见附表3 1 3 7 和附图 2 - 1 2 1 4 ，现以图2 - 4 为例进行分析。 r0 2 0 里o - 1 8 0 1 6 0 1 4 o 1 2 t (