（石油与天然气工程专业论文）疏松储层大孔道防治物理模拟.pdf

中文摘要 论文题目： 专业； 硕士生： 指导老师： 疏松储层大孔道防治物理模拟 石 张 胥 摘要 砂岩油藏注水开发中后期。随着注入水的长期冲刷，储层物性发生了极大变化。部 分处于主流线部位的原渗透性好、胶结疏松的部分，由于其中的砂体颗粒被原油以及后 来的注入水携带、冲刷流出地层，造成次生大孔道、高渗带。从而造成无效注水，使油 田开发经济效益降低。 砂岩油藏大孔道形成主要受沉积特征、油层物性、开发过程等因素的影响。其中， 起关键作用的因素有：油藏渗透率、岩石胶结程度、流体粘度、开采速度。实验证明， 在相同条件下，低渗透油藏中的流体受到更大的阻力，反而更容易出砂，从而加剧油藏 非均质性。 由于堵剂实际进入的空间是大孑l 道、高渗透带部分，利用原始孔隙体积的倍数来计 算堵剂的用量，与实际的油层物性情况出入很大，会导致堵剂用量的浪费或欠缺。堵剂 用量计算方法更应该考虑实际波及体积而不是原始地层参数。首次提出了利用注示踪剂 的方法计算堵剂用量，通过体积的计算还可以折算出堵郝在地层中占据的长度，结果会 更符合实际。 由于未封堵的大孔道、高渗带部分容易引起液体绕流，而段塞太长又会提高投入成 本。大孔道治理过程中，段塞长度应以约井距的一半为最佳长度。 段塞放置于油水井中间部位为效果最佳位置。临近油水井井位部分是压降漏斗的压 力陡降区，生产压差大造成堵剂强度要求高，成本高，有效期短。所以深部调剖或大剂 量调驱是大孔道治理的最好途径。 重视段塞顶替效果，把设计堵剂顶替至设计位置是保证措施效果的唯一途径，不仅 。 要放慢顶替速度，选择流度比大于l 的顶替液也是措施成功的必经途径。 关键词：疏松储层大孔道物理模拟段塞堵剂 论文类型；应用研究 l l 英文摘要 s b j e c t ：p h y s i c a ls i m u l a t i o no ft h eo s t e o p o r o s br e s e r v o i rp r e v e n t i o ni nt h ec r i t i c a l p a t h w a y a b s t r a c t a l o n gw i t ht h el a s t i n gw a s h i n gb yi n j e c t e dw a t e r , t h ep h y s i c a lc h a r a c t e r so ft h el a y e r s u b s t a n c e sh a v e b e e nc h a n g e dg r e a t l yi nt h em i d d l eo rl a s td e v e l o p i n gs t a g eo ft h es a n d s t o n e r e s e r v o i r s o m el a y e r s 、i t l l1 1 i g hp e r m e a b i l i t ya n dl o o s ec e m e n t a t i o nl o c a t ei nt h em a i n w a t e r l i n e ，a n dt h es a n dg r a i n sa l - ew a s h e dg r a d u a l l yo u to f t h el a y e r sb yt h ef l o w , t h u sp o r e so f h i 幽s i z ea n dh i e , b a yp e r m e a b l ez o n e sa r ec r e a t e d , w h i c hc a u s e st h ei n v a l i di n j e a i o no f w a t e r , a n dl o w e r st h ee c o n o m i cb e n e f i t so f t h ed e v e l o p m e n t t h ef o r m i n ga r em a i n l yi n f l u e n c e db ys e d i m e n tc h a r a c t e r i s t i c s ，p h y s i c a lc h a r a c t e r s ，t h e d e v e l o p i n gp r o c e s se t c ，a n dt h ek e yf a c t o r sa r er e s e r v o i rp e r m e a b i l i t y , c e m e n t a t i o nd e g r e e ， v i s c o s i t y , e x p l o i t i n gv e l o c i t y e x p e r i m e n t ss h o wt h a t ：a tt h es a n l ec o n d i t i o n ，l a y e r so fl o w p e r m e a b i l i t yt e n dt op r o d u c es a n dg r e a t l y , w h i c hd i f f e r sf r o mt h ec o m m o n s e n s e a sf o rt h ea c t u a lp l u g g i n gi n t ot h ep o r es p a c ei sl a r g e ，、v i t hs o m eh i 曲p e r m e a b i l i t y , p o r o s i t yo ft h eo r i g i n a lv o l u m ec a l c u l a t e di nm u l t i p l e so ft h ea m o u n to fp l u g g i n ga g e n t ，a n d t h ea c t u a ls i t u a t i o no ft h er e s e r v o i ra c c e s so fl a r g ed o s a g ew i l ll e a dt ob l o c k i n gt h ew a s t eo r t h el a c ko f p l u g g i n gd o s a g ec a l c u l a t i o nm e t h o ds h o u l dt a k ei n t oa c c o u n tt h ea c t u a ls w e p t v o l u m er a t h e rt h a no r i g i n a lf o r m a t i o np a r a m e t e r s ，f i r s tp r o p o s e db s eo ft r a c e ri n j e c t i o n b l o c k i n gt h ed o s a g ec a l c u l a t i o nm e t h o d ，t h r o u g ht h ec a l c u l a t i o no ft h ev o l u m ec a r l b e c o n v e r t e di nab l o c k i n ga g e n to c c u p yt h el e n g t ho ft h es t r a t u m ，t h er e s u l t sw i l lb el t o r ei nl i n e w i t hr e a l i t y a st h el i q u i d st e n dt of l o wt h r o u g ht h et m p l u g g e dp a r to ft h el a y e r , a n dt o o o n gs e c t i o n c a l lr a i s et h ec o s tg r e a t l y d u r i n gt r e a t m e n lt h eb e s ts e c t i o nl e n g t hi sh a l ft h ed i s t a n c eb e t w e e n w e l l s t h eb e s ts e c t i o np l a c ei si nt h em i d d l eo ft h el i n eb e t w e e nt h eo i lw e l la n dt h ef l o o d i n g w e l l i ti st h ep r e s s u r ef i l l e rn e a r b yt h ew e l l ，t h eg r e a tp r e s s u r eo d d sl e a dt ot h eh i 【曲i n t e n s i o n o f t h eb l o c k ，w h i c hw i l lc o n d u c et h eh i g l lc o s ta n dt h es h o r tp e r i o do fv a l i d i t y s ot h es e c t i o n r e g u l a t i o no f m o r eb u l ki st h eb e s tm e t h o di nt r e a t m e n t s i ti st h eo n l yw a yt oe l l s t l r et h et r e a t m e n te f f e c tb yr e g a r d i n gt h ee f f e c to ft h e s e c t i o n r e p l a c i n ga n dp u s ht h ea g e n tt od e s i g n e dp l a c e s l o wr e p l a c i n gs p e e da n dc h o o s i n g i 英文摘要 r e p l a c i n gl i q u i do fw h i c ht h ef l u i dr a t i oi sb i g g e rt h a n1c a l lb o t hd oh e l pt ot h ee f f e c t k e yw o r d s ：o s t e o p o r o s i sr e s e r v o i r , c r i t i c a lp a t h w a y , p h y s i c a ls i m u l a t i o n ，s e c t i o n ， p l u g g i n ga g e n t t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y 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谢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意。 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 邋 品期： 学位论文使用授权的说明 出 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。学校享有阻任何方法发表、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：歹垦童竺主型巳 日期：塑三芦竺妒 导师签名： 日期： 第一章绪论 第一章绪论 世界能源缺口加大、油藏开采品质下降。由于目前采收率不高，一次采油加二次采 浊可采出2 5 一5 0 * 0 的地下原油【l 】。油藏开采到了中、低类储层，开发难度逐渐加大。物 理模拟和数学模拟结合常被用来解决实际问题。特别是随着油田生产进入特高含水开发 阶段，注入水的长期冲刷使油藏孔隙结构和物性参数发生变化，大量油水井间形成的高 渗薄层及大孔道，使注入水在油水井间循环流动，大大降低了水驱油效率。 中原油田开发近3 0 年来，部分区块储层水淹严重，含水率达9 0 以上，形成注水 采液循环流动，大大降低了注水开发效率，致使水驱采收率难于提高。由于颗粒型及冻 胶型调剖剂调割深度不够，波及系数提高有限，随着调剖次数的增多，效果逐渐变差1 2 j 。 要迸一步提高采收率，必须充分改善层内、孔间的非均质，增大波及体积，提高驱油效 率。为了更好地了解现场施工中，二、三次采油实际状况，决定对部分施工方案进行仿 真模拟实验，观察施工过程中的反应情况，有针对性地改过提高，更好地为油田生产服 务。为此专门成立了可视化仿真模拟实验室，对中原油田部分区块现场施- i - - 、三次采 油方案进行仿真模拟实验。 从实验中发现了一些凭想象和经验无法预测到的问题，并根据现场需要，从理论和 实践中给予了相应韵更正，本研究确实为滴田生产解_ 决了一定的问题。 1 1 论文研究目的意义 高含水开发阶段的油藏孔隙结构和物理参数随着注入水的长期冲刷发生了很大的变 化，大量油水井间形成了高渗薄层及大孔道，注入水在油水井间循环流动，大大降低了 水驱油效率【3 】。 各种提高采收率工艺技术在矿场实施或室内实验过程中，一股是在不可视的状态 下进行的。对现场工艺技术实施过程、化学药剂在油藏中的作用机理是通过采出原油的 产量变化情况进行间接的分丰斤、推理，无法对实际的情况做出肯定的判断。特别在现场 施工中遇到不可铡的因素时，我们往往通过想象结合经验做出定论，而不可能直接观察 到其中各种流体作用的真实情形。 通过可视化仿真模拟实验可以对油藏渗流规律有更深一步的认识。借助于显微放 大设备、摄录像设备及图像分析显示系统， 的渗流过程、物化作用、残余油捕集特征， 可以直接观察和研究多相流体在多孔介质中 地层微粒运移、沉积、堵塞情况等；图像分 西安石油大学硕士学位论文 析仪可随时采集驱替过程的画面，并进行定量分析( 动态参数及静态参数) ，该种实验方 法有两个显著特点：是壹观性，可直观观察多相流体在孔隙中的流动现象；二是实验 过程( 现象) 可用录像机或微机记录。计算方便，并可供反复研究和长期保存。更客观、 更形象地分析提高采收率工艺、各种流体的实施及驱替过程。从而发现工艺的不合理处 以及油田化学药剂的作用机理，更进一步提高油田采收率。 多媒体可视化仿真模拟驱替试验装置在国内属首创，技术先进，给油田开发提供一 种很好的模拟技术手段。可以通过制作均质型、非均质型、大孔道型、高低渗透层型和 正、反韵律型及各种复杂型玻璃填砂平恧物理模拟仿真模型，模拟各种特征油藏开发过 程、方案实施状况，比较精确地计算出不同阶段油藏采收率。在深层次上分析研究油藏， 评价措施效果。及时作出合理的调整挖潜决策，从而减少油田开发过程的失误、避免无 效措旌的实施，保证油田开采的科学、合理和高效，提高油田投资效益。 1 2 国内外技术现状及发展趋势 1 2 1 三维仿真模型的发展状况 国外2 0 世纪9 0 年代已经利用三维模型进行三次采油机理研究：m e s z ：r o sg 等用 一个3 0 5 r n m 3 0 5 r a m 6 4 m m 透明模型进行了水平井注惰性气体驱油研究。利用同一模 型mr i s l a m 等对一种含底水的稠油油藏用水平并和电磁加热相结合的新开采方法作了 研究。 s a r a t h i 用1 2 7 m m 厚的不锈钢制成岩芯长高： 宽= 6 1 0r n n l x1 5 2 m i n x3 8 r a m 的模 型在较高压力下轻油蒸汽驱，发现油的化学性质对采收率的影响和蒸汽超覆现象。 委内瑞拉建的高压模型目的在于研究泡沫剂的运动规律和对采收率的影响，该模型 尺寸为6 0c m 3 0e m 5 c m 。最大工作压力可达6 9 m p a 。 国内长庆油田2 0 0 2 年利用可视化仿真模型对低渗透砂岩底水油藏的封堵底水抑制 底水锥进进行了堵水效果的微观模拟试验研究：水驱油阶段，注入水在孔隙型均质砂岩 模型孔隙中推进均匀，驱油效率高达4 7 5 ，在裂缝一孔隙双重结构砂岩模型中主要沿 裂缝指状渗流，驱油效率仅为2 0 9 8 ；堵剂进入模型后主要沿裂缝选择性分布并产生封 堵效果；堵水后再次水驱，随注入压力升高，孔隙型均质砂岩模型驱油效率增长幅度较 平缓，裂缝一孔隙双重结构砂岩模型水驱油效率增至4 3 9 8 ，最终驱油效率比孔隙型均 质砂岩模型高4 3 2 ：由此可见，在相同水驱条件下，堵剂对裂缝一孔隙型砂岩的堵水 效果优于对孔隙型砂岩的堵水效果。针对封堵近井地带上窜底水方案，设计了渗透率大 2 第一章绪论 级差和中等级差两种模型，按将底水全部封堵和部分封堵两种方式进行模拟试验。筛选 出的堵剂性能适合该油田物理特性，抗盐、热稳性好，对封堵油、水层具有一定的选择 性，对非均质砂岩的封堵率高于对均质砂岩的封堵率。通过选择适宜的堵剂配方、封堵 方式，确定合理的施工参数。达到了封堵底水、改善底水油藏的开采效果的目的。 1 2 2 可视化图象处理技术发展状况 国外将图象处理应用于微观模拟研究兴起于8 0 年代，当时国内尚未见到类似报 道图象处理技术的发展使微观模拟技术由定性认识向定量和半定量的发展前进了一大 步，这些认识对于了解微观渗流规律，深化宏观渗流规律的理解，起到重要作用。 1 2 3 开展仿真可视化实验研究条件 采油工程技术研究院目前拥有开展可视化仿真实验研究的技术力量和基本的实验 装备：在实验设备方面，拥有可视化系统的摄影、录象、编辑的全套软、硬件设备，己 掌握可视性强的玻璃模板制作技术；实验室已购进耐高温、高压的三维填砂模型以及全 流程电子自动控制的耐高温高压综合驱替装置。 中原油田高含水期的生产环境日趋艰难，对提高采收率技术研究的需求更加迫切， 进一步研究高含水期的中原油田高温、高压、非均质严重的低渗砂岩油减渗流规律，加 强大孔道治理力度，提高二、三次采油的措施效率已经迫在眉睫。 1 3 研究路线及技术难点 1 3 1 研究路线 通过归纳总结本论文的思路和主要研究内容，主要有理论研究与室内实验，最后应 用于现场，制定出了研究路线，如图( 1 1 ) 所示。 西安石油大学硕士学位论文 疏松储层大孔道防治物理模拟实验研究 e 均质砂岩油藏渗流规律研究 适合各实验目的的砂 岩模型制作方法研究 1 3 2 技术难点 近阶段方案可视化实验评价 中原油田2 0 0 2 年以来二、三 采油工艺技术调查 析调查结果，建立有代表性 二、三维仿真模拟砂岩模型 可视化系统监控下模拟现 工工艺进行仿真实验 实验用配方进行施工现场 条件适应性能进行评价测 结合现场实施效果及实验结 分析总结 现场实施 图1 1 研究路线图 孔 道 封 堵 工 艺 方 案 优 化 a 、制作适合研究内容的可视化仿真模型。 b 、对大孔道、高渗带的流体运移特性进行归纳总结，对油层物性与化学药剂的匹配 性能进行对比分析，筛选出适合不同油藏高含水阶段的调堵、驱替工艺。 c 、通过分析观察实验过程、实验结果对- - 、三次采油的方案编制进行科学指导，减 组分流体在砂岩模型中的渗流规律研究研究 向大孔道、高渗带形成机理研究 平面大孔道、高渗带形成机理研究 第一章绪论 少油田开发过程的失误、避免无效措施的实施，保证油田开采的科学、合理和高效，提 高油田投资效益。 1 3 3 解决问题 利用可视化仿真模型对中原油田菲均质严重的砂岩油藏进行物理模拟研究，摸索出 一套适合本油田特征的大孔道封堵技术。 将图象处理应用于微观模拟研究，利用计算机图象处理技术，对微观模型作定量研 究，例驱替过程中的一些重要参数：如饱和度、驱替效率、波及系数等，为油藏开发提 供依据。使我们对油藏开发过程的认识由定性认识向定量和半定量发展。 西安石油大学硕士学位论文 第二章物理模拟理论基础 关于油藏模拟实验的理论分析已有人做过一些研究州。本章主要通过研究注水井网 模拟实验理论，导出水驱油二维模拟的相似准则。 2 1 相似准则的含义 水驱油物理模拟实验是研究驱替机理、注水效率、饱和度分布、压力分布以及油田 含水率变化过程等诸问题的重要手段。它的理论基础是相似理论【5 l ，而指导模拟设计和 实验运行的是相似准则：几何相似、运动相似、动力相似。 推导相似准则可以用量纲分析和i i 定理，也可以用检验分析或方程分析 6 1 。 一个优秀的相似准霹应符合以下条件：无量纲相似参数的个数减至最少，对可忽 略的相似参数应明确其可忽略的理由；所导出的每一个无量纲乘积应有明确的物理意 义，有的还要考虑到研究该问题的传统习惯和相似的实际可能：相似参数在原型系统 和模型系统之间相互换算和匹配中所起的作用应当简明。 2 2基本方程 2 2 1 基本假设 用二维模型来模拟五点法井网情形。取一个井网单元的四分之一，是一个边长为l 的正方形。同一对角线上的两个顶点分别为注水井和采油井。取坐标系使注水井位于点 a ( x = 0 ，y = 0 ) ，采油井位于点b ( x = l ，y = l ) a 对五点法井网，注水井与采油井井数比为1 ：1 ，所取的四分之一井网单元正方形中， 每口井流入或流出该区域流量是原型井实际流量的四分之一。 基本假设：驱替过程是等温的；油水两相不混溶，达西定律对油水两相分别成 立；地层是均质和等厚度的；地层固体介质和流体是微可压缩的；油和水的粘度 分别保持不变； 束缚水饱和度和残余油饱和度在全流场是均匀的；忽略重力 2 2 2 基本方程 a 连续方程 油相 6 苎三兰望里堕型里笙茎型 ! 鱼! ：型! d z a0 。v 。) a y 丛掣+ 歹。：o a ， 4 水相 掣+ 掣+ 盟+ 歹，：o 0 xdyat 其中，源汇项西和西( 对五点法井网) 分别为 虿。= ! 争取一 o a ，比，z ) 】万g x 。弦( y y 。) ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) 蚕，= 号 j g p ) + 与笋 g 。，儿，r ) 巧g 一知p 一儿) ( ：4 ) b 达西定律 油相： 水相： 。眦：一堕錾 0 d z 旷一等等 u 材：一堕拿 | | ox 。，；一生拿 d7 c 状态方程 油相： 肪= p o 。【1 + c o ( p o 一尼，) 】 水相： p ，= p ，。【1 + c ，( 乃一乃。) 】 7 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 西安石油大学硕士学位论文 固相 妒= p 。b + c ，( p ，一p ，。) j d 其它方程 饱和度方程： s + s d = 1 ( 2 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) 毛管力方程： 匕；= 易一p d = ，c o s 口柝可乃o 矿) ( 2 - 1 3 ) 以上共计1 1 个方程，可以求解下列1 1 个变量： r ，尸0 ；s o ，s w ： o o x ， o o y i o w x ，1 1 w y ；p o p w ；中。 e 边界条件和初始条件 边界条件 初始条件 p ( x ，) ，t = 0 ) = 尸，g ，) ，) s ，g ，y ，t = 0 ) = s 。g ，y ) 2 3 相似准则的推导及其严格表述 =s w 下面对水驱油相似准则用方程分析法作详细推导，并用i i 定理进行讨论。 2 3 1 相似准则的推导 ( 2 - 1 4 ) ( 2 1 5 ) a 方程分析法 将( 2 5 ) 至( 2 1 3 ) 式代入( 2 1 ) 和( 2 2 ) 式，消去p 。、s o 、p 。、p 。、甲和速度分量等共9 个 8 o 耻：x 耻 ， l k o堕胁 第二章物理模拟理论基础 因变量，并令： ap = p 一尸j 爿= 1 + c oo 昂一足赈 百k o 掣 + 等c 。 掣 2 且= u + c o 以) 】砉 等掣o y + 鲁0c 。 掣o y 2 i c = d + c 乃+ c o ( 易一巴。塑掣一( c 。+ c ，x s 。一s 冈如丛掣 0 1 俄 d = f 1 + c o ( a 昂一足) 】- 笔( 1 一扇) 蚕g 一上弦一三) 斗疗 则方程化为 a + b c d = 0 又令 ( 2 1 6 ) 吁，去陪kw 掣 + 等c ， 掣 2 日1 = 1 + cwa p w ，专 万kw 掣 + 等c 。 掣 2 c l = o + ( c 蚂) 昂眵。鲁一( c 胪蚂) ( s ，v - s c wk 。掣 d l = 【1 + c 缈品】袅艿g 弦( y ) 一【1 + c 妒唧】厶万g 一上弦一上) 剐有 al+bicldi=0(217) 这样，原来的基本方程组化为由( 2 1 6 ) 、( 2 1 7 ) 和( 2 一1 3 ) 式组成的方程组，其中只含3 个因变量a p w 、陆和。因为( 2 一1 6 ) 式中 s o = 1 一s 缈( 2 1 8 ) 为使方程无量纲化，引入下列无量纲组合量： 相似白蛮最 9 西安石油大学硕士学位论文 相似因变量 相似参量 其中 工d t d y 。= 手 ll 2 而矿i 丁j 口r 驴书蒜 p = 志= ，侈户2 瓦蕊刊p 声 j 。： 兰型二兰型 1 一s 。一s 。 j 。：1 一；。：一三二k 一：旦二兰卫 1 一s n sr o1 一s 一s 日 万：兰i ，： l lo k 。r o i 。：旦c 归：km o i u ( 2 - 1 9 ) ( 2 - 2 0 ) k 0 k 。c c j q l 。( 2 - 2 1 ) h k ，。 ，= o ，w ，妒 ，f ，) ：p 。gc 。s0 砀r ) r = 等 居c o s 0o 将( 2 1 6 ) 、( 2 - 17 ) 式各项均乘以 上l 坠三z ：壁 kw 。q | 1 w q 再令 1 0 ，【 ，j、，【 第二章物理模拟理论基础 妒 1 + c o d k 名厮去i 一墼& c 型d 卜如 爿 以dl jld dj 垦= 【l + c 0 d ( 厩杀 - w 垫篆型 + 面_ o ， 壹瑟型 2ii。i 砂d i c 2 = 【1 + + 一蜂一+ c d dx 1 一磊掣 d ：2 【l + c m ( 一) 等( 1 一岛) 2 万g 。一1 声。一1 ) 贝t j ( 2 1 6 ) 式的无量纲形式为： 佗一2 2 ) 令 4 + 岛+ c 2 一皿= 0 aj 、- - o + c 。，。，去( f 。等) + ( f 。c 。等) 2 b 31 = o + c 。p 。) 击( f 。等 + ( f ，c 。鲁 2 c 3 = ( 1 + c 肋嵋。) 杀一c w d 嵋。声矿等 d 32 ( 1 + c m ) 老三万b 。弘占。) 一( 1 + c j w n ) 。薏( 1 一：“：, ) l s ( x o - o l 万。一1 ) q 0斗曰 9 1 q ( 2 1 7 ) 式无量纲形式为 a 3 + b 3 一c 3 一d 3 = 0 同时，( 2 1 3 ) 式的无量纲形式为 ( 2 2 3 ) p 。每一) = 赤籍= ，箩r y 函z 4 ， 而定解条件( 2 - 1 4 ) 和( 2 - 1 5 ) 式的无量纲形式为： 边界条件 西安石油大学硕士学位论文 初始条件 阻i ：0 a 门d l 在边界上 一s 一( z 。，y 。 ) i 蝴上 = 丁” ( 2 2 5 ) p 粕od ，yd ，td = 0 ) = p w o 一s ( x 。，y 。，f 。：0 ) ：丁所 ) ( 2 2 2 ) 式至( 2 2 4 ) 式和定解条件( 2 - 2 5 ) 式和( 2 - 2 6 ) 式构成求解，兄。和的完全的方程 组。 b i i 定理法 对于描述水驱油的系统，在消去易、晶和速度分量后涉及的全部变量有：3 个自 变量( x ， y ， t ) ， 3 个因变量( a p ，p 。，s ，) ，9 个参量 ( c 。，c ，c ，k 。，k ，卢，g h ，矿) ，特征饱和度( s ，) 一= 1 一s ，一s 。以及特征 长度( l ) 。而基本量纲有3 个，根据i l 定理，应组成3 个无量纲自变量和6 个无量纲参量， i l p 如( 2 1 4 ) 式所示的，这些可用量纲齐次性原理求得。( 2 一1 4 ) 式中的x 。和 ，是人为 配置上去的，这一点从( 2 一1 4 ) 、( 2 一1 5 ) 式化为( 2 2 2 ) 、( 2 - 2 3 ) 式的过程中容易看出。( 2 - 2 4 ) 式中的，c o s 毋歹7 f 也是人为配置上去的，这由( 2 - 2 0 ) 式转变为( 2 2 4 ) 式中每，) 不难看出品本身就是无量纲量，后来转变为j ，。 不用k 。，* o k 。与s ，的相对渗透率对饱和度曲线，而改用k 。，和k w r 与s w 的折算曲 线( 这里，k 。= k 。r ，k ，= k ，t r ) ，不用最$ ，) 关系而改用了形) ，这是相似准则 的特殊要求。因为对于不周的多孔介质和驱替系统，x 。，和。对s ，的曲线在形式上差 异很大，它们在横坐标轴上交点都很不相同，不可能达到相似性的要求，而用 x 。和墨。与s 一曲线，相似性就较明显，两个系统的曲线均通过对角线的两个顶点。 而对于无量纲毛管力，不同系统的j ( s ，) 相似性也很好，特别是对于吸渗情形。 2 3 2 相似准则的严格表述 据以上对水驱油相似准则的推导和讨论，可将该相似准则严格表述为：若在两个驱 替系统之间，相似参量折算流度比m 、界面参量r 和无量纲压缩系数c 0 0 = o ，w ，甲) 分别相等，髟“，x 。和j 是昂的同样的函数，无量纲的边界条件和初始条件相 同，则对应舻和对应位置上的舫和唧值相同。 2 第二章物理模拟理论基础 2 4 平面水驱油相似准则的简化 上述严格表述所要求的条件不可能全部满足，通常对第条只保留主要参量砑相 同，对微可压缩情形c ，。可不予考虑，对渗透率较大情形，界面参量r 也不用考虑；第 条在前面的讨论中已经解决，用s 一能近似满足：对第条只能做到尽可能满足：而x d 和少d 是几何相似所要求的。这样一来，问题简化为4 个无量纲组合量( ，d ，s 一， m ) ，其表达式、物理意义及其在模型与原型之间的匹配与换算中的作用分述如下： 兀= 矿= 争争一 ( 2 2 7 ) i ii 的物理意义：它是个相似参量，是残余条件下油水流度比。其作用是己知一个 系统的残余流度，换算和匹配另一个系统的残余流度。 兀z = p ”= 石赫( 2 - 2 8 ) i i2 的物理意义：它是一个相似因变量，是习惯上常用的无量纲压力，参考量为单位 厚度地层流量q h 除以残余油下水的流度k 。作用是确定模型与原型之间压差 的换算关系。 。 i - i ，刮。2 丽瓢音三j j 2 - 2 9 ) i i3 的物理意义：它是时间相似变量，其分子为注入水体积，分母为地层中最大限度 可能增加的水体积。作用是确定模型与原型之间的时间比或流量比。 兀。矗= 箍 ( 2 ，o ) i i 。的物理意义：它是一个主要的相似因变量，是地层中水饱和度实际增量与最大可 能增量之比，称为折算饱和度。作用是确定模型与原型之间饱和度的换算关系。 由上所述，可将平面水驱油相似准则大致表述如下：若两个水驱油系统中残余条件 下流度比面相等，无量纲边界条件和初始条件相同，则对应时刻对应位置上无量纲压降 和折算饱和度品相同- 西安石油大学硕士学位论文 第三章大孔道形成机理 本章中利用填砂玻璃板模型对砂岩油藏大孔道形成机理进行物理模拟，研究沉积特 征、油层物性、开发过程等因素对大孔道形成的影响，归纳了大孔道形成的因素。 3 1 大孔道形成机理分析 储层的孔隙度及渗透性是储层的重要物性，直接影响到油气开发口】，大孔道是储层 的一种重要孔隙，它对储层渗透性及注采工艺有着决定性的影响， 砂岩油藏在开发过程中因存在不同程度的出砂现象，经过长期高速注水开发，高渗 带、特高渗透带形成大孔道，导致注入液窜流严重，注水效果变差，影响油田采收率及 开发效益的提高。 应用玻璃板填砂模型、采用低粘度水和稠油作为介质，在不同的渗流速度下进行模 拟实验，用以研究沉积特征、油层物性( 渗透率、胶结程度、原油粘度) ，对大孔道形成 的影响，并研究开采过程中生产速度对大孔道形成和发展的影响。 3 2 沉积特征对大孔道形成和发展的影响 根据力学理论。砂体颗粒在渗流过程中受到的力主要有流体流动的冲刷力、流体与 颗粒间的摩擦力，砂体颗粒与胶结物之间的胶结力，砂体颗粒脱落所需的条件是冲刷力 与摩擦力的全力大于胶结力，砂体颗砬运移是受到上述两种力和流体包裹携带作用的结 果。因此，利用了两种方法模拟水动力冲刷和摩擦力以及流体包裹痨帝作用。 3 2 1 水动力冲刷作用 用低粘度的水作为介质，在不同的渗流速度下进行模拟实验，实验表明在低速下 ( 1 m l m i n ，折算油田速度为l m d ) ，仅仅依靠流体的水动力是不能出砂的，随着渗流 速度的增大( 5 m l m i n ) ，出口开始出砂，在相同的时间内，渗流速度越高，出砂量越大。 出砂过程是；在初始阶段，生产井附近有细小的砂体颗粒流出，随着时闻的推移，出砂 开始向前、向两侧发展，但是向主流线方向的发展速度越来越快最后形成从出1 3 到入 口沿主流线方向的高渗透带，即大孔道沿主流线方向分布，相应的压力动态特征是在一 定渗流速度下，末出砂时，压力稳定，出砂时压力开始下降 第三章大孔道形成机理 3 2 2 流体摩擦力作用 物理模型尺寸长宽比为2 5 0 r a m ：2 5 0 m m 的玻璃板填砂模型，填砂粒径为1 0 0 1 2 0 目，用稠油作为流体，模拟油的粘度为4 0 c p ( 2 5 c ) ，在不同的渗流速度下，模拟出砂情 况。 实验表明在相对于水驱较低的速度下就能见到砂体颗粒的流出。这说明原油越稠， 在流动过程中的阻力越大，对岩石颗粒的拖曳力越大，越容易出砂。另一方面，稠油的 携砂能力比较强，细砂颗粒能比较稳定的分布在稠油中，很容易随原油流出出砂量、 压力动态特征如图3 i 、图3 2 所示。 圄3 1 不同驱替速度下出砂量与时间关系曲线 图3 2 不同驱替速度下压力与时间关系曲线 西安石油大学硕士学位论文 3 2 3 正韵律模型对大孔道形成和发展的影响 设计渗透率向上逐渐变小的正韵律模型，高渗透油砂粒径为4 0 8 0 目，低渗透油砂 粒径1 2 0 - 1 6 0 目，渗透差异比较大，高低渗透层采用合注合采方式，分别计量两层砂粒 流出的质量，实验结果表明，在正韵律模型中。注入流体主要沿高渗透层流动，对高渗 透层的冲刷作用强，在高渗透层有砂体颗粒流出。而低渗透层注入流体流量小，流动缓 慢，注入流体的作用力较弱，因而基本不出砂实验结果如图3 3 所示 图3 - 3 正韵律模型水驱出砂状况 3 3 油层物性对大孔道形成的影响 3 3 1 胶结程度对大孔道形成和发展的影响 实验采用两种不周胶结程度的模型，在相同的水动力和相同模拟油携带作用下( 油驱 1 m m i n ) ，研究了不同胶结强度对大孔道形成和发展的影响，实验结果表明，胶结强度 越高，砂体颗粒流动所需要的压力梯度越大，即需要更高的驱替速度。胶结强度越弱， 越容易出砂，需要的冲刷速度越小。 6 第三章大孔道形成机理 图3 4 渗透率对出砂量的影响 3 3 2 渗透率大小对大孔道形成和发展的影响 用填砂粒径为6 0 m m - 8 0 m m 和l o o m m 一1 2 0 m m 的模型，在相同的胶结程度、流动介 质粘度相同的情况下，先以相同的驱替速度冲, 日l j ( 3 m l m i n ) ，观察出砂情况；实验结果 如图3 - 4 所示：在其它条件相同的情况下，渗透率越高，出砂越少，对高渗模型，提高 驱替速度3 倍，出砂量才比较大这是因为渗透率越大，流动阻力小，建立的压差也越 小，因此要建立起使砂体颗粒运移的压力梯度，必须要较高的驱替速度。 3 3 3 原油粘度的影响 粘度对出砂是一个非常重要的因素，砂体颗粒在孔道中的运移方式主要是依靠高粘 度的原油以摩擦和携带作用来实现。同时高粘原油也能阻止砂体颗粒在运移过程中的沉 降，使砂体颗粒比较均匀的分布在原油中总之，粘度越大越易出砂( 图3 - 5 ) ，结果是越 有利于形成大孔道。 西安石油大学硕士学位论文 图3 - 5 流体粘度对出砂置的影响 3 3 4 开采过程对大孔道形成和发展的影响 主要考虑生产速度对出砂的影响，生产速度越高，作用在岩石砂体颗粒上的压力梯 度越大，砂体颗粒越容易脱落，出砂量越大，越容易形成高渗透带，压力下降越大。在 实验中还发现压力下降的快慢和对出砂的影响很大，压力下降越突然，越容易出砂。 3 4 实验分析 a 大孔道形成和发展起关键作用的因素有： ( 1 ) 油藏渗透率； ( 2 ) 岩石胶结程度； ( 3 ) 流体粘度； ( 4 ) 开采速度。 其中最关键的因素是地层胶结程度。出砂时的临界开发速度正比于砂岩渗透率、砂 岩胶结程度、反比于流体秸度，即v k c p 。 b 实验结果表明，对大孔道最敏感的开发参数就是压力和产量，这是实验结果和现 场实际的结合点。实验中的压力、产量和生产历史中的压力产量在大孔道形成前后变化 规律是一一对应的，根据生产过程中的吸水指数和采液指数的变化规律来判断大孔道也 是可靠的。 第三章大孔道形成机理 c 对于出砂严重的油井一定及早进行防砂处理，这不仅有利于提高泵效，延长检泵 周期，也是防止大孔道出现过早，从而提高油田最终采收率的必要手段。 d 在相同驱替速度下，低渗透层更容易出砂，也更容易形成大孔道，这与原来人们 普遍拥有的观点有些出入。对于高渗透性油藏形成次生大孔道人们较容易接受。而实验 证明由于相同条件下，低渗透油藏中的流体受到更大的阻力，反而更容易出砂，从而加 剧油藏非均质性。 1 9 西安石油大学硕士学位论文 第四章大孔道渗流特征的物理模拟 室内实验过程证明。大孔道的渗流规律表现出特征表象嘲，下面从压力、产量以及 相关参数各方面进行分析 9 1 。 4 1 动态参数变化特征 流动压力：大孔道形成以前，流体渗流趋于稳定，压力保持比较平稳，大孔道形成 后，总体渗透率增大，流动阻力减小，流动压力上升。 出口端产量：大孔道形成以前，产量比较稳定，在单位压差下的流量恒定，大孔道 形成后，单位压差下流量增大的幅度很大。 采液指数：大i l 道形成以前，单相流动的采液指数是恒定的，大孔道形成后采液指 数猛增，采液指数反映了渗透率的量纲，即渗透率变化的程度。 注水端注入量：大孔道形成以前，注入水量在一段时间内达到平稳，而大孔道形成 后，单位压力下的注水量大幅度增加。 注水端吸水指数：大孔道形成后，吸水指数增加幅度大，吸水指数也是反映渗透率 的量纲。 4 2 油层大孔道的判别 根据实验发现，对大孔道最敏感的开发参数就是压力和产量，这也是实验结果和现 场实际的结合点。 实验中的压力、产量和生产历史中的压力产量是一一对应的，它们在大孔道形成 前后的变化规律也是一一对应的，计算出来的吸水指数和采液指数也是相对应的。 在实验中发现大孔道形成后吸水指数增加幅度大、采液指数增加幅度也很大。以上 这些观点应用到实际生产数据中，可以根据生产过程中的吸水指数和采液指数的变化规 律来判断注水井和生产井的连通情况。 4 3 段塞组合实验研究 对大孔道治理工艺进行了可视化模拟实验，研究了段塞位置及长度对提高采收事的 影响。 第四章大孔道渗流特征的物理模拟 4 3 1 段塞长度对提高采收率的影响 设计制作大孔道模型，用8 0 目砂粒做成带大孔道的均质摸板，经过充分饱和油后用 水驱替至产出液中含油 1 ，分别在中部注入1 1 0 、1 8 、1 6 、1 4 、1 2 、1 井距长度的 堵剂段塞，用水驱替至产出液含油 1 2 长 度提高程度不太明显，可以考虑稍低于l 2 长更合理。 4 3 2 段塞位置对提高采收率的影响 设计制作大孔道模型，用8 0 目砂粒做成带大孔道的均质摸板，经过充分饱和油后用 水驱替至产出液中含油 l ，分别在距注入井1 l o 、1 8 、1 6 、i 4 、1 2 井距长度处注入 l 6 井距长度堵荆段塞，用水驱替至产出波含油 1 ，并计算采收率，实验结果见图4 - 2 。 西安石油大学硕士学位论文 图4 - 2 段塞位置对提高采收率的影响 分析实验结果可以看到，如果段塞顶至大孔道中部将会取得最好的效果。 第五章基于物理模拟的大孔道防治 第五章基于物理模拟的大孔道防治 对于具体需要治理的油水井，首先要判断油层是否已经出现大孔道，然后才能有针 对性地进行治理。前人也提出t - - 蜥1 10 1 。 5 1 油层出现大孔道的判断与治理 根据生产经验，现总结出以下几条规律： l 从吸水剖面上看，存在从投产就一直吸水、且连续2 年相对吸水在2 5 以上的层； 2 示踪剂检测发现存在大孔道； 3 曾有过对应油井抽出调剖剂现象； 4 实测p i 值小于1 ； 5 注采井连通较好，动态反映明显，油井含水9 0 以上； 6 对应油井有高产历史： 符合上述条件的注水井，均可能已经出现大孔道，须采用封堵大孔道技术【“】。 现场施工管柱类型：多采用光油管注入，有时下分层管柱采用分层注入方式。目前 国内外多采用多种堵剂组合使用，三段塞( 阻挡段、冲填段、封口段) 封堵工艺，以利于 有效封堵