（油气田开发工程专业论文）裂缝介质流动模拟研究及理论研究.pdf

p h y s i c a ls i m u l a t i o na n dt h e o r e t i c a ls t u d y o ff l u i df l o wi nf r a c t u r e d m e d i a l i nh o n g k e ( o i l & g a sf i e md 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 y 喊y a oj u n a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fe x p l o i t a t i o n , t h ef r a c t u r e dh y d r o c a r b o nr e s e r v o i rp l a y sa n i m p o r t a n tr o l e i np e t r o l e u mi n d u s t r y t h e r ea 糟a b u n d a n th y d r o c a r b o nr e s o 蝴i n f r a c t u r e dr e s e r v o i r si nc h i n a b u ti ti sv e r yd i f f i c u l tt ou n d e r s t a n dt h em e c h a n i s mo ff l u i d f l o wa n de x p l o i tf o rt h ec o m p l e x i t yo ff r a c t u r e dr e s e r v o i r t h ec u r r e n tt h e o r i e so ff l u i d f l o wi nf r a c t u r e dr e s e r v o i r , b a s e do nc u b i cl a wo rm o d i f i e dc u b i cl a w , a r en o ta p p l i c a b l e i ti ss i g n i f i c a n tt os t u d yt h em e c h a n i s mo ff l u i df l o wi nf r a c t u r e dr e s e r v o i r s t os t u d yt h e m e c h a n i s mo ff l u i df l o wa n di n t e r r a c i a lp h e n o m e n a , m a g r o = a n dm i c r o - f i 佻 l m e dm o d e l s b a s e do ns i m i l a r i t yt h e o r e m 僦d e s i g n e d s i n g l e a n dt w o - p h a s ee x p e r i m e n t sw e r e c o n d u c t e di no r d e rt oe x a m i n et h ee f f e c to ff i 毓c t u r ea p e r t u r e ，丘戤= t 1 1 d e n s i t y , 丘a c m m n e t w o r k , f r a c t u r ed i pa n df l l l i dv i s c o s i t yo nf l u i df l o wi nf r a c t u r em o d e l s ri sp r o v e dt h a t t h ec u b i cl a ww a sn o ta p p l i c a b l ei nf r a c t u r e dr e s e r v o i r f l u i df l o wp a t t e r n si nf r a c t u r e d m e d i aw e r ea l s od e v e l o p e d p a r a m e t e r so ft w o - p h a s ef l u i df l o w , s u c ha sr e l a t i v e p c r m e a b i f i t y ，d e g r e eo fr e s e r v er e c o v e r ya n dw a t e rr a t i o ，w c t cc a l c u l a t e d a n dt h e p h e n o m e n ao fi n t e r f a c ea n dd i s p l a c e m e n tf r o n tw e r eo b s e r v e dd e a r l y t h eb a s i ct h e o r y o ff l u i df l o wi nf r a c t u r e dr e s e r v o i rw a sd e v e l o p e db ys i m u l a t i o ns t u d y t h ec o n c l u s i o n s i nt h i sp a p e rc a np r o v i d et h ee x p l o i t a t i o no ff r a c t u r e d r e s e r v o i rw i t ht h e o r e t i c a lb a s i s k e yw o r d s ：f r a c t u r e dm e d i a , p h y s i c a ls i m u l a t i o n , m e c h a n i s mo ff l u i df l o w , f l u i df l o w p a t t e r n 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：五谚年月毕e l 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 指导教师签名 日期：h 杉年月y - e t 日期：伽。譬年多月华e l 中国石油大学( 华东) 硕1 ：学位论文 1 1 研究目的和意义 第一章前言 随着我国勘探开发程度的不断加深，近年来新探明的油藏类型越来越复杂，特 别是裂缝性油藏探明储量不断增加。我国发现大量裂缝性油藏，其探明地质储量己 超过4 0 x 1 0 8 吨，占总探明储量的2 8 以上( 2 0 0 4 年) 。裂缝的存在使得油藏地质条 件复杂，给油田的勘探开发带来许多新的问题。因此，对于裂缝性油藏来说准确地 认识其渗流规律对油藏的开发具有重要意义。 在中国乃至世界范围内，裂缝性油藏分布较为广泛。例如，美国加利福尼亚州 的蒙特里页岩储层、伊朗西南的a s m a r i 碳酸盐岩油藏、加拿大的m i d a l e 碳酸盐岩 油藏、美国西德克萨斯州的s p r a b e r r y 特低渗透砂岩储层，以及我国华北的裂缝性 潜山油藏、四川大安寨碳酸盐岩储层、大港千米桥缝洞型潜山油藏、准噶尔盆地石 西油田石炭系火山岩油藏等都是非常重要的裂缝性储层i l j 。 裂缝性油藏的储集层特征同常规油藏相比，裂缝性油藏在储层岩石类型、孔隙 结构、储渗物性性质等各方面表现出了与之既相同又相异的特点，具体表现在： ( 1 ) 岩石类型复杂。裂缝性储集层可以分为三种储集层类型，即碳酸赫岩类、砂 泥岩类及其它类裂缝性储集层。在所有的岩类储集层中，碳酸盐岩裂缝性储集层最 常见。 ( 2 ) 储集空间种类多样化。裂缝性油藏区别于常规油藏的最大特点，就在于它的 储集空间种类的多样化。裂缝、溶孔、溶洞、基质孔隙相互结合，形成了裂缝性油 藏的主要储集空间，并决定着储层的储集能力和渗滤能力。可将裂缝性储层划分为 孔隙型、裂缝型、溶洞型和孔缝洞复合型储集层。对于孔隙型储层，以原生和次生 粒间、粒内、晶间等孔隙发育为主，裂缝作用相对较差；对于裂缝型储层，储集空 间以裂缝为主，孔隙和溶洞较少，裂缝即作为主要的油气储集空间，又是油气的渗 流通道；对溶洞型储层，储集空间以各种大小不同的溶洞为主：对于裂缝一孔隙型 储集层，储集空间为各类孔隙和裂缝，基质岩块的原生粒间和次生粒间、粒内溶孔 为主要的储集空间，裂缝作为部分储集空间以外，主要起连通基质岩块孔隙的作用， 提高储集层渗透率；对于裂缝一溶洞型储集层，溶洞为主要储集空间，孔隙不发育， 但裂缝发育，裂缝将溶洞贯穿，连成不规则的储集体。 第一章前言 ( 3 ) 裂缝性储层非均质性强。同一个油藏中可能存在较大的岩性变化；储集空间 构成复杂，孔、缝、洞分布不均；储层的储渗物性非均质性严重。同时由于岩性的 变化使得油、气、水在储层中的分布存在不连续型和不均匀性。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。多重介质储层的裂缝在有效应 力作用下产生变形，裂缝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。 ( 4 ) 大多数储层有效孔隙度低，基质渗透率低。 ( 5 ) 岩石润湿性随具体油藏而定，分为水湿型、油湿。 裂缝性油藏储集空间复杂，具有低渗透特性的基质岩块通常是油气的主要储集 场所，而具有高渗透特性的裂缝系统则是流体的主要渗流通道。与常规油藏相比， 裂缝性油藏开发具有一定难度。传统的衰竭式开采过后，基岩中将残余大量的原油； 水驱可以降低部分残余油量，但油井见水快、含水率上升快，易发生水窜或暴性水 淹现象；如果储层为油湿或中性润湿，水驱将绕过基质岩块而只采出裂缝中的原油。 通常衰竭式和注水开发后，原油最终采收率不超过4 0 。裂缝性油藏开采渗流机理 复杂。各种动力因素包括粘滞力、毛管力、重力等共同作用，驱动流体在各类储集 空间中发生流动，并在裂缝和基质之间发生交叉流和质量交换【2 】。 中国西部油田裂缝性油藏油气资源丰富，特别是碳酸盐岩油藏投入开发时间较 晚，开发的前景十分乐观，但油藏的复杂性决定了其开发难度大，开发经济效益差， 应用多重连续介质渗流理论处理与实际相差较大，深入认识多相渗流机理难度大。 缺乏对渗流机理深入的认识，这给油藏的开发带来了极大的困难。因此需要有裂缝 性油藏的更符合实际的渗流机理的指导。综上所述，从理论和技术上系统深入地开 展裂缝性油藏流动机理的研究，对于实现裂缝性油藏的高效开发具有重要的战略意 义。 本课题的研究目的是，通过对裂缝介质流动模拟研究，发展和丰富裂缝性油藏 的流动规律，完善裂缝性油藏流动的基础理论，提高裂缝性复杂油气田的开发能力， 为加快此类复杂油田开发建设，实现经济高效地开发提供科学的理论依据。 1 2 国内外研究现状 为充分利用裂缝性油藏的油气资源，提高开发效益，国内外许多学者对裂缝型 油藏渗流开展了广泛的研究，研究主要集中在物理模拟和数学模拟两个方面。 2 中国石油人学( 华东) 颁i j 学位论文 1 2 1 单裂缝渗流规律研究 单条裂缝作为裂缝性油藏的基本单元，决定了流体在油藏中的基本渗透特征， ，0 是各种渗流理论模型的基础。18 6 8 年俄国著名流体学家布辛习涅斯基在粘性液体运 动一般微分方程式的基础上推导出岩体裂缝渗流的立方定律，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，它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，通过裂缝面的渗流流量与裂缝的张开度的三 次方成正比，这就是平行板裂缝的单相流体渗流的立方定律口】。 1 2 1 1 单裂缝单相渗流规律研究 苏联的l o m i z e 和r o m m 4 1 、英国的l o u i s e 2 2 1 等人分别在实验室进行了平行板裂 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，验证立方定律，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，但当渗流进入紊流状 态时，则立方定律不符合实际，他们也各自提出了相应的计算公式，式中他们均是 以雷诺数为划分裂缝水流态的判据，其定义与水力学中圆管流相似。且雷诺数值也 基本上同圆管的临界雷诺数相同，他们以裂缝的水利半径( r e = b 2 ) 替代圆管的水利 半径( r y = d 4 ) ，但未考虑裂缝水流与圆管水流的具体差异。r o m m 对0 2 5 9 m - - 1 0 0 p a n 的微裂缝研究后提出只要裂缝张开度大于0 2 1 a x n ，立方定律总是成立的。速宝玉1 3 】 也进行了光滑单裂缝实验，并提出了一个半经验公式。速宝玉认为对于微裂缝渗流， 即使雷诺数很小，立方定律也是不适应的，呈现出非牛顿流体特性，他认为从物理 化学流体力学的观点来看，固体表面的分子或原子与液体表面不同，他们基本上不 能移动，所以固体流体界面的特性也与流体流体界面不同。液体分子受固体表面 的吸引要比液体分子本身之间的吸引强的多。也就是说，当裂缝张开度小到一定程 度时，固壁对液体作用将是一个很大的阻力，微裂缝水流动，首先须克服这一阻力。 天然情况下的裂缝面实际上是粗糙不平的，很难满足平行平板裂缝的假定。针 对粗糙裂缝的渗流特性，根据对粗糙性定义的不同，许多学者分别提出了相应的修 正立方定律。同时为了与立方定律相应，将指数n 3 和n 3 和n 倒 剃 昧 磐 01 02 0 3 0 4 0 5 0印7 09 01 0 0 裂缝密度n f ( 1 i ) 图4 - 1 2 非线性流动临界速度与裂缝密度的关系 f i 9 4 - 1 2 t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nn o n l i n e a rc r i t i c a lv e l o c i t y a n df r a c t u r ed e n s i t y 。s昌3)憾硝螺璐 0 5 o 5 o 5 0 晌 舛 呻 蚴 吆 蛇 o 0 0 0 o o o 第四章单相流动物理模拟实验研究 4 3 不同裂缝网络实验结果分析 地层中的裂缝是不规则的，是一种网络结构。网络结构的裂缝模型和单一、平 行板裂缝模型的流体流动模式是存在很大的差别的。因此，研究裂缝介质流体流动 模式就必须要充分考虑裂缝网络的渗流模式。实验中设计组装了六种不同复杂程度 的裂缝网络结构模型，来检验裂缝网络结构对裂缝介质中流体流动的影响。 4 3 1 渗流特征 不同裂缝网络结构模型的渗流速度与压力梯度关系如图4 1 3 所示，雷诺数与阻 力系数关系如图4 1 4 所示。从图4 1 3 和图4 1 4 中可以看出，裂缝网络模型的渗流 特性与平行板裂缝模型的渗流特性明显不同，在渗流速度约为0 0 2 c m s 时，渗流速 度与压力梯度就开始出现非线性关系，不符合达西定律，也不满足立方定律。裂缝 网络结构越复杂，连通度c 越大，出现非线性特征越早。根据图4 1 4 可知，连通 度c = i 的平行板裂缝模型在雷诺数r e 约为1 1 时还呈现线性规律，但对于连通度c 1 0 0 的较复杂的裂缝网络模型在雷诺数r e 约为5 时就开始出现非线性特征。在流 体渗流的线性区域范围内，裂缝网络的连通度高，渗透率高，但看不出二者之间成 正比关系；在相同的雷诺数下，连通度高，相应的阻力系数也大，但二者之间也没 有明显的正比关系。 裂缝网络模型流体渗流的非线性特征可以采用二项式非线性表达式描述，通式 为： g r a a p 一( 叁西2 ) 或采用指数规律形式来描述，通式为 g r a c l p = a v ” 式中：卜二次项系； r 渗流系数； ，广_ 渗流指数； 卜压力，o 1 m p a ； 1 ，渗流速度，c m s 。 ( 4 - 8 ) ( 4 - 9 ) 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 f 魄 g 3 倒 煅 螺 璐 oo 0 lo 0 2 0 0 30 0 40 0 5 压力梯度g m d p ( o i m p a c l i f l ) 图4 - 1 3 不同裂缝网络结构时压力梯度与渗流速度的关系 f i 9 4 - 1 3 t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np r e s s u r eg r a d i e n ta n dv e l o c i t yi nf r a c t u r en e t w o r km o d e l s 蠢 籁 1 蛹 r 岛 o o lo 1l1 01 0 0 雷诺数r e 图4 - 1 4 不同裂缝网络结构时雷诺数与阻力系数的关系 f i 9 4 - 1 4 t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nr e s i s t a n c e1 a 咖ra n dr e y n o l d sn u m b e ri nl a c t u i 电n e t w o r k 4 3 2 非线性渗流模式的两项式表达式 不同裂缝网络结构裂缝介质中流体流动模式随着裂缝网络结构的复杂程度的 加大，呈现出非线性流动特征。根据实验数据分析可知，其流动模式可以用两项式 表达，并且具有较好的相关性。不同裂缝网络结构模型的压力梯度与渗流速度关系 曲线及采用两项式函数拟合的曲线如图4 - 1 5 所示，流体渗流的非线性特征采用二项 式非线性表达式描述的通式为： g r a 勿= - ( a v + b y 2 )( 4 1 0 ) 式中：彳次项系数： 卜二次项系数。 4 7 o 5 o 5 o 5 0 5 o 嗍 嘟 啪 晒 咖 呲 啪 宝 咖 o 0 o o o o o o o 舢 姗 m m 。 第四章单相流动物理模拟实验研究 o 0 0 10 0 20 0 30 0 4 渗流速度v ( c m s - 1 ) 图4 - 1 5 不同裂缝网络结构时压力梯度与渗流速度的关系 f i 9 4 - 1 $ t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np r e s s u r eg r a d i e n ta n dv e l o c i t yi nf r a c t u r en e t w o r km o d e b 各模型渗流关系拟合曲线方程及相关系数露分别为： c = 1 ；r 2 = 0 9 9 9 0 ；g r a d p = - ( o 8 2 2 9 v + 1 8 0 0 1 v 2 )( 4 - 1 1 ) c = 2 0 ；r 2 = 0 9 9 9 5 ；g r a d p = - ( o 3 6 5 0 v + 8 5 8 4 1 v 2 )( 4 1 2 ) c = 5 8 ；r 2 = 0 9 9 8 2 ；g r a d p = - ( o 2 0 4 8 v + 2 4 1 5 1 v 2 ) ( 4 - 1 3 ) c = 1 0 0 ；r 2 = 0 9 9 9 8 ；g r a = 一( o 6 6 6 5 v + 1 2 7 9 1 v 2 ) ( 4 1 4 ) c = 119 ；r 2 = 0 9 9 5 5 ；g r a = - ( 0 3 2 6 6 v + 4 3 6 7 1 v 2 ) ( 4 - 15 ) c = 2 0 7 ；r 2 = 0 9 9 3 8 ；g r a = - ( 0 2 8 7 1 v + 3 0 8 3 1 v 2 )( 4 1 6 ) 从式( 4 1 1 ) 式( 4 1 6 ) 可知，不同裂缝网络结流动构模型的压力梯度与渗流速度 关系满足非线性渗流方程的二项式形式。采用二项式表达式可以清晰的表达出流体 流动过程中的粘滞阻力项和惯性阻力项，方程中拟合参数彳、b 受连通度c ( c 1 ) 的 影响非常大。 根据实验数据处理分析，非线性二项式方程通式中参数a 和b 与连通度c ( c 1 ) 的关系拟合为： a = 0 4 1 8 0 0 1 1 l n ( c + 1 )( 4 1 7 ) b = 5 7 7 1 - 0 1 0 4 l n ( c + 1 ) ( 4 - 1 8 ) 因此，不同裂缝网络结构模型的非线性渗流方程可以表示为： g r a d p = 一和4 1 8 0 0 1 l l n ( c + 1 ) i v + 5 7 7 1 0 1 0 4 1 n ( c + 1 ) v 2 ( 4 1 9 ) ：兮 奶 舵 仇 0 n q q o o 馏l。bd至_o)号盘毯嚣r出 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 4 3 3 非线性渗流模式的指数表达式 不同裂缝网络结构裂缝介质中流体流动模式呈现出非线性流动特征。根据实验 数据分析可知，其流动模式可以用指数表达式表示，并且也具有较好的相关性。实 验数据经过处理得到，不同裂缝网络结构模型的压力梯度与渗流速度关系曲线及采 用指数函数拟合的曲线如图4 1 6 所示，流体渗流的非线性特征采用指数式非线性表 达式描述的通式为： g r a a p = 口v ” ( 4 - 2 0 ) 各模型渗流关系拟合曲线方程及相关系数r 2 分别为： c = l ；r 2 = 0 9 9 8 6 ；y a a p = 0 9 4 2 4 v l m l 5( 4 2 1 ) c = 2 0 ；r 2 = 0 9 9 7 5 ；g r a = 1 6 2 9 9 v 1 2 7 6 3( 4 - 2 2 ) c _ - 5 8 ；r 2 = 0 9 9 5 5 ；脚= 0 4 9 0 9 v 1 删 ( 4 2 3 ) c = 1 0 0 ；r 2 = 0 9 9 8 1 ；g r a d p = 2 9 4 6 2 ，1 彻 ( 4 2 4 ) c = 11 9 ；r 2 = 0 9 9 1 2 ；g m = 0 9 0 6 5 1 ，啪 ( 4 2 5 ) c = 2 0 7 ；r 2 = 0 9 8 9 6 ；脚= 0 6 2 3 2 ，瑚 ( 4 2 6 ) 从式( 4 2 1 ) 式( 4 2 6 ) 口- t 知，不同裂缝网络结构模型的压力梯度与渗流速度关系 满足非线性渗流方程的指数形式，渗流指数刀在l 与2 之间，渗流指数，l 越大，表 明惯性阻力的作用越大，粘滞阻力的作用越小。 0 0 0 1 0 0 2o 0 30 0 4 渗流速度v ( c m s 。1 ) 图4 - 1 6 不同裂缝网络结构时压力梯度与渗流速度的关系 l n 9 4 - 1 6 t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np r e s s u r eg r a d i e n ta n dv e l o c i t yi nf r a c t u r en e t w o r km o d e l s ：兮 舛 吆 毗 o o o o o o 一_鼍u孟=h0)厶pbj8趟嚣r幽 第四章单相流动物理模拟实验研究 4 3 4 渗流系数和渗流指数与连通度的关系 不同裂缝网络结构模型中流体流动模式为非线性，在拟合出的非线性方程中， 无论是二项式中的渗流系数还是指数式中的渗流指数都与表征模型复杂程度的连 通度c ( c 1 ) 有着很大关系。非线性渗流方程中渗流系数口和渗流指数, 与连通度 c ( c 1 ) 的关系。 非线性渗流方程指数式通式中渗流系数a 和渗流指数厅与连通度c ( c 1 ) 的关系 拟合分别为： 口= 2 8 6 1 2 0 4 1 5 9 i n ( c + 1 ) ( 4 2 7 ) 一2 l 4 4 l l o 0 5 5 0 l n ( c + 1 ) ( 4 2 8 ) 因此，不同裂缝网络结构模型的非线性渗流方程指数形式可以表示为： g r i p 。【2 8 6 1 2 0 4 1 5 9 1 n ( c + 1 ) p 5 蚴c + 1 w ( 4 2 9 ) 4 3 5 渗流系数和渗流指数与裂缝密度比的关系 为了认识垂直渗流方向的裂缝对流体流动规律的影响，考虑垂直渗流方向裂缝 密度与平行渗流方向裂缝密度之比( 简称裂缝密度比) ，研究了渗流系数口和渗流指 数刀与裂缝密度比之间的关系，如图4 1 7 和图4 1 8 所示。 3 0 2 5 2 0 籁一 倏1 5 媾 璐1 0 0 5 o 0 0 0 0 1 0 20 3 垂直裂缝密度平行裂缝密度 图4 - 1 7 渗流指数与裂缝密度比的关系 f i 9 4 - 1 7t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ee x p o n e n ta n df r a e t n r ed e n s i t yr a t i o 0 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 o 00 10 2o 3 垂直裂缝密度平行裂缝密度 0 4 图4 - 1 8 渗流系数与裂缝密度比的关系 。f i 9 4 1 8 t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep a r a m e t e ra n df r a c t u r ed e n s i t yr a t i o 4 3 6 非线性流动临界速度与裂缝连通度的关系 对于不同裂缝连通度的裂缝网络模型，根据流速与压力梯度的关系可知，裂缝 连通度越小，出现非线性流动的流速越大，但临界速度随连通度的变化基本成线性 关系。非线性流动的临界速度与裂缝连通度的关系如图4 1 9 所示。裂缝连通度 0 = - 2 0 7 时，流速大于0 0 2 2 c m s 时就开始出现非线性流：裂缝连通度c = 2 0 时，流速 大于0 0 2 6 e m s 时开始出现非线性流。 o 0 2 0 o加4 0 6 0 1 0 01 2 01 4 01 6 0l 2 0 02 2 0 连通度c 图4 - 1 9 非线性流动临界速度与裂缝连通度的关系 f i 9 4 - 1 9 t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc o n n e c t i v i t ya n dn o n l i n e a rc r i t i c a lv e l o c i t y 临界速度与裂缝密度的拟合公式和相关系数为： r 2 = o 9 5 5 6 ，= 0 0 2 7 7 7 x e 曲舯1 2 5 c( 4 - 3 0 ) 5 1 5 4 3 2 l o 1 l 1 l 1 l c巅禺丰爝潍 o 8 6 4 2 啪 嗡 嘶 嗽 咙 o o o 0 o 一_-s唇o)遐硝睬磐 第四章单相流动物理模拟实验研究 4 4 流体粘度对渗流的影响 裂缝介质中流体流动的影响因素不仅仅局限于裂缝本身的结构，介质中的流体 对流动规律也存在着很大的影响。因此在裂缝介质流体流动实验中考虑了流体的影 响，设计配置了五种不同粘度的流体，流体的配置基本上符合地层流体的特征，采 用地层原油加柴油配置而成。将配制好的流体在不同裂缝张开度模型中进行实验， 检验不同粘度的流体对裂缝介质中流体流动规律的影响，实验是在室温、恒流、稳 压和粗糙模型条件下进行的。经过实验结果分析，得到结论如下。 4 4 1 流体粘度对渗流系数的影响 进行不同粘度流体对裂缝介质流动规律影响实验时，通过对实验数据的处理发 现，在粗糙裂缝模型c 1 中( 模型c l 是粗糙裂缝模型中裂缝张开度最小的模型，它 的裂缝张开度仅有4 0 “m ) ，随着注入流体粘度的增加，c l 的渗流模式由开始的带有 启动压力梯度的渗流模式转变为幂指数式的渗流模式，见图4 6 和图4 7 。而对于 其它裂缝张开度较大的模型，则没有改变其本身的渗流模式，这其中主要原因是模 型的裂缝张开度范围没有细化，再一个就是配制的模拟油的粘度范围太小。对于裂 缝介质中流体的流动为线性渗流规律来说，随着流体粘度的增加，渗流系数逐渐减 小。如图4 2 0 。对于非线性渗流规律来说，存在着同样的影响，如图4 2 1 。这是由 于流体间的粘滞力以及流体与固壁之间的粘滞力增大，加大了流体流动的阻力，导 致了随着流体粘度的增加渗流系数的的减小。 0 1 0 0 8 岔0 0 6 吕 删0 0 4 爝 0 0 2 0 00 0 10 0 20 0 3 压力梯度( 0 1 m p a c m ) 图4 - 2 0 不同粘度流体的流量与压力梯度关系 f i 9 4 - 2 0 t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np r e s s u r eg r a d i e n ta n dv e l o c i t yw i t hd i f f e r e n tv i s c o s i t y 中国石油大学( 华东) 硕l 学位论文 0 0 2 0 0 1 5 0 4 m p a s 1 7 m p a s 3 6 m p a s 00 o l0 o zo u 3 压力梯度( o 1 m p a c m ) 图4 - 2 1 不同粘度流体的流量与压力梯度关系 f i 9 4 - 2 1 t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np r e s s u r eg r a d i e n ta n dv e l o c i t yw i t hd i f f e r e n tv i s c o s i t y 4 4 2 流体粘度对渗流指数的影响 注入流体的粘度不仅仅影响着裂缝介质流体流动的渗流系数，对于指数式渗 流，其指数的大小同样受流体粘度的影响。与渗流系数所受流体粘度的影响不同， 指数随着流体粘度的增加而增加。在经过实验结果分析可知，渗流模式为指数式时， 指数的大小在1 2 之间。如图4 2 2 所示。 1 6 1 2 盘 轻0 8 靶 0 4 0 01 02 03 04 05 0 粘度( m p a s ) 图4 - 2 2 渗流模式指数与流体粘度关系 f i 9 4 - 2 2 t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nv i s c o s i t ya n de x p o n e n t 4 5 裂缝倾角对渗流的影响 地层中裂缝结构是复杂多样的，裂缝的发育角度也是多角度的。不同倾斜角度 5 3 1 5 0 o o o 0 一【3啊爆 第四章单相流动物理模拟实验研究 的裂缝对其中流体流动有着很大的影响。在对裂缝倾角对渗流的影响实验中，模型 尺寸为1 2 x 5 0 c m 的单裂缝模型，模型的倾角分别为0 、3 0 、4 5 、6 0 和9 0 0 。裂缝倾 角对裂缝介质渗流的影响如图4 2 3 所示，随着裂缝倾角的增大，裂缝的渗流系数也 在有规律的增大，其中倾角从0 0 增加到3 0 0 时，渗流系数增加的幅度最大；倾角进 一步增大时渗流系数的的增长幅度变小。产生这些现象的主要原因，裂缝中流体的 重力势能对流体流动产生的影响。 4 6 小结 公 3 删 堰 0 0 0 0 1 0 0 0 20 0 0 30 0 0 4 压力梯度( 0 1 m p a c m ) 图4 - 2 7 裂缝倾角对流动规律影响 f i 9 4 - 2 7 t h ee f f e c to ff r a c t u r ed i po nf l u i df l o wl a w 根据上述实验结果分析，可以总结出裂缝介质中渗流规律的如下结论： ( 1 ) 受多种因素影响的裂缝介质中流体流动规律不唯一分为多种模式：达西式、 带启动压力式、指数式和二项式式； ( 2 ) 裂缝介质中流体流动形态受裂缝张开度、裂缝密度、裂缝网络结构、裂缝倾 斜角度以及裂缝中流体的粘度、流动速度影响较大； ( 3 ) 裂缝介质中流体流动的阻力系数与雷诺数在单缝线性流时，阻力系数与6 r e 成线性关系；单缝非线性流时，阻力系数与6 r e 也为非线性，有拐点。在裂缝网 络中，阻力系数在雷诺数较小的情况下与雷诺数的对数成正比关系； ( 4 ) 随着流体粘度的增加，渗流系数减小。而在指数式渗流模式中，指数随粘度 的增加而增加； 5 4 3 2 1 o 0 0 0 0 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ( 5 ) 裂缝介质中流体流动时，随着裂缝倾角的增大，裂缝的渗流系数也在增大。 5 5 第五章油水两相流动物理模拟实验研究 第五章油水两相流动物理模拟实验研究 为了更好的实现裂缝介质油藏高效开发，必须确定油水两相在裂缝介质中流动 的一些指标参数的变化，以及在介质中压力梯度发生变化时它们的变化特征。 裂缝介质油水两相流动机理物理模拟实验的研究内容主要包括：( 1 ) 不同裂缝张 开度条件下的相对渗透率曲线及其变化规律；( 2 ) 不同裂缝密度条件下含水率与采出 程度的变化规律；( 3 ) 不同裂缝网络条件下水驱油效率及指标变化规律。( 4 ) 不同粘度 比下的驱油效率；( 5 ) 不同粘度比条件下两相流动的界面现象。 5 1 不同裂缝张开度对水驱油的影响 为了研究不同裂缝张开度对裂缝型介质水驱油的影响，设计了5 个不同裂缝张 开度的物理模型进行实验研究，裂缝张开度的变化范围为5 0 、1 0 0 、1 5 0 、2 0 0 和 3 0 0 “m 。实验测量的不同裂缝张开度时采出程度随注入孔隙体积变化的关系如图5 1 所示。 1 o o 8 晷o 6 驰 罩0 4 鬃 o 2 o o o 注入孔隙体积倍数p v 6 图孓1 不同裂缝张开度时采出程度随注入孔隙体积的变化 f i g s - 1 t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nr e c o v e r ya n di n j e c t i o np o r ev o l u m enf r a c t u r em o d e l w i t hd i f f e r e n tf r a c t u r eo p e n s 从图5 1 中可以看出，裂缝张开度影响裂缝介质水驱油效率的整体趋势是，裂 缝张开度越小，最终采出程度越低。当裂缝张开度大于1 0 0 u n 时，裂缝张开度的大 小对最终采出程度影响不大。 不同裂缝张开度时含水率随采出程度变化的关系如图5 2 所示。从图中可以看 出，整体变化趋势是，裂缝张开度越大，无水期采收率越大。 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 不同裂缝张开度时水驱油相对渗透率与含水饱和度的变化关系如图5 3 所示。 f j 孔f 鬯 从图中可以看出，整体变化趋势是，裂缝张开度越小，随着含水饱和度的增加水相 相对渗透率增加越缓慢，水驱后期表现为越平缓，注水能力越差，残余油饱和度下 水相相对渗透率越低。这表明裂缝张开度越小，随着含水饱和度的增加，油越容易 出现不连续现象，从而阻碍水相运动。 l - o o 8 0 6 q 瓣 苯o 4 钿 o 2 o o 0 00 10 20 30 40 50 60 70 80 91 0 采出程度r 图5 - 2 不同裂缝张开度时含水率随采出程度的变化 f i g s - 2 t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nr e c o v e r ya n dw a t e rc u ti nf r a c t u r em o d e l w j t hd i f f e r e n tf r a c t u r eo p e n s 不同裂缝张开度时水驱油相对渗透率曲线的特征值、无水期采收率和最终采出 程度见表5 1 。 h z 龉 蝌 澳 茛 窭 01 02 03 0 4 0 5 06 07 0舳9 01 0 0 含水饱和度s w 图5 - 3 不同裂缝张开度时水驱油相对渗透率曲线 f i g s - 3 r e l a t i v ep e r m e a b i l i t yi nf r a c t u r em o d e lw i t hd i f f e r e n tf r a c t u r eo p e n s 5 7 0 9 8 7 6 5 4 3 2 l o l 0 o o o o o o 0 n o 第五章油水两相流动物理模拟实验研究 表孓l不同裂缝张开度时水驱油相对渗透率曲线的特征值 裂缝束缚水残余油 残余油饱 张开度饱和度饱和度 和度时水共渗范围 等渗无水期最终 相渗透率 饱和度采收率采收率 p m 觞 觞 5 0 1 5 6 ll o 5 37 1 9 27 3 8 53 5 7 5 1 9 2 38 7 7 0 1 0 0 1 4 7 82 1 37 6 5 88 3 2 0 4 4 1 82 4 2 0 9 3 6 l 1 5 01 4 1 85 1 0 8 2 2 3 8 0 7 34 8 4 36 5 4 99 4 4 8 2 0 01 4 0 55 9 67 3 7 77 9 9 94 9 6 0 7 2 2 29 3 2 9 3 0 01 3 3 64 6 07 7 5 88 2 0 43 4 0 8 3 6 0 79 4 4 4 5 2 不同裂缝密度对水驱油的影响 不同裂缝密度对缝洞型介质水驱油影响的实验研究，设计了3 个物理模型，裂 缝密度的变化范围为4 5 - - - - 9 0 条米，模型尺寸为5 0 2 0 2 0 e m ，模型中的裂缝张开度 均为1 0 0 1 x m ，在室温、恒流量的条件下进行的，每次数据测量均是在压力稳定的情 况下进行。实验数据主要分析了采出程度、含水率和相渗曲线的指标的变化。 不同裂缝密度时采出程度随注入孔隙体积变化的关系如图5 _ 4 所示。 ol2了456 注入孔隙体积倍数p v 图s 一4 不同裂缝密度时采出程度随注入孔隙体积的变化 f i g s - 4 t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nr e c o v e r ya n di n j e c t i o np o r ev o l u m enf r a c t u r em o d e lw i t h d i f f e r e n tf r a c t u r ed e n s i t i e s 从图5 - 4 中可以看出，裂缝密度影响缝洞型介质水驱油效率的整体趋势是，裂 缝密度越大，最终采出程度越高。 不同裂缝密度时含水率随采出程度变化的关系如图5 5 所示。 不同裂缝密度时水驱油相对渗透率与含水饱和度的变化关系如图5 - 6 所示。从 5 8 0 9 8 7 6 5 4 3 2 l o l o o o o o 0 o 0 0 0 笛越醛习张 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 图中可以看出，整体变化趋势是，裂缝密度越小，束缚水饱和度越小，残余油饱和 。 ；，l ：煎多 度越大，共渗范围越小。相对渗透率曲线与孔隙介质中渗流时获得的相对渗透率曲 线由很大不同，曲线的形状并非全是下凹的，也不同于概念模型中的线性形状，其 中水相的相对渗透率曲线呈现上凸形状。 0 00 1o 2o 30 40 50 60 70 80 91 o 采出程度r 图孓5 不同裂缝密度时含水率随采出程度的变化 v i g s - st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nr e c o v e r ya n dw a t e rc u ti nf r a c t u r em o d e l w i t hd i f f e r e n tf r a c t u r ed e n s i t i e s h b 芒 甜 蜊 爨 霞 罂 01 0 2 03 04 05 0 6 07 0如l 。 含水饱和度s w 图5 - 6 不同裂缝密度时水驱油相对渗透率曲线 f i g s - 6r e l a t i v ep e r m e a b i l i t yi ni nf r a c t u r em o d e lw i t hd i f f e r e n tf r a c t u r ed e n s i t i e s 不同裂缝密度时水驱油相对渗透率曲线的特征值、无水期采收率和最终采出程 度见表5 2 。 5 9 o 9 8 7 6 5 4 3 2 l o l o o o 0 o o o n n o 0 糌长如 o 9 8 7 6 5 4 3 2 l o l o o o 0 n q q n n q 第五章油水两相流动物理模拟实验研究 表5 - 2 不同裂缝密度时水驱油相对渗透率曲线的特征值 裂缝束缚水残余油 残余油饱 密度 饱和度饱和度 和度时水 共渗等渗无水期最终 相渗透率 范围 饱和度采收率采收率 条米一1觞 4 51 7 7 42 3 6 88 2 9 65 8 5 83 9 6