（油气田开发工程专业论文）注水开发储层物性参数变化数值模拟研究.pdf

r e s e a r c ho fn um e r i c a ls i m u l a t i o no nt h ec h a n g eo fr e s e r v o i r p a r a m e t e r sd u r i n gf l o o dd e v e l o p m e n t z h a os h o u y u a n ( o i l & g a sf i e l dd e v e l o p m e n t e n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rj i a n gr u i z h o n g a b s t r a c t b o t ho l do i l f i e l dc o r i n gd a t ai nh i g hw a t e rc u ts t a g ea n dm i n e sd y n a m i cl o g g i n gd a t a s h o wt h a tr e s e r v o i rp e r m e a b i l i t y , c r u d eo i lv i s c o s i t ya n dr o c kw e t t a b i l i t yh a v ec h a n g e d g r e a t l y a f t e rl o n g - t e r mf l o o dd e v e l o p m e n tc o m p a r e dw i t ht h ee a r l y b u tt h ec h a n g eo ft h e s e p a r a m e t e r s i sn o tc o n s i d e r e di n e x i s t i n gr e s e r v o i rn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r e i t s i n n c o n s i s t e n tw i t ht h ea c t u a lo i l f i e l dd e v e l o p m e n ta n dw i l lc a u s ep r e d i c t i o nr e s u l t so fp o o r a c c u r a c yw h i c hh a v eb i gd e v i a t i o nt oa c t u a lr e s u l t s t h e r e f o r e ，i th a sv i t a ls i g n i f i c a n c et o c l e a rt h ed i s t r i b u t i o no fr e m a i n i n go i li nh i g hw a t e rc u ts t a g et og u i d ef u r t h e ro i l f i e l d d e v e l o p m e n ta n de n h a n c eo i lr e c o v e r yi nt h ei n c r e a s i n g l yt e n s es i t u a t i o no fo i la n dg a s r e s o u r c e sc u l l e n t l y , w h i c hb a s e so ne s t a b l i s h m e n td y n a m i cg e o l o g i c a lm o d e lc o n f o r m i n gt o t h ea c t u a ls i t u a t i o no ft h eu n d e r g r o u n df o rf i n er e s e r v o i rn u m e r i c a ls i m u l a t i o na f t e r s y s t e m a t i c a n dc o m p r e h e n s i v er e s e a r c ho nr e s e r v o i rp a r a m e t e r sc h a n g er u l e sd u et od e v e l o p m e n tf a c t o r s t h ee f f e c to fi n je c t i o nw a t e rp o w e rf u n c t i o no np a r a m e t e r sc h a n g eh a sb e e nf o c u s e do n i n t h i sp a p e r a f t e rt h a t ，p a r a m e t e r st i m e v a r y i n gd e s c r i p t i o nm o d e l sa r ee s t a b l i s h e do nt h e b a s i so ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nr e s e r v o i rp a r a m e t e r sc h a n g ea n df l o o dw a t e rp o r ev o l u m e m u l t i p l ea n di n t r o d u c e di nt h em a t h e m a t i c a lm o d e lu s e di nc o n v e n t i o n a lt h r e e d i m e n s i o n a l a n dt h r e e p h a s eb l a c ko i lm o d e l u s i n gf i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d s t h em a t h e m a t i c a lm o d e li s d i s c r e t i z e dt on u m e r i c a lm o d e l ，t h en u m e r i c a lm o d e li ss o l u t e db yi m p e sm e t h o d a tl a s t ， p a r a m e t e rt i m e - v a r i a n c en u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r ei sc o m p i l e db yu s i n gf o r t r a n9 0 a n dv i s u a lc + + p r o g r a ml a n g u a g e s t h i ss o f t w a r em a k e su pf o rt h ec u r r e n tc o m m e r c i a l r e s e r v o i rn u m e r i c a ls i m u l a t o ra n di m p r o v e st h ep r e c i s i o no ft h er e s e r v o i rn u m e r i c a l s i m u l a t i o n r e s e a r c hs h o w st h a t t h ec h a n g eo fr e s e r v o i rp a r a m e t e r sh a ss i g n i f i c a n te f f e c t so nt h e f l o o dd e v e l o p m e n te f f e c t ：t h ei n c r e a s eo fr e s e r v o i rp e r m e a b i l i t ya n dc r u d eo i lv i s c o s i t yc a u s e s w a t e rf l o o d i n gd e v e l o p m e n tt ob e c o m ew o r s e ；t h er o c kw e t t a b i l i t yc h a n g eg e n e r a t e sab e t t e r e f f e c t k e y w o r d s ：f l o o dd e v e l o p m e n t ，p a r a m e t e rv a r i a t i o n ，p e r m e a b i l i t y , v i s c o s i t y ，w e t t a b i l i t y ，f l o o d w a t e r p o r ev o l u m em u l t i p l e 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：j 起轧 日期：年月日 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：燃幻 指导教师签名： 同期： r 期： 年月日 年月日 中困油大学( 华东) 硕，l ：学位论文 第一章绪论弟一早瑁了匕 我国东部注水开发的许多主力油田已进入中、高含水期。一方面新增储量r 益困难， 勘探程度高，新发现油罔规模总体呈变小趋势，而且新增探明储量中的低渗透与稠油储 量所占比例逐年加大，储量品质变差，新增及剩余储量可动用性较差；另一方面，我国 注水开发油用“三高二低”的开发矛盾突出，即综合含水率高、采出程度高、采油速度 高、储采比低、采收率低，还有大量石油不能采出【i 】。这种开采程度高采收率低的严峻 局面对石油丌发领域的研究提出了更高要求。 1 1 研究目的及意义 油田开发具有阶段性，一般来说一个油罔发现后大致可分为评价阶段一方案设计阶 段一实施阶段一监测阶段一调整阶段( 高含水阶段) 一三次采油阶段，最后到油阳废弃， 每一阶段都反映了人们对油藏认识的深化。总体来看这些阶段可归为早、中、晚三个大 的开发阶段，或者可分别称为油田开发准备阶段、主体开发阶段和提高采收率阶段这三 大开发阶段。由于不同丌发阶段的任务不同，所拥有的资料基础不同，从而造成了不同 开发阶段油藏描述所要描述的重点内容和精度的不同，其所采用的油藏描述技术和方法 也有很大差别。目前已发展了适应不同丌发阶段的三大套或三大阶段油藏描述技术和方 法，即早期油藏描述在油阳发现后利用l 口或几口探井、评价井对油( 气) 藏进 行的综合研究与评价；中期或一般所称的油藏描述油田开发后含水较低时主要利 用大量井的资料尤其测井资料所进行的油藏描述；精细油藏描述油田开发进入高 含水期、特高含水期后主要针对剩余油分布及挖潜所进行的油藏描述【2 卅。也就是说现 代油藏描述特别强调针对性，要针对不同的开发阶段、油藏特点和所要解决的问题灵活 进行，突出重点，采用先进实用的技术和方法。 我国陆上除四j i l j l , 的1 9 个油区的油f 只丌发，主要采用注水丌发方式，目前总体上 已处于高含水期，油田进入丌发后期。由于我国油田多为陆相沉积多储层油层，层问、 层内和平面上渗透率变化大，非均质性严重，面且原油粘度偏高，导致高含水期剩余油 分布零散，地下油水关系复杂，实施各种挖潜、提高采收率措施的难度越来越大，必须 更加精细地描述油藏【4 j 。 注水开发过程中储层物性动态变化空间分布规律是精细油藏描述的主要研究内容 之一。老油田高含水后取心资料和矿场测井动态资料均表明，经过长期的注水开发，储 集层宏观、微观结构及流体成分特征较丌发初期均发生明显变化，其中影响渗流的关键 第一章绪论 参数储层渗透率、原油粘度、岩石涧湿性都发生了很大变化，这些物性参数的变化 无疑对剩余油的分布及油田开发效果具有重要影响。为了确定油田高含水期剩余油分布 规律，必须建立储层及其中流体物性参数变化的动态模型【5 卅。 油藏数值模拟是定量描述剩余油在储层中的分布、实现可视化的一项成熟技术，经 过几十年的发展，已成熟应用于各油田来指导开发，但现有油藏数值模拟软件所用的数 学模型中都没有考虑储层及其中流体物理性质的变化，这与油田开发实际不符，导致结 果的准确性较差，预测的结果和实际结果存在较大偏差。因此，只有在研究储集层参数 随油田注水开发程度的加深而发生动态变化的过程、规律和机理的基础上，建立可描述 和表征储层参数动态变化的动态模型，编制可考虑储层物性参数变化的数模软件，彳能 在精细油藏数值模拟研究中正确地认识高含水期剩余油的分布规律和可靠地预测开发 效果，为后期丌发方案的调整和实施提供可靠的依据。 综上所述，对于注水开发历史较长的油田，在理论研究基础上，借助室内实验、数 学建模与模拟，通过动、静态的结合，系统全面地研究丌发因素引起渗流场及流体性质 的变化规律，建立符合地下实际情况的动态地质模型进行精细油藏数值模拟，准确预测 高含水期剩余油的分布规律，在当前油气资源同益紧张的形势下对指导油f f l 的进一步挖 潜、提高采收率具有重要意义。 1 2 国内外研究现状 国内外研究表明，在油藏丌发过程中，特别是注水开发过程中，流动单元宏观物性 参数( 通常指能够直接反映流动单元储集、渗流能力的宏观属性，具体定量表达主要包 括孔隙度和渗透率两项参数) 将随开发时间的延长发生较大的变化，引起这种变化的主 要原因包括油藏温度、压力的降低、流体性质的变化。其中，注入水动力作用是引起岩 石微观结构变化的主导因素，这种作用包括物理和化学两个方面，前者主要表现为动力 冲刷作用引起的岩石结构的物理变化，后者则表现为由于注入流体的不配伍性引起岩石 中特殊矿物的吸水膨胀、结晶、沉淀和溶蚀的化学作用f 5 1 们。岩石微观机理的改变，直 接在宏观上得到体现，并由此引发流动单元宏观物性参数的动态演化。 从目前国内外研究现状看，储层物性常规的处理方法为：孔隙度是微可压缩的，渗 透率作为常数处理，流体性质通常作为压力的函数，润湿性不随开发历史变化。事实上 储层渗流系统物性随着丌发历史的发展而变化，开发过程中的多种因素可以引起：孔、 渗参数场及其非均质性变化；润湿性及相对渗透率变化；流体性质变化。从查阅大 2 中围缸油人学( 华东) 硕i 二学位论文 量的文献来看，研究长期注水开发油田不同含水阶段剩余油的分布主要通过研究储层参 数变化规律和变化机理来描述剩余油分布，在这方面f j 人已做了大量的工作，采用了很 多方法，并试图从不同角度、不同侧面来探讨储层参数变化规律和变化机理，揭示剩余 油的分布规律，但总的来看是从一维二维定性研究储层参数变化规律较多，而从三维定 量研究相对较少。多数学者从储层宏观参数研究变化规律较多，而从微观和渗流参数研 究尚少；从单一信息或单一手段研究较多，很少人将地震、地质、测井、油藏工程、动 静态资料与渗流参数物理模拟相结合来研究和揭示不同含水期储层参数变化规律、变化 机理及剩余油的关系。到目前为止，定性研究储层参数变化规律较多，定量对储层参数 变化规律及其变化机理的研究较少。 目前进行储层宏观物性参数定量评价的具体方法包括室内岩心分析实验和测井参 数解释两种方法，具体方法包括两个方面：一是通过室内岩心驱替试验与压汞实验交替 进行的分析测试方法，研究岩样在不同水驱倍数下宏观物性的演化模式；二是通过测井 评价研究不同开发阶段完钻井物性参数的变化特点，并建立其物性参数随水驱丌发过程 的演化模式【1 1 1 。前者主要从机理和变化强度进行佐证，后者更注重于生产应用和储层属 性建模及剩余油分布规律研究。 近年来，许多学者运用室内试验、测井方法、动态测试等方法对该专题进行了研究。 文献调研表明，国外在该领域的研究较少【坦 1 引，国内研究较多。我国各大油田均有该专 题研究的报道。国内学者的研究现状总结见表1 1 【2 ，可以看出长期注水开发对储层的 物性参数产生的影响，孔隙度变化幅度较小，渗透率变化幅度较大，最大变化幅度在1 0 倍以上。总体趋势是：中高渗储层的孔渗参数增加，低渗储层物性变差，不同的油罔储 层参数变化存在较大的差异，同一油田的不同层位，其变化也会存在差异。 此外，不同开发时期的储层岩性、物性及含油性参数有不同的变化特征。开发初期， 储层是相对静止的，但进入中高含水期及特高含水开发期，由于注入水对储层的不断冲 刷，使储层的岩性、物性及含油性发生了相应变化，对关键井岩心分析资料统计发现： 随注水丌发不断深入，从初期到中高含水期再到特高含水期，储层的孔隙度、渗透率、 粒度值增大，其中渗透率值的增大尤为明显；泥质含量、束缚水饱和度值减小。 水驱油罔丌发过程中，由于长期水沈和水中氧对原油氧化等复杂作用导致油层原油 的粘度随着含水上升不断升高，原油的流动性变差。陈永生( 1 9 9 3 ，大庆油田) ，邓玉 珍( 1 9 9 6 ，胜利油罔) ，郭元岭( 1 9 9 8 ，胜利油用) ，鞠秀叶( 2 0 0 2 ，中原油田) 等人的 研究表明：在油田开发过程中，原油相对密度、粘度等性质有所增大【2 1 3 5 1 。 第一章绪论 表1 - 1 国内油田储层物性变化的研究状况 t a b l e l 一1t h ed o m e s t i cs i t u a t i o no fr e s e a r c h i n go no i lr e s e r v o i rp r o p e r t i e sv a r i a t i o n 油田名称作者研究手段结论 岩心驱替试验，渗透率增大范同在6 8 3 0 1 1 ， 人庆闫伟林等( 2 0 0 2 ) 临井取心平均增人率为7 1 3 周洪钟( 2 0 0 3 ) 孤岛：物性变好，粒度增人，粘十 胜利占月杰( 1 9 9 4 ) 室内实验，矿物含量减少 测井解释等方法胜坨：沙二3 物性变好，沙二8 物性 邓玉珍等( 1 9 9 6 ，2 0 0 3 ) 变差 千志章( 1 9 9 9 ) 单华生等( 2 0 0 4 )室内试验，开发后期孔渗增加，渗透率变化幅 人港 郭莉等( 2 0 0 1 )测井解释等方法度较人，粘士矿物和泥质减小 吴欣松等( 2 0 0 2 ) 邓瑞健( 濮城，2 0 0 3 ) 濮城：有的渗透率增加，有的渗透 陈亮、杨克敏( 胡状集，室内试验， 率减小，低渗层降低； 中原胡状集：高渗层物性变好，低渗层 1 9 9 9 ) 临井取心 龙雨丰( 文留，2 0 0 2 ) 变著： 文留：物性变好 乐汞实验结合现 马岭油田：孔喉比减小，物性明显 长庆林光荣等( 2 0 0 1 )变著，渗透率平均。卜降了1 2 9 6 ， 场资料 孔隙度下降了0 4 4 舣河卜 赵跃华等( 1 9 9 9 )动态测试 8 0 以上的砂岩油层物性发生了变 二油田 化，无变化的很少 影响原油性质变化的因素除了压力和温度外，还受到含水、氧化作用等多种非常规 因素的影响，对影响原油性质的因素分析，建立开发过程中原油性质变化的数学模型， 对于提高水驱油预测精度和数值模拟精度具有非常重要的意义，是今后的发展方向。 油藏岩石的润湿性是影响油田开发动态的重要因素之一，开发过程中润湿性的变 化，必将对开发指标产生影响。z h h x ( 1 9 9 7 ) 和m o r r o w ，n o r m a n r ( 1 9 8 6 ) 的研究 表明：油同经过长期水驱丌发，润湿性发生明显变化。郭莉等( 2 0 0 1 ) 分析了注水对大 港油罔港东地区油层润湿性的影响。赵跃华等( 19 9 9 ) 对下- f - 油田和邓玉珍( 2 0 0 3 ) 对胜坨油田进行了研究，结果表明随着含水升高，油层岩石的润湿性由偏亲水变化到强 亲水。在三次采油中，化学采油用剂在油层岩石表面的吸附，使得岩石表面的润湿性发 生改变，赵国明等( 2 0 0 3 ) 通过室内实验研究了一种调剖剂对油藏岩石润湿性的影响。 吴诗平，鄂捷年等( 2 0 0 4 ) 研究了沥青质在岩石孔隙表面吸附后对润湿性的影响， j u b i n s h a n e t a l ( 2 0 0 2 ) 通过注入纳米粉体材料改变油层的润湿性，对提高油罔注水能力 进行了研究1 2 卜3 5 j 。 4 中固石油人学( 华东) 硕l j 学位论文 在油减数值模拟方面，2 0 世纪5 0 年代，t h o m a s ( 1 9 5 3 ) 提出了油藏数值模拟的基 本原理，人们丌始利用数值方法求解出多维非混相流体的运动规律，成功地把计算数学 应用于油减动态的研究。在此后的几十年罩，计算机技术的进步大大促进了数值方法的 应用，使得人们能够通过数学方程模拟地层渗流并且研究不同驱动方式下的流体渗流规 律，计算和选择最优化油田丌发方案等，从而逐步发展成为比较完善的油减数值模拟技 术。a z i z 和s e t t a r i ( 1 9 7 9 ) 出版了系统的油藏数值模拟原理教程，使数值模拟技术丌始 得到广泛的应用【3 6 1 。目前国内外开发的油藏数值模拟软件所用的数值模型中一般都认为 在注水开发过程中油藏的储层参数不发生变化，也就是说在整个模拟过程中储层参数如 渗透率等为定值，原油粘度只随油藏压力变化而变化，油藏的润湿性和相对渗透率不变， 这与实际的油藏注水开发过程不符。目前的处理方法：( 1 ) 应用分阶段数值模拟方法( 程 林松等，2 0 0 3 ) 考虑丌发过程中岩石和流体参数的变化3 7 3 9 1 ，采用分阶段地质模型和流 体模型，使模拟结果较参数不变模型更接近于实际情况，但由于分段处数据不连续及分 段数量的限制，故变化点往往动态指标起伏跳跃，储层参数渐变得不到好的描述；( 2 ) 建立随含水率变化的储层参数时变数学模型【4 4 1 ，虽然模型可基本实现连续表征，但如 果原始有可动水存在，特别是注水开发到高含水期，地下水流通仅有不能流动的残余油， 此时地下含水不变，但冲刷量增加，储层参数的变化无法有效的用含水来表征。鉴于上 述问题，有必要发展一套能描述开发所有阶段的连续时变模型，而在这个时变模型中变 量的选取和定义非常重要。 1 3 研究内容 根据文献调研国内外研究成果，在油用长期注水开发过程中，储层渗流系统物性参 数随注水丌发深入发生较大变化，影响其变化的因素很多，但主导因素是注入水的水动 力作用。本课题研究方向为注入水动力冲刷作用影响下储层物性参数变化对油f f l 开发效 果的影响，具体内容包括： ( 1 ) 分析储层渗流系统物性参数变化的内在原因，建立考虑储层渗流系统物性变 化或时变效应的数学模型； ( 2 ) 研究在注入水动力冲刷作用影响下标、矢量储层渗流系统物性参数的变化规 律，建立储层渗流系统物性变化的时变描述模型，并将其引入到数学模型中； ( 3 ) 对参数时变数学模型进行离散，建立参数时变数值模型，并对其进行求解； ( 4 ) 编制可考虑储层渗流系统物性参数变化的数值模拟软件； ( 5 ) 应用编制的参数时变数值模拟软件，进行注水开发剩余油分布研究。 第一章绪论 1 4 技术路线 i文献调研 i ， l 油田注水开发过程中储层物性参数变化规律及变化机理研究 上 l 建立考虑储层渗流系统物性参数变化的数学模型 1 l i 建立注入水动力冲刷作用影响卜储层渗流系统物性参数变化 i时变描述模型，并引入至数学模型 上 l 对数学模型离散，建立数值模型，并进行求解 1 l l 编制可考虑储层渗流系统物性参数变化的数值模拟软件 ， l 应川软件进行注水开发剩余油分布研究 图1 - 1 技术路线 f i g l 一1t e c h n i c a lr o u t e 6 中国缸油人学( 华东) 硕i j 学位论义 第二章储层渗流系统物性参数变化机理及描述模型 油藏渗流系统是一个由油藏岩石孔隙介质及其内部流体共同组成的复杂系统，在油 气阳开发过程中，流体的产出或注入是典型的复杂渗流问题，渗流过程会使孔隙介质和 流体的物性发生变化，而孔隙介质和流体物性的变化又反过来对渗流过程产生影响【1 0 】。 我国东部油田大部分己进入特高含水丌发阶段，地下流体分布r 趋复杂，开采难度 越来越大，油藏工程的核心问题就是研究剩余油饱和度在平面和纵向的分布现状和规 律，以及各种综合调整方案的预测和优选。注水开发油田剩余油的形成受多种因素的影 响，概括起来主要包括两个方面：地质因素和开发因素。根据特高含水期剩余油形成机 理和类型，可将剩余油分布影响因素进一步归结为4 个地质因素( 微相类型、所处部位、 砂体有效厚度、渗透率) 和6 个开发因素( 注采关系、注采距离、井网密度、累积注水 孔隙体积倍数、累积产油孔隙体积倍数、累积注采比) 。当开采后期含水率很高时，动 态因素的影响明显增强【2 0 】。 在长期注水丌发的影响下，储层微观空间中产生各种物理化学作用，使得岩石骨架、 微观孔喉网络及粘土矿物等都发生较大变化，这些变化是动态、连续、持续进行的，使 得地下剩余油的分布更加复杂。只要弄清储层的微观变化规律，就可在一定程度上掌握 剩余油的分布规律，从而指导油田开发。 在油藏开发过程中，特别是注水开发过程中，储层宏观物性参数将随开发时间的延 长发生较大的变化。不同丌发时期的储层岩性、物性及含油性参数有不同的变化特征。 丌发初期，储层是相对静态的，但进入中高含水及特高含水丌发期，由于注水井对生产 井储层的不断注水冲洗，使储层的岩性、物性及含油性发生了相应变化。对关键井岩心 分析资料统计分析发现：随着注水开发不断深入，从初期到中高含水期再到特高含水时 期，储层的孔隙度、渗透率、粒度值增大，其中渗透率值的增大尤为明显；泥质含量、 束缚水饱和度值减少。引起这种变化的主要原因包括油藏温度、压力的降低、流体性质 的改变及注入水动力作用所引起的岩石微观结构的变化。其中，注入水动力作用是引起 岩石微观结构变化的主导因素，这种作用包括物理和化学两个方面，前者主要表现为动 力冲刷作用引起的岩石结构的物理变化，后者则表现为由于注入流体的不配伍性引起岩 石中特殊矿物的吸水膨胀、结晶、沉淀和溶蚀等化学作用。岩石微观机理的改变，直接 在宏观上得到体现，并由此引发流动单元宏观物性参数的动态演化【5 叫0 。 第二章储层渗流系统物性参数变化机理及描述模型 2 1 储层渗流系统物性参数变化机理 储层物性参数是描述储层结构特征的宏观参数，储层结构的变化决定着其物性参数 的变化。长期注水的油罔，水对油层孔隙所起的作用很大。除此之外，由于油层注入水 不是纯净的水，其中包含着机械杂质、铁质这类悬浮物，也包含着溶解在水中的盐类和 矿物，这样就构成了注入水对油层的复杂作用。通过对室内水驱油岩心物模试验结果、 测井和矿场保持压力的注水开发动态的分析，都不同程度地表现出储层的孔隙结构是随 着注入水量的增加而不断变化的，认为注水后储层结构的变化是： ( 1 ) 孔隙度和渗透率普遍提高； ( 2 ) 溶蚀粒间孔增多； ( 3 ) 孔喉直径增大，孔喉比增大，微观非均质性增强； ( 4 ) 粘土矿物总量减小，其中高岭石的相对含量明显降低； ( 5 ) 储层亲水性增强； ( 6 ) 储层层内非均质性和层间非均质性普遍增强。 储层岩石矿物学特征、孔隙结构、流体特征等都是影响和决定储层变化的内在因素。 由于我国储层多属于泥质胶结为主的砂岩，粘土矿物主要为分布于颗粒表面薄膜状的伊 利石和伊蒙混层以及填充状分布于粒间孔中的高岭石，地层损害的潜在可能性很大， 容易发生颗粒运移、晶格膨胀、矿物沉积等。 储层水洗后物性发生变化的机理一般是由于注入的流体与原始地层相互发生各种 作用，从而改变了原有的性质。引起储层水沈后结构变化的因素有内因和外因：内因就 是油藏储层性质和流体性质；外因就是注入的流体和地面的工艺措施等，储层性质包括 储层岩性、孔隙结构等，流体性质包括流体的粘度、成分、温度、压力等。外因主要是 注入流体的性质如矿化度、盐度、酸度，工艺措施较多主要有注入流体的速度、时间长 短、注入的压力等。本节主要从注水开发过程中水动力因素来探讨储层渗流系统物性参 数变化的机理。 2 1 1 渗透率变化机理【2 2 3 0 ，3 3 3 5 j 。 影响渗透率的主要因素是孔隙空问的孔道半径、颗粒的堆积方式、岩石岩相、颗粒 大小分布、颗粒圆度和胶结程度。研究表明，在长期的注水丌发过程中，储层渗透率发 生了很大的变化，这是因为储层中的流体在储层中发生了强烈、复杂、持久的作用，导 致储层微观属性参数发生了改变，最终体现为储层渗透率等宏观参数的改变。表2 1 为 华北油田岩心试验结果，从表中可以看出水驱后储层渗透率和孔隙度均发生较大变化。 8 中同础上 ( # 卑) 颂t 学位论女 表2 - 1 华北油田储集层藩透率和孔晾度随水驱孔辣体积倍数的变化 t a b l e 2 - i c h a n g e o f p e r m e a b g 碓ya n dp o r o s i t y i nr e s e r v o i r b e f o r ea n da f t e r w a l t r f l o o d i n g 储集层类 样品数 平均孔平均渗 水驱孔隙 孔隙度 渗透率 隙度透率 变化率 变化辜 【个)体积倍数 ( )( 岫2 )( )( ) 6 曲流河道 4 4 8 0 水f 丹流 河道 1 8 46 3 45 河口圳 近岸滩坝 们3 7 3 储集层渗透率及孔隙结构的变化主要是出于粘土矿物的水化、膨胀、分散、迁移及 其他地层微粒运移所引起的。总体来说，储集层长期水驱后粘土矿物总量均呈减少趋势。 储层物性相对较好、孔喉直径相对较辋的储层，粘土总量减少的幅度大，矿物颗粒迁移 的比例大所以储集层物性和孔隙结构变化幅度也大：而物性相对较差、孔喉直径相对 较细的储层，颗粒迁移的比例小，泥质不易被水流冲出，所以储集层物性和f l 隙结构变 化幅度较小。 如图2 一l 所示为大港油罔官7 s - 2 6 井岩心水驱前后扫描电镜照片，可以明显看出水 驰后孔隙结构发生明显变化，孔隙充填物减少，孔喉网络的连通性变好，其最终结果表 现为储层渗透率的升高。 $#z培 口#t 图2 1 岩心驱替前后照片 f i 9 2 一i p h o t o g r a p hb e f o r e d b 曲m ta n da f t e r d i s p l a c e m e n t 储层原始渗透性决定储层渗透率的变化，中高渗储层水驱后渗透率增大，而低渗储 层水驱后渗透率减小。此外，储层渗透率的变化还与水驱倍数及水驱强度有关，水驱倍 第一章储最溶施系统物性参熬盘化帆理世描述模型 数和水驱强度越大，渗透率变化越大，反之渗透率变化越小，如图2 2 、图2 - 3 所示 0 2 0 04 0 ( r6 0 08 6 0l o g o 原始渗透率( x l o3 岬，) 围2 - 3 不同驱替速度条件下岩心渗透率变化倍数与原始渗透率的关系曲线 f 1 9 2 。3 r e l a t i o n b e t w e e np e m e a b i l i t yc h a n g e sr a t i o v a r i a t i o nr a t i oa n d t h e o r i g i n a l p e r m e a b i l i 竹u n d e r t h ec o n d i t i o no f d i f f e r e n t d i s p l a c e m e n t v e l o c i t y 对于中高渗储层，其试验表明；储层渗透率在水沈过程中有一个先降低后增大的现 象即注水开始后，渗透率有所下降，随着注入流量的增加( 或注入压差增大) ，渗透 率逐渐降低，当渗透率下降到某一值时，随着注人压差的进一步增大，渗透率不再降低 而转向增大的过程。这一实验现象反映：在注水初期，注入水对储层岩石的作用主要以 物理作用为主造成储层内颗粒迁移，堵塞孔隙喉道使渗透率下降。当注入水进一步与 岩石发生作用时，随水沈反应时自j 的延长，水岩化学作用溶蚀了储层岩石中的胶结物， 使部分迁移颗粒产出。减缓渗透率下降速度：当迁移颗粒的产出量达到一定量对孔喉 半径开始增大，渗透率开始增加，并随产出物的增加而迅速增加。 对于低渗透储层，由于油田注入水主要为污水，含有多种杂质和细菌，注入水中悬 浮固体含量和粒径都大于标准值。注入水水质超杯，所含的机械杂质和大量超标细菌会 造成储层堵塞使得储层渗透率降低。 中困。油人学( 华东) 硕l j 学位论义 注水开发过程中储层渗透率的变化，导致储层的非均性也发生很大变化，不同储集 层类型长期水驱后层内非均质性均不同程度增加，如图2 4 所示为华北油f 闩水驱f ； 后层 内非均质性的变化，其主要原因是层内高孔隙、高渗透段及大孔半r 喉孔隙空间在驱替水 流的冲刷下渗透能力愈加变好，而i 氐- t l 隙、低渗透段及小孔、细喉孔隙空间与之相比渗 透能力改变效果不佳，甚至在局部发生粘土矿物颗粒迁移和架桥堵塞现象，使渗透能力 变差。 猁 搿 鼍 镯 璐 年份 图2 - 4 华北油田水驱前、后层内非均质性变化曲线 f i 9 2 4c h a n g ec u r v e so fh e t e r o g e n e i t yi nt h er e s e r v o i rb e f o r ea n da ft e rw a t e r f l o o d i n g 综上，水驱后储层渗透率发生较大变化的主要是因为：一方面，注入水冲刷使储层 中的地层微粒和被分解的粘土矿物碎片被冲散、迁移，并有部分随着采出液带出，颗粒 中值增大，泥质含量减少，使孔喉变通畅，孔喉网络的连通性变好，最终表现为储层渗 透率增加；另一方面，由于注入水进入油层后，打破了原来的化学平衡状态，储层中的 碳酸盐或其他盐类可能会与注入水发生一些化学反应，发生溶解，导致孔候半径增加， 流体的流动能力增强，储层渗透率也随之增大。 2 1 2 润湿性变化机理【3 i 3 7 ，4 7 5 2 】 油层岩石表面的润湿性主要取决于原油中极性组分的含量和天然岩石的表面性质， 油层岩石表面的润湿性分为亲油、亲水和中性三种。在亲水岩石中，水是润湿相，油是 非涧湿相；而在亲油岩石中，油是润湿相，水是非润湿相。润湿相总是附着在岩石颗粒 的表面和孔壁上，在地层中一般呈连续分布的状态；非润湿相多处于孔道的中心部位， 呈不连续分御的滴状、珠状和块状等。油层岩石表面润湿性一般是亲油的，在注水开发 过程中，油层水淹后岩石润湿性由原始的偏亲油润湿性变为偏亲水润湿性，而且随着油 层含水饱和度的增大，岩石亲水程度明显增强。 润湿性对相对渗透率曲线形态及毛管压力曲线形态与油、水在孔隙内的分布和运动 第一二帝 储层渗流系统物件参数变化机理及描述模型 瓣 魑 镄 靛 器 含水能潮度薯 ( ) 警伽3 井 臀 燃 爆 灾 霉 台承饱和窿鼍 伯) 袁6 1 7 劳 图2 5 华北油田长期水驱后2 口井相对渗透率的变化特征 f i 9 2 5c h a n g ec u r v e s o fr e l a t i v ep e r m e a b i l i t yb e f o r ea n da f t e rw a t e r f l o o d i n gi nh u a b e io i l f i e l d 特征有关。当岩石表面亲油时，油会占据较小孔道，而水则处于较大孔道，从而造成油 相的相对渗透率降低，而水相的相对渗透率增高；相反，当岩石表面亲水时，水更趋于 占据小的孔道和边角处，而油则在较大的孔道中流动，因此，油相的相对渗透率增高， 而水相的相对渗透率降低。从图2 5 中可以看出，水驱后油相的相对渗透率增大，而水 相的相对渗透率减小，等渗点向右移动。 从图2 - 6 中可以看出，水驱后毛管压力增大，表明水驱后储层亲水性增强。 2 s 奄 2 复 靳 毒- 旌 鬓l 徉 喜o 3 0l o s e 6 0 7 0g o9 0i 0 0 簸衣( 3 嬲魄| n 废席。 ( 盎) 敬承f 3 x ) 谗饲废矗繇 c b ) - 、 秘 番 。鬣 一未 始o5 09 07 0 柏0 01 0 0 技球( 3 ) 匏聋矗覆飘妊 c c ) 图2 6 胜坨油田水冲刷前后岩心毛细管压力的变化情况 f i 9 2 6c h a n g eo fc o r ec a p i l l a r yp r e s s u r ea f t e rw a t e rs c o u r i n gi ns h e n g t u oo i i f i e i d 对于低含水阶段处于亲油状念的油藏，在水驱油过程尚未丌始时，油水处于平衡状 态，毛细管壁上有一层油膜。当水驱油丌始后，毛细管力和界面收缩力均为驱油阻力， 注入水的驱替力要不断克服毛细管力和界面收缩力的阻力把油向毛细管中轴方向推进， 促使一部分注入水穿破油膜并与毛细管壁上早已形成的束缚水会合，使油藏的含水饱和 ：( 绣踵 ， 蟹书术衣 阿 糠靴搬触 瓣 帆燃 柬 ；i；iltllt n撞-hhh 嚣； 始 叠； 中国石油人学( 华东) 硕l j 学位论文 度增加，从而使储层由亲油向亲水方向转化。储层的润湿性转变为亲水性后，毛细管力 则变为驱油动力，使油藏总的驱油动力增强，注入水更快的与束缚水会合，油藏的含水 饱和度继续增加，储层的亲水性继续增强。因此，储层润湿性的变化与原油饱和度的减 小( 即油臧含水饱和度的增加) 密切相关。 研究表明，随着注水倍数增加，岩石润湿性向亲水方向增大，水相渗透率增大，残 余油饱和度降低，两相流动区间增大，等渗点右移变大。储层注水后润湿性变化的主要 原因是：注水开发以后，随原油饱和度的变化及水的冲刷作用，岩石表面吸附的油分 子逐渐被水带走，使粘附在岩石表面的油膜逐渐变薄，甚至油膜被水膜所取代j 水对 造岩矿物表面油中极性分子的溶解作用。由油层润湿性研究可知，油层孔隙中原油极性 分子的分布不均匀，在造岩矿物表面较富集，这些极性分子微溶解于水；另外原油组分 中非烃+ 沥青质含量越高，岩石亲油性越明显。因此，油f f l 注水开发后，随着水的大量 采出，非烃也不断地被注入水溶解和采出，使地层中非烃含量降低，油膜被剥落，油层 亲水性增强。 2 1 3 原油粘度变化机理【5 3 5 4 】 水驱油阳开发过程中，油层原油的性质除了受温度和压力等常规因素影响外，长期 水洗和水中氧对原油氧化等复杂作用( 非常规因素) 也导致油层原油的粘度随着注水丌 发的不断深入不断升高，原油的流动性变差。对于常规因素对原油性质影响的研究，前 人已经做了大量研究，已经比较成熟。对于非常规因素对原油性质的影响研究，起步较 晚，研究较少。 同一油藏中的原油，由于受油f f l 非均质性、构造运动及地层压力和温度分布等的影 响，不同部位的原油性质具有一定的差异。原油在地层中的流动主要受原油粘度的影响， 原油粘度与地层温度和原油的化学组成有关，当地层压力高于饱和压力时，原油中胶质 沥青含量越高，其粘度亦越高，此外原油中的重烃含量也是影响原油粘度的因素之一。 注水开发以后，受注入水的影响，层间、层内流体性质矛盾突出，导致流体性质出现沿 空问分布的非均质性。 在油罔丌发过程中通过纵向、平面和单井分析，证实原油性质随注入水不断变化， 如图2 7 所示，胜利油区太平油f f l 开发至高含水期，原油粘度较开发初期发生很大变化， 原油粘度增大了3 倍。总的来说，引起油藏中原油性质变化的因素是多方面的，在油藏 注水开发过程中，原油粘度发生变化的原因主要有：由于注入水的温度一般比地层水 温度低，当注入水在井底附近形成的低温区的温度低于析蜡温度时，油层中出现析蜡现 第一二章储层渗流系统物性参数变化机理及描述模型 象，导致原油粘度上升；注水过程中有大量溶解氧带入油层，在油水晃面处发生氧化 作用；注入水对原油各种成分进行选择性溶解，分子量小的溶解度高于分子量大的溶 解度，注入水长期冲刷和水洗作用把原油中粘度较低、密度较小、易于流动的轻质组分 带走，残留下难以流动的重质组分，导致原油粘度在丌发过程中增加；注入水和油层 中存在各种微生物的作用。 7 籁6 蠢； 冀； 隧1 0 2 04 06 08 0 f w ( ) 图2 7 太平油田原油粘度升高与含水关系 f i 9 2 - 7r e l a t i o nc u r v eb e t w e e nc r u d eo i la n dw a t e rc u ti nt a i p i n go i l f i e l d 2 2 储层物性参数变化数值模拟研究处理方法 我国油f f l 一般天然能量不足，普遍进行注水开发，我国东部油田已经进入高含水或 特高含水开发阶段，根据含水随采出程度的变化曲线，可以看出油同相当一部分的储量 要在高、特高含水期采出。由于注水历史都比较长，在注入水的长期冲刷作用下，储层 物性都发生了变化，主要体现在渗透率、岩石涧湿性、原油粘度随时间的改变。目前， 油减数值模拟技术研究储层渗流系统物性参数变化主要有两种方法，即划分阶段模拟和 基于含水率变化模拟。本文在充分调研前人研究成果基础上，建立基于注入水冲刷孑l 隙 体积倍数的参数时变描述模型，进行考虑参数时变效应数值模拟研究。 2 2 1 划分阶段数值模拟方法【3 7 瑚】 将一个长期开发的油藏的开发历史时期，按照以下原则划分成几个模拟阶段，再分 阶段分别建立地质初始模型和动态模拟模型。划分的方法可以根据重大开发方案调整的