特低渗透油层原油边界层特征及其对渗流规律的影响

特低渗透油层原油边界层特征及其对渗流规律的影响摘要对于粘性和可压缩性流体，除了法应力外，实际流体内部各层之间还传递切应力，在浸没于流体中的固壁附近也是如此，真实流体中的切向力即摩擦力与称为流体粘性的这一性质有关，切应力的存在造成固壁上的难以滑移的边界流体。利用流管模型描述了原油边界的基本特征，通过实验手段，探索了特低渗透率岩心单相流体渗流过程中原油边界层随驱动压力梯度、流体粘度以及岩心渗透率的变化规律，分析了边界层流体所占总流体的比例以及边界层厚度对油井产能的影响。关键词特低渗透；原油边界层；渗流规律；流管模型1低渗透油层原油边界层的特征11原油边界层基本特征油藏渗流环境中的渗流流体有体相流体和边界流体两部分。体相流体是指其性质不受界面现象影响的流体，它分布在多孔介质孔道的中轴部位。边界流体是指其性质受界面现象影响的流体，它紧靠在孔道壁上形成一个边界层1，2。原油边界层中，越靠近固体表面的地方，其原油的流动需要更大的驱动压力梯度。说明越接近固体表面，原油边界层的结构变得更加牢固。即越接近固体表面，原油的粘度和极限剪切应力也越大，其开采难度也越大1，2。实际流体和理想流体的本质区别就是前者具有粘性。对层流而言，单位面积摩擦力的大小，可以看出，对于确定的流体的等温流场，摩擦力的大小与速度/DUY梯度有关，其比例函数即动力粘度。速度梯度大，粘性力也大，此时的流场称/DUY为粘性流场。若速度梯度很小，则粘性力可以忽略，称为非粘性流场。对于非/DY粘性流场，则可按理想流体来处理3,4。则纳维斯托克斯方程可由欧拉方程代替，从而使问题大为简化。VLVLAYUTM23D粘性力惯性力雷诺准数VDYUXRE22/粘性力惯性力当空气、蒸汽，水等小粘度的流体与其它物体作高速相对运动时，一般雷诺数很大。在这些流动中，惯性力远大于粘性力，所以可略去粘性力。但在紧靠物体壁面存在一流体薄层，粘性力却与惯性力为同一数量级。所以，在这一薄层中，两者均不能略去。这一薄层就叫边界层，或叫速度边界层，由普朗特在1904年发现3。边界层XXY0图1流体沿毛管边界层速度分布边界层的基本特征有1层流边界层的厚度与成正比，随着沿平板流动的深入边界层厚度不断增长；X2层内很大，边界层内存在层流和紊流两种流态；/UY3边界层内，即认为边界层内各截面上的压力等于同一截面上边界层外0P边界上的压力；惯性力和粘性力为同一数量级。12原油边界层的分类边界层又分为层流边界层（图2），紊流边界层以及起始部分为层流，然后是紊流的，为混合边界层3,5。层流边界层XXY0紊流边界层DL图2毛管中原油边界层的类型2存在边界层的渗流特征21毛管渗流理论在实际的低渗透油藏中，由于孔隙半径和边界层厚度几乎在同一个数量级上甚至更小，导致边界层流体对渗流产生较大的影响，产生非线性渗流69。目前，对于边界层的研究主要采用实验室内微毛管实验，一般采用等直径微圆管液体流动公式，即HAGENPOISEUILL方程（1）844GEPRLQ则（2）48GEPQR（3）IER根据毛管束模型有（4）4MIN8GIPQR变形为（5）EK其中为边界层厚度，；、为毛管半径、渗流毛管半径，；IREM为流量，1012；为流体粘度，；为压力梯度，Q3CMMPASGP。/MPA22原油边界层的渗流实验研究实验室内研究表明，随着毛管半径的增大，边界层流体对渗流的影响越小，边界层厚度随毛管半径变大而指数递减。本次研究采用实际的低渗透储层岩心的实验室实测数据，通过视渗透率的变化来推断边界层对渗流的影响程度。Y00696LNX02654R209552Y02772LNX12227R209791Y10632LNX13257R20786101010010000020406080100120140压力梯度MPA/M渗透率105M2西2831井141/9711西2831井110/9711西33033井177/2692图3压力梯度与渗透率的关系研究认为，在低速非达西流动区的每一个准静态过程，仍符合达西公式的形式（6）GPAKQ其中KP表示渗透率为压力梯度的函数。根据岩心实验数据的拟合结果，与存在以下关系GP（7）BAKLN图3西2831井141/9711号岩心煤油测试压力梯度与渗透率的关系统计的实验室测试岩心数据如下表1实验室测试岩心数据统计表井号岩心号AB渗透率103M2孔隙度M110/97220010037112812900976141/97300060110716032126901124141/9712000660076706683117300755112/9722000220016207851124100795110/971100028002511411870098西2831141/9711000070005906388125900712111/8610006700441296610901091170/801000090003303506175700447平1414111/862001240073611341116010081139/26920022501112163980129177/2692001950146813610701127西33033177/2692001330068210410700986研究人员分析了A，B值与之间的关系，结果如下0716R01423EA57B其中，称孔隙综合结构指数，简称孔隙指数，。孔隙指数是孔喉的渗KM透率与孔隙度的比值，孔喉渗流能力越大、存储能力越小，则孔隙结构值越大。通常由于储层的孔隙度的差别较小，而渗透率的差别较大，因此孔隙结构更多地反映了储层的渗流能力。那么就可以得到对低渗透岩心低速区的渗流方程（8）LNBPAKLAQG实验分析，从拟合的公式中可以看出（1）对于同一块岩心，视渗透随压力梯度的增加而呈指数增长，这与存在固化层的理论相吻合。（2）对于同一块岩心，视渗透率随压力梯度指数增加导致流量（流速）在压力梯度某个值后随压力梯度的增加趋于线性增加。（3）从公式可以看出，随着的增加，KP越来越受到值的影响，流量（流B速）和压力梯度越趋于线性。根据公式，继续做RE与压力梯度之间关系8GEPKR0000050100150200250300350020406080100120140压力梯度MPA/MREM西2831井141/9711西2831井110/9711西33033井177/2692图4不同有效半径与压力梯度的关系Y00101LNX00307R209682Y00101LNX00272R209611Y0007LNX00225R209654000000007500150002250030000375004500020406080100120140压力梯度MPA/MM西2831井141/9711西2831井110/9711平1414111/862图5岩心拟边界层厚度与压力梯度的关系从图3、图4中可以看出，渗流有效半径随着压力梯度的增加而指数增加，经过某一压力梯度值后，曲线趋于平坦，边界层厚度基本无变化。拟边界层厚度最大有效半径计算值与各压力梯度点有效半径计算值之差。从拟边界层厚度的变化趋势（图4）可以看出，在起始阶段拟边界层厚度急剧减小，经过某一压力梯度值后，曲线逐渐趋于平坦，说明拟边界层基本无变化。3边界层原油所占比例渗流流体的性质取决于体相流体的性质、边界流体的性质、多孔介质的性质及流动条件。边界层是由于固液表面分子力作用而吸附在储层岩石表面的原油组分，它的厚度与多孔介质的结构、原油的性质有关。原油胶质沥青质含量高，密度粘度大，则原油边界层越厚。边界层内原油的储量份额也随多孔介质和原油性质不同而变化。同一压力梯度下，毛管半径减小，则原油边界层厚度增加，它对低渗透率和特低渗透率油层中的流体渗流影响非常重要1,2。设平均孔喉半径为，原油边界层厚为，则孔道中边界层的体积占流体总体积AR比可表示为R（9）2/RR将图6中代入式（9）得R与渗透率K的关系式413802KRA（10）24138041380式（10）说明当边界原油层厚度一定时，值随渗透率的增大而减小，当渗透率一定时，值随边界原油层厚度增大而增大（图7）。R对长庆油田白于山、大路沟、王窑东、杏河、白马等油区岩心实验数据进行处理计算，得到原油边界层厚度值多在0010035之间，渗透率为1103的储层孔M2M道中原油边界层的体积占流体总体积的百分比为7225。R02491K04138R208736001020304050607005115225335445渗透率103M2平均孔喉半径M图6平均孔喉半径与渗透率的关系1101000025050751125151752渗透率103M2R值H0002MH0005MH001MH0015MH002MH0025MH003MH0035M图7边界层流体占总流体的比例与渗透率的关系4边界层对油井产能的影响当考虑原油边界层时，单井产量的计算公式为（11）WEOROLN2486PKHQ（12）8/2IR式中单井产量，；、供给边界压力和采油井井底流压，0Q3/MDEPW；、供给半径、井筒半径，；原油黏度，；油MPAERWOMPASROK相相对渗透率，小数；油层厚度，；原始孔喉半径，。HIR假设注采压差恒定，计算得到不同原油边界层厚度条件下的单井初始产量，可见原油边界层厚度越大，单井产量越小。总之，原油边界层的存在减小了油层的渗透率，增加了残余油饱和度，通过增加注采压差、提高油层温度或注活性水等化学剂等措施可以改变原油的流变行，从而进一步降低边界层的厚度。3040506070800001002003004005原油边界层厚度M单井日产油量M3/D图8不同不同原油边界层厚度条件下的单井初始产量5结论（1）低渗透储层的孔喉半径偏小时造成储层低渗透率的根本原因。由于流体与岩石表面的吸附力，使得在储层孔喉表面存在原油边界层，孔喉半径越小，原油边界层所占的流体总体积比例越大，即残余油或难以流动油饱和度越大。（2）当边界原油层厚度一定时，R值随渗透率的增大而减小，当渗透率一定时，R值随边界原油层厚度增大而增大（3）原油边界层的存在减小了油层的渗透率，增加了残余油饱和度，通过增加注采压差、提高油层温度或注活性水等化学剂等措施可以改变原油的流变行，从而进一步降低边界层的厚度。参考文献1李道品等低渗透砂岩油藏开发M北京石油工业出版社，199792黄延章等低渗透油层渗流机理M北京石油工业出版社，199859993德史里希廷SCHLICHTING,H著,徐燕侯等译力学名著译丛边界层理论上册,科学出版社,19884GDEGANANDPVASSEURTHENONDARCYREGIMEFORBOUNDARYLAYERNATURALCONVECTIONFROMAPOINTSOURCEOFHEATINAPOROUSMEDIUMINTERNATIONALCOMMUNICATIONSINHEATANDMASSTRANSFER,VOL22,NO3,PP381390,19955PSAIKRISHNANANDSROYSTEADYNONSIMILARAXISYMMETRICWATERBOUNDARYLAYERSWITHVARIABLEVISCOSITYANDPRANDTLNUMBERACTAMECHANICA,1573,20026徐绍良,岳湘安低速非线性流动特性的实验研究J中国石油大学学报自然科学版,315,200760637韩洪宝,程林松,张明禄等特低渗油藏考虑启动压力梯度的物理模拟及数值模拟方法J中国石油大学学报自然科学版,286,200449538李中锋，何顺利低渗透储层原油边界层对渗流规律的影响J大庆石油地质与开发，2005，24（2）57599肖鲁川，甄力，郑岩特低渗透储层非达西渗流特征研究J大庆石油地质与开发，2000，19（5）2731第一作者简介汪益宁，男，汉族，1972年出生，1995年毕业于江汉石油学院油田化学专业，2009年获中国地质大学（北京）油气田开发工程硕士学位，现为中国石油大学（北京）博士研究生，长期从事油气田开发理论与技术研究工作。电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