低渗透油藏开发的渗流理论-朱维耀

低渗透油藏开发的渗流理论和方法TheoriesofPorousFlowinLowPermeability报告人：朱维耀北京科技大学概述一、低渗透油藏储层物性参数特征

1、基本概念、各种分类标准和划分方法

2、地质特征和物性参数特点

3、渗流物理实验技术

4、现有实验技术的不足主要内容北京科技大学二、低渗透油层油水渗流的非线性规律

1、非达西渗流规律的基本特征

2、启动压力梯度

3、非线性渗流规律表达型式

4、岩石物性与渗流特征研究

5、有效驱动的基本理论主要内容北京科技大学三、低渗透储层井网整体压裂基质-裂缝耦合流动理论研究

1、物理本质和概念模型

2、井网整体压裂基质-裂缝耦合流动理论体系

3、压裂水驱机理和开采数值模拟研究主要内容北京科技大学四、低渗非达西渗流条件下水平井压裂技术研究

1、低渗非达西渗流条件下水平井压裂产能预测方法

2、多油层水平井压裂开发优化控制技术

3、水平井压裂裂缝优化模拟技术主要内容北京科技大学五、展望

1、微观结构与宏观渗流过程的深入探索

2、低渗透油藏基质－裂缝－井网整体优化开采渗流理论

3、开发低渗和特低渗油藏的有效技术主要内容北京科技大学概述需求：随着我国国民经济稳定增长，石油需求不断增加。是世界上除美国之外的第2大石油消费国,年进口的原油量已接近国内石油的年产量。由于我国中、高渗透油藏后备石油储量不足，低渗透特别是特低渗透石油资源开发速度慢，使石油供需矛盾不断加剧,仅2006年对外依存度就达47％,据预测到2020年我国将净进口石油2.7亿吨,国家面临严峻的石油安全问题！！北京科技大学概述资源情况：我国石油工业每年探明的石油储量中，低丰度、低渗透油气田占的比例在50%以上，而且比例逐年上升。北京科技大学概述迫切要求：加速开采特低渗透油藏，开展理论和技术创新，掌握地质规律，形成一套适合我国特低渗透油藏特征的开发理论和技术体系，使特低渗透油藏的开发获得重大突破。将大大提高我国石油资源的利用率，确保我国石油产量的稳定和增长，维护我国石油安全，满足国民经济发展的重大需求。北京科技大学概述目标：形成低渗透油藏高效开发和提高采收率理论及方法、获得巨大经济效益为目标，解决低渗透油藏油层非均质性强、渗透率低、裂缝发育复杂等对提高石油采收率具有挑战性的理论和技术难题。关键科学问题：

1、储层裂缝识别、预测理论和方法；

2、非线性渗流机理及复杂渗流理论；

3、高效注入剂分子设计理论与合成；

4、注入介质流动控制理论。北京科技大学开发过程存在许多理论问题▲多孔介质致密性、非均质、裂缝、耦合▲达西定律的不适用→流动的非线性▲产量预测与实际情况不符

●低速非线性渗流------启动压力

●储层压力、流体对储层物性的敏感性

●低渗、超低渗油层的可动流体

●储层岩石微观结构与非线性渗流研究

●流－固耦合、基质－裂缝－井网耦合北京科技大学一、低渗透油藏储层物性参数特征1、基本概念、各种分类标准和划分方法不同国家和地区对低渗透油田的划分标准并不统一美国：渗透率≤100×10-3μm2前苏联：渗透率为50×10-3～100×10-3μm2

我国：一般将渗透率在10×10-3～50×10-3μm2的油田称为低渗透油田，1×10-3～10×10-3μm2的称为特低渗透油田，小于1×10-3μm2称为超低渗透油田北京科技大学一、低渗透油藏储层物性参数特征近年来，随着人们对低渗透油田研究的深入，从不同的研究角度，又提出了一些新的划分标准：低渗透、特低渗透油藏等的最新分类标准：

分类

储集层空气渗透率高渗透≥500×10-3μm2

中渗透：50×10-3μm2≤中渗透＜500×10-3μm2

低渗透：10×10-3μm2≤一般低渗透＜50×10-3μm2

1×10-3μm2≤特低渗透＜10×10-3μm2超低渗透

＜1×10-3μm2

参见：石油天然气行业标准SY/T6169-1995油藏分类北京科技大学通用分类方法：1、按渗透率分类2、按启动压力分类3、按流度分类分类渗透率范围分类渗透率范围分类流度范围Ⅰ类：一般低渗透10-50×10-3μm2Ⅰ类：启动压力梯度变化率的数量级是10-48-30×10-3μm2Ⅰ类：称为低渗透油层30-50×10-3μm2/(mPa·s)Ⅱ类：特低渗透1-10×10-3μm2Ⅱ类：启动压力梯度的变化率的数量级10-31-8×10-3μm2。Ⅱ类：称为特低渗透储层

1-30×10-3μm2/(mPa·s)Ⅲ类：超低渗透率0.1-1×10-3μm2Ⅲ类：启动压力梯度的变化率的数量级10-2-10-10.1-1×10-3μm2；Ⅲ类：称为超低渗透储层≤1×10-3μm2/(mPa·s)Ⅳ类：致密层0.1-0.01×10-3μm2Ⅴ类：非常致密层0.01-0.0001×10-3μm2Ⅵ类：裂缝-孔隙非常致密北京科技大学4、按孔隙结构分类5、岩性、物性、油性、电性综合分析分类渗透率范围分类孔吼半径

(μm)孔隙度/%渗透率

(10-3μm2)含油性Ⅰ类:中喉型C50>1um，Smin<10%，粗歪度，孔喉分选性好。Ⅰ类:中-细砂岩>0.5>15>3油浸Ⅱ类:较细喉型C50为0.1～15um，Smin为10%～20%。较粗-略粗歪度，孔喉分选较好。Ⅱ类:细砂岩0.15-0.5010-151-3油斑-油浸Ⅲ类:细喉型C50为0.1～0.01Lm，Smin为20%～40%。细歪度，分选较差。Ⅲ类:粉细砂岩0.1-0.158-120.2-1.0油斑-油迹Ⅳ类：致密型C50<0.11Lm，Smi>40%。细歪度，分选差。Ⅳ类：粉砂岩<0.1<8<0.2油迹北京科技大学特低渗透储层分类（细分）分类渗透率原油流度地质储量Ⅰ类≧1.5×10-3µm2≧0.35×10-3µm2/mPa·s5420×104tⅡ类1.5～1.0×10-3µm20.35～0.25×10-3µm2/mPa·s8063×104tⅢ类1.0～0.5×10-3µm20.25～0.15×10-3µm2/mPa·s9507×104tⅣ类储层﹤0.5×10-3µm2﹤0.15×10-3µm2/mPa·s5729×104t建议：分类的适用性，如：渗透率分类→细分→流体流动特性北京科技大学1、可动流体百分数等级划分标准等级特高高中低特低可动流体饱和度（％）>6550～6535～5020～35<20→需针对低渗透等级划分细化制定标准建议：考虑流体流动特性2、喉道半径等级划分北京科技大学2、喉道半径等级划分北京科技大学2、喉道半径等级划分→喉道半径对特低渗透油层流体流动影响巨大！北京科技大学一、低渗透油藏储层物性参数特征2、地质特征和物性参数特点（1）油藏类型单一●多属于常规油藏类型，以岩性油藏和构造油藏为主，有60％以上的储量存在与上述两种类型的油藏中。（2）储层物性差，孔隙度和渗透率低

●50％的油层孔隙度小于10％，平均渗透率小于10mD的油层占61％（3）孔喉细小，溶蚀孔发育

●喉道半径一般小于1.5μm，非有效孔隙体积在整个孔喉体积中所占比例较大，平均30％。北京科技大学（4）储层非均质严重●层内非均质受沉积韵律的变化和成岩作用而表现明显不同。（5）裂缝发育●大多是构造裂缝，其分布比较规则，常常成组出现。裂缝密度受构造部位、砂岩厚度、岩性控制十分明显。宽度一般都很小，多数在十几到几十微米之间，裂缝的延伸长度大多小于100m。（6）油层原始含水饱和度高●低渗透油藏原始含水饱和度一般较高，通常在30～50％，有的高达60％。2、地质特征和物性参数特点北京科技大学（7）储层敏感性强●容易收到各种损害。其中水敏和压敏较突出。（8）原油性质好●一般原油密度一般为0.84～0.86g/cm3，地层原油粘度一般为0.7～8.7mPa.s。2、地质特征和物性参数特点北京科技大学一、低渗透油藏储层物性参数特征3、渗流物理实验技术▲（1）启动压力实验研究

北京科技大学（1）启动压力实验研究

北京科技大学▲（2）恒速压汞实验研究

原理示意图

北京科技大学恒速压汞实验研究

北京科技大学▲（3）可动流体饱和度研究岩心核磁T2谱曲线

北京科技大学▲（3）可动流体饱和度研究低渗透岩心可动流体饱和度北京科技大学▲（3）可动流体饱和度研究特低渗透岩心可动流体饱和度北京科技大学▲（4）渗流规律研究低渗多孔介质单相渗流动态曲线

北京科技大学▲（5）驱替实验岩心水驱油采出程度与注入孔隙体积关系

（空气渗透率=2.24×10-3μm2）

北京科技大学▲（6）油水相对渗透率实验油水相渗曲线（空气渗透率=1.05×10-3μm2）

北京科技大学一、低渗透油藏储层物性参数特征4、现有实验技术的不足（1）孔隙压力、驱替压力、围压与地层的相似性

▲驱替压力梯度过大（2）两相的启动压力梯度测定

（3）裂缝特性－基质－流固耦合实验（4）微观实验技术还未能达到特低渗透孔隙尺度

▲驱动力－约束速度－狭小喉道－界面效应关系北京科技大学二、低渗透油层油水渗流的非线性规律1、非达西渗流规律的基本特征在高速流动段其流体流动速度与压力梯度成正比。在低速流动段流速与压力梯度呈非线性关系。图中O－A－C－D段为非线性段即为非达西段，

D－E段即达西流动段。达西流动非达西流动北京科技大学二、低渗透油层油水渗流的非线性规律2、启动压力梯度北京科技大学2、启动压力梯度北京科技大学二、低渗透油层油水渗流的非线性规律3、非线性渗流规律表达型式方法方程产量公式模拟结果方法1：拟启动压力

低于Ｇ不能计算方法2：密指数线性段模拟误差大方法3：两段，定密次

线性区与非线性区连接位置难解出方法4：两段，不定密次线性区与非线性区连接位置难解出方法5：全程描述北京科技大学二、低渗透油层油水渗流的非线性规律4、岩石物性与渗流特征研究北京科技大学二、低渗透油层油水渗流的非线性规律4、岩石物性与渗流特征研究北京科技大学二、低渗透油层油水渗流的非线性规律

5、有效驱动的基本理论（1）理论公式运动方程：质量守恒方程：状态方程：北京科技大学

5、有效驱动的基本理论北京科技大学

5、有效驱动的基本理论（2）压力特征比较北京科技大学

5、有效驱动的基本理论北京科技大学

5、有效驱动的基本理论北京科技大学

5、有效驱动的基本理论北京科技大学

5、有效驱动的基本理论（3）有效驱动半径一注一采主流线上：有效驱动半径：北京科技大学

5、有效驱动的基本理论需指出的是：1998年（断块油气田第6期）“油藏启动压力的规律研究和应用”。提出公式有严重错误！！！2003年（断块油气田第6期）“利用启动压力梯度计算低渗油藏最大注采井距”

2006年（大庆石油学院学报第1期）“低渗透油藏极限井距的确定”：！！！

目前仍有人引用！！北京科技大学

5、有效驱动的基本理论（3）有效驱动半径北京科技大学

5、有效驱动的基本理论（3）有效驱动半径北京科技大学三、低渗透储层井网整体压裂基质-裂缝耦合流动理论研究1、物理本质和概念模型根据低渗透油田流动特点，其储层与压裂井中的流体流动可以分为三个部分，第一部分裂缝内流体的高速非达西流动（1区）。第二部分为裂缝附近流体从基质流入裂缝的低速非达西流（2区）；第三部分为远离裂缝控制区的低速非达西流（3区）。北京科技大学2、井网整体压裂基质-裂缝耦合流动理论体系（1）油层基质－裂缝耦合非定常流动方程

（2）三区耦合油水两相基质－裂缝耦合油水两相非定常渗流数学模型（3）不同井网型式压裂开采系统组合数学模型北京科技大学井网渗流数学模型

l/2l/2五点井网三角形单元示意图北京科技大学αα五点井网任意三角形单元示意图北京科技大学矩形井网压裂开发数学模型北京科技大学3、压裂水驱机理和开采数值模拟研究油藏工程方法模拟计算结果由于未考虑裂缝的影响，使计算结果井排距数值偏小。常规数值模拟方法由于软件中采用达西线性流动，没能考虑非线性耦合流动，加上裂缝处理上是将压裂裂缝井裂缝方位的网格采取等效传导率的方法处理，计算过程中一般不可能将裂缝网格划分的较小，这就夸大了裂缝的效果，故计算结果数值偏大。建立的新的压裂井组耦合渗流理论模拟计算方法结果，反映了基质－裂缝耦合非线性流动，模拟结果更可信。（1）方法比较北京科技大学井网合理井距/m合理排距/m裂缝半长/m正方形反九点油藏工程方法200～235235未考虑常规数模方法33033090新方法30030090～110菱形反九点油藏工程方法347～408136未考虑常规数模方法450175110新方法350～450150～17090～110五点油藏工程方法198～249198～249未考虑常规数模方法250～300250～300100新方法200～250200～25090～110各种井网评价方法对比北京科技大学（2）机理研究Ａ、井距对产量的影响（矩形井网为例）矩形井网不同井距下产油量随时间变化对比矩形井网不同井距下含水率随时间变化对比北京科技大学（2）机理研究Ｂ、排距对产量的影响（矩形井网为例）不同排距下日产油量随时间变化对比不同排距下含水率随时间变化对比北京科技大学（2）机理研究Ｃ、裂缝半长对产量的影响（矩形井网为例）不同裂缝长度下含水率随时间变化对比不同裂缝长度下日产油量随时间变化对比北京科技大学（2）机理研究Ｄ、裂缝角度影响（矩形井网为例）不同裂缝角度下含水率随时间变化对比不同裂缝角度下日产油量随时间变化对比北京科技大学

通过井网优化设计，渗透率区域（5ｍｄ）：图不同井网油井累计产油量随时间变化对比图不同井网油井日产油量随时间变化对比

（3）井网设计北京科技大学

●通过比较可以看出，矩形井网的开发效果最好，其次是菱形反九点井网，正五点井网和正反九点井网的开发效果较差。图不同井网油井含水率随时间变化对比图不同井网油井采收率随时间变化对比北京科技大学渗透率区域（3.0ｍｄ）：图不同井网油井日产油量随时间变化影响图不同井网油井累计产油量随时间变化影响北京科技大学图不同井网油井含水率随时间变化影响通过比较可以看出矩形井网的开发效果最好，其他三种井网的开发效果较差。图不同井网油井采收率随时间变化影响北京科技大学1、低渗非达西渗流条件下水平井压裂产能预测方法

四、低渗非达西渗流条件下水平井压裂技术研究LfH横向垂直裂缝S=2nLfH有效渗流面积:北京科技大学裂缝－水平井流动状态示意图水平井筒内管内流动北京科技大学（1）压裂水平井在地层中任意一点的稳态势计算

根据势的叠加原理，将压裂水平井的所有微段生产时在地层中任意一点的势能公式叠加，即可得到整个压裂水平井生产时势的分布式为：（2）水平井筒内管流模型

北京科技大学（3）油层中渗流与水平井筒内管流的耦合模型第i段第j微线汇中点处的压力第i条裂缝流入水平井筒中点处的压力为

北京科技大学

北京科技大学2水平井压裂非定常渗流产能预测模型北京科技大学2水平井压裂非定常渗流产能预测模型（1）多条裂缝同时生产时地层中任意一点的压降计算北京科技大学2水平井压裂非定常渗流产能预测模型（2）压裂水平井产能预测模型北京科技大学随着裂缝条数的增加，压裂水平井的日产油量总体上逐渐增加，但在相同生产时间内,随着裂缝条数的增加,日产量增幅随着裂缝条数的进一步增加逐渐减小。这是因为随着裂缝条数的增加,裂缝间的距离变得更近,相互间的干扰加重,使每条裂缝的产量减小,因而使得压裂水平井的日产量减少。从图中可以看出最佳裂缝条数为4～5条。3、示例计算北京科技大学随着裂缝长度的增加,压裂水平井的日产量逐渐增加,随着裂缝长度的进一步增加,产量的增幅变小。北京科技大学随着裂缝导流能力的增加,压裂水平井日产量增加,但是随着裂缝导流能力的进一步增加,产量增幅逐渐变小,这与裂缝长度对产量的影响结果很相似。北京科技大学随着裂缝与水平井井筒夹角的增大,压裂水平井的日产量增加。这是因为随着夹角的增大,各条裂缝之间的垂直距离变大,也使得各条裂缝之间的相互干扰减小,相当于增大了每一条裂缝的有效泄油面积。北京科技大学当水