低渗非达西渗流特征及影响因素

《高等渗流力学》读书报告低渗非达西渗流特征及影响因素姓名：张恒学号：2010050031专业：石油与天然气工程教师：鲁洪江（教授）低渗非达西渗流特征及影响因素1选题依据及研究现状1.1选题依据随着中国石油工业的发展，低渗透油藏在开发中所占的比例越来越大。低渗透油藏是我国今后乃至相当长一段时间内增储上产的主要资源基础。要合理高效地开发这些低渗透油藏,就需要充分合理的认识低渗透油藏本身所具有的特殊规律及其特性参数，并准确地描述低渗透油藏的渗流规律.1.2研究现状国内很多研究人员从实验方面发现了低渗透油藏的启动压力和非线性渗流规律的存在,从理论方面提出了描述启动压力和非线性渗流的模型［1］。但是，非线性渗流和启动压力梯度的存在并没有得到国内外学术界的普遍认可。反对者的意见是，引起低渗透油藏非线性达西流和启动压力的原因均为理论推测，而无充分的微观实验科学依据;在流速很低的情况下，受测量手段和如蒸发等现象的影响，对流速和压力的测量误差很大［2］1.3主要的参考文献［1］王正波，岳湘安等.影响低渗透油藏低速非线性渗流的实验研究［J］.矿物学报,2008,28(1),48-54.［2］王慧明，王恩志等.低渗透岩体饱和渗流研究进展［J］.水科学进展,2003,14(2):245［3］辛莹娟.低渗透非达西渗流研究［J］.西部探矿工程。2010(10):115-117［4］中国“八五”科技成果.低渗透油层多相渗流机理［M］.北京:科学出版社,1996［5］闫庆来，何秋轩,任晓娟，等.低渗透油层中单相液体渗流特征研究［J］.西安石油学院学报,1990,5(6):1-6.［6］吴景春，袁满，张继成，等.大庆东部低渗透油藏单相流体低速非达西渗流特征［J］.大庆石油学院学报,1999,23(2):82-84［7］阮敏,何秋轩.低渗透多孔介质中新型渗流模型［J］.石油勘探与开发,1996［8］程时清，徐论勋,张德超.低速非达西渗流试井典型曲线拟合法［J］.石油勘探与开发,1996.［9］宋付权，刘慈群.低渗透多孔介质中新型渗流模型［J］.石油勘探与开发,1996.［10］吴景春，袁满，张继成，等.大庆东部低渗透油藏单相流体低速非达西渗流特征［J］.大庆石油学院学报,1999.［11］李道品，等低渗透砂岩油田开发［M］.北京:石油工业出版社,1997.［12］诺曼,R莫罗•石油开采中的界面现象［M］.鄢捷年等译.北京:石油工业出版1992.23〜85.［13］邓英尔，闫庆来,马宝歧.表面分子对低渗多孔介质中液体渗流特征的影响［可渗流力学进展［C］.北京:石油工业出版社,1996.9.［14］阮敏.低渗透非达西流临界雷诺数实验研究［J］.西安石油学院学报,19992选题研究内容及拟解决的问题达西定律中压力损失完全由粘滞阻力决定，这符合多孔介质比面大这个特点的.而在低渗透岩石中，流体在流动过程中受到岩石孔壁、粘土矿物遇水膨胀以及岩石颗粒的运移等一系列因素的影响而造成附加压力损失，所以流体在低渗透砂岩中的渗流规律不满足达西定律达西定律是渗流的基本规律，但是在低渗透油藏中，渗流表现出对达西定律的偏离，这就使我们有必要对非达西渗流进行深入的研究，从低渗透非达西渗流特征、低渗透非达西渗流模型，非达西渗流过程等几个方面的研究进展进行了总结.为从事相关工作的研究人员提供参考［3］3方法及路线3.1低渗透非达西渗流特征同中高渗透率油层相比，低渗透油层具有以下几个特点：低渗透油层一般连续性差、采收率与井网密度关系特别密切；低渗透油层存在“启动生产压差现象，，，渗流阻力和压力消耗特别大；低渗透油层见水后，采液和采油指数急剧下降对油田稳产造成急剧影响；低渗透油田一般裂缝都较发育，注入水沿裂缝窜进十分严重［4］.室内实验结果表明，流体在低渗透储

层内渗流时,存在非线性段［5,6］压力梯度超过某一定值后，渗流曲线变为直线，见图1.由图1可知，流体通过低渗岩心的渗流特征显示出弹-塑性.低渗透非达西渗流的特征可概括为以下两点.(1)在较宽的渗流速度域内，渗流过程由2个连续过渡而特性各异的渗流曲线段组成，即:低渗流速度下的凹型线性渗流曲线段;较高渗流速度下的直线段；(2)当压力梯度在比较低的范围时，渗流速度是上凹型非线性曲线。当压力梯度增大时，渗流速度直线性增加,出现线性渗流区.6.200J03.高低渗透非达西渗流模型低渗非达西渗流模型与运动方程，不同的研究者通过实验和理论分析，得出了达。下面列出比较有代表性的几种:阮敏［7］给出了用分段函数表示的运动方程不同的表0层内渗流时,存在非线性段［5,6］压力梯度超过某一定值后，渗流曲线变为直线，见图1.由图1可知，流体通过低渗岩心的渗流特征显示出弹-塑性.低渗透非达西渗流的特征可概括为以下两点.(1)在较宽的渗流速度域内，渗流过程由2个连续过渡而特性各异的渗流曲线段组成，即:低渗流速度下的凹型线性渗流曲线段;较高渗流速度下的直线段；(2)当压力梯度在比较低的范围时，渗流速度是上凹型非线性曲线。当压力梯度增大时，渗流速度直线性增加,出现线性渗流区.6.200J03.高低渗透非达西渗流模型低渗非达西渗流模型与运动方程，不同的研究者通过实验和理论分析，得出了达。下面列出比较有代表性的几种:阮敏［7］给出了用分段函数表示的运动方程不同的表0Jor=1QiJ'J<(1)，式中:aJJ0启动压力梯度；Jb拟启动压力梯度;Jc临界压力梯度，如图2(a)所示程时清［8出了忽略非线性段的存在启动压力模型:式中:J0拟启动压力梯度,为低渗透介质线性渗流段的延长线与压力梯度轴的交点，如图2(b)所示Halex［9］据启动压力梯度J0给出如下的表达式:式中:Kn低于达西定律下限时介质的渗透系数;J0启动压力梯度，如图2(c)所示吴景春［10］所有低渗非达西渗流曲线由3种基本曲线组成，组合形式有2种。3种基本曲线为/J<L"00>1仲二'ajJJ<Ja>0,0<b<J(4)KfJ—J)J>JE式中:V渗流速度;K渗透系数;J压力梯度;a、b待定系数，与岩石及流体性质有关；J0•拟启动压力梯度;Jc临界压力梯度，如图2(d)所示。

J0•拟启动压力梯度;Jc临界压力梯度，如图2(d)所示。.T挹国慝侵水力坡度J-«擀蝎增自发现非达西渗流现象以来，许多学者都在研究造成非达西渗流的原因。一般认为孔隙吼道狭窄、孔隙的连通性差、、岩石的渗透率低、均质性差是造成非达西渗流的主要原因。而造成渗透率低、均质性差的原因有以下两个方面[11]砂岩的沉积成因。岩石颗粒的大小、分选性、排列、胶结物成份等都与物源和沉积环境有关，而这些因素都影响到岩石的渗透率。一般低渗透储层都为近物源沉积和远物源沉积。.T挹国慝侵水力坡度J-«擀蝎增自发现非达西渗流现象以来，许多学者都在研究造成非达西渗流的原因。一般认为孔隙吼近物源沉积的颗粒未经过长距离的搬运及沉积下来，颗粒大小相差悬殊，分选性较差，不同粒径颗粒堆积在一起以及泥质充填在颗粒孔隙建造成孔隙度减小,渗透率降低。远物源沉积，通常碎屑物质经过长距离的搬运，颗粒较细,悬浮物较多,成岩后形成孔隙细小，泥质等含量较多的低渗透岩石。成岩作用及后生作用。成岩后，岩石在压实、胶结及溶蚀作用下，岩石的孔隙度渗透率将发生很大的变化。在上覆沉积物的作用下,沉积物的孔隙空间和总体积将不断的降低。沉积物中的矿物质使散砂变为岩石的过程中,石英次生加大、碳酸盐岩胶结等作用同时也使得砂层的孔隙度、渗透率降低。此外一些特别致密的储层，在溶蚀作用下也会导致致密岩石变为具有储积能力的低渗透岩石。3.3.2相之间的表面性质低渗透油层因低渗、低孔隙度，导致孔道细小,孔喉作用增强，微观孔隙结构复杂，高比表面积,故引发界面效应强烈.在这种油藏中，当油、气、水、化学注剂渗流时,在岩石-液体，岩石-原油冰-气-注剂系统中，所存在的多种相界面现象（界面张力、界面电荷、界面层粘度和润湿性等）起着非常大的作用.根据测量可知，相界面并不是一个简单的分界面，而是由一个相到另一个相的过渡层，通常称为表面相.它的性质与相邻的2个体相的性质不同、状态也不同，这种表面状态与体相内部状态的差异，用表（界）面自由能或表（界）面张力给出定量地热动学描述[12].[13]通过固液表面分子力作用强弱的测定认为，低渗多孔介质中液体渗流具有非达西特征，其主要原因是固液表面分子的强烈作用；在同一低渗多孔介质中，固液表面的分子力越大，则启动压力梯度越高，在相同压力梯度下的流量越小;多孔介质的渗透率越低，则固液表面分子力对渗流的影响越大；当多孔介质渗透率增大到一定值以后，固体表面分子对渗流的影响可以忽略，渗流转变为达西型;随着压力梯度的逐渐增大，固液表面分子力对渗流的影响程度逐渐减小.3.3.3渗流中的物理过程和化学反应外来流体进入油层产生了不良效应，其实质是外来流体与油藏流体、或二者与岩石之间所产生的多种物理过程和化学反应的结果，导致孔隙度减小,渗透率降低.外来的液体或固体侵入油层,与油层中的粘土或其它敏感性矿物（组分）发生物理、化学作用,使油层的岩石结构、表面性质、矿物成分及性质、液体相态发生变化，改变了储层的孔隙度、渗透率、油水饱和度及润湿性等物理参数,从而降低了流体的渗流能力.就物理过程和化学反应来讲，归纳起来有以下几个方面：（1）晶格膨胀.外来液体中的水分子引起油层中粘土矿物的水化膨胀，减小孔喉体积以至堵死孔喉.（2）微粒运移.外来液体中的固相颗粒和油层中原有的地层微粒将油气的渗滤孔道直接堵塞

化学沉淀.外来液体与储集层中的流体发生物理化学作用，造成化学沉淀，形成高粘度的乳化液，产生不溶解的盐类及其它如沥青或蜡之类的固体堵塞孔道.相渗透率的改变.外来液体侵入会造成油气层润湿性的改变，降低油气相渗透率，以至产生水锁.需要强调的是，在钻开油层之前，储层内各相间处于热力学、水动力学、机械力学、化学等相对平衡状态.任何渗流的环境条件、化学成分的改变都将破坏这种平衡，发生相应的物理过程和化学反应，不仅如此,某些过程和反应具有两面性.如粘土矿物在高盐度,pH值呈弱碱性和含有絮凝阳离子的地层盐水接触时，不发生膨胀，因而占据的孔隙空间小;而当地层水转变为浓度小的阳离子溶液，pH值稍呈酸性并含有分散型阳离子时，粘土矿物对这些因素的反映就会引起阳离子交换、膨胀、分散和定向水的增加，从而堵塞孔隙喉道，降低渗透率，3.3.4低渗非达西渗流的判据在非达西渗流规律研究中，判别非达西渗流的主要依据是渗流曲线呈现非线性曲线形态和不通过坐标原点的特征，但仅从实验的曲线形态上有时难以确定非达西渗流规律特征。因此研究流体在多孔介质中渗流是否服从达西定律时，大多数情况下采用雷诺数这一准数，因为雷诺数反映了储层(储层孔隙度、渗透率)、物性条件(流体密度、粘度)的综合影响。但是不同的学者通过实验给出的临界雷诺数值是不同的，所以用雷诺数作为判断流体渗流是否服从达西定律的依据是不全面的。阮敏［14］这方面做了深入的研究，他们通过实验采用蒙特卡洛数值解法来确定临界点，克服了早期利用图版法确定临界点的不足；同时他们还提出一种临界参数判别法,用于判定低渗透介质中的渗流形式，并给出了粘度与渗透系数之间的临界曲线方程,在低渗透非达西流综合方面提出了压力数的概念。AN粘度系数;K渗透率;p・流体密度;AN粘度系数;K渗透率;p・流体密度;r/R孔喉比;对流体通过多孔介质难易程度的一个度量。AN大则表示流体在该孔隙介质中的渗流比较困难，即流体运移时所要克服的综合阻力大。3.3.5非达西渗流的计算方法低渗透介质中的非达西渗流是客观存在的，非达西渗流在计算上的困难主要是模型的非线性问题。因此对于非达西渗流问题计算方法的研究一直是求解非达西渗流问题的非常重要的方向。目前，常用的方法有有限差分法、有限元法、有限体积法和边界元法。由于有限差分法原理易懂、算式简单、理论基础成熟，因此用的较为普遍，但该方法在处理网格方向、复杂边界及稳定性方面，具有较大的局限性。有限元法在模拟曲线边界和各向异性渗透介质方面比有限差分法具有较大的灵活性，但是它的计算模式比较复杂,计算量比较大、时间较长,需占大量的计算机内存，往往导致一般计算机难以胜任,而且不太适宜处理点源或点汇问题；边界元法的特点在于将数值方法与解析解有机结合,但是在推导方程及对非均质渗透