低渗透油藏开发理论研究

1、大庆石油学院本科生毕业设计论文摘 要本文首先介绍了低渗透砂岩油田在我国石油工业中的地位、低渗透油田开发的特点以及开发过程中存在的一些问题、详细介绍了低渗透油藏非线性渗流的研究现状及主要成果。然后全面分析了低渗透储层非达西渗流的概念，从多孔介质的孔隙结构、渗流流体的非牛顿性质、孔隙介质与流体之间的相互作用等几个方面对低渗透油藏非线性渗流规律进行研究，并且推导出启动压力梯度并运用启动压力梯度进行相关的计算。其次是从低渗透储层产能分析、低渗透油藏产量递减规律及水驱特征曲线、低渗透油藏动用条件分析等几个方面对低渗透油藏开发生产规律进行分析研究。主要目的是基于低渗透和裂缝性低渗透油藏在开发中所面临的实际

2、问题，对低渗透油藏的渗流机理和规律进行研究，为更好的开发好这类油田提供理论指导。关键词：低渗透油藏；启动压力梯度；非线性渗流；有效驱动因子abstractthis paper introduced the first low-permeability sandstone oilfields in chinas oil industry in the status of low permeability oil field development as well as the characteristics of the development process in some of the is

3、sues in detail on the low-permeability reservoir nonlinear flow of the status quo and major achievements. and a comprehensive analysis of low permeability reservoir darcy flow concept, from the porous medium pore structure, the flow of non-newtonian fluid nature of fluid and porous media such as the

4、 interaction between several areas of low permeability reservoir nonlinear seepage of research and derived starting pressure gradient and apply pressure gradient associated start the calculation. second, from low-permeability reservoir capacity for analysis of low permeability reservoir and producti

5、on decline of water flooding characteristic curve, low permeability reservoir conditions of use, and other aspects of development and production of low permeability reservoir of research for analysis. main purpose of this paper is based on the low permeability and fractured low permeability reservoi

6、rs in the development of the practical problems faced by the low permeability reservoir flow mechanism and laws of the study, for the better good of the development of such oilfields provide theoretical guidance.key words: low permeability reservoir; starting pressure gradient, non-linear flow; effe

7、ctive driving factor目 录第1章 概述11.1 研究的目的和意义11.2 低渗透砂岩油田开发在我国石油工业中的地位11.3 低渗透油田开发过程中存在的问题21.4 低渗透油藏非线性渗流的研究现状及主要成果3第2章 低渗透油藏非线性渗流规律研究72.1低渗透油气层特点分析72.2低渗透油藏非线性渗流机理理论研究92.3孔隙介质与流体之间的相互作用研究112.4启动压力的推导以及计算13第3章 低渗透油藏开发生产规律研究163.1低渗透储层产能分析163.2低渗透油藏产量递减规律及水驱特征曲线193.3低渗透油藏动用条件分析26结 论30致谢31参考文献32i第1章 概述1.1

8、 研究的目的和意义石油是保证我国国民经济发展的重要因素，随着工业化的快速发展，石油的作用越来越大。就目前石油工业的发展状况，石油开发的形势是随着我国油田进入高含水和特高含水期，原油的开采难度逐渐加大;勘探的形势是新近探明储量中低丰度、低渗透、低产能俗称“三低”储量占居的比例很大。90年代以来在大庆、吉林、辽河、胜利、长庆等主要油田陆续发现了许多低渗透油藏。据统计，在近几年探明的未动用石油地质储量中，低渗透油藏的储量占58%，而在探明的石油地质储量中，低渗透油藏的石油地质储量所占比例高达60-70%，甚至更高。可见低渗透油藏是我国今后相当长一段时间内增储上产的主要资源基础。我国陆地低渗透油田广泛

9、分布于全国20多个油区，它们分布在不同的岩性地层中，物性参数相差很大。而且，在我国陆上原油探明储量中低渗透油田占有非常大的比例，目前探明储量约40亿吨。因此我们有必要总结开发低渗透油田的成功经验，分析目前存在的矛盾，进一步改善开发效果，提高经济效益，争取更多的低渗透油田投入开发，以保证我国石油工业的持续发展。如何做到合理、科学、高效开发低渗透油田是我国石油天然气工业在今后相当长时期内的一个重要战略目标和任务。为了能更有效的开发低渗透油藏，本章比较详细的介绍了低渗透油藏的基本情况。1.2 低渗透砂岩油田开发在我国石油工业中的地位石油是保证我国国民经济发展的重要因素，随着工业化的快速发展，石油的作

10、用越来越大。就目前石油工业的发展状况，石油开发的形势是随着我国油田进入高含水和特高含水期，原油的开采难度逐渐加大;勘探的形势是新近探明储量中低丰度、低渗透、低产能俗称“三低”储量占居的比例很大。90年代以来在大庆、吉林、辽河、胜利、长庆等主要油田陆续发现了许多低渗透油藏。据统计，在近几年探明的未动用石油地质储量中，渗透率小于5010-3m2的渗透储曾储量占58%，而在探明的石油地质储量中，低渗透油藏的石油地质储量所占比例高达60-70%，甚至更高。可见低渗透油藏是我国今后相当长一段时间内增储上产的主要资源基础。我国陆地低渗透油田广泛分布于全国20多个油区，它们分布在不同的岩性地层中，物性参数相

11、差很大。而且，在我国陆上原油探明储量中低渗透油田占有非常大的比例，目前探明储量约40亿吨。因此我们有必要总结开发低渗透油田的成功经验，分析目前存在的矛盾，进一步改善开发效果，提高经济效益，争取更多的低渗透油田投入开发，以保证我国石油工业的持续发展。如何做到合理、科学、高效开发低渗透油田是我国石油天然气工业在今后相当长时期内的一个重要战略目标和任务。1.3 低渗透油田开发过程中存在的问题我们知道，石油天然气等能源类物质多数被储存在高温高压的多孔介质中。组成多孔介质的岩石主要特性是储容性和渗透性,渗流力学作为一门边缘学科，经过一百多年的发展，己经在研究多孔介质流动特别是石油天然气渗流方面取得了很大

12、的进展，目前渗流力学己经成为油藏工程师必备的知识。随着石油工业的发展，渗流力学也必将从线性渗流过渡到非线性渗流，目前非线性渗流的研究已经成为国际渗流力学研究的热点。由于岩石特别是低渗透储层的比表面积十分巨大，即使其中只含有单相流体，例如油，它和岩石孔隙的接触面积也是巨大的，何况在实际的油藏中只含有一种流体的情况极少，油藏流体总是以油水两相或油气水三相同时存在于岩石的孔隙中部，从而使得岩石内部就不只是油同时还有水气和岩石表面接触，此外，还有油水、油气、水气的接触，因此，含有多相流体的油藏中的表面或界面是巨大的，表面或界面的性质如油水对岩石孔隙表面的选择性润湿和油水之间的界面张力等问题显得十分突出

13、。加上油藏岩石的孔隙孔道和喉道很小，孔隙结构复杂，油气水和岩石的表面或界面性质又引起了一系列的毛管现象。因此，从一定程度上说，油藏的开发动态特征大部分是由岩石的孔隙结构特征以及孔隙内部的界面或表面特征决定的。相对于高、中渗透油藏，低渗透油藏岩石的结构和表面特征对油藏的开发特征的影响尤其巨大，甚至是制约性的。逐步形成了低渗透储层储量资源巨大，但可动资源小，同等含水率下极限储采比高。低渗透油田开发的具体的表现如注水难度大，注水见效慢，油藏欠注严重，注水启动压力大，采油速度和注水采出程度低，无效注水严重，岩石孔渗物性参数受到上覆压力变化巨大，这些现象无不与地层的结构特征有关。另一方面，由于低渗透油藏

14、的孔隙结构特征，对注水水质的要求十分严格，甚至严重到不能进行注水，或无效注水，这就给低渗透油藏注水开发带来了一系列的困难。大量的低渗透岩心室内水驱油实验证实，随着含水饱和度的上升，油相相对渗透率急剧降低，而水相相对渗透率上升缓慢，到残余油饱和度时的水相相对渗透率也很小(一般在20%左右，有的甚至更低)，共渗点很低，渗流阻力很大。而在油田开发的过程中，由注水井注入的水聚集在注水井附近，形成局部高压区，使得注水压力逐渐升高，注水量逐步减小，无效注水增加，这就造成采油井的产量降低，低产低效井逐渐增多。在增产增注措施效果不理想的情况下，往往采用提高注水压力的方法来提高注水量和注采压差。高压注水能在一定

15、程度上增加注水量，但不能改变注水量降低和相应生产井产液量下降的问题。当注水压力增加到地层破裂压力以上时，地层产生裂缝。裂缝可能扩展到泥岩层或盐岩层，注入水会使泥岩蠕变、盐岩溶蚀。在地应力的作用下，地层会产生相对位移，使套管变形，甚至断裂。由于这类油田注水十分困难，有许多油田甚至不能依靠注水开发，出现了依靠注入水的渗吸作用进行间歇采油或捞油、注烃类气体或二氧化碳气体、水气交替注入、注活性水或泡沫水驱等开发方式。当上述的开发方式不适合时，通常采用常规的工艺如钻水平井、压裂、酸化等注水井的增注措施方面。实践表明，开发低渗透油田除了必须考虑的粘土矿物的运移和膨胀等造成的油层伤害、套管变形、合理钻井液、

16、合理完井液、合理的射孔方式、流固祸合、采油方式等油田开发的工艺问题以及细分层位、注水时机、储量计算等地质问题外，必须考虑低渗透油田开发过程中的非线性渗流问题。1.4 低渗透油藏非线性渗流的研究现状及主要成果随实验水平的发展和计算机的应用，求解非线性问题己经成为研究的热点。在实验研究方面主要集中在启动压力的物理实质与力学描述，在渗流方程方面已经取得了一些认识，一般多数文献都是局限于在数学处理时所采用的渗流方程中辑加=启动压力梯度，-没有从影响低渗透非线性渗流机理的角度来考虑。黄延章等人从研究低渗透低速非达西渗流机理出发，重点研究边界层对渗流规律的影响，通过实验与理论相结合的方法研究边界层对渗流的

17、影响。他们采用了两种粘度相同，性质不同的油，一种是原油，一种是模拟油，结果表明，在相同压力梯度下，原油的边界层厚度要比模拟油的边界层的厚度大的多;边界层厚度越大，非达西现象越明显;渗透率越低，边界层对渗流规律影响越明显。低渗透储层中的流体流动是非线性渗流中的一种，称为低渗透非线性渗流。其特征曲线分为两部分，在低压力梯度范围内渗流量与压力梯度呈非线性，在高压力梯度范围呈拟线性。拟线性段的反向延长线不通过坐标原点，而与压力梯度轴有交点，称为拟启动压力梯度。由非线性段过渡到拟线性段的点称为临界点，该点界定两种不同的流态，两种流态反映了两种不同的渗流规律。针对低渗透油藏中出现的一系列问题，许多学者根据

18、带启动压力梯度的非达西线性渗流方程，研究了低渗透油藏中流体的渗流问题。郑祥克，陶永建，门承全等，在前人针对达西流的工作基础上，推导出含启动压力梯度的低速非达西渗流的产能方程，为解析流入动态关系(ipr)曲线方法在低渗、特低渗透油藏中的应用提供了理论依据。并且根据建立的产能方程分析了实际油田特低渗透储层的生产动态特征，应用结果表明，该方法所得结果比试井分析以及岩心实验结果能够更好地预测特低渗透储集层的产能，且结果可满足工程分析的精度要求;谷建伟，毛振强为解决低渗透油田生产参数变化与中、高渗透油田不同的问题，在考虑低渗透油藏存在启动压力、毛管力、重力等因素情况下，推导了低渗透油田油水两相渗流时生产

19、参数含水率、无因次采油指数、无因次采液指数的变化形式，并具体分析了3种因素对生产参数的影响，结果表明，毛管力和启动压力的存在使得含水率增加，重力对含水率的影响与地层倾角有关，并且两者的存在增加了无因次采液指数，对无因次采油指数无影响;吕成远，王建，孙志刚通过实验测定3个不同渗透率级别的低渗透砂岩油藏岩心样品的非达西渗流曲线，采用“毛细管平衡法”与传统的“压差-流量法”相结合，保证了非达西渗流曲线的完整性。在每块实验样品的平均渗流速度与单位粘度的驱替压力梯度的关系坐标中，利用二次函数拟合实验数据点，通过二次函数曲线切线的斜率和截距的变化来描述低速非达西渗流中岩心渗透率和启动压力梯度的变化，探讨了

20、启动压力梯度与空气渗透率、流体粘度、驱替压力梯度的关系以及低速非达西渗流段的渗透率变化与空气渗透率和单位粘度的驰替压力梯度的关系，并回归得到了经验公式。陈祖华，刘京军等针对低渗透砂岩油藏存在启动压力梯度的特点，以具有启动压力梯度的渗流公式为基础，求出地层稳定生产时径向流产量公式及压力分布公式，用物质平衡法求解出低渗透油田注水见效时间与注采井距的关系。结果表明低渗透油田压力波传播时间与压力梯度关系密切，注水见效时间与启动压力梯度成正比，与井距的立方成正比。该方法用于宝中区块合理井距的确定，方案实施后，实际注水见效时间与计算值相符。吴景春，袁满，贾振岐等选取渗透率在05010-3m2天然岩心和人造

21、岩心进行了室内渗流实验。通过实验研究了低渗透油藏启动压差的形成机理及变化规律、非达西流动的产生条件及其渗流规律，并建立起3类流体非线性渗流时的流动方程;邓英尔，刘慈群根据低渗透介质非线性渗流运动规律三参数连续函数模型，用质量守恒定律及椭圆渗流的概念，建立了低渗透介质中两相流体椭圆非线性渗流数学模型，运用有限差分方法和外推方法求得了模型的解，导出了两相流体椭圆非线性渗流条件下油井见水前后开发指标的计算公式，并进行了实例分析。结果表明:非线性渗流对含水饱和度分布影响较大;非线性渗流使得水驱油推进速度比线性渗流的快，使油井见水时间提前，使得石油开发指标变差;非线性渗流使得同一时刻的压差比线性渗流的大

22、，使石油开发难度加大。这为低渗油藏垂直裂缝井开发工程提供了科学依据;丁海涛，闺建文，杜政学等论述了大庆外围低渗透油田渗流过程中的压力损失、有机垢、无机垢、储层敏感性及入井液的固相颗粒等造成的储层伤害类型，分析了储层伤害的典型实例及采取相应保护措施后的效果，提出了低渗透油田要采取早期注水保持地层能量、采用高水质注水保证油层具有稳定的吸水能力、采用优质工作液降低油层伤害程度、建立敏感性数据库和智能判别系统等保护储层方面的建议;贺伟，冯曦，钟孚勋针对低渗储层气体低速非达西渗流机理进行了研究，介绍了开展实际低渗透岩样特殊渗流实验的结果和认识，探讨了低渗岩石气体低速非达西渗流的物理实质和一般规律，认识到

23、了含水状态下岩样渗流偏离达西定律的现象并可以用“启动压差”和“临界压力梯度”两个参数来描述，在实验的基础上建立了描述气体低速非达西渗流的数学模型;贾振岐，王延峰，付俊林等认为流体在低渗低速下渗流时，具有一定的弹塑性。实验证明，这种特性与介质和流体的种类和性质有关。低渗透油藏的孔隙越小、喉道越窄，孔喉比就越大，因此具有很大的比表面能和自由能。而固、液表面的分子作用力越强，则启动压力就越高。在注水开发过程中，相界面的变化引发了多种物理过程和化学反应，进而引起流体的非达西渗流特征。傅春华，葛家理针对低渗透油田储集层天然裂缝发育、开发过程中油层渗透率非常数、地下流体渗流不服从达西定律的性质，从变形介质

24、渗流理论研究入手，建立了变形介质带启动压力梯度的非线性渗流的数学模型，推导出了变形介质非线性稳定渗流条件下，油井的产油量和压力计算公式，并对弹性介质达西渗流、变形介质达西渗流、弹性介质非达西渗流和变形介质非线性渗流条件下，油井产油量进行了对比分析;阮敏，何秋轩等认为临界点是低渗透非达西渗流由非线性渗流区向拟线性渗流区转变的标志，它界定了两种不同的渗流规律。它的确定对于准确描述低渗透非达西渗流具有重要意义。针对低渗非达西渗流曲线上临界点的难确定以及什么条件下出现非达西渗流问题，进行了较为深入的研究与分析。在大量实验研究的基础上，采用蒙特卡洛数值解法来确定临界点，克服了早期利用图板法确定临界点的不

25、足。同时，提出一种临界参数判别法，用于判定低渗透多孔介质中的渗流形式，为确定低渗透油田开发渗流计算方法提供了理论依据。为了确定该渗流形式出现的条件，在实验研究的基础上，针对引起非达西渗流的主要作用机制，如流体粘度、介质渗流率、孔隙几何结构等进行了讨论，运用因次分析方法，提出了一个综合判据:压力数(凡;根据实验并结合微分原理，提出了低渗透复杂介质系统内非线性渗流的微分线性描述方法，比较详细地介绍了该方法的原理、步骤和使用过程中应当注意的问题。该方法不但可以描述流体渗流的非线性，而且还能描述流体流态的多变性;宋付权，刘慈群，李凡华考虑启动原理梯度的影响，建立了一维低渗透岩心和圆形油藏中一开一关渗流

26、的数学方程，并进行了有动边界问题的数值求解。并以数值为基础，分析了渗流终态时井底(或岩心采液端)压力及压力影响半径(或距离)与启动压力梯度和关闭时间的关系，并给出相应的公式及压力峰值的传播规律。得到了有意义的结果，为低渗透油藏开发室内实验和现场应用提供理论基础。程时清根据ramey等人提出的实用dst段塞流模型及典型曲线拟合方法，考虑了不稳定渗流扩散方程的非线性项，建立了段塞测试的非线性模型，研制了新型典型曲线，并进行了实例分析;阮敏，王连钢等在实验的基础上，分析了渗透率的压力敏感性特征以及低渗透油田开发中存在的问题。研究表明，因贾敏效应的存在，在井壁附近地层渗透率只占供液边界处渗透率值的45

27、%左右;当地层压力下降5mpa时，产量下降可达13%左右;赵明跃，王新海，雷霆等在实验的基础上建立了高速非达西渗流的物理模型和数学模型。用数值的方法，建立了相应的数值模型即差分方程，通过求解和编制相应的软件，模拟了不同紊流条件下的井底压力响应与地层压力分布，并探讨了不同紊流条件下，井底压力响应特征和地层压力分布特征;刘曰武，丁振华，何凤珍等概述和评价了确定低渗透油藏启动压力梯度的三种方法，重点介绍了低渗油藏试井分析确定启动压力梯度的方法和实际应用意义，给出了低渗透油藏试井分析模型与常规中、高渗透油藏试井分析模型的对比;姚约东，葛家理等人经过大量的室内实验研究，发现石油渗流除了通常的线性达西流和

28、高速紊流外，还有3种新的运动形态，他们分别是亚高速、低速及超低速，并且在无因次关系曲线上找到这5种流态相互转化的临界值。用无因次分析法对低渗透岩心的实验数据进行了分析，得出新的渗流规律。从微观角度出发，应用边界层理论进一步证实了这一渗流规律。运用新的运动方程，建立了低渗透油藏不稳定渗流的数学模型。根据拉氏变换和stehfest数值反演，求得了有限半径井的实空间近似解，并应用数值分析方法验证了近似解析方法的可行性。对低渗透油藏的压力动态特征以及边界对压力动态影响的分析结果表明，低渗透油层试井曲线的压力动态特征为:短时曲线与达西渗流模型相似，而长时曲线则受到非达西渗流的影响。对于恒压边界油藏，压力

29、趋于稳定的时间比达西渗流要迟一些:在无限大地层中，其导数曲线是一簇平行的倾斜线。对于同一区域低渗透油层试井曲线，其导数曲线出现“阶跃”的时间较迟的井区，流动系数比较好，反之则较差;程时清，张盛综，黄延章等人研究了低渗透油藏低速非达西径向渗流的动边界问题，给出了高精度的积分解，分析了启动压力梯度对压力分布的影响，发现启动压力梯度越大，井底附近压力下降越快，外边界传播越慢;周涌忻，彭仕必i李阳等认为流体渗流的非线性和流态的多变性是复杂介质储层中的主要特征。根据实验渗流曲线的非线性特征，并结合微分原理，提出了一种广义的渗流描述法。该方法不但可以描述流体渗流的非线性，而且还能方便地确定出流体在任一流速

30、或者任一压力梯度下的渗流方程，从而可以有效地描述渗流过程中流体流态的多变性;薛芸，石京平，贺承祖根据表面与胶体化学近代原理和有关实验资料，将低速非达西流动归咎于测试系统受污染而引起的实验误差、流动边界层性质异常或水膜等均难以成立。他们认为，液体在干岩样中的低速非达西流动可能与多孔介质中胶体颗粒进入孔隙流体引起的塑性流动有关，气体在含水岩样中的低速非达西流动可能与相渗透率滞后导致的水在岩样中的重新分布有关。第2章 低渗透油藏非线性渗流规律研究2.1低渗透油气层特点分析低渗透油藏的渗透率很低、油气水赖以流动的通道很微细、孔喉比大、渗流阻力很大、液固界面及液液界面的相互作用显著，并导致渗流规律产生某

31、种程度的变化而偏离达西定律。这些内在因素反映在油田生产上往往表现为单井日产量小甚至不压裂就无自然产能;稳产状况差，产量下降快;注水井吸水能力差，注水压力高，而采油井难以见到注水效果;油田见水后，含水上升快，而采液指数和采油指数急剧下降，对油田稳产造成很大困难。首先是低渗透油层的地质特征呈现以下几个特点：（1）储层物性差，孔隙度和渗透率低总体上看,岩屑含量高、粘土或碳酸盐胶结物较多是低渗透砂岩储层的普遍现象。据统计，低渗透油田储层平均孔隙度为18.55%，就油层孔隙度分布而言，平均孔隙度10.20%之间的油层占36.67%，平均孔隙度大于20%的油层占13.33%,其余50%左右油层的孔隙度小于

32、10%。储层渗透率一般为l一5010-3m2，但各个油田的情况不一。从18个油田28套油层统计，平均渗透率小于1010-3m2的油层占61%,（1-20）10-3m2的油层占21%，我国的低渗透油田一半以上的储量存在于渗透率小于1010-3m2的油藏中。（2）储层非均质性严重低渗透油藏的非均质性主要是受水进、水退形成储层纵向上的沉积旋回规律而造成储层不同微相之间的储层物性差异。层内非均质性受沉积韵律的变化和成岩作用而表现出明显的不同。（3）孔喉细小，溶蚀孔发育低渗透砂岩储层的孔隙以粒间孔隙为主，原生粒间孔隙和次生粒间孔隙都发育，但溶蚀孔隙相对较发育，另外还有微孔隙，晶间孔和裂隙孔。低渗透储层以

33、中孔、小孔为主;喉道以管状和片状的细喉道为主，根据大量低渗透油田砂岩储层的统计，喉道半径一般小于1.5m，非有效孔隙体积在整个孔喉体积中所占比例较大，在26%-65%之间，平均30%，直接影响储层的渗透性。（4）油层原始含水饱和度高在水相中沉积的砂岩层，当油从生油层运移到该砂岩层中，由于油水的润湿性不同和毛管力的影响，而使运移的油不可能把孔隙中的水完全驱出而残存下来，成为束缚水。由于低渗透岩层中含泥质多，渗透率和孔隙度低，其含水饱和度一般在30%-50%，有的高达60%.（5）储层敏感性强低渗透砂岩油藏储层碎屑颗粒分选差，粘土和基质含量高，成岩作用强，油层孔吼细小，容易受到各种损害。（6）原油

34、性质好我国多数低渗透油田原油具有原油密度小、粘度小、含胶质和沥青少的特点，另外原油凝固点比较高、含蜡量比较高，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。原油性质好是低渗透油田开发的一个重要的有利因素。其次是影响低渗透油田开发效果的主要因素主要包括以下几个方面：（1）油层孔吼细小，比表面积大，渗透率低低渗透储层由于近源沉积，碎屑物质分选程度差；或因为远源沉积，岩石颗粒细，以及成岩压实和胶结作用，造成油层孔隙小、喉道细、比表面积大、渗透率低。低渗透油层一般以小微孔隙和细微细喉道为主，平均孔隙直径一般为26-43m，喉道半径中值只有0.1-2.0m，比表

35、面积高达2-20m2/g 。储层孔喉细小和比表面积大，不仅直接形成了渗透率低的结果，而且是低渗透油田一系列开采特征的根本原因。（2）渗流规律不遵循达西定律，具有启动压力梯度低渗透储层由于孔吼细小、比表面积大、原油边界层厚度达西大、贾敏效应和表面分子力作用强烈，其渗流规律不遵循达西启动压力梯度定律，具有非达西渗流特征。渗流直线段的延长线不通过坐标原点（达西渗流通过坐标原点），而与压力梯度轴相交，其交点即为启动压力梯度。渗透率越低，启动压力梯度越大。弹性能量小，利用天然能量方式开采压力和产量下降快（3）低渗透储层由于储层连通性差渗流阻力大，一般边底水都不活跃，弹性能量很小。除少数异常高压油田外，弹

36、性阶段采收率只有1%-2%，溶解气驱采收率也不高。在消耗天然能量方式开采条件下，地层压力大幅度下降，油田产量急剧递减，生产管理都非常被动。（4）产油能力个吸水能力很低，油层注水效果缓慢。低渗透油层自然生产能力很低，甚至没有自然产能，一般都要经过压裂改造后才能正式投产。即使经过压裂改造，其生产能力也很低，采油指数仅仅相当于中、高渗透油层的几十分之一。由于低渗透储层渗流阻力大，大部分能量都消耗在注水井周围，油井见注水效果程度差。在250-300m井距条件下，一般注水半年至一年后油井才能见到注水效果，见效后油井压力、产量相对保持稳定，上升现象很不明显。（5）油井见水后产液（油）指数大幅度下降由于油水

37、粘度比和岩石润湿性等多种因素的影响，低渗透油井见水后产液（油）指数大幅度下降。当含水达到50%-60%甚至更高时，无因次采油指数更低，只有0.15。低渗透油层的这种特性，对油井见水后的提液和稳产造成很大的困难（6）裂缝性低渗透砂岩油田沿裂缝方向油井水窜、水淹严重。我国带裂缝的砂岩油田其基质岩块绝大多数都是低渗透油层，构成裂缝性低渗透砂岩油田。这类油田注水井吸水能力高，沿裂缝方向的油井水窜、水淹现象严重。有的油田在注水井投产几天甚至几小时后，相邻的油井即遭到暴性水淹。但裂缝具有双重作用，调整、控制得当，也可取得较好的开发效果。2.2低渗透油藏非线性渗流机理理论研究多年来，人们运用达西线性渗流规律

38、，成功地解决了中高渗透油气田油水渗流及开发技术指标的计算问题。然而在低渗透油田的开发过程中出现了一系列有别于中高渗透油田开发的特殊问题，对于低渗透介质渗流规律的实验研究也显示出了其特殊性。低渗介质渗流遵循非线性渗流规律。其主要的影响因素和特点表现在以下几个方面2.2.1多孔介质的孔隙结构孔隙大小、孔隙喉道几何结构及其分布都会影响其中流体的渗流速度。岩层的孔隙喉道狭窄、连通性差、渗透性差，是造成低渗透非线性渗流的重要因素。因为这类储层的流动阻力很大，致使渗流速度极低。alvaroprada、阎庆来、吴景春等人利用低浓度盐水对不同渗透率的天然岩芯和人工胶结岩芯做单相渗流实验.，得出的渗流曲线特征为

39、:在低渗流速度下，渗流曲线呈现非线性关系.随着渗流速度的提高，曲线的非线性关系段向线性段(不通过坐标原点)过渡。这种同一液体在不同多孔介质中表现出不同的渗流特征，充分地说明了多孔介质的孔隙结构特征起着决定作用。（1）孔隙半径 单个孔隙大小直接影响渗透率，小孔道体积占岩样孔隙总体积的比例越大，其渗透率越小。孔隙平均孔道半径r与渗透率k之间的关系可以用下式描述： （2-1）在低渗透孔隙介质中，孔隙喉道的狭窄将引起如下效应:贾敏效应显著。油层的孔隙系统是由大小不同的孔隙“连通的”喉道所组成的更复杂的孔喉网络。当珠泡由较大的孔隙流动到较窄的喉道时就遇到阻挡。要使珠泡通过孔道窄口，需要克服珠泡遇阻变形所

40、产生的毛管力，也就是贾敏效应现象。低渗透油层孔喉变化频繁、孔喉比大，因而贾敏效应更为显著。卡断现象严重。在连续液流通过岩石孔隙喉道时，由于低渗透层喉道半径很小，毛管力急剧增大，当驱动压力不足以抵消毛管力效应时，液流将被卡断，连续的液流变为分散的液滴。这种流动形态的变化将导致渗流阻力的增大，降低渗透率。（2）比表面积 比表面积表示岩石的分散程度，与孔隙孔道半径的分布及大小有关。液体的渗透率与平均孔道成正比，因此，比表面积与渗透率之间也存在一定的关系。黄延章认为，比表面积与渗透率的平方根成反比，渗透率越小，比表面积就越大。岩石的比表面积越大，表明流体与固体表面之间分子力作用越强，它将影响孔隙系统中

41、流体的分布及渗流特征。由吸附理论可以知道，物质比表面积越大，其吸附力越强，吸附的物质越多，流动阻力越大，渗透率越小。在低渗透储层中，由于孔喉细小、比表面积和原油边界层厚度大、贾敏效应和表面分子力作用强烈，渗透率低，其渗流规律不再遵循达西定律，具有非线性型渗流特征。低渗透油层的渗透率越低，启动压力梯度越大，非线性渗流指数也越大。2.2.2 渗流流体的非牛顿性质流体性质主要体现于流体的粘度和密度，它们一起构成了流体的运动粘度，在某种程度上对流体的渗流起着决定性的影响。研究发现流体性质对渗流特征的影响表现为:随粘度增大，非线性延伸越长，曲线曲率越小，临界压力梯度和启动压力梯度越大，非线性特性越强烈。

42、粘度减小到某值时，渗流由非线性流转变为达西流，而临界压力梯度和启动压力梯度都趋近于零。在自然界，非牛顿流体是普遍存在的，而牛顿流体仅在一定条件下才存在。控制孔隙介质流通的喉道的直径往往小于10m，边界层影响显著，因而即使是水和高稀释液体在喉道中也表现为非牛顿流体的性质。渗流环境中的流体不同于一般泛指的体相流体，渗流流体包括体相流体和边界流体两部分流体。体相流体的性质不受界面现象的影响，而边界流体的性质则明显地受界面现象的影响。因此，从整体来看，渗流流体的性质受界面现象的影响。流体在孔道中粘度有变化，其分布规律是:从孔道壁界面流体的高粘度，朝着孔道中轴的方向，逐步地过渡到体相流体的低粘度，因为孔

43、道的大小和分布与渗透率有关，所以，渗透率的变化对渗流环境下流体的粘度有明显的影响。渗流流体的粘度直接影响该流体的粘滞力和剪切应力，粘滞力及剪切应力都与粘度成正比，因此孔道中流体粘度的分布又直接影响粘滞力的变化，孔道中流体的粘滞力及剪切应力都与渗透率成反比，渗透率越小，粘滞力及剪切应力就越大。由于在低渗透多孔介质中流体表现为非牛顿液效应，其渗流特征符合bingham流体渗流，即当剪切应力大于屈服应力时，其流动与牛顿流体相同，其渗流规律为: 0 （2-2） =0水通常可以认为是牛顿流体，但是，当它在很细小的孔道中流动时就显示出了非牛顿特征，即呈现出非线性渗流特征，具有启动压力梯度。对粘度比水大且具

44、有结构粘度的原油来说，当它流经低渗透岩心时，其非牛顿流动特征更是不言而喻的。在低渗透层中渗流时，它也呈现出非线性渗流特征和具有启动压力梯度。因此，储层中的原油原则上并不是牛顿流体，更不能在整个孔隙系统中保持其恒定的特征。但是，在油藏工程应用中，对高渗透性稀油油层来说，由于原油边界层不太厚，边界层中的原油占总原油的比例不太大，边界层原油的非牛顿性对线性渗流规律影响不明显。在一定的误差范围内，可以把它当作牛顿流体对待。在解决大量的中高渗透性油藏的工程设计计算时，油藏工作者成功地运用了达西定律。然而，对低渗透油藏和稠油来说，由于固液界面作用强烈，液体在岩石表面的边界层的影响则是可忽视的因素，它会使渗

45、流规律发生明显的变化，乃至偏离达西定律。2.3孔隙介质与流体之间的相互作用2.3.1水对孔隙结构的影响由于岩石中多含有粘土矿物，不同的粘土矿物表现不同程度的水敏特性，即遇水膨胀变形。同时粘土矿物还可以吸水后沿层理分裂为碎片或在流体流动剪切力的作用下，把粘附在岩石颗粒上的粘土絮解成更为细小的颗粒。无论是增大了体积的矿物颗粒，还是分裂或絮解下来的粘土矿物碎片，都会增大流体流动阻力，可堵塞一部分流体流通。此外，水有搬运粘土矿物颗粒的能力。在渗流过程中，粘土矿物微粒随流体在孔道内流动时，当流经颗粒之间所形成的孔隙喉道处、孔道壁的粗糙部位以及当流体流动方向发生变化时，均可造成不同形式堆积堵塞，阻挡流体的

46、流动，降低孔隙介质的渗透率。因此，粘土矿物在渗流过程中的膨胀与迁移，堵塞了多孔介质的部分孔道，增加流体流动阻力，降低渗透率，从而增加启动压力梯度。2.3.2界面张力的影响在任何一个不可混相的二相体系中，相间都存在着界面。界面张力是源于分子间的相互作用力，并构成界面两相的性质差异。miller,p.尼奥基认为，界面张力是影响流体界面形状的关键因素，它控制流体的形变特性。接触角和湿润性强烈地影响多相体系中各相的排列，当在多孔介质中存在两个流体相时，接触角效应确定了两种流体的位置，即哪种流体占据哪个孔道，由接触角决定。另一方面，如果在孔隙中存在液滴，当施以压力梯度时，界面张力确定液滴是否能变形到足以

47、通过弯曲的孔道，那么在比表面积很大的体系中界面效应特别重要，当某一相以很小的滴或颗粒分散在另一相中时，界面效应就表现得更为强烈。低渗透岩石因低渗、低孔隙度，孔道细小，故孔喉作用增强，加上微观孔隙结构复杂，高比表面积，从而引发的界面效应强烈。而低渗透油层液体渗流具有非线性特征的主要原因可能是固液界面分子力的强烈作用。由于低渗透岩芯的孔隙系统基本上是由小孔道组成的，流体与固体之间的界面张力影响显著，在流动过程出现不可忽视的阻力。2.3.3边界层的影响在流体通过多孔介质流动的过程中，在固液界面张力作用下，多孔介质孔隙的表面形成一个流体吸附滞留层(边界层)。根据langmuir(1916)的吸附理论及

48、试验测量，吸附滞留层的厚度因流体性质不同而有所不同，大约在0.1m左右。吸附滞留层流体不易参与流体流动，只有当驱替压差达到一定程度时这部分流体才能克服表面分子作用力的影响参与流动。低渗透岩层孔隙孔道异常细小，吸附滞留层的影响明显。尤其是渗透率低于1010-3m2的低渗岩层，平均孔隙喉道半径仅为0.114m,吸附滞留层厚度与其在同一个数量级上。这时，必须有足够的能量克服固液界面分子的作用力才能使吸附滞留层参与流动。即只有压力梯度达到一定数值，细小孔隙中的流体才能参与流动。这说明，细小孔隙中的流体流动具有启动压力。吸附层的产生降低了岩石的渗透率，对渗流产生很大影响，且这种影响随岩石颗粒比表面积的增

49、大而增大.因此，必须有一个附加的压力梯度克服吸附层的阻力才能开始流动。水在粘土中渗流，粘土颗粒具有吸引水的极性分子的能力，并形成水化膜，虽然膜的厚度很小，但岩石中比面很大，其影响还是很大的。由于粘土中的水多被束缚，只有附加一个压力梯度，才能引起水化膜的破坏而开始流动。非线性渗流是由于多孔介质颗粒表面吸附层或结合水薄膜的流变学特性所决定的。在开始渗透时，由于有效过水断面的变动，而不符合达西线性阻力定律;直到最后的渗透断面构成为止，才按达西定律形成直线变化。2.4启动压力的推导以及计算低渗透油藏是指孔隙度较低、渗透性较差的原油储集层。流体在低渗透油藏中的流动与中高渗透油藏明显不同。当低渗透储集层渗

50、透率降低到一定程度后,其渗流特征已不符合达西定律,这种渗流被称之为非达西渗流。如何准确确定低渗油藏中流体流动的启动压力梯度,一直困扰着研究人员。本文在渗流理论基础之上,结合速敏资料,提出了低渗透油藏流体启动压力的计算方法。2.4.1 启动压力梯度计算方法的推导90年代以来,人们对非达西渗流现象尤其是低速非达西渗流现象进行了广泛研究,描述低速非达西渗流规律的运动方程为: (2-3)式中 v渗流速度 , k油层渗透率 m2; 液体粘度 mpas, g radp压力梯度 ； 常数,油层启动压力梯度。当gradp时才能流动。由式(2-3)可看出该方程具有以下特征:随着压力梯度gradp的增大,的影响减

51、小。因此,在相对较高的压力梯度区间内(g radp在层流临界压力梯度范围内), vgradp关系曲线是一条不通过原点的直线,其具体的表现形式如下: （g radp） （2-4）式中a,b分别为这一直线的系数和常数项。令v=0,则油层的启动压力梯度为: （2-5）根据式(2-3),(2-4)对应关系,有 （2-6） （2-7）由此表明,油层的启动压力梯度与其液体的流度呈双曲反比例关系,二者的乘积为一常数,该常数只与油层及通过的液体有关。启动压力梯度随岩心渗透率的降低而升高,不同流体的启动压力梯度不同。对整个油藏而言,其启动压力梯度都具有与式(2-7)相同的表现形式,说明油藏的启动压力梯度与液体流

52、度之间存在的这一规律具有普遍意义。2.4.2 启动压力梯度的计算启动压力梯度的方程(2-4)是一个拟线性方程,在流速与驱动压力梯度曲线上根据直线的斜率和截距即可求得启动压力梯度。在油田开发中,最简便地获取流速与压力梯度关系的方法是通过速敏试验。速敏试验是油田为了研究流体流速对储层造成的伤害程度而开展的常规性试验,因此数据资料容易获得。速敏试验评价的是岩心在不同流量条件下渗透率的变化情况,所以可根据速敏资料直观地观察启动压力是否存在:若随流量的增大而渗透率逐步降低,说明在试验流量条件下,岩心已发生不同程度的速敏,不能用来计算启动压力梯度;若发现渗透率随流量的增大而增大时,则表明存在启动压力,据此

53、可根据速敏试验的基础数据对v(p/l)进行研究,从而计算出启动压力梯度及相应的流度。2.4.3 实例庄1井区j1s2储层平均孔隙度为13.9%,平均渗透率23.910-3m2为低孔低渗储层。针对庄1井区试验井组部署的注水井,利用区块速敏资料,计算其启动压力,并和相邻区块莫北油田的启动压力进行比较,以验证该方法的可靠性。对庄1井区岩心的速敏资料进行分析,发现其中有4块样品在低流量区间内出现随流量的增大而渗透率增大的现象。对这4块样品的流速和压力梯度曲线,即v(p/l)曲线进行趋势回归,并根据公式(3)计算相应的启动压力梯度,结果见表1。根据公式:启动压力=启动压力梯度井距(泄油半径),按泄油半径

54、150m计算,其启动压力为3.39.0 mpa。表1庄1井区地层启动压力梯度的确定岩心号层位井段/m平均启动压力梯度zh63-34350.414 350.620.0597zh52-14341.604 341.730.021 9zh02038454337.434 343.950.05zh36-34333.794 334.000.039相邻区块莫北地区跟庄1井区的储层特点接近,为低孔、低渗储层, 砂层组是其主要储集层。该区注水开发,注入水源为清水。利用莫北地区注水资料,绘制水井的注水指示曲线,即注水压力和日注水量的关系曲线,以确定莫北地区的启动压力,见表2。从表2中可以看出,莫北地区的启动压力为4

55、.068.96 mpa。 表2莫北地区注水井启动压力井号启动压力/mpamb20436.90mb20458.96mb20655.72mb20714.06将计算的庄1井区启动压力与莫北地区现场获得的启动压力进行比较,两者数值非常相近,说明利用速敏资料确定区块启动压力的方法实用可靠,能够满足现场设计的需要。2.4.4推导计算的结论(1) 低速非达西渗流流速与压力梯度的关系表现为一条不通过原点的直线;(2) 研究并推导出了油层压力梯度与油层液体流度之间的关系式,即二者乘积为一常数;(3) 应用室内速敏试验资料确定低渗透油藏的启动压力梯度是一种切实可行的方法。第3章 低渗透油藏开发生产规律研究3.1低渗透储层产能分析低渗透储层由于岩性致密，孔吼半径小，渗流阻力大，因此油井产能很低。产能及其影响因素的分析评价对于低渗透油田的开发具有重要的意义。我们以低渗透储层渗流基本运动方程为基础，导出了低渗透储层产能方程，并对其影响因素进行分析。3.1.1