低渗透渗流机理及试井解释方法-姚军

低渗透油藏渗流理论与试井解释新方法提高油气采收率研究中心姚军2004年8月6日

一、低渗透油藏渗流机理及其存在的问题

二、低渗透油藏试井解释新方法三、结论及建议主要汇报内容

渗流机理是描述地下流体在某一特定介质下流动规律以及解释流动规律本质的理论；渗流机理的研究两个层面：(1)渗流模式研究;(2)开采机理(开发规律)的研究

渗流模式用运动方程表述，运动方程是定量描述地下流体渗流时各种力（外力、粘滞力、惯性力、毛管力和重力等）的关系。如达西方程、非线性渗流方程等渗流模式。开采机理：含水变化规律、采出程度变化规律、压力变化规律、采油指数变化规律等等。

重要性：渗流机理或运动方程是油气田开发工程理论与方法（试井解释与产能评价、数值模拟、开发指标概算、油井优化设计等）的研究基础。

油气田开发的生产动态是一定条件下地下流体流动(流动机理)的综合、宏观体现。一、低渗透油藏渗流机理

(1)低渗透介质特征及其对渗流的影响

(2)低渗透储层的非达西渗流理论

(3)低渗变形介质油藏渗流模式

(4)非达西渗流对低渗透油藏开发的影响

(5)低渗透油藏渗流机理存在的问题1、低渗透介质特征及其对渗流的影响

(1)小喉道连通的孔隙体积比例大

利用不同渗透率岩样的毛管力曲线，整理计算出各类不同大小孔隙的体积占岩样总孔隙体积的百分数。一、低渗透油藏渗流机理小孔道的孔隙体积占岩样总孔隙体积的比例随渗透率的减小而增大，而且渗透率越底，此比例上升的幅度就越大。对于低-特低渗透油层，要采出的油则主要来自小孔隙。流体通过小孔隙的渗流与通过大孔隙的渗流有明显的差别。当孔隙小到一定程度时，它就将导致渗流规律的变化。一、低渗透油藏渗流机理(2)低渗透介质的比表面积大一般岩石颗粒越细，比表面积越大。物质的比表面积越大，其吸附力越强，吸附的物质越多。低渗透油层的比表面积大，因而油层的束缚水一般较高，水驱油效率较低。比表面S与渗透率K的关系曲线一、低渗透油藏渗流机理(3)低渗透岩石表面油膜量大——存在边界层原油是由烃类和非烃类组成的复杂混合物，含有大量的极性物质。当它们与岩石颗粒表面接触时，就表现出明显的相互作用。在岩石颗粒表面就形成一个富有极性物质的特殊液体层——原油边界层。高渗透介质的孔道也存在原油边界层。

但是，低渗透介质的边界层厚度与孔隙孔道半径比要远大于高渗透介质的边界层厚度与孔隙孔道半径比，因而，对渗流的影响要大。原油边界层组成：原油的重质组分和胶质沥青质原油边界层物性：粘度和密度大，大于体相原油物性。一、低渗透油藏渗流机理原油边界层厚度与孔吼半径的关系：在同一压力梯度下，油层的孔道越小，原油边界层的厚度就越大，它对低渗透率和特低渗透率油层中的流体渗流有着重要的影响。一、低渗透油藏渗流机理原油边界层厚度与原油性质的关系

不同性质的原油，其边界层的厚度也不同。沥青质含量较多的原油，在其它相同条件下，就会形成较大厚度的边界层。沥青质含量(%)边界层厚度um一、低渗透油藏渗流机理原油边界层厚度与压力梯度的关系

压力梯度的增加，导致原油边界层厚度的减小，它们之间的关系在双对数坐标中是一条直线。一、低渗透油藏渗流机理

原油边界层厚度与原油的物理化学性质、孔隙孔道半径大小及驱动压力梯度等因素有关。当油层的平均孔道半径越小，由于边界层的存在，难以开采的原油比例就越大，原油的采收率就越低。这对低渗透砂岩油层，特别是特低渗透砂岩油层，是一个不可忽视的影响渗流特征的重要因素。一、低渗透油藏渗流机理(4)毛细管力的影响显著毛管力的大小与毛管半径成反比，即毛管半径愈小，毛管力愈大。低渗透油层喉道半径很小，其毛细管力非常大，对渗流的影响相当显著。一、低渗透油藏渗流机理(5)贾敏效应显著油层的孔隙系统是不同大小的孔隙与连通的喉道所组成的一个复杂的孔隙网络。因此，当珠泡流动到孔道窄口时就遇到阻挡。要使珠泡通过窄口，则需要克服珠泡遇阻变形所发生的毛细管力。——贾敏效应。低渗透率砂岩油藏中孔喉变化的频繁程度要比中高渗透率油藏的更甚，孔喉比更大，贾敏效应将更显著。

一、低渗透油藏渗流机理(6)卡断现象严重

在连续油流通过岩石孔隙喉道时，由于低渗透层喉道半径很小，毛细管力急剧增大，当驱动压力不足以抵消毛细管力效应时，油流被卡断，连续的油流变成分散的油滴。这种流动形态的变化将导致渗流阻力的增大和驱油效率的降低。一、低渗透油藏渗流机理(7)可动的流体饱和度小低渗透储层由于孔道半径小、比表面积大、吸附较大和原油边界层的存在等因素，导致可流动油饱和度小，可动流体饱和度与裂缝孔隙度密切相关。低渗透储层含油饱和度低，驱油效率也比较低，而且规律性不强。一、低渗透油藏渗流机理一、低渗透油藏渗流机理

(1)低渗透介质特征及其对渗流的影响

(2)低渗透储层的非达西渗流理论

(3)低渗变形介质油藏渗流模式

(4)非达西渗流对低渗透油藏开发的影响

(5)低渗透油藏渗流机理存在的问题2、低渗透储层的非达西渗流理论(1)低速非达西渗流产生的原因

孔隙喉道狭窄、连通性差、渗透性差的岩层，即所谓致密储集层，是造成非达西低速渗流的重要地质因素。由于渗流阻力大流体通过这些介质时，必须达到临界压力梯度(起始压力梯度)后才开始流动。

流体在多孔介质中渗流时，固液两相间始终存在表面作用。原油中的表面活性组份在岩石孔道表面的吸附，形成吸附层，粘附在孔隙喉道的壁上，或使喉道减小，或部分或全部堵塞孔道，使渗透率急剧下降，渗流速度减少。这个过程是动态的，因而导致非线性渗流。一、低渗透油藏渗流机理

有效应力的上升迫使岩石格架变形以致破坏，造成孔隙度、渗透率急剧下降。即使岩石中的压力恢复到它原来的压力，孔隙度、渗透率等也不会恢复到它原来的值。

考虑启动压力剃度的渗流方程：(2)、低渗油藏非达西渗流模式

国内外学者通过大量的流动实验，得到各种形式的低渗介质的渗流模式。主要有：一、低渗透油藏渗流机理二参数低速非达西渗流模式：三参数低速非达西渗流模式：流体渗流阻力由两部分组成：

第一部：粘性阻力，它与渗流速度的一次方成正比；第二部：岩石固体与渗流液体相互作用阻力。

一、低渗透油藏渗流机理第1项：岩心真实启动压力梯度；第2项：曲线渗流段特征；第3项：达西线性渗流特征；第4项：速度很大时惯性非线性特征。

一、低渗透油藏渗流机理雷诺数渗流阻力雷诺数：渗流阻力：超低速低速线性亚高速高速渗流模式n=0超低速1/3低速1达西范围1<n<2亚高速N=2高速一、低渗透油藏渗流机理一、低渗透油藏渗流机理

(1)低渗透介质特征及其对渗流的影响

(2)低渗透储层的非达西渗流理论

(3)低渗变形介质油藏渗流模式

(4)非达西渗流对低渗透油藏开发的影响

(5)低渗透油藏渗流机理存在的问题3、低渗变形（压敏）介质油藏渗流模式

在低渗透油藏的生产中,由于地层压力下降,导致储集层骨架变形,而使油层的渗透率和孔隙度降低这种现象常称为应力敏感效应。相应的介质称之为变形介质。一般在低渗透油藏和深层高压油藏中应力敏感效应比较明显。

变形介质渗流问题的研究有两大方法：

(1)渗透率变异模数方法；

(2)流固耦合(应力场和渗流场的耦合)方法；

一、低渗透油藏渗流机理有效应力对低渗低孔介质孔渗参数的影响：低渗透砂岩压缩系数是有效应力的函数；低渗透砂岩的渗透率随有效应力的增大而减少，最大可以减少30%，撤消有效应力后渗透率不能完全恢复，最终损失率较大，一般为5-10%；裂缝岩心渗透率随有效应力增加大幅度下降，最终渗透率损失可达90%以上；渗透率越低的岩心，对有效应力的变化越敏感；岩石孔隙体积随有效应力的变化不大，一般在5%以内，而且基本可以恢复，最终损失率一般不超过1%。一、低渗透油藏渗流机理(1)渗透率变异模数方法渗透率变异模数：

渗透率随压力变化模型：

指数模型：幂率模型：多项式模型：两段式模型：一、低渗透油藏渗流机理(2)流固耦合方法在原来的渗流方程中，渗透率是常数，对于变形介质而言，渗透率是个变量，将上述渗透率模型带入渗流方程，得到非线性不稳定渗流方程。介质变形按照固体的弹性、塑性或弹塑性力学根据应力场的变化来计算岩石变形得到孔隙度和渗透率的变化。渗流场根据油气渗流力学进行计算。计算过程中，应力场和渗流场是互相制约和影响的，必须同时连立进行求解。

一、低渗透油藏渗流机理一、低渗透油藏渗流机理

(1)低渗透介质特征及其对渗流的影响

(2)低渗透储层的非达西渗流理论

(3)低渗变形介质油藏渗流模式

(4)非达西渗流对低渗透油藏开发的影响

(5)低渗透油藏渗流机理存在的问题4、非达西渗流对低渗透油藏开发的影响(1)启动压力对开发的影响产量下降百分数E=产量—产量(压力梯度)产量不同井距条件下产量下降百分数关系曲线。当井距为200m时，产量下降20％，即由于启动压力梯度的存在，单井产量比不考率启动压力梯度计算的产量减少20％。一、低渗透油藏渗流机理（2）启动压力梯度存在条件下，生产压差对开发的影响不同井距下产量下降百分数与生产压差的关系曲线

(1)井距一定时，生产压差越大，产量下降百分数越小。

(2)井距越小，产量下降百分数越小。一、低渗透油藏渗流机理(3)达西渗流与非达西渗流对开发的影响考虑压力梯度的非达西渗流计算效果要比不考虑压力梯度的非达西渗流的计算效果差，前者更符合实际情况。一、低渗透油藏渗流机理(4)考虑启动压力梯度时压力场分布特征随着渗透率的减小，注采井间的压力差增加、近井压力梯度增加；而且超过井距大约一半的距离时压力梯度迅速增加，因此注水要克服较大的压力梯度才能见效。一、低渗透油藏渗流机理由渗流机理及开发特征分析，开发好低渗油藏应该注意的几个主要问题：注采井周围存在较大的压力梯度，要通过压裂等技术手段改变注采井周围的渗流状况，以减少启动压力造成的影响，因此整体压裂改造是开发低渗透油藏重要措施。应采取跟积极的方法彻底改善注采井周围的介质状况，降低注采周围的过大的压力梯度如爆炸。在技术经济指标允许范围内，井距尽可能的小。小井眼采油是降低成本，减小井距的重要途径。尽量采用大一些的生产压差。一、低渗透油藏渗流机理一、低渗透油藏渗流机理

(1)低渗透介质特征及其对渗流的影响

(2)低渗透储层的非达西渗流理论

(3)低渗变形介质油藏渗流模式

(4)非达西渗流对低渗透油藏开发的影响

(5)低渗透油藏渗流机理存在的问题5、渗流机理存在的问题目前，所有关于低渗透渗流机理的研究都停留在宏观层面上，而且由于渗流模式的多样性，导致了研究的复杂性，多数只是考虑单因素影响。如只考虑启动压力梯度的影响或只考虑非达西渗流的影响或只考虑压力敏感引起的变形介质的影响，缺乏综合性研究。另外，微观层面上的渗流问题应加大研究力度。如原油边界层、吸附以及油滴的卡断等对渗流的影响。一、低渗透油藏渗流机理•纤观微观细观直观

宏观

巨观

宇观埃米级纳米级微米级毫米级厘米级米级千米级兆米级ÅnmmmmcmmKmMm10-1010-910-610-310-2100103106超微孔孔内粘土裂缝岩屑岩心区块地层孔隙表面孔洞一次采油工程二次采油工程强化采油工程残油分布研究注：

剩油分布孔隙表面孔隙空间岩心油田开发成藏成盆分子学研究研究分析工程研究运移研究渗流动力学研究多相渗流单相渗流

一、低渗透油藏渗流机理进一步加强微观层面的渗流机理研究：

启动压力梯度的影响因素问题毛管力？原油界面层？贾敏效应？吸附？启动压力梯度随着渗透率的变化而变化，对于非均质油藏启动压力梯度如何变化的，不能通用一个启动压力梯度。

原油界面层对渗流的影响如何考虑？方程中加入启动压力梯度项后是否就考虑了原油界面层的问题。借助于核磁共振、CT等设备能更好地开展微观层面的渗流问题的研究。不同的工程有不同的视角和不同的尺度；不同阶段的采油方法召唤不同精细程度的研究。二、低渗透油藏试井解释新方法1、低渗透油藏试井解释的特点2、低渗透油藏早期试井解释方法3、低渗透油藏低速非线性渗流试井解释方法4、低渗透压敏油藏试井解释方法5、低渗透油藏解释实例二、低渗透油藏试井解释方法1、低渗透油藏试井解释的特点

(1)渗透率低，压力波传导慢，测试时间长。一般情况下，需要半个月左右，有的甚至一个月；

(2)测试解释方法应考虑低渗透油藏渗流的特点，如试井解释模型中应考虑启动压力梯度、非达西渗流和变形介质的影响的影响目前，所有的试井解释的商业软件中均没有考虑这些因素的软件。二、低渗透油藏试井解释新方法1、低渗透油藏试井解释的特点2、低渗透油藏早期试井解释方法3、低渗透油藏低速非线性渗流试井解释方法4、低渗透压敏油藏试井解释方法5、低渗透油藏解释实例如何利用早期测试资料确定井和地层参数一直是试井技术领域的一大难题。从信息学的角度上看，用较少的信息获取复杂系统的特征参数存在信息不对称，必须借助于其它的信息。早期资料的处理一般需要同时测量压力和流量。2、低渗透油藏早期试井解释方法二、低渗透油藏试井解释方法(1)Gladfelter方法：修正的MDH方法关系曲线为一条直线。斜率：MDH方法：二、低渗透油藏试井解释方法（2）修正的Horner方法Horner曲线修正Horner曲线渗透率：污染系数：平均压力：二、低渗透油藏试井解释方法（3）层面流量褶积方法（SFRC）

压降方程为：恢复方程为：二、低渗透油藏试井解释方法（4）反褶积法

压力表达式为：

二、低渗透油藏试井解释方法早期测试资料解释的几点说明：（1）测试过程中须同时测量压力和流量资料；（2）处理变产量时进行褶积积分需要对离散的数据点进行积分，复杂性增加，同时会产生一些计算误差；（3）早期资料的解释只能解释渗透率、污染系数、井储系数（近井范围内的地层参数），求取地层压力准确性较差。（4）在进行压力校正时没有对污染引起的附加压力降落进行校正。（5）目前所有早期资料的解释方法都不是太成熟，均没有考虑低渗透油藏的渗流特点下（如启动压力梯度）推导的，商业化试井解释软件中没有相关的功能。二、低渗透油藏试井解释方法二、低渗透油藏试井解释新方法1、低渗透油藏试井解释的特点2、低渗透油藏早期试井解释方法3、低渗透油藏低速非线性渗流试井解释方法4、低渗透压敏油藏试井解释方法5、低渗透油藏解释实例3、低渗透油藏低速非线性渗流试井解释方法(1)(2)(3)二、低渗透油藏试井解释方法(1)均质低渗透油藏低速非线性渗流试井解释方法考虑压力梯度的非线性渗流试井解释模型：进行无因次化，进行Laplace变化，并在Laplace空间考虑井筒储存系数和污染系数的影响二、低渗透油藏试井解释方法均质无限大油藏低速非线性渗流时的试井解释图板从导数曲线上看出：即使没有外边界的影响，只是由于启动压力梯度的影响，导数曲线仍然上翘。而且，启动压力梯度越大导数曲线上翘幅度越大。二、低渗透油藏试井解释方法(2)双重介质油藏低速非线性渗流试井解释方法试井解释模型二、低渗透油藏试井解释方法双重介质油藏拟稳态窜流下的低速非线性渗流试井解释图板二、低渗透油藏试井解释方法双重介质油藏不稳态窜流下的低速非线性渗流试井解释图板二、低渗透油藏试井解释方法外边界的影响：非达西渗流时导数曲线上翘时间比达西渗流时导数曲线上翘时间。原因：启动压力梯度的影响。二、低渗透油藏试井解释方法定压边界：启动压力梯度越大导数上升幅度越大，然后，导数曲线开始下降。二、低渗透油藏试井解释方法二、低渗透油藏试井解释新方法1、低渗透油藏试井解释的特点2、低渗透油藏早期试井解释方法3、低渗透油藏低速非线性渗流试井解释方法4、低渗透压敏油藏试井解释方法5、低渗透油藏解释实例4、压敏油藏试井解释方法二、低渗透油藏试井解释方法(1)均质均质油藏的试井解释方法

渗透率变化模数：

均质油藏压力敏感影响曲线分析随着渗透率模数的增加，导数曲线逐渐上翘。但是与封闭边界引起的导数曲线上翘完全不一样。二、低渗透油藏试井解释方法二、低渗透油藏试井解释方法(2)双重孔隙压敏介质油藏试井解释双重孔隙介质油藏模型双重介质油藏压力敏感影响曲线井筒存储系数为10.0MPa/m3，表皮系数为