缝洞型储层流动规律研究

缝洞型储层流动规律研究

随着能源需求的增加和油气勘探的深入，常规油气藏的勘探和开发变得越来越重要。裂缝碳酸盐岩油藏属于非常危险的气藏类型，储量大。它们可以形成大规模的油气藏，也是世界碳酸盐岩油气藏勘探的重要部分。例如，塔河油田的正常储层是下奥陶系碳酸盐岩的裂缝储层。与传统的缝煤岩缺陷储层不同，这是一种裂缝或大裂缝。通过统计，塔河田洞和裂缝的大小，洞的直径通常是美国的，裂缝直径为毫米。因此，洞的直径比约为1000米。缝洞型碳酸盐岩油藏是一种特殊类型的基岩油藏.由于缝洞空间分布的不规则性,缝洞本身的多尺度性,勘探技术分辨率的限制以及缺少有关这类储层中存在着的溶洞大尺度流动与多孔介质渗流耦合的流动理论,这类油气藏的勘探开发出现了许多困难.地质学家通过岩心分析,确认碳酸盐岩(灰岩、白云岩)具有明显可见的裂缝、孔洞,碳酸盐岩含有密集的树枝状构造的粗裂缝连接孔洞和孔隙.在实际钻井时,常常遇到放空、漏失,证实了不少地层确实存在大裂缝、大溶洞.由此形成了对缝洞型碳酸盐岩油藏的认识.缝洞型油藏内部大缝大洞与小缝小洞并存,介质表现为极强的不连续性;流体流动的空间不仅在形状上而且在尺度上存在巨大差异;流体的流动模式既有小缝小洞中的线性流,又有大缝大洞中的非线性流,更有两种流动规律以不同形式混合在一起的组合流动.有关碳酸盐岩油藏流动规律研究已有成果[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16]普遍是基于连续介质理论或者把不连续介质用等效的流动系统代替,把储层看成是孔隙—溶洞型双重介质、孔隙—裂缝—溶洞型三重介质及多重孔隙介质等模型,在其中发生的完全是渗流.塔河缝洞型碳酸盐岩油藏开发实践表明由于缝洞型储层中存在溶洞大尺度流动与裂缝多孔介质渗流耦合流动,使得已有的油藏数值模拟方法及试井分析方法无法有效地应用.1缝洞耦合线性流动物理模型针对缝洞型储层系统的特点,本文提出一种溶洞大尺度流动与裂缝渗流耦合系统的流动物理模型,简称“缝洞耦合流动物理模型”.也称这种流动模型为“管流-渗流耦合流动模型”.“缝洞耦合流动物理模型”不将缝洞型储层系统看成是统一的连续介质地质模型.例如:可以考虑溶洞为圆柱状,它们之间通过裂缝渗流系统连接,一个缝洞单元可以考虑成一种网状物理模型.在溶洞中的流体流动可近似为不规则的管流,即流体在圆管中的流动,是复杂的流体力学问题中相对简化的一种.本文首先研究溶洞管流与裂缝渗流耦合的一维线性流动模型.这种流动模型也可以称为管流与渗流的线性耦合系统模型.缝洞耦合线性流动物理模型基于如下假设:(1)不将缝洞型储层系统看成是统一连续介质地质模型,而是将整个系统考虑为由不同的流动单元组成,在单元中的流动是线性流动,不考虑径向流动.(2)由于缝洞型储层系统的特点,存在大量的溶洞和裂缝,液体的流动主要发生在它们中,所以假定岩石中的渗流都发生在裂缝中.(3)溶洞为主要的储集空间,通常考虑为管状通道,溶洞中的流动可以认为是管流,流体视为不可压缩的粘性流体,据此可以建立溶洞单元.(4)裂缝是主要的渗滤通道,在溶洞之间起连接作用,同时又有一定的储集能力,裂缝中的流动可以认为是线性渗流,据此可以建立裂缝单元.(5)溶洞单元和裂缝单元组合起来就可以构成缝洞单元.由于一维和二维问题都可以考虑为平面内的流动,所以本文将这两种情况放在一起进行研究.整个缝洞耦合系统根据维数的不同可以分别考虑成图1和图2的两种物理模型.2裂缝单元基本方程从图1和图2的物理模型中可以看出,所有的流动都发生在平面内,这样在建立数学模型时可以忽略重力的影响.在流动平面内,流动共包含两类单元:溶洞单元和裂缝单元,这两类单元交替出现组成了整个缝洞耦合系统.首先研究溶洞单元.由于研究的是平面问题,可以忽略重力的作用,在溶洞单元的能量损失主要是沿程能量损失,则能量损失可以表示为(这段计算了能量损失项)式中,Lv和d分别为溶洞的长度和等效直径,m;g为重力加速度,m/s2;Vv为溶洞中流体的平均速度,m/s;λ为沿程损失系数.由于单元中的流体为黏性流体,单元各个横截面上液体质点的速度分布是不均匀的.因此,每个截面上的动能积分项用动能修正系数乘以截面的平均流速来计算.则溶洞入口和出口的流动参数为式中,ρ为流体密度,kg/m3;H1,H2为溶洞单元入口和出口的水头,m;pv1,pv2为溶洞单元入口和出口的压力,MPa;Vv1,Vv2为溶洞单元入口和出口截面的平均速度,m/s;α1,α2为溶洞单元入口和出口的动能修正系数.根据伯努利方程可以推导出另外根据连续方程有Vv1A1=Vv2A2.(4)式中,A1,A2为溶洞单元入口和出口的横截面积,m2.式(3)和式(4)共同构成了溶洞单元的基本方程.再研究裂缝单元.裂缝中的流动遵循线性达西定律,则流动方程为式中,pf1,pf2为裂缝单元入口和出口的流体压力,MPa;K为渗透率,μm2;μ为流体动力黏度,mPa·s;Lf为裂缝长度,m;vf为渗流速度,m/s.对于每一个裂缝单元,其渗流可以视为一维无源不可压缩流体渗流,则连续性方程为式中,L为裂缝单元的渗流方向长度,m.式(5),(6)构成了裂缝单元的基本方程.在实际中,溶洞单元和裂缝单元相互连接构成了整个缝洞耦合流动系统.这两类不同单元连接时,整个系统的流动保持连续性,即在相邻单元的连接点上流体的压力和流量是连续的.溶洞单元和裂缝单元在连接点的流量为式中,Qv,Qf分别为溶洞单元和裂缝单元在连接点的流量,m3/s;Vv为溶洞单元在连接点的平均速度,m/s;Vf为裂缝单元在连接点的渗流速度,m/s;A为连接处的流动截面面积,m2.根据流量相等可以得出在连接点溶洞单元的平均速度等于裂缝单元的渗流速度.这样,溶洞单元和裂缝单元相连接的边界条件为式中,pv,pf分别为溶洞单元和裂缝单元在连接点的压力,MPa.对于两个相同单元连接或者多个单元连接,都可以根据流动的连续性原理得出连接的边界条件,这里就不一一叙述了.根据物理模型的复杂度,还要确定如何简化不同情况下的单元连接方法.基本原则如下:(1)对于图1所示的一维问题,单元的连接比较简单,基本上是裂缝单元和溶洞单元交替连接,如图3所示.沿流动方向每一点上始终只存在一个单元,则计算时只需要根据边界条件从第一个单元开始计算,得出下一单元的边界条件,然后沿流动方向依次计算每个单元即可.(2)对于图2所示的二维问题,单元的连接呈现网状,不同单元之间的流动方向是不同的.但是通过分析可以发现,在平面内总是存在一个主流动方向(在实际中这个方向是流向井的),其他方向的流动最终都通过裂缝单元注入到这个主流动方向上.这样,就可以首先确立物理模型的主流动方向,然后参考管道流动的原理将整个网状单元的连接简化为不同单元沿着主流动方向的并联或者串联,这样就可以将二维问题简化为准一维问题.简化原则是:首先根据实际情况确定主流动方向和主流动通道,在主流动通道上的单元按照一维问题处理,然后将不在主流动通道上的溶洞单元按照其流动方向计算,最后考虑建立不在主流动通道上的裂缝单元,将其处理为与主流动方向裂缝单元并联,要注意此时的裂缝单元的长度要按照物理模型的实际长度计算.图2所示的物理模型可以简化为图4所示的单元连接(主流动方向向上).这样简化的误差主要在于相邻单元之间的流动方向不同造成的局部能量损失,这种误差在本文的研究中暂时被忽略,其详细分析将在后续工作中进行.3不同溶洞单元的数值计算上节建立了溶洞单元和裂缝单元的数学模型.在进行具体求解中,由于具体问题的不同,需要求解的变量也不同.可以在进行一定的分析之后,根据已知的变量给定初始的单元矩阵,然后进行求解.如果已知储层的几何参数、流体的性质参数以及渗流参数,可以求解压力分布规律.首先根据储层的几何参数,将储层划分为多个相互连接的溶洞单元和裂缝单元;然后将边界条件代入边界单元,根据单元的基本方程计算出口的参数,将其作为相邻单元的边界条件依次进行计算,即可得出所有单元的压力分布情况.下面对图3的一维数学模型和图4的二维数学模型求解压力分布.首先求解一维模型.图3的一维模型为一个溶洞单元两端和两个裂缝单元相连接.在求解中主要研究前后两个裂缝单元的渗流截面面积比(为了方便起见,在后面简称为面积比,这个比值同样也是溶洞单元的入口截面面积和出口截面面积之比)对模型出口压力的影响.为了便于研究,除了裂缝面积不同,两个裂缝的其他参数是完全相同的.溶洞单元和裂缝单元的参数值见表1.计算中初始压力为30MPa,初始速度为5×10-2m/s,面积比分别取为1,5,10.计算结果见图5.图5中,x轴为流动方向的长度坐标(m),y轴为相对于入口初始压力的压力差(Pa).从图5可以看出两点:随着面积比的增大,在溶洞单元中压力下降得会更快,同时溶洞单元出口的流动速度也逐渐增大,造成溶洞后面的裂缝单元渗流速度增大,从而使得这个裂缝单元的压力下降的更快;总的来说,溶洞单元压力的下降趋势要比裂缝单元大.然后求解图4的二维模型,图4的模型为2个溶洞单元和6个裂缝单元相连接,可以分解为1个主通道流动和2个分支通道流动,主通道包括了裂缝单元f1,f3,f5,f6和溶洞单元v2.第一个分支通道包括溶洞单元v1和裂缝单元f2,在主通道中的入口为裂缝单元f3;第二个分支通道包括裂缝单元f4,在主通道中的入口为裂缝单元f5.为了减少篇幅便于计算,所有溶洞单元和裂缝单元的参数采用表1中的参数,溶洞的入口截面面积为0.1m2,溶洞出口截面面积为0.06m2.计算中主通道入口边界初始压强为30MPa,初始速度为5×10-2m/s;第一分支通道入口边界初始压强为10MPa,初始速度为2×10-2m/s;第二分支通道入口边界初始压强为10MPa,初始速度为2×10-5m/s.计算结果见图6—8.图6表示了主流动通道的压力分布图,x轴为主流动方向的长度坐标(m),y轴为通道中的流体压力(MPa).从图中可以看出,在有分支通道流动加入的连接点以及溶洞单元的入口,主通道的压力都随着分支流动的加入而明显上升.图7表示了第一分支通道的压力分布图,x轴为沿分支通道流动方向的长度坐标(m),y轴为相对于该分支通道初始压力的压力差(Pa).第一分支通道实际上表示一个裂缝单元和一个溶洞单元相连接的流动情况.图8表示了第二分支通道的压力分布图,x轴为沿分支通道流动方向的长度坐标(m),y轴为相对于该分支通道初始压力的压力差(Pa).第二分支通道实际上表示了一个裂缝单元中的流动情况.还可以进行反问题的求解.即已知流体的性质参数,渗流参数以及压力分布,求解储层的几何参数.对于一维模型,这个问题是可解的,其思路如下:从单元的数学模型可以看出,裂缝单元中流动速度不变,则裂缝单元的压力差沿着流体的流动方向是线性增长的;利用这一特性,首先将整个储层视为无溶洞单元,则储层中的压力分布应该是沿着流动方向线性增长的;据此观察整个储层的压力分布,将压力分布不是线性增长的区域都分别划分为溶洞单元,这样溶洞单元的长度就已经确定,线性增长的区域都划分为裂缝单元;通过裂缝单元的基本方程计算出每个裂缝单元的流动速度,这些流动速度就是相连接的溶洞单元两端的速度,将边界的速度和压力代入溶洞单元的基本方程,同时假定动能修正系数都为1,则可以求解得出溶洞单元两端的面积,这样就基本确