低渗透储层非达西渗流机理探讨
收稿日期:2004-08-30;改回日期:2004-09-23 作者简介:李中锋(1976-),男,1999年毕业于石油大学(北京)油气田开发工程专业,博士研究生在读,主要从事油藏工程研究。电话:010-********;010-********;E -mail :lizh ong feng1@sina 1com ,lizh ong feng0@sina 1com 。
文章编号:1006-6535(2005)02-0035-04
低渗透储层非达西渗流机理探讨
李中锋,何顺利
(石油大学石油天然气工程学院,北京 102249)
摘要:从多孔介质的孔隙结构、孔隙介质与渗流流体之间的相互作用和渗流流体性质等方面阐述了低速非达西渗流产生机理的不同观点,探讨了孔隙大小、孔隙喉道的几何结构、比表面积与渗透率的关系及其对启动压力的影响。深入研究了地层水、界面张力、边界层、渗流流体性质等对非达西渗流形成的作用机制,并对进一步开展低渗透储层渗流研究提出了建议。关键词:低渗透;非达西渗流;机理;孔隙结构;界面作用;边界层;流体性质中图分类号:TE311 文献标识码:A
1 低渗透储层中的渗流特点
大量的实验资料表明:渗透率越小,
非达西渗流特征越明显。当渗透率低到一定程度时,存在着启动压力梯度。典型的低渗透非达西渗流主要表现为:①存在着不为零的启动压力梯度;②当压力梯度大于启动压力梯度时,渗流速度与压力梯度存在非线性关系。非达西渗流过程可以用图1进行描述:A 点为液体开始流动的启动压力梯度,AD 线段为液体流速呈下凹型增加的实测曲线,DE 线段为实测的达西渗流直线。D 点为由曲线变为直线的临界压力梯度。C 为DE 直线延伸与压力梯度坐标的交点,通常称为拟启动压力梯度。直线(即DE 线)延长线(即DC 线)不通过坐标原点,这是非达西渗流的主要特征。
图1 低渗透非达西渗流特征曲线
Fig.1 Low permeability non -Darcy percolation curve
对于低渗透储层的非达西渗流,人们一直在探索启动压力梯度的机理和非达西渗流的影响因素
以及建立简单适用的非达西渗流运动方程。
在探索非达西运动方程的同时,许多学者也在不断地探索非达西渗流机理,尤其是启动压力产生的原因。早在20世纪中叶,对低速非达西流动存在启动压力梯度已有不同看法。尽管对非达西渗流机理分析有许多不同观点,但是这些观点主要从孔隙结构、孔隙结构与流体之间的相互作用、流体性质方面来分析低速非达西渗流机理。
2 多孔介质的孔隙结构影响
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。低渗透或特低渗透性的储层,其孔隙很小,喉道很细,孔隙连通性差,孔喉比也增大,渗透率的贡献值主要由占孔隙体积比例小的、较粗的孔道提供。而孔隙较小、喉道较细、孔隙连通性差是造成低渗透非达西渗流的重要因素。
Alvaro Prada [1]、阎庆来[2]、吴景春[3]等人利用
低浓度盐水对不同渗透率的天然岩心和人工胶结岩心做单相渗流实验,得出的渗流曲线特征为: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,充分说明了多孔介质的孔隙结构特征起着决定作用。
211 渗透率与孔隙介质平均孔道半径的关系
第12卷第2期2005年4月 特种油气藏S pecial Oil and G as Reserv oirs
V ol 112N o 12
Apr 12005
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,其渗透率就越小。根据毛管模型理论与达西定律的关系,可以得到[4]:
r=8K/<(1)式中:r为毛管半径,μm;K为渗透率,10-3μm2;<为孔隙度,%。
式(1)说明,在一定的沉积条件下,渗透率的平方根与平均孔道半径成正比。
孔隙平均孔道半径r与渗透率K之间的关系也可以用下式描述[4,5]:
r=0135K0152(2)李道品认为[6],在低渗透孔隙介质中,孔隙喉道的狭窄将引起如下效应:①贾敏效应显著。油层的孔隙系统是由不同大小的孔隙“连通的”喉道所组成更复杂的孔喉网络。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产生的毛管力,也就是贾敏效应。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。②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较小,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。
212 比表面积
J1Bear认为[7],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[4],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流体的分布及渗流特征。
根据水力半径理论,可以得到:
S=
<<
2K
(3)
式中:S为比表面积,1/cm。
吸附理论认为,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,其渗流规律不遵循达西定律,具有非达西型渗流特征。
3 孔隙介质与流体之间的相互作用
311 地层水对孔隙结构的影响
由于储层中多含有粘土矿物,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[8]。同时,粘土矿物吸水后还可以沿层理分裂为碎片,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,堵塞一部分流体流通孔道。此外,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,从而使启动压力梯度增加[9]。
312 界面张力
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,P1尼奥基认为[10],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2个流体相时,接触角效应确定了2种流体的位置,即哪种流体占据哪个孔道。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。
低渗透储层因低渗、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,比表面积大,从而引发的界面效应强烈。而低渗透储层液体渗流具有非达西特征的主要原因可能是固液界面分
63 特种油气藏 第12卷
子力的强烈作用[4]。由于低渗透岩心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。只有当驱动压力梯度大于界面张力时,该孔道中的液体才开始流动,因此,启动压力在微观上是固液界面的张力。
阎庆来[10]系统地论述了界面分子力作用与渗透率的关系及其对渗流的影响。利用毛细管模型和单分子层作用模型,推导固液界面分子力作用与多孔介质的渗透率和孔隙半径的近似关系式为:
E slm∝K-1/2∝1
R x
(4)
式中:E slm为固液界面分子力势,J;R x为孔隙半径,μm。
式(4)表明:固液界面分子力作用随多孔介质的渗透率或孔隙半径增大而单调递减。显然,当多孔介质的渗透率或孔隙半径减小到某个值以后,固液界面分子力作用变成较大的值,以致不可忽略;反之,当多孔介质的渗透率或孔隙半径增大到某个值以后,固液界面分子力作用变成较小的值,可以忽略。
313 边界层理论
渗流是流体在多孔介质中的流动。因此,渗流流体的力学性质涉及到多孔介质的性质、流体的性质和运动的状况以及它们之间的相互作用。黄延章[4]提出了渗流流体的概念。
不同液体的边界层厚度是不同的,水的边界层厚度为01075μm,润滑油的边界层厚度为012～015μm,某些聚合物溶液的边界层厚度可达10μm,交联聚合物的边界层可达160μm[11]。
根据Langmuir(1916)[5]的吸附理论及试验测量,边界层的厚度因流体性质不同而有所不同,大约在011μm左右;而原油边界层的厚度则在0118～3168μm之间[12]。边界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。低渗透储层孔隙孔道异常细小,边界层的影响明显。尤其是渗透率低于10×10-3μm2的低渗透储层,平均孔隙喉道半径仅为1112μm,边界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边界层参与流动。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。
4 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[4]。粘度减小到某值时,渗流由非达西流转变为达西流,而临界压力梯度和启动压力梯度都趋近于0。
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[13]。在低渗透储层中,控制孔隙介质流通的喉道的半径很小,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体相流体,包括体相流体和边界流体。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,从孔道壁向孔道中轴粘度逐渐变小。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。
李兆敏等认为[14],由于在低渗透多孔介质中流体表现为非牛顿效应,其渗流特征符合Bingham 流体渗流特征,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:
Δp
L
=
μ
K
v+p v>0
Δp
L
≤p v=0
(5)
式中:Δp为多孔介质两端的压力差,MPa;L为多孔介质长度,m;μ为流体粘度,mPa?s。
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,即呈现出非达西渗流特征,具有启动压力梯度。对粘度比大且具有结构粘度的原油来说,当它流经低渗透
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第2期 李中锋等:低渗透储层非达西渗流机理探讨
岩心时,其非牛顿流动特征更为明显。在低渗透油层中渗流时,它也呈现出非达西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。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不可忽视的因素,它会使渗流规律发生明显的变化,以至偏离达西定律。
5 结束语
现有的低渗透非达西渗流的机理分析还仅仅处于探索阶段,并没有完全通过实验数据证实。尽管部分学者对某些影响因素进行了较深入的研究,但是,仍有待于形成系统完整的理论,来揭示低渗透非达西渗流的机理,以便能在实际生产中运用。前人学者的分析可以看出,影响低渗透储层中渗流特征的主要因素为:多孔介质的孔隙结构、孔隙介质与流体之间的相互作用和流体性质。
对于低渗透介质中的非达西流,目前还存在争议。一部分学者认为非达西渗流是细微实验误差。否认非达西流的证据有:①一些精心进行的实验是达西流[15,16]。②发现的所谓非达西流在类型和量级上都不一致[17]。对于解决非达西流是否存在的问题,应将实验观察的范围扩展到能够代表真实的现场条件的梯度上。解决此问题有2种可能的途径:一是设计能够测量试样中微小流速的方法;二是开发监测非稳定流压力的新技术和新型实验设备。
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编辑 姜 岭
83 特种油气藏 第12卷
that,making full use of the useful information contained in seismic data contributes to s olve geological problems,im2 prove the possibility of discovering oil and gas reserv oirs,and im prove drilling success ratio and economic benefit.
K ey w ords:reserv oir exploration and development;com prehensive geophysical technology;seismic attribute in forma2 tion;application;result;Shi5reserv oir
Application of Monte C arlo method in Jixiangtun gas reservoir reserve calculation
SHI Shang-ming,LI Zhao-y ong
(Daqing Petroleum Institute,Daqing,Heilongjiang163318,China)
Abstract:This paper expounds the mathematical theory of M onte Carlo method,and the random variable sam ple method of parameters in the calculation process of gas reserves in conjunction with exam ples.The calculation method provides a desired value of gas reserve with certain degree of credibility.Especially in the early stage of exploration and development,it can reduces the im pact of subjective factors to the maximum extent,and provide objective,reli2 able and reas onable reserve values.
K ey w ords:M onte Carlo method;reserve calculation;probabilistic statistics;reserve expectation;application;Jixi2 angtun gas reserv oir
N on-Darcy percolation mechanism in low permeability reservoir
LI Zhong-feng,HE Shun-li
(Univer sity o f Petroleum,Beijing102249,China)
Abstract:This paper elaborates the mechanism of low velocity non-Darcy percolation in aspects of pore structure, interaction between porous medium and percolation fluid,and fluid property,and discusses pore size,pore throat geo2 metric structure,the relationship of specific surface area and permeability,and their im pact on starting pressure.The role of formation water,interfacial tension,boundary layer,and fluid property on forming of non-Darcy percolation is deeply studied.And suggestions for further study of percolation in low permeability reserv oir are proposed.
K ey w ords:low permeability;non-Darcy percolation;mechanism;pore structure;interfacial effect;boundary lay2 er;fluid property
Identify oil,gas and w ater zone by acoustic-resistivity method
H U Y ou-hua1,LI K ang-ti1,X U Ping2
(1.Southwest Company o f SINOPEC,Deyang,Sichuan618000,China;
2.Liaohe Oilfield Branch Company o f PetroChina,Panjin,Liaoning124010,China)
Abstract:Oil and gas in the formation can cause changes of log data,and oil and gas zones are identified according to the difference between resistivity converted time jet and measured time jet,which can am plify the in formation of gas-bearing.This method is w orth spreading.
K ey w ords:acoustic-resistivity method;log method;identify oil and gas zone;distinguish gas-bearing sand
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LI U T ian-he,G UO Li,Z UO Y i
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Abstract:By using technologies of water injection m odeling experiment,scanning electron microscope and log interpreta2 tion of water flooded z one,this paper analyzes the mechanism of reserv oir parameter change,and the change of reserv oir structures after water injection in high porosity and permeability reserv oir,medium porosity and permeability reserv oir and heavy oil reserv oir in high water-cut stage.T he result of this study has been success fully applied to log interpretation of water flooded z one,correction of geological m odel,parameter adjustment for numerical simulation,prediction of residual oil distribution,and sand control.T his study provides reference to the development of similar oilfield.