低渗透油藏采油技术研究毕业论文.doc

毕 业 设 计（论文）低渗透油藏采油技术研究姓 名： 学 号：性 别：专 业: 批 次：电子邮箱：联系方式：学习中心： 指导教师： 2011年9月15日低渗透油藏采油技术研究摘 要低渗透油藏在我国已探明地质储量中所占的比例越来越大。由于其渗透率低，地质条件复杂，流体渗流具有启动压力梯度，低渗透油藏的产量低，开采难度大。压裂技术可以通过创建人工裂缝，增大井筒周围的渗透率，降低渗流阻力，增大渗流速度，提高效益。但是由于裂缝中流体在一定情况下发生高速非达西流动，整个渗流过程变得更为复杂。本文在调研国内外有关低渗透油藏压裂开发模拟文献的基础上，通过引入视相对渗透率参数，推导建立了同时考虑低速非达西渗流和高速非达西流渗流的数学模型，并且进行了差分求解。采用C#语言编制了低渗油藏压裂注采井组的数值模拟程序，并以此分析了地层渗透率、启动压力梯度、裂缝导流能力、导流能力衰减系数、裂缝半长、裂缝方位、生产压差、压裂井别等因素对渗流规律的影响。关键词： 低渗透油藏，启动压力梯度，水力压裂，视相对渗透率，非达西流目 录第一章 前言11.1课题的目的和意义11.2低渗透油藏研究现状2第二章低渗透油藏压裂注采井组渗流模型的建立42.1模型的建立42.1.1油藏模型42.1.2综合模型62.2计算单元选取72.2.1五点法井网的布置及简化72.2.2油藏裂缝模型示意图8第三章低渗透油藏压裂注采井组渗流规律研究103.1基本参数103.2压后生产整体动态分析113.3地层参数敏感性分析123.3.1地层渗透率的影响123.3.2启动压力梯度的影响143.4裂缝参数敏感性分析163.4.1裂缝导流能力的影响173.4.2缝方位的影响193.5裂井别的影响20第四章总结22参考文献23第一章 前言1.1课题的目的和意义目前，低渗透油藏在我国已探明的原油地质储量中所占的比例越来越大。统计结果表明，截至2008年底，全国累计探明低渗透石油地质储量141亿吨，低渗透天然气储量4.1万亿立方米，可采储量2.37万亿立方米。低渗透油气的地质储量分别占全国石油储量的49.2%，天然气储量的63.6%。近年来新增探明储量低渗透占70%1。从已开发状况来看，大量探明的低渗透资源难以动用，采收率很低。如何动用和开发好低渗透油田，提高产量、增大经济效益，是当前我们面临的重要任务。加快低渗储量的动用，改善低渗油田的开发效果，对于东部老油田低渗区块挖潜和新发现低渗油藏的高效开发都具有十分重要的意义。低渗透油田具有渗透率低、储层物性差、非均质性强、自然能量补给差等特点，因此只有加强对低渗透油气藏渗流机理研究，不断提高低渗透油气田开发水平，加深对低渗透油田的了解和认识，才能获得最佳经济效益，也是当今石油工作者面临的重要课题。水力压裂是油田增产、增注，保持油田稳产的一项重要工艺技术。它利用液体传导压力的性能，在地面利用高压泵组，以大于地层吸收能力的排量将高粘度液体泵入井中，在井底憋起高压，此压力超过油层的地应力和岩石抗张强度，在地层产生裂缝，然后将带有支撑剂的携砂液注入裂缝，使得裂缝边得到延伸，并得到支撑，在油层形成了具有一定宽度的高渗透填砂裂缝。由于这个裂缝扩大了油气流动通道，改变了流动方式，降低了渗流阻力，可起到增产增注作用。这一施工过程称之为油层水力压裂2。水力压裂包括理论力学、材料力学、热化学、高分子化学、机械制造等多个学科。作为一种重要的增储增产方法，水力压裂得到了越来越多的应用。压裂的成效和压裂的方式对低渗油田的开发效果关系重大。为了经济有效地开发低渗油田，为今后的井网布置和压裂施工提供理论根据，有必要研究水力裂缝对油田渗流规律的影响，全面研究水力裂缝对压裂的采油井产量、采收率等的影响，以便优选出适合具体油田的水力裂缝参数和压裂规模，包括优选出较好的裂缝长度、导流能力、井距等参数，为井网布置和调整提供参考，为低渗透油田的高效开发和科学决策提供理论依据。1.2低渗透油藏研究现状低渗透油田的开发已经有很长的历史了。从1871年美国发现著名的勃莱德福油田起，至今已有130多年了。中国对低渗透油气藏勘探开发也已经历了100年的漫长历程。经过长期的生产实践，人们发现低渗透油藏流体在低渗透多孔介质(如细粒粘性土层低渗透油气藏等)中渗流时，压力梯度必须大于某个数值后才能流动。.布兹列夫斯基在1924年发现启动压力梯度3。1951年，弗洛林5指出，当压力梯度较小时，由于岩石固体颗粒表面分子的表面作用力，束缚水在狭窄的孔隙中被俘留而不流动，并且因此妨碍了大孔隙中自由水的流动。只有当驱动压力梯度增加到某个压力梯度值后，破坏了束缚水的堵塞，水才开始流动。典型的非达西渗流曲线为：图1-1低速非达西渗流曲线示意图Fig1-1 Low-velocity non-Darcy flowing curve如上图所示，当压力梯度小于图中A点时，流体不流动。压力梯度在A到C之间时，流体流动曲线呈近似指数关系变化4。当压力梯度大于C点后，流动成线性关系，即图中的EF段。反向延长EF，与压力梯度坐标轴相交于点B。图中的A、B、C点所对应的压力梯度分别称为最小启动压力梯度、拟启动压力梯度和最大启动压力梯度。1961年，Collins6等对非达西高速渗流进行了详细的研究，并给出雷诺数的大小,用以判断介质中流体的运动型态。1963年，米勒等人7对带有启动压力梯度粘土中水的渗流问题进行了研究。1977年，马尔哈辛8从微观结构角度对启动压力梯度产生的机理作了说明。1980年，帕斯卡9等人应用有限差分法求解考虑启动压力梯度的岩土工程固结问题。我国对低渗透油藏的研究开展于二十世纪八十年代，迄今已经取得了很多的理论成果，并在实践中得到了很好的应用。第二章低渗透油藏压裂注采井组渗流模型的建立为精确描述流体在低渗透压裂油藏中的渗流规律，本文同时考虑了低渗透油藏的特点和压裂产生裂缝的特点，通过简化，引入视相对渗透率的概念，建立形式上相对统一的渗流模型。取五点井网的四分之一作为一个井组，并以此进行数值模拟。根据对称性而得到油藏的计算单元和外边界条件。2.1模型的建立一口注水井和几口生产井构成一单元称为一个注采井组。由于低渗透油藏含气量很少，因此只考虑油水两相在空间上的流动，建立三维两相模型。由于我国大多数低渗透油藏都埋藏比较深，压裂形成的水利裂缝多数为垂直裂缝。2.1.1油藏模型1.假设条件(1)油藏为三维两相系系数保持不变；(4)只考虑油相的启动压力梯度；(5)油井定压生产，水统，油层等厚水平；(2)油藏均质，不考虑渗透率各向异性；(3)油藏流体微可压缩，且压缩井定压注入；(6)不考虑毛管力和重力影响。2.数学模型(1)运动方程考虑低渗透油藏启动压力梯度的影响，流体的运动方程为：油相： (2-1)水相: (2-2)引入一新的变量：视相对渗透率,令 (2-3) （2-4）则式(2-1)、式(2-2)化为： (2-5)水相: (2-6)(2)连续性方程油相： (2-7)水相: (2-8)(3)状态方程 (2-9) (2-10) (2-11)(4)辅助方程 (2-12)2.1.2综合模型综合上述转化的地层与裂缝中流体运动方程，将油水两相的运动方程代入连续性方程得：油相： (2-13)水相： (2-14)其中：油相启动压力梯度；原油密度；水的密度；K介质渗透率；地层渗透率、裂缝渗透率；油相相对相渗透率、水相相对相渗透率；油相视相对相渗透率、水相视相对渗透率；介质压缩系数；油相、水相压缩系数。2.2计算单元选取选取五点法井网研究。根据井网单元的对称性和渗流场流线封闭的特点，取其1/4作为研究单元。2.2.1五点法井网的布置及简化图2-1井网示意图五点法井网油水井均匀分布，相邻井点位置构成正方形，水井在正方形的中心，构成一个注采单元。这是一种常用的强注强采的注采方式。图2-2注采井组2.2.2油藏裂缝模型示意图通过等值渗流阻力法，将裂缝网格宽度扩大到一个网格的宽度。由裂缝长度和方位，根据裂缝在网格系统中“扫过”的区域，确定裂缝所在的网格。由于裂缝垂直，且贯穿整个油层，只需确定一个水平面上的裂缝所在网格，既可知道整个油藏中裂缝的分布位置。俯视图：图2-3裂缝示意图(俯视图)侧视图：图2-4裂缝示意图(侧视图)裂缝网格的确定方法为：根据裂缝长度和方位，在油藏水平面上绘制矩形。其中，矩形的宽度为等值渗流阻力法处理后的裂缝宽度（即地层网格宽度），矩形的长度为裂缝的长度，矩形的一个顶点为井点所在网格，矩形的方向为裂缝方位。以井点所在网格为起始位置，根据井点附近各个网格的步长，计算这些网格的中心位置，并判断网格中心位置与上述矩形的位置关系。如果网格的中心位置在矩形内部，则该网格设定为裂缝网格，否则，设置为地层网格。第三章低渗透油藏压裂注采井组渗流规律研究由于低渗透油藏大都埋藏较深，绝大多数压裂后都出现垂直裂缝。本文以带有垂直裂缝的低渗透油藏井组为例进行研究。低渗透油藏压裂注采井组渗流受地层和和裂缝参数的共同影响。为便于分析，采用单因素敏感性分析法，即在计算某个因素的变动对经济效果指标的影响时，假定其它因素均不发生变化，各个因素之间保持相对独立，分别对影响流体渗流的各个参数进行分析研究。3.1基本参数油层厚度，m30原油压缩系数，1/MPa0.001地层渗透率， 30地下原油粘度，mPa s5地层孔隙度，小数0.21地下水粘度，mPa s1.2地层压力，MPa12井径，m0.1束缚水饱和度，小数0.37残余油饱和度，小数0.32地层水密度，kg /1100生产井流压，MPa7原油密度，kg /840注水井流压，MPa17水的压缩系数，1/MPa0.00051裂缝孔隙度，小数0.25表4-2油水相对渗透率数据图3-1相对渗透率曲线图3-1显示，与中高渗油藏相比，低渗透油藏的相渗曲线中，束缚水饱和度和残余油饱和度均较高，两相共渗区较窄。3.2压后生产整体动态分析图3-2压裂后日产油量变化曲线由图3-2可以看出，压裂后的油井产量变化分为多个阶段。开井生产初期，日产油量迅速降低，这是因为初期生产井周围生产压差很大，渗流阻力较小，初期产量必然很高。接着由于压降漏斗不断扩大，渗流阻力也逐渐增大。在保持井底流压稳定的情况下，相应的油井产量必然降低。接着进入相对稳产期。运用麦夸他算法与通用全局算法拟合的得到了自开井到稳产末期的日产油量曲线：相似度=0.9829由此可知，这一时段日产油量与1(0.0152t+0.0186)成线性关系。时间越长，日产油量越低。综合各个参数影响下的日产油量变化曲线，均近似满足该规律。不同油藏条件下的系数不同。对比不同条件下的系数变化规律，可以用来反推地层的某些参数。随着注入水的推进，当注水前缘到达生产井附近的时候，日产油量有了小幅的上升。接着由于油井见水，日产油量逐渐减小。3.3地层参数敏感性分析不同地层参数对应着不同的油藏条件。作为流体的主要存储介质和流动介质，地层参数对整个渗流过程起着非常重要的作用。通过研究不同地层渗透率、不同启动压力梯度下的油井产量、水井注入量变化，研究其对渗流规律的影响。3.3.1地层渗透率的影响目前国际上对低渗透油藏没有一个统一的判定标准。一般认为当渗透率低于3250 ×m的时候11层中流体的渗流将不再遵循达西定律，即出现启动压力梯度，此时称之为低渗透油藏。分别取地层渗透率为50 ×、40 ×、30 ×、20 ×、3210 ×和1 ×，考查对日产油量和累积产油量的影响。注采压差保持10MPa，其他参数同前。由图3-3可以看出，在生产前期，地层渗透率越大，同一时刻生产井日产油量越高。这说明，地层渗透率越大，渗流阻力越小，越有利于生产。在生产后期，较高的渗透率同样有利于注入水的流动，50 ×情况下，注入水最先达到生产井附近，导致其产量迅速降低。这说明地层渗透率越高，产量递减越快。图3-3地层渗透率对日产油量的影响图3-4地层渗透率对累积产油量的影响由图3-4可以看出，地层渗透率越大，同一时刻累积产油量越高，采出程度也越高。但在压裂的情况下，累积产油量增长幅度逐渐变小。累积产油量曲线的变化趋势与日产油量曲线的变化相一致。上图显示油井见水后，累积产油量增长变缓。图3-5地层渗透率对日注水量的影响由图3-5可以看出，地层渗透率越大，水井注入量越高。这是因为注入水通过裂缝流入地层后的流动能力同样受到地层渗透率的影响。渗透率越大，渗流速度越大，注水量越高。由地层渗透率对日产油量和日产水量的影响曲线上可以看出，渗透率越低，流体在地层中的流动能力越低。目前低渗透油田的开发是一个世界性的难题，普遍存在注不进、采不出的技术瓶颈，提高低渗透油田注入能力及采油速度的研究是低渗透油气田勘探开发的前沿课题，具有重要的技术价值、经济效益以及重大的社会效益。3.3.2启动压力梯度的影响启动压力梯度的存在是低渗透油藏的典型特征之一。目前启动压力梯度大多采用岩心实验来测定。也可通过理论模型的计算、数值模拟、试井分析等方法加以确定。影响启动压力梯度的因素包括地层渗透率12体粘度、驱动压力梯度、含水饱和度13管力14图3-8启动压力梯度对累积产水量的影响由图3-8可以看出，虽然未考虑水相的启动压力梯度，但是油相的启动压力梯度对水相渗流也同样产生了影响。越大，同一时刻地层流体流动消耗的能量越多，累积注水量越低。图3-9启动压力梯度对日注水量的影响由图3-9可以看出，越大，通过裂缝进入地层后的注入水受到的渗流阻力越大，日注水量越低。同时还可以看出，对日注水量的影响并不均匀，变化幅度越大，产量变化越明显。这说明地层压力跟启动压力之间存在一个合适的大小关系。当采用合适的压差生产时，可以满足较低的注水量和产水量，同时能有合适的产油量。图3-10启动压力梯度对油水井连线上压力分布的影响由图3-10可以看出，启动压力的存在影响着生产过程中地层压力的分布。启动压力梯度越小，压力传播越快，地层能量得到补充得越快，扫油面积大，因此也越有利于把油驱入井筒，从而提高采油速度和采收率。3.4裂缝参数敏感性分析人工压裂产生的裂缝实际上是在低渗透油层中嵌入一条高渗透条带。在改善渗流环境的同时，也导致了油藏整体的非均质性。裂缝的导流能力、长度、宽度、方位等一系列参数都对渗流产生了影响。合理优化各个参数，对于压裂的成功起到了决定性的作用。3.4.1裂缝导流能力的影响水力压裂是油田增产措施中一项常用的方法，目的就是要在井筒附近地层形成一条高导流能力的通道供油气渗流，能否形成较高的裂缝导流能力是水力压裂作业的关键。裂缝导流能力是指裂缝闭合宽度与其在闭合压力下渗透率的乘积。裂缝导流能力是评价裂缝渗流条件的主要参数。影响支撑剂裂缝导流能力的主要因素包括地层闭合压力、岩石嵌入强度、支撑剂类型、铺置浓度、机械微粒以及压裂液滞留等。惯性系数，又称为非达西系数(non-Darcy Coefficient)，是描述高速非达西流的一个重要参数。的大小跟多个因素有关。Step1：假定裂缝中的流动满足高速非线性流。由，求得该网格处的渗流速度。 Step2：由雷诺数公式计算雷诺数Re，判断是否满足高速非线性流的条件。若满足，以上假设成立；反之，不成立，即满足线性流。取=3.5，=0.18，=0.84，采用最优化算法，求取不同压力梯度下满足高速非达西渗流条件的渗透率最小值。图3-11高速非线性流与达西流的区别1图3-12高速非线性流与达西流的区别2通过以上分析表明，可以合理运用等值渗流阻力法，即在满足运算需要的前提下，尽量网格细化，使得裂缝所处网格单元体积与裂缝体积数量级差别不大。这样，等值渗流阻力法处理后的网格渗透率仍然较大。只要有较大压差，裂缝所在网格中的渗流仍然满足高速非达西渗流。 厚度不变，通过改变裂缝的绝对渗透率来改变其导流能力，考查裂缝渗透率对产量的影响。 可以看出，在生产初期，提高裂缝的导流能力可以增加日产油量。提高采油速度，加快生产成本的回收。同时也可以发现，裂缝导流能力对日产油量的提高的幅度随导流能力的增加不断减小，当裂缝导流能力增加到一定程度时，压后日产产油量的增幅越来越小，直至趋于相近。这说明，要想取得合理的经济收益，必须综合考虑生产成本与投入，一味单纯地增加裂缝导流能力，并不一定能获得最大的经济效益。3.4.2缝方位的影响不论是油井压裂还是水井压裂，理论上每口井产生的裂缝都有无数种方位选择。如果油水井同时压裂，改变任意井的裂缝角度，都会产生一种参数组合。每一种组合都会对流体渗流产生影响。为了描述方便，考查仅注水井压裂的情况下不同注水井压裂裂缝与注水井排的夹角，即裂缝方位对油井产量的影响。分别取裂缝方位为45°、30°、15°、0°，裂缝方位如下图所示：图3-13方位示意图由饱和度分布图可以看出，不同的裂缝方位导致了流体在地层中的流动方向发生了偏移。当=45o时即裂缝处于有利方位时，注入水仍然以注采井连线为主流线。在主流线上流体流动速度最快。注入水沿该流线迅速突进，最先到达生产井附近。3.5裂井别的影响在保持裂缝总长度不变的情况下，比较几种压裂方式：注水井压裂、生产井压裂和两井同时压裂时的产量变化。裂缝处于两井连线上，裂缝总长度140m。图3-14井别对日产油量的影响 情况下的日产油量可以发现，采用油井压裂的方式效果显著。日产油量较高，而且稳产时间较长。同时压裂，尽管两井附近的裂缝等长，但是同时压裂的日产油量曲线并不完全处于水井压裂、油井压裂曲线的中间。这说明同样的裂缝，所处的井别不同，起到的作用也不尽相同。同时压裂的稳产产量接近于油井压裂，但水驱前缘到达的时间接近于水井压裂。图3-15井别对累积产油量的影响由图3-15看出，三种压裂方式中，油井压裂的累积产油量最高，其次为同时压裂，最低为水井压裂。说明同等条件下，要优先选用油井压裂。第四章总结(1)本文通过引入视相对渗透率，建立了考虑启动压力梯度和裂缝高速非达西流动的低渗透油藏三维两相渗流模型，并以此研究了低渗透油藏压裂注采井组渗流规律。(2)文中给出了存在高速非达西流动时的压力和渗透率区间，并以此判断裂缝中的流动状态。裂缝导流能力是评价压裂成败的重要指标。对比表明，裂缝导流能力越大，产量也就越高。同时，裂缝中的高速非线性流动现象也就越严重。特别是在生产初期，由于导流能力较大，生产压差高，不可忽略裂缝中的高速非达西现象。导流能力衰减系数越大，裂缝的作用下降越显著。裂缝长度越长，产油量和注水量越大，但增长幅度越来越小。因此单纯以增长裂缝长度为手段并不能获得最大的生产效益。裂缝方位会对生产动态产生很大的影响。裂缝方位会改变注水的流动方向和受效时间，并改变最终采收率。对比发现，当裂缝处于有利方位时具有较高的采收率。(3)在一定范围内，生产井井底流动压力越低，生产压差越大，油井产量越高。油井或水井压裂都会增加产量和效益，但油井压裂的效果要优于水井压裂。因此相同条件下要优选油井压裂。参考文献1奚震.低渗透油气藏将成为储量增长主体N.中国石化报,2009-04-28(005)2Wikipedia.HydraulicracturingEB/OL.http:/en.wikipedia.org/wiki/Hydraulic fracture.2010-04-063冯文光.非线性低速渗流的研究现状与进展J.石油勘探与开发,1986,13(2):1011034黄延章.低渗透油层渗流机理M.北京：石油工业出版社，1998,1205郭永存,曾清红,王仲勋.动边界低渗透油藏的无网格方法数值模拟J.工程力学,2006,23(1):2882936R.E.Collins, Flow of Fluids 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