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致密油气藏多相流毛管力效应的研究

姚瑜敏  
【摘要】:致密油气藏具有很大的开发潜力,在油气藏开发产业中日趋重要。致密油气藏是一个复杂的由基质和多尺度裂缝构成的多孔介质耦合系统,具有很强的非均质性。就毛管力而言,由于基质孔隙度小、渗透率低,其中的毛管力很大;而和基质相比,裂缝与井筒中的毛管力很小,以至可以忽略。基质和裂缝耦合系统中的多相流动,在非均质毛管力作用下呈现出非线性特征,不满足线性达西定律。当多相流体从基质流入裂缝(或井筒),或是从裂缝(或井筒)流入基质时,毛管力在界面处可能会发生间断,并出现复杂的跨界面流动现象。理论分析表明,由于毛管力的非均质性,跨基质-裂缝界面的两相流存在三种流动状态:(1)当压差足以克服毛管力末端效应时,两相流体都可从基质流入裂缝,此时界面基质一侧的湿润相饱和度为1;(2)当基质-裂缝之间的压差不足以克服毛管力末端效应时,只有非湿润相可以从基质流入裂缝;(3)当裂缝压力大于基质压力时,两相流体均从裂缝流入基质,此时湿润相压力间断。毛管力的非均质性会造成复杂的跨界面流动现象,导致基质-裂缝以及基质-井筒界面附近物理量剧烈变化乃至发散,这给高精度油藏数值模拟造成很大的困难,现有油藏数值模拟模型在计算这类跨界面流动时,普遍存在精度差的缺陷。本文基于基质-裂缝界面处的流动状态分类及相应的界面条件,对于致密油气藏两相流中的毛管力效应开展研究,具体内容如下:1.提出了一个考虑毛管力末端效应的两相流井模型。传统井模型从单相流直接推广到两相流,并未充分考虑到基质-井筒界面附近的物理量剧烈变化,从而存在较大的数值计算误差。本文通过数学分析,得到了考虑毛管力末段效应的稳态两相流解析解,并通过有限体积法构建了一个新的两相流井模型。数值算例表明,与传统井模型相比,新的井模型能更准确地预测油气和水的产量。由于本文井模型基于解析解构建,充分考虑了井筒附近饱和度和气相压力的剧烈变化,因此预测结果对计算网格尺寸的依赖性较弱。计算结果还表明,毛管力末端效应会造成严重的水锁现象,基质-井筒界面处的毛管力间断会使得水相堆积在生产井附近,阻碍了油气相的产出。2.基于毛管力末端效应,分析了油水两相稳态渗流实验中的非线性渗流特征。本文利用一维稳态渗流方程对岩心实验进行了严格的数学分析,并得到了以下结论。在给定流量比的条件下,当压差较小时,毛管力末端效应的影响区域远大于岩心长度,流量压差曲线呈现凹函数的非线性关系;随着压差逐渐增大,流量压差曲线逐渐趋近于线性,通过延伸线性段可以得到拟启动压力差,并在数学上证明了该拟启动压力差为有限值。通过分析相关参量(岩心渗透率、相渗曲线、流体粘度等)对拟启动压力差的影响,本文发现,渗透率越低的岩心,其压差-流量曲线的非线性越强,相对应的拟启动压力差也越大;当湿润相呈中性时,拟启动压力差最小,由此可知油气藏呈中性时,毛管力的阻碍作用将大幅降低。此外,本文还研究了边界层效应对于两相渗流的影响,结果表明,即使考虑边界层效应,毛管力差异仍然是致使流量-压差曲线呈现非线性的重要原因。以上从毛管力非均质性角度出发,对两相稳态渗流实验结果进行分析,为研究致密储层两相非线性渗流理论,提供了新的思路。3.致密储层中基质和天然裂缝并存,基质中毛管力远高于天然裂缝,基质和天然裂缝之间同样存在很强的毛管力非均质性,这对其中的宏观流动也将产生重要影响,使流动呈现出显著的非线性流动特征。本文假定天然裂缝在基质中均匀分布,探讨了基质-天然裂缝系统在与裂缝垂直方向上的宏观非线性渗流规律。研究结果表明,基质-天然裂缝耦合系统中的湿润相存在启动压力差,并且随着基质中的裂缝密度的增大而增大;而非湿润相在较小的压差条件下,流量-压差曲线呈现凸函数特征,而在较大的压差条件下,流量-压差曲线逐渐趋近于线性,但仍存在拟启动压力差。此外,本文还分析了基质饱和度、渗透率以及边界层效应对非湿润相凸函数流动特征以及对两相拟启动压力差的影响。结果表明,基质的含水饱和度以及渗透率对非线性特征有较大影响。随着基质含水饱和度的增大,油水之间的毛管力减小,非线性特征减弱;随着基质渗透率的减小,毛管力的非均质性增强,使得流动的非线性也增强。当考虑边界层效应后,即使在较小的压差条件下,两相流动的非线性特征也较显著。


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