低渗油藏渗流机理

低渗油藏渗流机理毛锐中国地质大学（武汉）资源学院，湖北武汉（430074）Email：***********************摘要：低渗油藏孔隙细小，渗流不符合达西定律，流体在其中流动存在启动压力。

低渗透油气藏渗流规律有着不同于中高渗油气藏渗流规律的特殊性，二者在油田开发效果上存在的差异正是这种渗流规律的特殊性引起的。

因此，必须加快特低渗油气藏渗流机理研究，为低渗油气藏稳产增产奠定基础。

本文在阅读文献的基础上对低渗透油藏的渗流规律做综合性的论述。

关键词：非达西流启动压力介质变形渗流规律前言油藏工程和渗流力学研究中一直以达西定律为主要基础。

达西定律的假设条件为：流体为牛顿流体，液流为层流状态，流体与孔隙介质不起反应。

低渗透油层的许多特点和现象与达西定律所假设的条件相差很大，受固体表面影响边界层在孔隙中所占的比例很大。

因此，达西定律不适用于描述低渗透油藏的渗流规律。

早在20世纪50-60年代，国外就有非达西渗流的提法。

我国西安石油学院阎庆来等人最先用地层水和原油通过天然岩心进行渗流试验，试验结果表明，在渗透率较低时，无论是水，还是原油都有较为明显的启动压力梯度显示，即产生非达西渗流现象。

低渗透油藏由于渗透率低，孔隙结构复杂，渗流环境复杂，因而其油、水渗流特点、规律要比中高渗透储层复杂得多。

油田开发实践表明：与中高渗油田相比，低渗透油田在开发效果上存在很大差异：(1)绝大部分低渗油藏天然能量不足，产量下降快，注水井吸水能力差；(2)注水压力高，而采油(气)井难以见到注水效果；(3)见水后含水上升快，采液指数和采油(气)指数急剧下降；(4)油田最终采收率低等特征。

其原因在于低渗透油气藏渗流规律有着不同于中高渗油气藏渗流规律的特殊性，二者在油田开发效果上存在的差异正是这种渗流规律的特殊性引起的。

因此，必须加快特低渗油气藏渗流机理研究，为低渗油气藏稳产增产奠定基础。

正文1.低渗透油藏相对渗透率规律研究现状目前求取两相渗流相对渗透率的方法，主要有稳定法和不稳定法两种，对于稳定法，因为测试时间长、受限于实验仪器设备的精密度还未被大部分学者所采纳。

对于不稳定法，仍然是以采用JBN方法的为多，但JBN方法也存在严重的局限性，首先它为了避免岩心末端效应的影响，所需要的驱替速率比较高。

另外，在计算过程中，为了达到简化计算的目的，它没有考虑毛管力和重力的影响，也没有考虑启动压力的影响。

据此，国内外很多学者发表了很多有关JBN方法的修正文献。

低渗相渗曲线的测量问题至今仍然是个值得研究的问题。

在此基础上，目前虽然有不少学者对低渗相渗曲线的特点做了描述，指出了低渗相渗曲线与高渗相渗曲线在形状上的区别。

但是，这些大都是建立在不稳定法实验的基础上所得出的结论。

稳定法实验求取低渗相渗曲线几乎没有研究，低渗相渗曲线的影响因素以及表征相渗曲线的参数与影响因素之间的变化关系至今也鲜有研究报道。

2.低渗砂岩油藏启动压力梯度研究低启动压力梯度和介质变形是低渗透油藏最显著的特征[1-3]。

常规的渗流力学理论难以解释特低渗透多孔介质中特殊的渗流现象、渗流实质以及油田开发过程中的一些生产特点。

目前研究人员在启动压力梯度和介质变形方面作了大量的工作[4-6]。

渗透储层由于孔喉微细，流体在渗流过程中受到岩石孔壁与流体固、液界面上的表面分子力的强烈作用，因此需要一个启动压差，才能使流体开始流动。

使低渗透储层中的流体开始流动的最低压力称为启动压力。

1．低渗砂岩油藏启动压力梯度研究1)测定方法及原理室内实验测定低渗透砂岩单相渗流启动压力梯度大都是测定不同驱替压差流体通过低渗透砂岩岩心的渗流速度，求得流量与压力梯度的关系，描述流体在岩心中的渗流过程再用数学的方法获得压力梯度，又称作“压差－流量法”。

在测定最小启动压力梯度值时，采用“毛细管平衡法”与“压差－流量法”相结合的方法，“毛细管平衡法”应用的是连通器原理。

图1 毛细管平衡法原理示意图图2 典型非达西渗流曲线示意图2．一种两相启动压力曲线的建立方法研究结果表明，在两相启动压力曲线上，各相的启动压力梯度与驱替相的饱和度之间均呈指数变化规律；水驱后期指数变化律遭到破坏，是驱替后期驱油效率急剧变小的主要原因。

1)驱替试验方法测定相对渗透率有3 种方法：非稳态驱替、稳态法和离心法，用非稳态驱替法测定油水(气)相对渗透率仍是最普遍的，在国内外得到广泛的应用。

2)两相启动压力曲线的建立水驱油的渗流过程中，两相的存在造成互相干扰和影响，均减少了本身相的渗流通道，导致各相的相渗透率有所降低。

因此，两相渗流时的启动压力规律必将对驱替特征产生明显的影响，采用间接法：因两相渗流时单相仍遵循各自的渗流规律，依靠已建立的单相启动压力梯度规律来描述两相启动压力规律的表达形式，据此分析与研究两相启动压力规律对驱替特征的影响。

图3 含水及含气饱和度图4不同流体启动压力梯度与渗透率关系曲线3)油水两相启动压力对水驱油特征的影响在水驱油过程中，未见水前是单相的流动，无法计算两相启动压力梯度，因此将无水期的启动压力梯度认同为单相原油的启动压力梯度，即水驱油时其驱动压力梯度必须克服油相的启动压力梯度后水、油才能发生流动；只有见水后，油水才按本身的渗流规律进行水驱油流动。

正如油水相渗是以油相渗透率为基准一样，其油水两相启动压力梯度曲线是以束缚水时的油相启动压力梯度为基准，油水两相相对启动压力梯度具有以下规律(见图3)：见水后，油水两相相对启动压力梯度开始发散，随着含水饱和度的增加，水相启动压力梯度逐渐变小，油相启动压力梯度逐渐变大；在大部分水驱阶段，油、水均按自己的规律随含水饱和度的增加而规律性地增大和减小，后期油水两相的启动压力梯度变化均偏离直线而急剧增大和减小。

这充分揭示出水驱油后期的强水洗阶段驱油效率急剧变小的原因。

3．启动压力梯度对驱替的影响启动压力梯度的存在，造成平均含水饱和度降低和地层压力升高，驱替效果变差。

并随着启动压力梯度增加，原油的表观粘度增大，油水两相流体的流度比越来越大，驱替前缘越来越不稳定，水窜现象愈明显，从而导致驱替效率降低。

图5 启动压力梯度对含水饱和度分布影响图4．毛管力对驱替的影响在低渗透油田开发中，由于渗流阻力大，渗流速度低，原油内在的粘性所引起的摩擦力很小，毛管力对驱替的作用显著。

在油田实际生产中，特别是非均质性较强时，毛管力增加能缓和水驱前缘的突破，保持水驱前缘均匀。

在低渗透油田开发中毛管力的存在，显著地影响了含水饱和度的分布。

一方面，前缘含水饱和度降低，含水饱和度前缘超前，并且水淹区内的含水饱和度趋于均匀：另一方面，驱替相的压力要增加。

这与注水井附近由于考虑毛管力而计算的含水饱和度降低有关，含水饱和度越低，说明两相区渗流阻力越大，因而驱替相的压力要增加。

[7]3.介质变形的影响低渗透油藏大多属应力敏感性油藏,随着注入水的进入或地层流体的采出,地层岩石的有效覆压将会发生变化,岩石发生形变,从而引起地层孔隙度和渗透率发生变化。

这种变化是不可逆的过程(图5) ,最终将影响油气藏的产能和开发效果。

应力敏感系数与实验中岩心所受的最大围压无关, 在直角坐标系中与初始渗透率为幂函数关系(图6) 。

图5 岩心渗透率与有效覆压关系曲线图6 岩心初始渗透率与应力敏感系数的关系从图6中可以看出, 当岩心渗透率小于110 ×10 - 3μm2 以后,应力敏感系数急剧增加。

对于特低渗油藏,应力敏感的影响显著增强,只要存在压力降,就会有渗透率的损失。

因此,搞好低渗油藏开发的关键是保持合理的地层压力,优化超前注水参数。

[8]低渗透油藏应力敏感性强,地层压力对变形介质油藏的渗透率变化有较大的控制作用。

且渗透率变化具有不可逆性,对低渗透油藏的开发要保持合理的地层压力。

启动压力梯度和介质变形对低渗透油藏开发有较大影响,两者与地层渗透率之间均为幂函数关系。

建立了综合考虑启动压力梯度与介质形变影响的低渗油藏渗流模型。

4.渗流规律1)净上覆压力对储集层渗透率的影响净上覆压力增加使岩石骨架变形,使孔隙喉道更加细小狭长,均质性变差,渗透性变低。

实验证明:地层压力下降,净上覆压力增加,储集层空气渗透率的减小呈幂函数规律。

中高渗透储集层喉道半径较大,渗透率的降低一般小于20 %;而对于空气渗透率小于10 ×10 - 3μm2 的低渗储集层,当净上覆压力为30 MPa 时,其渗透率只有原始的0. 15 倍,基本上失出了渗流能力。

渗透率大幅度降低必然导致采油指数大幅度降低,产量大幅度下降。

特别是当储集层存在微裂缝时,地层压力的降低对油井产能的影响会更大。

这是低渗透油藏开发初期油井产量高但递减快的主要原因。

2)渗流规律影响实验研究发现, 当原油在喉道半径很小(特别是小于10μm) 的低渗储集层流动时,启动压力梯度不可忽略不计。

渗流速度与压力梯度分为非线形段和拟线形段两部分。

某种流体在一定物性储集层中渗流时,随着压力梯度的增大,会出现3 种不同的渗流状态:当驱替压力梯度小于最小启动压力梯度时,流体不流动;当驱替压力梯度大于临界驱替压力梯度时,流体处于易流状态;当驱替压力梯介于二者之间时,流体处于低速高阻不易流状态。

在低渗透油田开发初期,油井径向的驱替压力梯度大于临界驱替压力梯度,处于拟达西线性渗流区,渗流阻力最小,储集层渗流能力最大,因此油井的采油指数大。

随着油田开发时间的增长,由于低渗油藏能量传递慢,井底地层压力迅速下降,岩石骨架承受的净上覆压力增加,渗流阻力增加,在与投产初期相同驱替下,储集层渗流有可能由原来的拟达西线性流变为低速非达西流。

油水井井底附这驱替压力梯度较大,用实验模型根据实际压力剖面计算,油水井间大部分区域的驱替压力梯度小于临界驱替压力梯度,处于低速高阻非达西流状态, 即油、水井间成为不易流动带。

不易流动带存在的结果是: ①注水井附近形成局部高压区,注入的水不易向远处扩散,注水压力逐步升高而注水量逐步减少,甚至出现地层不吸水的现象; ②生产井附近地层或生产井供流不足,产能递减,产量降低。

因此,低渗储集层分布区平面存在着低速高阻不流动带和相对低阻易流区。

层状低渗油藏纵向上会出现低速高阻不易流动层和相对低阻易流层。

在低渗油藏开发中,如何利用现有工艺技术,合理选择井距,扩大易流区,是改善开发效果的关键。

[9]总结目前对低渗透油藏渗流机理的研究，已取得一些进展和认识，但存在一定的局限性。

表现在：其一，对低渗透油藏流体渗流机理没有进行过系统、全面的研究；其二，还没有一套完整的、系统的描述低渗透油藏渗流规律的模型；其三，对低渗透引起的开发动态的异常无法定量或定性描述，低渗透油藏的渗流规律需要进一步的完善和系统化。

因此，对低渗透油层而言，研究其渗流机理、渗流规律、渗流特征，并在此基础上建立低渗透油藏渗流规律描述方法，对低渗透油田的开发动态进行正确和合理的预测具有重要的意义。