页岩储层多尺度渗流实验及数学模型研究

页岩储层中存在纳米孔隙、微米孔隙、微裂隙和裂缝等多尺度孔隙结构。为了认识页岩储层的多尺度渗流规律,采集涪陵龙马溪组页岩岩样,利用改进的实验装置,开展了吸附/解吸、应力敏感和扩散等实验。实验结果表明:吸附/解吸基本符合兰格缪尔方程;渗透率与有效应力符合指数函数关系;扩散系数随温度的升高而增大,符合Fick扩散定律。基于渗流力学理论分析了页岩储层的多尺度渗流机理,认为页岩气在基质中的流动包括由压力差所引起的渗流、浓度差引起的扩散以及由于压力降低而引起的页岩气解吸,裂缝中的流动为压力差引起的渗流。基于实验及理论分析,建立了页岩储层多尺度综合渗流数学模型,为页岩气井渗流规律研究、产能评价及生产动态分析奠定基础。     

页岩储层中混合润湿孔隙的气-水自吸研究

探讨混合润湿页岩的气-水自吸特征,为压裂液中是否需要加入润湿改性剂提供理论依据.通过建立混合润湿平板模型,对引起流体自吸的作用力进行了分析,推导了混合润湿平板模型的自吸Lucas-Washburn方程,并运用两相流水平集方法进行了数值模拟,验证了混合润湿平板模型的Lucas-Washburn方程判断自吸方向的正确性.研究结果表明,对于混合润湿平板模型,气-水的自吸方向只由亲水壁和疏水壁的接触角之和决定.当亲水与疏水壁的接触角之和小于π时,孔隙会自发吸水排气;当亲水壁与疏水壁的接触角之和大于π时,孔隙会自发吸气排水;当接触角之和等于π时,气、水均无法自吸.     

孔隙-裂隙双重变形介质中的油水两相流动理论研究

在连续介质力学理论架构下,文章建立了饱和油水两相渗流与变形孔隙-裂隙双重介质耦合作用的理论来模拟裂隙砂岩储层中的油-水渗流,提出了基于双孔隙固相系统变形与油水两相渗流的全耦合力学模型;在对力学模型给予适当简化的基础上,应用解耦的有限元数值解方法对裂隙储层的两相流体压力、饱和度以及储层变形等参数进行了数值模拟;结果表明,裂隙储层流体运动主要由裂隙变形、油/水的PVT特性所决定。     

反映动态启动压力梯度的低渗透油藏渗流模型

基于流体边界层理论,建立了一种描述在低渗透油藏流体非线性渗流特征的新模型,获得了动态启动压力梯 度的连续变化函数。应用考虑动态启动压力梯度的非线性渗流模型,建立了一维单相流体流动的数学模型,并应用全 隐式方法对离散方程进行了线性化处理;对比研究了线性渗流模型、拟线性和反映动态启动压力梯度的非线性渗流模 型下地层压力的分布特征及流体非线性渗流系数对动边界扩展的影响。数值结果表明：受动态启动压力梯度的影响 在近井区域地层压力下降幅度更大,在远井区域的地层压力越高,地层压力下降范围更小;非线性系数数值越小,流体 流动的非线性程度越强,动边界的扩展速度越慢。     

砂岩储层渗透率与压汞曲线特征参数间的关系

通过对大量岩样毛管压力数据的分析研究发现,在双对数坐标下储层岩石毛管压力曲线呈现明显的双曲线特征,且可用双曲线的两条渐近线Pd和Sb及孔喉几何因子Fg三个参数唯一确定,双曲线的顶点代表了非润湿相在岩石系统中完全占据能有效控制流体流动的那部分有效孔隙空间时的状态。且双曲线的位置形状参数或顶点参数决定了岩石绝对渗透率的大小。分别用位置形状参数和顶点参数成功建立了岩石绝对渗透率的估算模型,并用大量实测数据验证了估算模型的可靠性。     

超低渗透油藏见水微观机理研究

从微观角度和宏观角度研究超低渗透油藏见水微观机理和见水特征。微观角度主要以室内实验为基础,首先通过恒流速和恒压差水驱油实验说明超低渗水驱过程中由于油水两相界面的存在导致的水驱油渗流阻力增加;然后通过渗流阻力分析和动态毛管压力实验研究了储层孔喉结构对水驱能力的影响以及水驱油渗流阻力增加的主要原因,结果表明当润湿相水与非润湿相油形成油水界面时,油水两相界面的阻力却远大于水驱油的毛管压力,会导致局部孔隙吼道被油水界面切断,从而不参与渗流。     

页岩气藏压裂水平井线性耦合渗流模型研究

为研究页岩基质孔隙中气体低速流动时启动压力梯度对试井的影响、解决页岩气复杂流动机理耦合的困难,提出了一种新的圆柱状三重孔隙页岩基质模型,并与五线性渗流模型结合,建立了表征气体流动过程的多级压裂水平井线性耦合渗流模型;应用Laplace变换、Green函数等方法得到模型的解,利用Stehfest数值反演算法计算并绘制了气井无因次拟压力响应曲线并进行敏感性分析。结果表明,基于新模型的压力响应曲线可划分为七个流动阶段;启动压力梯度主要影响曲线的中晚期阶段,若启动压力梯度越大,则渗流阻力越大、拟压力及其导数值越大;基质渗透率越小,则基质向裂缝系统窜流越困难、边界控制流动阶段发生时间越晚。     

低渗透储层流体非线性渗流机理及特征分析

基于微尺度渗流效应，分析了低渗透油藏非线性渗流机理，根据力学平衡方程和压汞实验数据，建立了低渗透储层流体非线性渗流数学模型，分析了非线性渗流特征，并引入动态阻力梯度概念，实现对低渗储层非线性渗流的动态表征。结果表明，边界层、流体屈服应力、边界流体体相流体间的表面力对低渗透渗流形成的附加阻力，是非线性渗流的主要原因；非线性渗流特征在不同的驱替压力梯度下一直存在，在低驱替压力梯度下明显，高驱替压力梯度下弱化；采用动态阻力梯度代替启动压力梯度对非线性渗流进行表征更加合理；随着驱替压力梯度的增加，动态驱替梯度曲线特征为先从一个比较高初始值瞬间降落，之后逐渐增大；动态阻力梯度与驱替压力梯度的比值先增大后减小。     

岩石物理实验“四参数”关系研究毛细管压力、核磁共振τ2谱、电阻增大率和相对渗透率

探讨油藏勘探开发过程中的毛细管压力、核磁共振τ2谱、电阻增大率、相对渗透率4种岩石物理实验参数的内在联系。以分形理论为基础,分析并推导出4种实验数据关系的理论模型,并通过实际实验设计和联测进行验证,结果表明:在一定饱和度范围内,4种实验数据作为描述岩石微观特性的动态与静态参数可以相互转换;毛细管压力用于定量分析岩石的孔隙结构性质,核磁用于描述孔隙内流体赋存状态,电阻增大率用来表征岩石的含油气性,相对渗透率用以判别润湿性以及多相流体的相对流动能力,实际中以理论模型为依据建立岩石物理参数转换平台,能够较全面地基于岩石物理实验对储层产能情况进行分析预测。     

储层孔隙结构对油水两相相对渗透率影响微观模拟研究

油水相对渗透率曲线是表示两相渗流的重要信息,而储层微观孔隙结构特征是影响相对渗透率的重要因素.结合逾渗理论,采用截断威布尔分布作为孔喉分布函数,模拟初次油驱和二次水驱过程,建立了油水两相流的三维准静态孔隙网络模型.利用建立的孔隙网络模型,研究了水湿情况下储层微观孔隙结构参数如孔喉半径、孔喉比、配位数、形状因子等对油水相对渗透率的影响.结果表明:孔喉半径和孔喉比越大、配位数和形状因子越小,残余油饱和度越大,两相共流区越窄;配位数对非润湿相相对渗透率影响较大,而形状因子对润湿相相对渗透率影响较大.     

页岩气产能评价方法及模型研究

非常规气藏渗流机理复杂,具有独特的渗流机理和生产动态特征,难以用常规的气井产能方法评价产能,预测可采储量。从渗流力学出发,根据页岩气藏压裂后储层特征,建立了页岩气藏复合模型,确定了页岩气井稳产时间,分析了内外区渗透率、内区半径、启动压力梯度、解吸压缩系数和储层厚度等影响规律;并参照Vogel方程建立了页岩气井产能方程。结果表明:内区渗透率、外区渗透率、内区半径、储层厚度和解吸压缩系数是影响页岩气井产能的敏感因素;表皮因子和启动压力梯度不是敏感因素。通过可靠性分析,参照Vogel方程建立的页岩气井产能公式能够快速、准确的判断页岩气井的产能。     

毛细管内两相流体驱替规律研究

本文模拟了不同半径毛细管中水驱油和油驱水时界面移动的全部过程,为深入理解液-液两相流动机理,建立正确的两相流流动模型提供一定的依据,探索孔隙内流体驱替速度与外加压差之间的关系。根据实验数据,发现它们之间存在很强的规律性,其流动规律明显偏离泊谡叶公式,依据实验资料,得到的结论是：两相驱替时界面移动的动态接触角余弦与外加压差之间存在线性关系;进而得到动态毛细管压力与外加压差之间的线性关系;两相驱替时,液体的流动规律是,界面的移动速度与外加压差成线性关系,对于水驱油和油驱水时,直线的斜率不同,其截距是静毛细管压力,转变点的压力与静态接触角和直线的斜率有关。     

页岩气藏压裂缝网扩展流动一体化模拟技术

页岩气藏天然裂缝分布复杂,地层非均质性强,水平井压裂技术是开发的必要手段,建立页岩气藏压裂缝网扩展与流动一体化模拟方法对于制定生产方案及评价压裂措施具有重要的现实意义。采用基于闪电模拟的油藏压裂裂缝网络扩展计算方法来模拟页岩气藏多分支裂缝网络形态,在此基础上进一步运用嵌入式离散裂缝模型（EDFM）来定量表征页岩气藏有机质-无机质-裂缝网络之间的复杂流动机制,从而实现页岩气藏压裂缝网扩展流动一体化模拟。基于该方法建立了200 m×200 m的地质模型进行缝网形态模拟以及流动表征,通过缝网扩展模拟方法得到裂缝网络分布规律,在此基础上基于嵌入式离散裂缝模型进行流动模拟,得到模型生产200 d后的含气饱和度分布以及产气量分布曲线。同时,基于本文模型分析了压裂液注入压力、分形概率指数、压裂液黏度以及裂缝网格精细程度等参数对裂缝网络形态、含气饱和度分布以及页岩气产量的影响。研究表明,压裂液注入压力越高分形概率指数越小、压裂液黏度越小裂缝扩展范围越大、含气饱和度下降范围越大单井产量越高,裂缝模拟精度会显著影响产量误差。基于该页岩气藏压裂缝网扩展流动一体化模型可以大规模模拟页岩气藏缝网形态以及多重介质复杂流动,为评价页岩气藏压裂施工好坏以及产量预测提供了有效的帮助。     

低渗透煤层气水两相非线性渗流数学模型及计算分析

 在考虑煤层气的解吸和扩散效应及启动压力梯度的基础上,对低渗透煤层气藏流体输运特性进行分析,建立了低渗透煤层气水两相非线性渗流数学模型,推导出非线性渗流阶段气水两相的控制方程组。通过实例计算表明,液相拟启动压力梯度从0.001MPa/m增加至0.007MPa/m,煤层产气峰值下降约15%;不考虑启动压力梯度时的产气峰值量要比液相拟启动压力梯度为0.001MPa/m的产气峰值提升约7%。因此启动压力梯度的存在阻碍了裂隙中流体的流动,对煤层气开发影响较大。     

页岩气藏水力压裂渗吸机理数值模拟研究

针对页岩储层在水力压裂作业和生产中渗吸机理及作用规律不清的问题,开展了渗吸机理及其引起的地层伤害评估的研究。建立了考虑不同影响因素的页岩水力压裂渗吸数学模型,包括基质和裂缝流动,气体扩散和解吸,应力敏感效应和毛细管压力,然后,讨论了在压裂气藏和后续生产期间如何通过量化裂缝面表皮演变来评估由于渗吸机制导致的储层伤害现象。结果表明,（1）在试井以及生产阶段渗吸对储层特性有较大影响,极大的毛细管压力是导致渗吸现象和水力裂缝附近水封的主要原因;（2）对于实施了水力压裂增产措施的新井通过探测裂缝压力可以获得原始气体压力;（3）润湿相阻塞导致的储层伤害是影响致密气藏水力压裂井生产能力的主要来源之一。研究结果对于页岩气藏的渗流特性能够提供深刻的理解,尤其是为早期生产阶段降低由渗吸作用可能造成的储层伤害来优化生产提供理论依据。     

页岩气藏压裂水平井物质平衡模型的建立

针对页岩气藏压裂水平井中裂缝、基质、游离气和解吸气等对产气量贡献比例定量计算的难点问题,开展了动态渗流分区的物质平衡模型的建立与分析研究,研究中采用了不同渗流区域内压力降传播速度及平均地层压力的计算方法,进行了动态渗流分区设计,给出了压裂液返排后储层受渗吸作用的含水饱和度计算方法,建立了由12项构成的综合物质平衡方程。通过模型的实例应用与分析,获得了气井生产的7个渗流阶段,揭示了不同生产时间的供气结构比例变化规律,认识到基质储层的游离气是气井长期生产的主要供给气来源,其次是解吸气。模型的建立简化了多尺度渗流方程的描述和复杂求解过程,为理论分析和现场应用提供了一种新的方法,也为深入理解和研究页岩气藏渗流特征提供了依据。     

裂缝性稠油油藏动态渗吸实验研究

渗吸是指一种润湿相流体在多孔介质中置换出另一种流体的过程,对于裂缝性油藏来说,渗吸是其重要的采油机理。为了研究动态渗吸的作用机理和效果,通过室内物理模拟实验研究了裂缝性稠油油藏动态渗吸的作用效果。结果表明:裂缝宽度对渗吸效果影响显著,裂缝宽度越大,渗吸效果越好;端面封堵减少了岩心与注入流体的接触面积,渗吸的接触面积减小,导致渗吸效果变差,渗吸采收率及速度都降低;原油黏度会对渗吸效果产生影响,原油黏度增大,渗流阻力增大,导致渗吸效果差,当温度升高至90℃时,原油黏度降低,渗吸阻力小,采出程度增大;注入速度也会对渗吸效果产生影响,存在最优值,0. 5 m L/min的速度注入时动态渗吸的采收率最高;在动态渗吸实验中,传统的静态渗吸无因次标度模型也能够较好的标度动态渗吸数据,因此采用标度模型预测裂缝性稠油油藏的渗吸采收率也是合理、可行的。由此可见,动态渗吸采油能够充分利用裂缝和岩石基质之间渗透率的差异,将岩石基质中的原油采出,增大原油采收率,改善开采效果。     

页岩气藏部分压开压裂井压力动态分析

 压裂井因为能够提高单井产量和降低成本在页岩气藏的开发过程中得到了广泛应用,然而在实际生产过程中由于页岩储层普遍厚度较大,难以被完全压开。为此,综合考虑页岩气的解吸、扩散和渗流特征,建立了页岩气藏部分压开压裂井的渗流模型,应用Laplace变换、Fourier变换和Duhamel原理,结合Stehfest数值反演对模型进行求解,绘制了相应的压力特征曲线并对其进行了流动阶段的划分,讨论了相关参数对压力动态的影响。研究表明,页岩气藏部分压开压裂井的压力特征曲线存在7个主要流动阶段;裂缝的压开程度主要影响球形流阶段表现的明显程度及压力导数曲线前期位置的高低,解吸系数主要影响压力导数曲线下凹的深度,无因次储容系数主要影响压力导数曲线下凹的宽度和深度,无因次窜流系数主要影响解吸扩散阶段出现的早晚。所获得的结果可为利用压裂井合理高效地开发页岩气藏提供理论支持。     

基于流线积分法的注水井网非稳态产量模型

低渗透油藏注水开发通常表现为油水两相非达西渗流,基于达西定律推导的计算方法不再适用。根据流线积分法基本原理,考虑启动压力梯度的影响,推导了单根流管中油水前缘突破前后的产量计算公式,然后引入面积井网注水开发过程中启动角的计算方法,最终通过建立数值积分可以得到不同井网形式下的非稳态产量计算模型。对比了模型计算结果与油田实际生产数据,证实了模型的可靠性,能够满足油田现场产量预测的要求。运用该模型计算并探讨了启动压力梯度、井网形式及生产压差对油井生产动态的影响,发现启动压力梯度对油井生产影响大,在开发指标预测过程中不能忽略;五点井网产量高、递减慢,在条件允许的情况下应该尽量采用五点井网;合理提高生产压差能够提高采油速度,缩短油田开发周期,开发效果好。