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对于低渗透多孔介质非达西流渗流研究

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  低渗透多孔介质非达西流渗流研究



姓 名: 马冀
     学 号:902347
     性 别:男
     专 业: 石油工程
     批 次:0803
     电子邮箱:34120774@163.com
     联系方式:13843808154
     学习中心:吉林松原奥鹏
     指导教师: 王霞

2009年11月18日
摘 要
  流体在低渗透多孔介质中渗流时表现出非线性特征,流体的粘度和地层温度都会对渗流规律产生影响。流体的性质和流体介质是导致非达西流的主要因素。渗透率越低,粘度影响越明显。随着温度升高,渗流曲线越接近于直线,拟启动压力随着温度的升高而减小。原油在渗流时,存在较为明显的启动压力梯度。通过理论分析,建立了描述低渗透多孔介质非线性渗流的运动方程,给出了出现非线性的临界条件,从边界角度对低速非达西渗流的产生进行了理论分析,认为边界层得厚度随着压力梯度的增加而减小,当压力梯度增大到一定值后,不动层为固化层,进入线性非达西流阶段。为了确定该渗流形式出现的条件,在实验研究的基础上,针对引起非达西渗流的主要作用机制,运用因次分析方法,提出了一个综合判据--压力数(λN)。在注水开发过程中,相界面的变化引发了多种物理过程和化学反应,进而诱导出流体的非达西渗流特征。
  关键词:低渗介质;非达西渗流;流体;渗流;达西定律
目 录
第1章 前 言 1
第2章 低渗透多孔介质渗流的总体特征 2
2.1 渗流曲线及特征 2
2.2非达西渗流的弹塑性 3
2.3 低渗岩心的孔隙结构 5
2.4 渗流过程的分析 6
第3章 低渗透岩心渗流力学实验研究 9
3.1 实验方法与流程 9
3.2 低渗透岩心渗流实验曲线特征 10
3.3 低渗透多孔介质中粘度的变化规律 11
3.4 温度对3%KCL盐水渗流规律的影响 12
3.5 实验数据的归一化处理 13
3.6 非线性的临界条件及理论分析 15
第4章 低渗透介质非达西流渗流研究进展 17
4.1 低渗透介质非达西渗流的存在性 17
4.2 低渗非达西渗流模型 17
4.3 低渗非达西渗流的成因 20
第5章 低渗非达西渗流的判据 21
5.1 因次分析与压力数判据 22
5.2 低渗非达西渗流的求解与应用 26
第6章 结 论 28
参考文献 29
第一章 前 言
  当今社会,能源问题和环境问题是可持续发展的两大关键问题。石油和天然气作为两种主要能源,其安全、经济的开采已日益为各国所重视。对于低渗油气藏,其渗流规律表现出对达西定律的偏离,主要特征表现为随着水力梯度的变化渗透率发生明显的变化和存在启动压力梯度。目前主要用达西定律来近似处理这些问题,这与真实情况存在着较大误差, 影响油气藏的产量和经济效益。因此,用达西定律来研究低渗介质中的渗流问题,将带来比较大的误差,这严重影响工程的安全、经济效益。低渗透介质非达西渗流(低渗非达西渗流)理论就是在解决以上问题的基础上发展起来的。低渗透油田开发中遇到很多问题,如注水井注不进水,产量预测不准等。因此,合理地开发好低渗透油田是我国石油工业发展的一个重要战略方向。低渗透油田地下渗流情况复杂,其中重要的一点就是这些油藏中的流体渗流不在遵循达西定律。由于低渗透油层孔隙细小,结构复杂,渗流阻力大,固液表面分子力作用强烈,其渗流特征和渗流规律与中、高渗透油层有很大的不同。
  长期以来,研究地下油气渗流均以达西定律作指导的"简单的线性系统"作为研究基础,发展到后期,紊流的出现,将非线性引人渗流领域。最近,在研究低速渗流中提出起始压力梯度和气体滑脱效应等,进而提出低速非线性渗流例。但是, 所有这些研究并没有彻底解决这个问题,仍存在很多的争论。其主要原因是缺乏一套描述微观渗流规律的统一模型。本文在分析、研究大量低渗岩心实验数据的基础上,确定出各种渗流形态的范围,肯定了启动压力梯度及低速非达西渗流的存在,建立起统一的基本渗流规律表达式,为油田的合理开发提供了理论依据,并对不同的流动形态模式进行了物理和力学上的解释。最后分析出不同运动形态渗流规律对低渗油田开发的影响,给出了合理开发低渗油田的建议。
  本文的主要研究内容包括:(1)低渗透多孔介质渗流的特征总结。渗流曲线及特征,非达西渗流的弹塑性,低渗岩心的孔隙结构,渗流过程的分析。(2)低渗透岩心渗流力学研究。实验方法与流程,低渗透岩心渗流实验曲线特征,粘度的变化规律,温度对渗流的影响,雷诺数对渗流的影响。(3)低渗透介质非达西渗流的研究进展。低渗透介质非达西渗流的存在性,低渗透非达西渗流的模型,低渗透非达西渗流的成因。(4)低渗透非达西渗流的判据。因次分析和压力判据,低渗透非达西渗流的求解和应用。
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
第二章 低渗透多孔介质渗流的总体特征
2.1 渗流曲线及特征
  (1)在较宽的渗流速度区域内,渗流过程包含三段连续过渡而特性各异的渗流曲线段(一般实验中可能只出现Ⅰ段出现)。Ⅰ段为低渗流速度下的上凹型非线性渗流曲线段:Ⅱ段为较高渗流速度下的直线段:Ⅲ段为高速渗流的下凹型非直线。
  (2)三段共同构成连续的渗流曲线,且具有表示特性改变的下、上临界点c1和c2。与之相对应的压力梯度称为临界压力梯度。
  (3)线性渗流区Ⅱ段与达西线性渗流具有明显的特征差异,是一种延伸线不过坐标原点的线性流动。为区别于达西线性流,称之为"拟线性流动"。其延长线与压力梯度轴相交,交点称为"拟起始压力梯度"。
  (4)渗流曲线的位置和形态特征与渗透率大小直接相关。随渗透率增大,非达西特征逐渐减弱,以至于当渗透率增大到某一数值后(如图2-1中渗透率48.58×10-5μm2的那条曲线),它基本上转变为达系流动。
造成上述非达西渗流特征的原因主要在于流体在多孔介质中渗流时,在岩石孔隙表面形成"吸附滞留层"。
 
图2-1 低渗透非达西渗流特征曲线
2.2非达西渗流的弹塑性
  室内实验结果表明,流体在低渗透储层内渗流时,存在非线性段。当压力梯度超过某一定值后,渗流曲线变为直线,见图2-2。由图2-2可知,流体通过低渗岩心的渗流特征显示出弹塑性。在给定的渗流环境和条件下,具有结构的流体呈现出2个屈服值,3种流变状态。第1个是体系开始流动的压力梯度G0,它对应于体系的静屈服值(静剪切力)。第2个是开始线性流动的压力梯度Gm,它对应于体系的动屈服极限值(动极限剪切力)。当压力梯度小于G0时,体系无变形,结构也未破坏,体系内也未产生流动;当压力梯度大于G0,并小于Gm时,体系弹性变形,结构未破坏,流体呈现非达西流动,在该区内,结构变形与融变恢复相平衡,体系的粘度和动剪切应力随压力梯度的改变而变化;当压力梯度大于Gm时,体系塑性变形,结构破坏,流体呈现出达西流动。
  
  
  
  
  
图2-2 低渗岩心渗流速度与压力梯度的关系
  
   图2-3 渗透率下降与渗透率的关系 图2-4 启动压力与渗透率的关系
  为证明低渗低速条件下非达西渗流特征与流体和介质都相关,选择了不同渗透率的岩心,分别进行对比渗流实验,其结果绘制于图2-3和图2-4。由图2-3和图2-4可知,相对气测渗透率,岩心的渗透率越低,水测渗透率的下降越显著,其启动压力越高。同水测渗透率类似,油测渗透率的下降与启动压力具有相同的规律,这说明液体流过岩心比气体困难,阻力大意味着液体与固体间的相互作用强,且渗透率低,这种作用越强。值得注意的是,油测渗透率的下降比水测渗透率下降的幅度大,启动压力也相应抬高,这表明低渗低速下非达西渗流特征与流体和介质都有关。
2.3 低渗岩心的孔隙结构
  低渗透油藏的显著特点是低渗、低孔、微观结构影响增
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