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稠油非线性渗流及其对采收率的影响

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非线性 渗流 及其 收率 影响
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 [ 收稿日期 ]2010-08-11[ 基金项目 ] 国家科技重大专项 (2008ZX05024-004) 。[ 作者简介 ] 汪伟英 (1959-), 女 ,1982年华东石油学院毕业, 硕士 , 教授 , 现主要从事采油工程和油层物理的教学和科研工作 。稠油非线性渗流及其对采收率的影响汪伟英 , 陶杉 , 田文涛 , 马丽( 长江大学石油工程学院 , 湖北 荆州434023)晓春( 新疆油田分公司录井公司 , 新疆 克拉玛依834000)[摘要 ]稠油中含有大量的胶质 、沥青质 ,而胶质 、沥青质的极性和表面活性很强 ,当它们与岩石颗粒表面接触时 ,就表现出明显的相互作用 。这样 ,在岩石颗粒表面就形成一个富含极性物质的特殊液体层———边界层 。稠油边界层的存在影响到稠油在地层中的流动 ,最终影响到水驱采收率 。通过室内试验研究了稠油在多孔介质中的渗流规律 ,并以此为基础研究了注采压差与采收率的关系 。结果表明 ,稠油在多孔介质中流动存在一启动压力 ,渗透率越低 ,启动压力越大 ,注水开发时注入压力必须高于启动压力 ,在考虑防止指进的情况下适当提高注水压力 ,降低边界层的厚度 ,才能提高稠油的采收率 。[关键词 ]稠油 ;非线性渗流 ;采收率 ;边界层 ;启动压力[中图分类号 ]TE311[文献标识码 ]A  [文章编号 ]1000-9752(2010)05-0115-03稠油是一种富含胶质和沥青质的多烃复杂混合物 ,由烷烃 、芳烃 、胶质 、沥青质组成 。稠油中的蜡 、胶质 、沥青质是高分子化合物 ,在石油中常以固态或半固态分散状溶于原油中 ,它们对石油的粘度有较大影响 。当石油中固体分散相的浓度很大时 ,石油具有明显的胶体溶液性质 。这种石油呈现异常粘度 ,即粘度与剪切应力有关[1],而且随着流动速度的改变 ,粘度的变化范围很大 。该粘度异常是因固体质点或高分子物质在液体中形成结构引起的[1]。根据对国内外文献[1~5]的调研表明 ,稠油的流变特性 、渗流特性和常规原油的有很大的差别 ,正确认识稠油的流变特性 、渗流机理和特征 ,对稠油油藏开发方案的编制与实施是非常重要的 。1 稠油在多孔介质中的渗流特征渗流是流体在多孔介质中的流动 ,渗流的特征取决于渗流三大要素的变化 ,即流体 (主要是流体的组成和物理化学性质 )、多孔介质 (主要是多孔介质的孔隙结构和物理化学特性 )、流动状况 (主要是流动的环境 、条件和流体-固体之间的相互作用 ),这三大因素决定着渗流的规律 。稠油油藏的主要特征是原油粘度高 ,油中富含胶质 、沥青质等高分子化合物 ,这些高分子化合物极性大 、表面活性强 ,在多孔介质中流动时固-液界面及液-液界面之间相互作用显著 。这些特点造成了稠油油藏渗流规律的复杂性 。1.1 稠油边界层理论当原油和岩石直接接触时 ,在岩石的表面上选择性地吸附原油的某些组分 ,使液体的某种成分在这里浓缩 ,形成一个其物理化学性质有别于液体体相性质的薄液体层 ,称之为边界层 。此边界层是直接紧贴着固体表面的液体层 ,其物理化学性质与体相液体有显著的不同 。原油是多种烃类的混合物 ,主要是烷烃 、环烷烃和芳香烃 。原油中除了这些烃组分以外 ,还含有少量的氧 、硫 、氮非烃类化合物 。含氧化合物有环烷酸 、苯酚和脂肪酸等 ;含硫化合物有硫醇 、硫醚和噻吩等 ;含氮化合物有吡咯 、吡啶 、卜啉等 。原油的胶质和沥青质富含这类化合物 ,它们在原油中形成胶体结构 。这些极性物质对原油的许多性质 ,如相对密度 、粘度 、界面张力等都有很大的影响 。而储层岩石属于高能表面物质 ,并具有发育的孔·511·石油天然气学报 ( 江汉石油学院学报 )2010年 10月第 32卷第 5期Journal of Oil and Gas Technology(J.JPI)Oct.2010 Vol.32 No.5隙和大的比表面积 ,根据吸附原理 ———物质总有使其界面能趋于最小的趋势 ,所以储层岩石对于原油具有吸附作用[6]。根据 “极性相近原则 ”,组成岩石的矿物多是极性 ,而原油中胶质 、沥青质也为极性吸附剂 ,因此这类极性分子优先选择性地吸附在岩石颗粒的表面上而形成边界层 。边界层的厚度很大程度上决定着极限剪切应力τ0的大小 。当流体经受的剪切应力τ小于τ0时 ,流体只发生有限的塑性形变而不能流动 。只有当流体经受的剪切应力τ大于τ0时 ,流体才能发生连续的无限的形变即流动 。1.2 稠油渗流特征试验研究1)试验条件及方法试验采用渤海SZ36-1油田的原油 ,原油粘度在61℃条件下为146mPa·s,油中胶质含量13.08%,沥青含量10.49%;试验用岩样采用一组渗透率与油田相近的人工胶结岩心 。将岩心测定气体渗透率后饱和试验用原油 ,恒定24h后装入岩心流动试验装置的夹持器中 ,测定原油开始流动的启动压力梯度以及在不同驱替压力梯度时通过岩心的原油流量 (单相流体的渗流规律曲线 )。图 1不同渗透率岩心渗流特征曲线2)试验结果及讨论含沥青质稠油在多孔介质中的渗流试验结果见图1和表1。图1给出了原油在通过不同渗透率岩心时的渗流特征曲线 。分析在各种条件下获得的流量和压力梯度的关系曲线 ,可归纳出含沥青质稠油在多孔介质中渗流时具有如下特点 :①在压力梯度很低的范围内 ,渗流曲线不通过原点 。也就是说 ,存在一个初始启动压力梯度 ,在低于启动压力梯度下基本不发生渗流 。该初始启动压力梯度的大小与岩石性质有关 。②当压力梯度在比较低的范围时 ,渗流曲线呈非线性变化 ,渗流速度的增加呈上凹型非线性曲线 ,在此区间渗流速度随压力梯度的变化较小 。渗流速度变化的强度决定于影响原油结构力学性质的因素 ,如压力 ,温度等 。③随着压力梯度的不断增加 ,原油结构破坏 ,渗流速度增大 ,渗流速度与压力梯度呈线性关系 。因此 ,在渗流速度曲线上可找到一个相应于结构完全破坏的压力梯度点 。过渡到线性渗流规律的压力梯度叫做临界压力梯度 。表 1渗流规律试验数据岩心号岩心长度/cm岩心直径/cm空气渗透率/10-3μm2孔隙度/%原油粘度/mPa·s启动压力梯度/MPa·m-158  6.74  2.52  540  36.65  146  0.03709338  8.994  2.44  835  38.91  146  0.01612L164  7.62  2.50  1194  36.08  146  0.003272 稠油非线性渗流特征与采收率的关系稠油的特殊化学结构和非牛顿特征使得稠油在储层岩石中的渗流受到影响 ,在压力梯度较低的范围内 ,稠油流动速度很低 ,表现为非线性特征 ,并存在启动压力梯度 。在注水过程中 ,当油藏注水压力不能克服启动压力时 ,地层中的原油就不能流动 。因此 ,稠油的渗流机理对稠油油藏剩余油分布的研究和注水生产压差优化设计是非常重要的 。笔者以稠油的非牛顿特征以及在多孔介质中的非线性渗流特征为理论依据 ,结合海上油田开采特点 ,研究注采压力梯度对采收率的影响 ,为探索海上稠油油田提高采收率方法打下基础 。2.1 试验方法及条件试验首先测定不同渗透率岩心 、不同粘度原油的单相渗流特征曲线 ,确定在不同条件下的启动压力·611·石油天然气学报 ( 江汉石油学院学报 ) 2010年 10月梯度和非线性曲线段的压力区间 。然后取相同渗透率的一组岩心饱和地层水后用油驱水建立束缚水饱和度 ,分别以不同的驱替压力对各岩心进行水驱油试验 ,测定各岩心的无水采收率 、最终采收率 、在束缚水饱和度时的油相渗透率和残余油饱和度下的水相渗透率 、水驱油的累积时间 。以此试验结果来对比注采压力梯度对剩余油分布的影响 。试验所用压力梯度的选择考虑启动压力梯度 、油田实际注采压力梯度以及非线性渗流段的压力梯度 。试验采用与SZ36-1油田渗透率级别相近的2组人工胶结岩心 ,渗透率等级500×10-3μm2;原油样品取自SZ36-1油田B5井 ;地层水为人工配制的模拟地层水 ,水中各种离子含量及水的性质与SZ36-1油田相同 ;注入水为SZ36-1油田馆陶组地层水 。试验温度61℃。流体性质以及岩心物性数据见表2。2.2 试验结果及讨论对一组渗透率相近的岩心分别测试了在不同驱替压差下的无水采收率 、最终采收率 ,试验结果见表2。表2中的试验数据反映了压力梯度对水驱采收率的影响 。试验结果表明 ,当压力梯度大于启动压力梯度时 ,在压力梯度较低的范围内 ,采收率随压力梯度增加而上升 ;当压力梯度增加到一定值时 ,再增大压力梯度 ,采收率有所下降 。这一试验现象可以用原油边界吸附层理论和非均质孔隙介质中毛管数理论来解释 。渗流特征试验已经表明 ,稠油在多孔介质中流动时有吸附层存在 ,其吸附层厚度随压力梯度的增加而减小 ;在压力梯度较低的范围内 ,吸附层厚度大 ,渗流速度很小 。因此 ,在水驱油的过程中部分细毛管中的油不能被采出 ,而粗毛管中的油虽然能流动 ,但将留下很厚的原油吸附层 。随着压力梯度的增加 ,原油吸附层厚度减小 ,更多的原油被驱动 、采出 。当压力梯度增大到一定值时 ,吸附层厚度虽然减小 ,但指进现象更加严重 ,并成为影响采收率的主要因素 ,此时采收率随压力梯度的增加而下降 。因此 ,对稠油油藏注采压差的设计必须考虑启动压力及吸附层厚度对采收率的影响 。表 2相同渗透率不同压力梯度的岩心水驱油采收率数据岩心号气测渗透率/10-3μm2地层原油粘度 /mPa·s启动压力梯度/MPa·m-1试验注采压力梯度 /MPa·m-1束缚水饱和度/%无水采收率/%最终采收率/%20  576  146.05  0.03709  0.0768  19.93  9.2  38.4244  539  146.05  0.03709  0.0976  21.53  12.44  44.5262  543  146.05  0.03709  0.3289  16.98  15.04  45.2367  553  146.05  0.03709  0.4680  15.42  5.84  34.063 结论1)稠油中富含的胶质 、沥青质等高分子化合物具有极性大表面活性强的特点 ,在多孔介质中流动时固液界面产生相互作用 ,形成边界层 ,并对渗流产生影响 。2)由于边界层原油的特殊结构力学特征 ,使得稠油在流动时具有启动压力梯度 ,渗流规律不符合达西定律 ,表现为非线性渗流特征 ,且渗透率越低非线性越强 ,启动压力梯度越大 。3)稠油油藏注水开发时 ,注水压力的设计必须克服启动压力 ,减小边界层厚度 ,但也必须考虑指进的影响 。[参考文献 ][1]杰夫里卡莫夫.异常石油[M].王传禹 译 .北京:石油工业出版社 ,1983.8~10.[2]杨文新 ,胡玫.稠油油藏注水渗流特性与改善开发效果研究[J].江汉石油职工大学学报,2008,21(2):3~6.[3]郑惠光.非牛顿原油渗流流变特性及其在油田开发中的应用[J].江汉石油学院学报,2003,25(3):90~91.[4]李克文 ,沈平平.原油与浆体流变学[M].北京:石油工业出版社 ,1994.[5]张方礼 ,刘其成.稠油开发试验技术与应用[M].北京:石油工业出版社 ,2007.[6]贺承祖 ,华明琪.油气藏物理化学[M].成都:电子科技大学出版社 ,1995.[ 编辑 ]萧雨·711·第 32卷第 5期 汪伟英等 : 稠油非线性渗流及其对采收率的影响112 Studyon Micele PackingFluid System with Low Molecular WeightXIANG Xing-jin (College of Petroleum Engineering,Yangtze University,Jingzhou434023,Hubei,China)SHU Fu-chang (College of Chemistry and Environmental Engineering,Yangtze University,Jingzhou434023,Hubei,China)WANG Jian,SHI Mao-yong (Institute of Jingzhou Hanc New Technology,Jingzhou434001,Hubei,China)HE Bao-sheng,LI Yu-guang,JIN Yong (CNOOC Research Center,Beijing100027,China)Abstract:In order to overcome the unsuccessful self gel-breaking problem of the commonly used high molecular polymerpacking fluid at the late stage of wel completion,a solid-free packing fluid system which could spontaneously break gelwas developed by gel forming and gel-breaking mechanism of the special low-molecular weight surfactant,and its per-formance was evaluated.The result shows that the low-molecular weight micele packing fluid has a good rheologicproperty and low filtrate loss,high temperature resistance up to 150℃,good inhibitory ability,and high permeability re-storing rate of contaminated cores;especialy when this packing fluid system is contacted with oil and gas,it can breakgel automaticaly,therefore there is no need to add extra gel breaker in application and effectively protect the reservoirs.Keywords:packing fluid;micele;surfactant;gel break;reservoir protection115 Nonlinear Percolation of HeavyOil and Its Impact on Oil RecoveryFactorsWANG Wei-ying,TAO Shan,TIAN Wen-tao,MA Li (College of Petroleum Engineering,Yangtze University,Jingzhou434023,Hubei,China)XIAO Chun (Well Log Company,Xinjiang Oilfield Company,CNPC,Karamay834000,Xinjiang,China)Abstract:There were plenty of gums and asphaltene containing heavy oil,whose polarity and surface activity werestrong,when they were in contact with rock particle surface,it presented obvious interaction and formed a special liquidlayer(boundary layer)containing rich polar substances in the rock particle surface.Viscous boundary layer existed inthe formation would affect the flow of heavy oil,it ultimately affected water displacement recovery.The percolation lawof heavy oil in porous media was studied in a laboratory experiment,and it was used as a basis for studying the relation-ship between injection-production pressure and oil recovery.The result shows that heavy oil flow in the porous mediaexists a starting pressure,the lower the permeability is,the higher starting pressure is,thus the injection pressure mustbe higher than that of starting pressure and the injection pressure should be maximized to reduce the boundary layerthickness to enhance oil recovery in the case of preventing fingering.Keywords:heavy oil;nonlinear flow;recovery;boundary layer;starting pressure118 Selection and Ultraviolet Mutagenesis of Xanthan-degradingBacterialYI Shao-jin,LI Bing-jin,HU Kai (College of Chemistry and Environmental Engineering,Yangtze University,Jingzhou434023,Hubei,China)Abstract:A bacterium(XDB-1strain)which could degrade xanthan gum effectively was selected from soil.The researchshows that this xanthan-degrading bacterial can take xanthan gum as the only carbon source.The bacterial can reducethe viscosity of xanthan fluid to the lowest level(<5mPa·s)within 36hours.Also,place the bacterial under ultravioletray to improve its xanthan-degrading activity.Ultimately,the most effective bacterium(XDB-2strain)is selected.Within 24hours,the xanthan-degrading bacterial after mutagenesis can reduce the viscosity of xanthan fluid to the low-est level(<5mPa·s).Keywords:xanthan-degrading bacterial;viscosity reduction;ultraviolet mutagenesis21 Performance Studyon Authigenetic CO2of Complex AcidizingSystemZHENG Yan-cheng,HUANG Qian (College of Chemistry and Environmental Engineering,Yangtze University,Jingzhou434023,Hubei,China)JIA Yue-li (Research Institute of Petroleum Engineering,Henan Oilfield Company,SINOPEC,Nanyang473132,Henan,China)Abstract:In alusion to the problem of worsening wel stimulations in the eastern maturing welblocks of Henan Oilfield,deep plug removal technology with CO2produced by the reaction of dicarboxylic acid and carbonate in formation andacidization were studied.On the base of evaluation of plugging ability of injecting sewage and simulation oil to reservoir,the effect of CO2produced in formation and injecting sequence of CO2and acid on plug removal was studied.The resultsshow that water permeability of series core reduces by 30%~70%after injecting fluids over 10pore volume,inorganicand organic plugging can be removed by CO2injection,especialy oil plugging can be removed to enhance water permeabil-ity to 3~4times that of oil.CO2used with acid can improve permeability of low-permeability reservoir after reacidizingand deep acidizing.In addition,suitable condition of CO2and acid is discussed.Keywords:stimulation;carbon dioxide;chelating surfactant;acidizing;low permeability reservoir121 Studyon Investigation Radius Calculation of Composite Formation Sensitive to PressureWANG Xin-hai (Key Laboratory of Exploration Technologies for Oil and Gas Resources(Yangtze University),Ministry of Edu-cation,Jingzhou434023,Hubei,China;Key Laboratory for Petroleum Engineering of the Ministry of Education,China Universityof Petroleum,Beijing102249,China)LI Yuan-bin,QIN Shi-yong (Tarim Oilfield Company,CNPC,Korla834000,Xinjiang,China)Abstract:Investigation radius equation of composite formation sensitive to pressure was obtained by combining steadystate displacement method with material balance equation.The equation of composite formation sensitive to pressurewas related to the factor sensitive to pressure and production.The more the factor sensitive to pressure was and the lessthe investigation radius of formation sensitive to pressure was,the higher the production was and the less the investiga-tion radius would be.When k1=k,the investigation radius equation stated above would be simplified as the investiga-tion radius equation of formation sensitive to pressure.When the factor of sensitivity to pressure is zero,the investiga-tion radius simplifies the investigation radius of composite formation.The investigation radius equation of compositeformation sensitive to pressure is the development of the investigation radius equations of formation sensitive to pressureand composite formation.Ⅵ
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