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特高含水期剩余油微观力学成因及孔道选择机理_丁帅伟

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含水 剩余 微观 力学 成因 孔道 选择 机理 丁帅伟
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第38卷第1期辽宁石油化工大学学报Vol.38No.12018年2月JOURNALOFLIAONINGSHIHUAUNIVERSITYFeb.2018􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉􀪉文章编号:1672􀆼6952(2018)01􀆼0045􀆼05投稿网址:http://journal.lnpu.edu.cn特高含水期剩余油微观力学成因及孔道选择机理丁帅伟1,2,姜汉桥1,席怡3,李俊键1(1.中国石油大学(北京)石油工程教育部重点实验室,北京102249;2.西北大学大陆动力学国家重点实验室,陕西西安710069;3.中国石油长庆油田分公司苏里格气田研究中心,陕西西安710018)摘要:特高含水期剩余油多以非连续相存在,微观作用力影响明显。以特高含水期孤滴状剩余油为研究对象,对毛细管模型中油滴的微观力学成因进行分析,明确毛管力是孤滴状剩余油形成的主要微观作用力;选取双孔孔隙结构模型建立油滴运移孔道半径临界条件模型,研究剩余油滴选择毛细管孔道的机理,定量化分析结果表明,驱动力和黏滞力对油滴通过的孔道半径最小界限值的影响较大。该结果可为分析特高含水期剩余油动用条件及提高采收率提供指导。关键词:特高含水期;微观剩余油;力学成因;孔道选择机理中图分类号:TE53文献标志码:Adoi:10.3969/j.issn.1672􀆼6952.2018.01.008TheMicroMechanicalCauseandPoreSelectionMechanismofRemainingOilatUltra􀆼HighWaterCutPeriodDingShuaiwei1,2,JiangHanqiao1,XiYi3,LiJunjian1(1.KeyLaboratoryforPetroleumEngineeringoftheMinistryofEducation,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China;2.StateKeyLaboratoryforContinentalDynamics,NorthwestUniversity,Xi’anShaanxi710069,China;3.TheResearchCenterofSuligeGasFiled,PetroChinaChangqingOilfieldCompany,Xi’anShaanxi710018,China)Abstract:Theremainingoilexistsasdiscontinuousphaseintheultra􀆼highwatercutperiod,whichisgreatlyinfluencedbymicroscopicforce.Takingtheresidualoilinthedropletastheobjectofstudyintheultra􀆼highwatercutperiod,themicromechanicalcauseofoildropletinthecapillarymodelisanalyzed,anditisclarifiedthatthecapillaryforceisthemainforceformedbytheresidualoil.Themodeloftwoholeporestructureisselectedtoestablishthecriticalconditionmodeloftheoildroplettransfertunnelradius,andthemechanismofchoosingtheremainingoildropletcapillarychannelisstudied.Quantitativeanalysisresultsshowthatthedrivingforceandtheviscousforcehaveagreatimpactontheminimumboundaryvalueofthechannelradiuspassingtheoildroplet.Theresultscanprovidetheoreticalguidanceforanalyzingtheconditionsofremainingoilinultra􀆼highwatercutperiodandenhancingoilrecovery.Keywords:Ultra􀆼highwatercutperiod;Microscopicremainingoil;Mechanicalcause;Poreselectionmechanism中国陆上老油田在经过长期的注水开发后,水驱主力油田已经进入或将要进入特高含水期的开发阶段。进入特高含水期阶段,由于含水率快速上升,油田大部分区域遭遇严重水淹,剩余油分布具有高度分散特性,多以非连续相油滴的形式分布于岩石孔道和吼道中,分布特征非常复杂,微观因素影响明显[1-3]。研究表明,特高含水期剩余油仍具有较高的开采价值,由于微观因素的影响,60%~70%的剩余油残留在油藏中,中国大多数陆上油田采收率仅为30%左右[4]。因此,为了提高采收率,保持油田稳产,关于特高含水期微观剩余油相关研究迫在眉睫。为分析高含水期剩余油微观分布特征,谷建伟等[5-7]以毛细束渗流模型为基础,分别建立了油滴状、柱状和膜状残余油微观渗流模型,推导了毛细管中油、水收稿日期:2017-10-17修回日期:2017-11-07基金项目:中国石油大学(北京)石油工程教育部重点实验室开放研究课题;陕西省教育厅专项科研计划项目(17JK0779);国家重大专项子课题(2011ZX05030-005-05)。作者简介:丁帅伟(1987-),男,博士,讲师,从事油藏工程与油藏数值模拟方面的研究;E-mail:shwding@126.com。网络出版时间:2018-01-0914:37:06网络出版地址:http://kns.cnki.net/kcms/detail/21.1504.TE.20180109.1436.016.html微观运动方程,进而导出基于微观渗流模型条件下油、水相对渗透率表达式;分析了毛管半径、驱替压力梯度、油滴与水滴的长度比、油滴半径和原油黏度对油、水相对渗透率的影响。林景哗等[8]结合微观水驱油实验和剩余油形成机理研究成果,首次提出了砂岩油藏小孔剩余油物理模型,还提出了小孔隙中油滴主要受四种力作用,即毛管力、浮力、黏滞力及注入水的压力。刘浩瀚等[9]以特高含水期剩余油滴为研究对象,对孔隙网络模型中的油滴进行微观受力状态分析,建立了微观孔道半径与剩余油滴受力关系方程,但并没有研究不同微观作用力对于油滴可运移条件的影响程度。因此,如何将特高含水期油藏中剩余油更有效地、更合理地开采出来是未来油田开发之重,研究特高含水期水驱剩余油微观力学成因和孔道选择机理,对特高含水期剩余油的有效动用和提高采收率具有重要的意义。1剩余油微观受力情况分析一般情况下孔隙中剩余油滴主要受到浮力、重力、毛管力、注入压力、黏滞力和与岩石的摩擦阻力等力的作用[10-11]。特高含水期剩余油多以离散态存在,以孤滴状剩余油滴作为研究对象,此类剩余油是指油相分布于单个孔或喉,油相等效半径小于所在孔喉半径,有且只一个油水界面,油相不与固相接触,油固接触面积为0。1.1浮力和重力浮力和重力往往是同时作用在剩余油滴上,特高含水期,水属于连续相,油属于非连续相。因此,当剩余油滴在多孔介质中时,水对剩余油滴的浮力方向向上,大小为其排出水的重力,而重力向下,大小为油滴的重力,若把向上定义为“正”,则油滴所受的合力为:FGrf=Fo-GSo=ρw-ρo()VogSo(1)式中,FGrf为浮力和重力的合力,MPa;So为油滴的表面积,cm2;Fo为浮力,N;G为重力,N;ρw和ρo分别为水和油的密度,g/cm3;Vo为油滴的体积,cm3;g为重力加速度,m/s2。ρw>ρo,这个力为正,方向向上,在合力的作用下,油滴向上运移。1.2毛管力油藏岩石的孔隙极小,流体在其中的流动空间是一些大小不等、彼此曲折相通的复杂小孔道,这些孔道可看成是变断面且表面粗糙的毛细管,因此可以将储层岩石看成是一个相互连通的毛细管网络,流体的基本流动空间是毛细管。油-水系统的毛管力公式为:pc=ρw-ρo()gh=2σ1,2cosθr(2)式中,pc为毛管力,MPa;h为水柱上升高度,m;r为毛管半径,μm;σ1,2为油水界面张力,mN/m;θ为润湿角,(°)。当剩余油滴在毛细管中流动,油滴半径大于毛管半径时,毛细管便对油滴产生阻碍作用,毛细管阻碍油滴通过的现象称为毛细孔中的液阻现象,也称为贾敏效应,如图1所示。图1贾敏效应示意图贾敏效应阻力计算公式为:pj=2σ1,21r1-1r2æèçöø÷(3)式中,pj为贾敏效应阻力,MPa;r1、r2为毛管弯曲面半径,μm。1.3黏滞力黏滞力是由流体分子间相互摩擦造成的,任何流体流动都会有黏滞力产生,黏滞力始终是流动的阻力。黏滞力存在的前提是流体发生运移,黏滞力对流体的渗流速度产生影响。在流动的渗流流体中,各质点的运动速度不同,在两个相互接触的流层之间,将有一对其值相等而方向相反的作用力和反作用力。1.4与岩石的摩擦阻力摩擦系数包括动摩擦系数和静摩擦系数,指摩擦力和垂直力之比值。如果两表面互为静止,此时摩擦力称为静摩擦力,反之,如果流体克服静摩擦力发生流动时,一段时间后流动速度会减小,流体最后会静止,这种使流体逐渐静止的摩擦力,叫做动摩擦力,其计算公式为:Ff=μfNR(4)式中,Ff为摩擦阻力,N;μf为摩擦系数;NR为岩石壁支撑力,N。2特高含水期剩余油微观力学成因分析对于水湿油藏,孤滴状剩余油的形成过程受力示意图如图2所示。受力方向分析中,把向上和向64辽宁石油化工大学学报第38卷前定义为“正(+)”,向下和向后定义为“负(-)”。(a)水驱油初始状态(b)水驱油中期状态(c)水驱油卡断现象(d)孤滴状剩余油形成图2孤滴状剩余油形成过程受力示意图从图2(a)中可以看出,剩余油在水平方向上受到毛管力pc(+)、驱动力FD(+)、与水之间的黏滞力Fn(-)和与岩石之间的摩擦力Ff(-),在垂直方向上受到浮力Fo(+)、重力G(-)和与水之间的黏滞力Fn(-),在这个阶段,毛管力起主要作用。毛管力的作用使水驱油前缘出现凹液面,呈现岩石表面水的运移速度大于油的运移速度,造成向内侧挤压油的现象。此时,毛管力和驱动力都为驱油的动力,岩石壁面的摩擦力和油水之间的黏滞力为驱油的阻力。从图2(b)中可以看出,剩余油在水平方向上受到毛管力pc(+)、驱动力FD(+)和与水之间的黏滞力Fn(-),在垂直方向上受到浮力Fo(+)、重力G(-)和与水之间的黏滞力Fn(-),在这个阶段,毛管力依然起主要作用。毛管力的作用使注入水继续沿着岩石壁面快速突进。此时,毛管力和驱动力都为驱油的动力,油水之间的黏滞力为驱油的阻力。从图2(c)中可以看出,剩余油在水平方向上受到毛管力pc(+)、驱动力FD(+)和与水之间的黏滞力Fn(-),在垂直方向上受到浮力Fo(+)、重力G(-)和水之间的黏滞力Fn(-),在这个阶段,毛管力依然起主要作用。但水之间的表面张力使油滴受到向内侧的挤压,出现油滴卡断的现象,这是由于“物质能量都有自动趋向降低,保持稳定的特点”,连续相水因为要降低表面能而吸到一起。从图2(d)中可以看出,由于图2(c)中的油滴卡断现象导致孤滴状剩余油的形成,剩余油在水平方向上受到驱动力FD(+)和与水之间的黏滞力Fn(-),在垂直方向上受到浮力Fo(+)、重力G(-)和水之间的黏滞力Fn(-),在这个阶段,在水平方向上当驱动力FD大于黏滞力Fn,油滴在孔道中向驱替方向前方运移,反之,油滴在孔道中保持静止。在垂直方向上当浮力Fo大于重力G和水之间的黏滞力Fn之和时,油滴在孔道中向孔道顶部方向运移,反之,油滴在孔道中保持静止。因此,毛管力是孤滴状剩余油形成的主要微观作用力,此类剩余油是三次采油比较容易动用的一类剩余油。3多孔介质中剩余油孔道选择机理以双孔孔隙模型(见图3)为例,分析孤滴状剩余油孔道选择机理,假设油藏地层倾角为α,A界面所在的毛管半径为r0,A1、A2界面所在的毛管半径分别为r1、r2。(a)油滴静止状态(b)油滴运动状态图3油滴处于双孔孔隙介质示意图3.1孤滴状剩余油静止状态当油滴半径小于毛管半径时,且当油滴静止在点处时(即油滴静止在孔隙中)(见图3(a))。油滴受到驱动力、重力、浮力和黏滞力的分力共同作用而处于静止状态。沿毛管壁方向合力等于0。A界面处当注入压力为0时,浮力与重力和黏滞力平衡,油滴不发生运移;当注入压力变大时,黏滞力起主导作用且驱动力和浮力的合力不能克服黏滞力和重力的合力时,油滴静止在孔道中。当A界面处油滴半径大于两根或者某一根毛管孔道半径时,在毛管中会产生贾敏效应阻力的作用。此时A界面处剩余油主要受到驱动力FD(+)、重力G(-)、浮力Fo(+)和摩擦力Ff(-)而处于静止状态,其合力大小为:Frf=FD+Fo-G()sinαSo+μfFo-G()cosαSo=0(5)74第1期丁帅伟等.特高含水期剩余油微观力学成因及孔道选择机理式中,Frf为合力,MPa;FD为驱动力,MPa。3.2孤滴状剩余油运动状态当油滴半径大于毛管孔道半径吋,油滴发生运动(见图3(b)),此吋垂直于毛管壁与平行于毛管壁方向都需要克服黏滞力Fn(-)和贾敏效应阻力pj(-)做功,沿平行毛管壁方向合力变为:Frf=FD+Fo-G()sinαSo-μfFo-G()cosαSo-FnSo-pj=0(6)当油滴沿A1、A2界面所在毛细管中的合力不相同且油滴所受合外力不能使油滴破裂时,即不能克服油滴的内力,油滴会优先选择合力大的孔道而运移。当油滴沿A1、A2界面所在毛细管中的合力不相同且油滴所受合外力使油滴破裂时,油滴会优先选择大的孔道运移,即贾敏效应阻力较小的孔道。当油滴沿着A1、A2界面所在毛细管中的合力相同无法使油滴发生破裂时,油滴会在内力与外力共同作用下静止在孔隙或喉道中。毛管效应力表现为阻力,可以通过酸化或压裂的方法,增大毛管半径来降低该毛管效应力,即降低驱替压力,或者在注入剂中加入降低表面张力的物质,降低表面张力,即降低驱替压力,节约成本。3.3油滴运移孔道半径临界条件模型根据实际油滴运移规律及受力分析可知,沿平行毛管方向动力能克服阻力作用,油滴所受力大于0:Frf=FD+Fo-G()sinαSo-μfFo-G()cosαSo-FnSo-pj>0(7)即:FD+Fo-G()sinαSo-μfFo-G()cosαSo-FnSo-2σ1r-1r0æèçöø÷>0(8)由式(8)可得,当油滴发生运移时需孔道半径满足以下临界条件:r>1FDSo+Fo-G()sinα-μfFo-G()cosα-Fn2σSo+1r0(9)根据以上建立的油滴运移孔道半径临界条件模型,若假定油滴为球形,半径为0.01cm,水的密度为1.0g/cm3,油的密度为0.8g/cm3,摩擦系数μf=10,界面张力σ=10mN/m,则油滴的表面积So=1.256×10-3cm2,油滴的体积Vo=4.187×10-6cm3,浮力Fo=4.103×10-8N,重力G=3.282×10-8N。(1)孔道运移半径与驱动力之间的关系。假设地层倾角α=30°,A界面所在的毛管半径r0=100μm,黏滞力Fn=1×10-5N,则孔道运移半径与驱动力之间的关系曲线见图4。图4孔道运移半径与驱动力之间的关系曲线由图4可知,驱动力对孔道运移半径的最小界限值有较大影响,随着驱动力的增大,孔道运移半径的最小界限值逐渐降低,但当驱动力增大到一定程度时,最小界限值变化较小,即增大驱动力可以使油滴更容易通过小孔道,但是当驱动力增大到一定程度时,油滴可通过的孔道最小半径界限值变化不大。(2)孔道运移半径与A界面所在的毛管半径之间的关系。假设地层倾角α=30°,驱动力FD=0.03MPa,黏滞力Fn=1×10-5N,则孔道运移半径与毛管半径之间的关系曲线见图5。图5孔道运移半径与毛管半径之间的关系曲线由图5可知,油滴初始界面所在的毛管半径对孔道运移半径的最小界限值影响较小,随着毛管半径的增大,孔道运移半径的最小界限值逐渐升高,但升高幅度较小,即油滴原始所在的孔道半径越大,越难通过相邻的孔道。(3)孔道运移半径与地层倾角之间的关系。假设驱动力FD=0.03MPa,A界面所在的毛管半径r0=150μm,黏滞力Fn=1×10-5N,则孔道运移半径与地层倾角之间的关系曲线见图6。由图6可知,地层倾角对孔道运移半径的最小界限值影响较小,随着地层倾角的增大,孔道运移半径的最小界限值逐渐降低,但降低幅度较小,即油滴所在的地层倾角越大,其通过的孔道最小界限值越84辽宁石油化工大学学报第38卷小,造成这种现象的原因可能是地层倾角越大,相应的浮力与重力在垂向上的分力越大,摩擦力越小。图6孔道运移半径与地层倾角之间的关系曲线(4)孔道运移半径与黏滞力之间的关系。假设驱动力FD=0.03MPa,A界面所在的毛管半径r0=150μm,地层倾角α=30°,则孔道运移半径与黏滞力之间的关系曲线见图7。图7孔道运移半径与黏滞力之间的关系曲线由图7可知,黏滞力对孔道运移半径的最小界限值有较大的影响,随着黏滞力的增大,孔道运移半径的最小界限值逐渐升高,尤其是当黏滞力增大到一定程度时,最小界限值变化幅度较大,即油滴在各种孔道中存在状态下所受力中水对油的黏滞剪切力最敏感,作用效果最明显,为最主要的作用力。合理改变微观作用力大小,对提高采收率有十分重大的意义。降低油的黏度起到降低油水黏滞力的作用,降低油滴可通过的孔道半径最小界限值,从而达到更容易动用剩余油的目的。4结论(1)特高含水期剩余油多以离散态存在,孤滴状剩余油在形成过程中受到浮力、重力、毛管力、驱动力、黏滞力和与岩石的摩擦阻力等力的作用。其中毛管力是孤滴状剩余油形成的主要微观作用力,此类剩余油是三次采油比较容易动用的一类剩余油。(2)考虑微观作用力,建立了油滴发生运移时孔道半径需满足的临界条件模型,定量化分析可知,驱动力和黏滞力对油滴通过的孔道半径最小界限值的影响较大,合理改变微观作用力大小,对提高采收率有十分重大的意义。参考文献[1]李金丹,刘浩瀚,刘志斌,等.特高含水期油藏倾角及韵律性对油滴受力状态影响研究[J].石油天然气学报,2014,36(2):124-127.[2]顾岱鸿,何顺利,田冷,等.特高含水期油田剩余油分布研究[J].断块油气田,2004(6):37-39.[3]李奋,刘浩瀚,董晓旭,等.特高含水期剩余油受力状态方程及敏感分析[J].石油天然气学报,2017,39(1):38-46.[4]宝瑁,谢俊,张金亮.剩余油技术研究现状与进展[J].西北地质,2004,37(4):1-6.[5]谷建伟,钟子宜,张文静,等.亲水多孔介质残余油滴的微观运移机理[J].东北石油大学学报,2015,39(1):95-99.[6]谷建伟,钟子宜,张文静,等.亲水多孔介质柱状剩余油的微观运移机理[J].东北石油大学学报,2015,39(5):96-100.[7]谷建伟,张文静,张以根,等.亲油多孔介质残余油膜的微观运移机理[J].东北石油大学学报,2014,38(1):80-84.[8]林景哗,夏丹.注水开发油田剩余油分布及提高采收率的水动力学方法[J].大庆石油地质与开发,2013,32(1):79-80.[9]刘浩瀚,刘志斌,丁显峰.特高含水期剩余油孔道选择微观机理研究[J].石油天然气学报,2013,35(5):92-97.[10]SinghM,ManiV,HonarpourMM,etal.Comparisonofviscousandgravitydominatedgas-oilrelativepermeabilities[J].JournalofPetroleumScienceandEngineering,2001,30(2):67-81.[11]秦积舜,李爱芬.油层物理学[M].东营:中国石油大学出版社,2001.(编辑宋官龙)94第1期丁帅伟等.特高含水期剩余油微观力学成因及孔道选择机理
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