岩石气水两相渗流的玻璃刻蚀驱替实验与有限元数值模拟对比

岩石微观可视化两相渗流特征研究对于油气田开发具有重要意义。分别采用微观可视化玻璃刻蚀驱替实验和有限元数值模拟对岩石中微观气水两相流体的动态渗流特征进行了研究,并将数值模拟结果与微观玻璃刻蚀驱替实验结果进行了对比验证。结果表明,有限元数值模拟结果与玻璃刻蚀驱替实验结果基本一致。气水两相流驱替实验过程中存在明显的指进现象;驱替结束后,分布在大孔喉和与大孔喉相连的孔隙中的水被驱替,未被驱替的水主要分布在小孔喉、小孔喉控制的大孔隙和孔隙盲端;单相渗流达到稳态后,流动通道中心的流体流速比入口处流体流速大,孔喉半径越大,压力降低越慢。微观玻璃刻蚀驱替实验方法能较好地观测微观指进现象和气体在通过狭窄喉道时的运移跳跃现象,而有限元数值模拟方法则具有成本低、易于操作、实验可重复性高等优点。微观玻璃刻蚀驱替实验与有限元数值模拟相结合研究气水两相渗流效果更佳。     

应用CT扫描技术研究低渗透岩心水驱油机理

通过CT扫描技术在线获得不同时刻岩心内流体饱和度的沿程分布信息,探索了低渗透岩心水驱油机理,并讨论了驱替速度(毛管数)、束缚水存在状况和非均质性对微观孔隙介质中流体渗流分布特征及微观驱油机理的影响.实验结果表明,当驱替速度较高时,含水饱和度增量沿程分布呈现对流式的直进形态,此时微观驱油机理以活塞式推进为主;当驱替速度较低时,毛管压力开始起作用,使含水饱和度增量沿程分布范围拓宽,在很小的注入孔隙体积倍数下出口端即会见水,此时微观驱油机理以卡断或爬行为主.另外,与无束缚水时相比,束缚水的存在使得含水饱和度增量沿程分布推进前缘变得更加平缓,这是因为预先存在于小孔隙中的水很容易被注入水补充聚集,在含水饱和度增量沿程分布推进前缘到达前有充足的时间形成稳定的隔断阻塞孔喉,因此束缚水的存在促进了卡断现象的发生.在强非均质性岩心中,含水饱和度增量沿程分布前缘的推进更加分散、均匀,这是因为孔隙介质的微观非均质性使得驱替产生的毛管阻力具有较大差异,使得指进和绕流成为主要的微观驱油机理.     

考虑束缚水时变的致密气藏数值模拟研究

从气相启动压力梯度的物理概念和物模实验角度分析认为,气体通过高束缚水低渗致密岩心时的"阈压效应"实质为气水相间渗流阻力的宏观反映,毛管压力曲线与时变的气水相渗曲线足以定量描述该现象,不应引入气相启动压力梯度。建立了考虑气水相渗时变、储层应力敏感及可动水启动压力梯度的致密气渗流数学模型,用全隐式有限差分方法求解,并编制了数值模拟器。对新模拟器进行了退化测试,并利用新模拟器研究了特殊渗流机理对致密气藏开发的影响及气水相渗时变对实际区块的影响,结果表明:不考虑特殊渗流机理时,新模拟器与Eclipse软件计算结果具有很好的一致性;气水相渗时变会增大气井产水量、减少稳产气时间;可动水启动压力梯度会减少日产水量、增加稳产气时间;储层应力敏感会降低日产水量、提早进入递减期;束缚水的运移是气井产水重要原因之一,考虑气水相渗时变更能反映实际气井生产动态。     

清洁压裂液破胶液渗吸过程中油水两相的运移规律

目前针对清洁压裂液破胶液渗吸机制的研究主要聚焦于岩心宏观润湿性、油水界面张力及岩心尺度采收率,缺乏对于渗吸过程微纳米孔隙中油水两相运移规律直观而有效的认识。以清洁压裂液破胶液为实验流体,利用2.5维高仿真微观孔喉阵列模型,模拟清洁压裂液破胶液在毛管力渗吸作用下的油水两相动态分布规律。结果表明,清洁压裂液渗吸过程中润湿相毛管力（驱动力）与界面扩张、贾敏效应及黏性力损耗（阻力）存在多次动态平衡过程,油水两相运移形成“吸水-排油-吸水”交替的分阶段过程。当油相动用效率分别达到10.98%、19.09%与37.27%时,吸水与排油交替进行,产生类似“憋压”的效果。微纳米孔隙中油水两相运移规律对认识清洁压裂液的渗吸作用机制具有重要参考意义。     

致密砂岩凝析气藏微观结构及渗流特征

为了搞清吐哈油田凝析气藏致密岩心的储层特征和两相渗流规律,基于恒速压汞原理研究了微观结构特征,并利用稳压安全阀设计出一套稳态法相渗实验流程开展真实油气相渗曲线研究。研究表明:孔隙半径分布因渗透率不同而差别较大;平均喉道半径、主流喉道半径和最大喉道半径随渗透率的增加而增加,喉道半径主要分布在0.6μm左右,渗透率受喉道控制,且主要由微细喉道贡献;孔喉连通性差,排驱压力高,开发难度大;束缚水饱和度较高,相渗曲线存在气体单相流动区和液体单相流动区;气相相对渗透率随着含液体饱和度增加下降速度较快;共渗区跨度平均为13.7%,等渗点相对渗透率平均为0.015;油相相对渗透率曲线较低,因此,合理控制生产压差对凝析油气开采具有重要意义。     

考虑渗吸和驱替的致密油藏体积改造实验及多尺度模拟

矿场试验表明,压裂后不立即放喷,依靠焖井过程的驱替和渗吸可置换小孔隙内的原油,提高原油采出程度。为探索该过程机理,进行了实验和模拟研究。首先,带压渗吸实验,模拟裂缝壁面在驱替压差和毛管力共同作用下的渗吸行为,无因次时间中加入驱替项（Δp）,对实验结果进行归一化处理;其次,建立基于CT 扫描的孔隙尺度模型,通过致密岩心采收率拟合, 获得驱替、渗吸的相渗和毛管压力;最后,在油藏尺度,分别赋予基质和裂缝不同的相渗和毛管压力,模拟矿场实际油水流动。结果表明:带压渗吸采收率明显高于自发渗吸采收率,提高幅度10%~15%;无因次时间中加入驱替项,可对实验结果进行较好的归一化;调整微观孔隙结构如孔道/ 喉道半径、孔喉比、配位数等参数可以实现渗吸采收率的拟合;油藏尺度对基质/ 裂缝以及渗吸/ 驱替的划分,可准确反映开采初期含水率变化。     

储气库多次气水互驱实验

枯竭油藏和含水构造改建地下储气库是目前新建储气库的重要趋势之一.为了研究地下储气库在建库以及运行过程中的多相渗流特征,采用物理模拟实验的方法分析了枯竭油藏及含水构造改建储气库多次气水互驱多相渗流气液相渗曲线上的变化规律.研究表明:枯竭油藏及含水构造在气水互驱过程中渗流规律与经典教科书中不一样,气相渗透率渗吸过程比排驱过程的低,而水相渗透率则渗吸比排驱过程的高;枯竭油藏由于有油相的影响,含水构造气相渗透率比含油构造高,分析认为含水构造比含油构造更有利于改建储气库.     

东风港油田特低渗透油藏微观孔隙结构及渗流特征试验研究

为了经济有效地开发东风港油田特低渗透油藏,对其储层的微观孔隙结构及渗流特征进行了试验研究。以沙四段上段为例,选取具有代表性的4块岩心,利用恒速压汞仪器,分别获得了其喉道半径、孔隙半径、孔喉半径比和毛管压力的分布特征;在70 ℃条件下,采用非稳态法分别对4块岩心进行水驱油相渗试验,获得了特低渗透储层的渗流特征。试验得出,喉道半径分布范围越宽峰值越大,孔隙半径分布差别不明显,孔隙半径比因渗透率不同而不同,特低渗透岩心排驱压力大,最大连通喉道半径比较小,储层开采难度相对较大;该储层平均束缚水饱和度相对较高,随着渗透率的升高,两相共渗区跨度逐渐减小。研究结果表明,驱油效率和渗透率高低相关性差;正常型相对渗透率曲线对应的多是孔喉半径比较大、连通性较差的储层,而直线型相对渗透率曲线对应的则是孔喉半径比相对较小、孔隙连通性较好的储层。因此,厘清微观孔隙结构对于合理制定开发方案具有指导意义。      

基于数字岩心的致密砂岩储层孔隙结构与渗流机理

针对致密砂岩储层微观孔隙结构复杂导致孔隙空间展布和渗流机理认识不清的问题,以莺歌海盆地乐东10区高温高压特低渗透致密砂岩储层为例,利用三维高精度Micro-CT扫描、纳米级电镜扫描等图像分析技术对致密砂岩储层的孔隙空间展布规律进行定量表征,建立基于数字岩心的双尺度三维孔隙结构模型,并基于双尺度孔隙耦合渗流模拟方法确定致密砂岩储层渗流机理。研究结果表明：①乐东10区致密砂岩储层主要发育3种尺度范围的孔隙,孔隙半径分别为0.070~3,3~40,40~300 μm;②在以长石溶孔、岩屑粒间孔为主的微孔隙尺度下,孔隙与喉道半径差异较小,渗流空间以微孔隙和喉道构成,表现为小孔小喉渗流模式,在气水两相渗流过程中水相渗透率下降快;③在由较大粒间溶孔、铸模孔与次级尺度孔隙共同组成的双尺度孔隙结构模型中,呈大孔小喉渗流模式,水相渗透率下降较缓。     

孔隙—溶孔型碳酸盐岩气驱水动态网络模拟

碳酸盐岩溶孔发育程度、注气速度是影响气水两相渗流的重要因素,也是目前碳酸盐岩气藏研究的重点。提出采用卷积算法构建岩心尺度的孔隙—溶孔双重介质孔隙网络模型的方法,分析了碳酸盐岩溶孔发育特征。与之前的方法相比,这个方法考虑了气体的压缩性、压力传播过程和时间等影响因素,建立了孔喉特征更为准确的孔隙—溶孔双重介质模型,并通过与实际岩心的气驱水渗流实验结果进行对比,验证了该方法的可靠性,从而能更加准确地从微观孔喉尺度反映注气速度对气水两相渗流的影响。研究结果表明,溶孔越发育,相渗曲线气水两相共渗区越宽,气水同流周期更长;同时注气压力与毛管力和黏性力间的平衡会影响气体波及效率,产生不同的气水空间分布情况、注气流量与注气压力。研究结果为碳酸盐岩气藏的开采提供了更精确的技术支撑和理论指导,对提高碳酸盐岩气藏的开发开采效率具有重要意义。     

Effect of Capillary Pressure on Wetting Film Imbibition Ahead of Main Liquid–Gas Displacement Front in Porous Media

Abstract

The effect of capillary pressure on wetting film imbibition along the edges of pores in porous media is investigated experimentally. It is found that the capillary pressure at the main liquid–gas front (the main displacement front) plays a major role, among other factors, in determining the imbibition rate of a wetting liquid along pore edges. The measured velocities of the wetting film in a two-dimensional consolidated glass bead model and the imbibed volumes of the wetting liquid into the mode ahead of the main front are found to be proportional to 1/P^1/2 _C and 1/P^5/2 _C, respectively, where P_C is the capillary pressure at the main liquid–gas front. The effect of capillary pressure on wetting film imbibition along the edges of pores is also illustrated by the experiments in a periodically constricted capillary where different film imbibition rates were obtained when the main liquid–gas meniscus is kept at a throat and a pore. Both theoretical analysis and experimental results show that the length of the wetting film ahead of the main meniscus increases greatly as the injection rate is decreased.     

致密气藏孔隙水赋存状态与流动性实验

致密砂岩气藏岩石孔隙结构复杂,一般含水饱和度较高,且其中水的分布与赋存状态及流动性等对气体渗流影响较大。通过选取苏里格气田具有代表性的不同物性岩样,开展气驱水、核磁共振、压汞等实验分析,建立了孔隙-核磁曲线交汇图,研究岩石孔隙中水的赋存特征及流动性。研究结果表明:1在砂岩储层中,水优先占据细小孔隙和大孔隙壁面,气分布于大孔隙中央。2致密砂岩细小孔喉内的水流动性差,残余水饱和度较高,其流动性与其中的气体流动密切相关,当气体流动压差(流速)较低时,只能驱动相对大孔隙中的水;随压差增大,可驱动更加细小孔隙中的束缚水。3气体可驱动束缚水的最小孔隙半径与气流压差成指数函数关系,在半径为0.05μm的孔喉中,气驱水的压力梯度约为1.78~2.22 MPa/cm。因此,致密气藏中半径小于0.05μm孔喉中的水很难流动,这部分孔喉很难成为气藏开采的有效通道。该研究结果对研究致密气藏的开采机理具有重要意义。     

基于分子模拟的纳米孔内甲烷吸附与扩散特征

页岩气是目前非常规油气研究热点，加强甲烷渗流机理研究对页岩气藏开发具有重要意义。基于分子动力学模拟甲烷分子在纳米孔隙中的流动行为，构建了狭缝孔隙模型，并在此基础上分析孔径、压力、矿物种类和孔隙含水量对甲烷分子扩散能力的影响，讨论了天然气在微观多孔介质中的扩散规律。研究表明，甲烷分子在温度升高和孔径增大时扩散加快，而在压力增大时扩散变缓。孔隙壁面的矿物类型对甲烷分子的扩散有显著影响，在有机质、石英和高岭石中扩散系数依次减小。石墨烯构成的有机质孔隙对甲烷的吸附能力大于无机孔隙，主要是因为石墨烯特有的结构和光滑的表面对甲烷分子的扩散有促进作用。水分子对甲烷分子的扩散起抑制作用，甲烷的扩散系数随含水量的增加逐步下降，在有机孔隙中水分子以团簇的形式阻碍甲烷分子的扩散，而无机孔隙中水分子则以"水膜"的形式吸附在孔隙壁表面。当无机矿物孔隙内水含量过高（ρ_w≥50%）时，孔隙内的水分子会聚集形成"水桥"，导致无机孔隙内甲烷的扩散系数低于有机孔隙。     

基于分子模拟的纳米孔内甲烷吸附与扩散特征

页岩气是目前非常规油气研究热点，加强甲烷渗流机理研究对页岩气藏开发具有重要意义。基于分子动力学模拟甲烷分子在纳米孔隙中的流动行为，构建了狭缝孔隙模型，并在此基础上分析孔径、压力、矿物种类和孔隙含水量对甲烷分子扩散能力的影响，讨论了天然气在微观多孔介质中的扩散规律。研究表明，甲烷分子在温度升高和孔径增大时扩散加快，而在压力增大时扩散变缓。孔隙壁面的矿物类型对甲烷分子的扩散有显著影响，在有机质、石英和高岭石中扩散系数依次减小。石墨烯构成的有机质孔隙对甲烷的吸附能力大于无机孔隙，主要是因为石墨烯特有的结构和光滑的表面对甲烷分子的扩散有促进作用。水分子对甲烷分子的扩散起抑制作用，甲烷的扩散系数随含水量的增加逐步下降，在有机孔隙中水分子以团簇的形式阻碍甲烷分子的扩散，而无机孔隙中水分子则以"水膜"的形式吸附在孔隙壁表面。当无机矿物孔隙内水含量过高（ρ_w≥50%）时，孔隙内的水分子会聚集形成"水桥"，导致无机孔隙内甲烷的扩散系数低于有机孔隙。     

川中地区须家河组低渗透砂岩气藏产水机理

产水问题是制约四川盆地川中地区上三叠统须家河组低渗透砂岩气藏高效开发的关键问题。为给生产现场形成有效防水、治水技术提供理论依据,开展了储层产水机理研究,通过压汞、岩样气驱水实验及微观可视模型开发物理模拟实验,揭示了储层高含水及产水机理。结果表明：须家河组低渗透砂岩气藏储层微细孔喉发育,微细喉道对气相的毛细管阻力大,成藏过程中,当含水饱和度降低到40%~50%后,成藏动力不足以克服毛细管阻力使气相进入更微细的喉道及其控制的孔隙中,决定了储层高原始含水饱和度的特征;低渗透储层气水呈互封状态后,在开发过程中气体弹性膨胀推动较大孔喉处及其控制的孔隙内水相成为可动水,这就是储层产水的主要原因;水封气能量、可动水饱和度及生产压差控制了储层的产水特征。该研究成果对于降低气井产水风险,提高单井产量具有重要的指导作用。     

毛细管理论在低阻油气层油气运移与聚集机理中的应用

根据油气在地层中的势和所受到的力理论,认为油气在运移与聚集过程中的主要驱动力为重力和围水压力变化引起的力,而毛细管压力则主要起阻力作用.毛细管压力与储层的孔喉结构、排替压力和油气可进入的孔喉多少有直接关系,所以它对油气的运移与聚集起着关键性的作用;根据毛细管理论,依据油气在低电阻率储层中运移和聚集的特点,阐述低电阻率油气层的形成机理.由于毛细管压力的作用,如果距离油源较远、油气源中的油气不丰富、储层岩性细、孔隙结构复杂、垂向上物性好的储集层发育较多或单层储集空间足够大等均会导致低电阻率储层中的微中、小孔隙中的水无法排出,致使储层不动水含量过高,从而显示油气层的低电阻率特征,即高含水饱和度是引起油气层电阻率较低的主要原因之一.     

甲烷在蒙脱石狭缝孔中吸附行为的分子模拟

利用蒙特卡罗方法研究甲烷在蒙脱石中的吸附行为,构建了蒙脱石狭缝孔模型,讨论了不同孔径、温度、含水量和组成对甲烷在蒙脱石中吸附行为的影响,揭示了甲烷在蒙脱石中微观吸附机理。研究结果表明：甲烷平均等量吸附热随着孔径增大而下降,且小于42 kJ/mol,说明甲烷在蒙脱石中吸附属于物理吸附;随着压力增大或孔径减小,甲烷在孔中吸附逐渐由能量较高吸附位向能量较低吸附位转移,造成甲烷吸附量增加;蒙脱石微孔中,甲烷吸附量随着孔径增大而增大,而中孔中,随着孔径增大而减小;甲烷分子在蒙脱石孔中吸附气量所占比例随着压力增大或孔径增大而呈下降趋势,当孔径大于6 nm时,蒙脱石孔中以游离气为主;随着温度升高,甲烷等量吸附热减小,甲烷在孔中的吸附逐渐由能量较低吸附位向能量较高吸附位转移,造成蒙脱石对甲烷吸附能力降低;水分子在蒙脱石孔中受到范德华力和静电能共同作用使其以定向方式堆积在孔壁表面,且水分子占据了甲烷分子吸附位和吸附空间,造成蒙脱石对甲烷吸附能力降低;多元组成竞争吸附中,蒙脱石对气体吸附能力大小的顺序为二氧化碳、甲烷、氮气;氮气或二氧化碳的增加,会造成甲烷在气相中摩尔分数降低、甲烷吸附位的变化以及甲烷吸附空间减小,三者的综合作用导致了蒙脱石对甲烷吸附能力降低。     

低渗砂岩气藏的孔隙结构与物性特征

根据毛细管束模型,在分形几何、表面与胶体化学和气体分子运动论的基础上研究了低渗砂岩气藏的孔隙结构与物性特征之间的定量关系。孔隙结构特征表现为孔喉半径及其高宽比小,分形维数,毛细管弯曲度和孔-喉径比大。物性特征表现为渗透率低并对应力敏感、毛细管压力和束缚水饱和度高,但原生水饱和度则可能很低,纵向气、水分布异常——气、水分界模糊和可能气、水倒置,自由分子流动与粘滞流动共存以及气高速非达西流动和水低速非达西流动显著。从已建立的理论关系式来看,各种结构参数对物性参数的影响不尽--致,如孔喉半径对渗透率的影响比对毛细管压力的影响大,而分形维数对毛细管压力比对渗透率的影响要大。水膜厚度不影响孔喉有效尺寸,仅通过改变润湿性影响气、水分布,从而影响气、水的相渗透率。在低渗气藏中因孔喉很小,分子自由流动明显,无论在室内或地下均需校正滑脱效应。     

毛细管力在非常规油气藏开发中的作用及应用

相对于常规油气藏而言，非常规油气藏储层岩石孔喉尺度小、毛细管力作用突出，极大地影响油气勘探与开发。对于常规油气藏的研究，通常忽略毛细管力效应，但是对于页岩油气与煤层气等自生自储的非常规储层，其纳米孔隙发育，润湿性、毛细管力及其相渗特征的研究还存在难点。通过结合地质成藏理论和开发过程渗流理论，以致密油、煤层气和页岩油气为例，阐明了毛细管力在非常规油气成藏及开发中的作用及应用。同时，进一步刻画了油藏原始条件下油水多种分布关系及对应的流体压力分布特征，借此可以分析评价注水（气）过程润湿相与非润湿相流体渗流机理及非润湿相的卡断尺度，为二次采油、三次采油参数设计提供理论依据；通过评价高有机质含量（TOC）的煤层气储层，发现其多呈现水湿特征，强极性的水分子与孔隙介质少数极性官能团的结合力要比甲烷与孔隙有机质结合力高几倍到几十倍，而润湿角测量与毛细管力测量均体现了极性与非极性吸引力的作用，因此尽管煤层气储层有机质含量远高于无机质，但是其分子间作用力较弱导致润湿性更倾向于水湿；区别于煤层气，页岩气储层无机质体积分数远大于有机质体积分数，由于无机质孔隙原始条件多为水湿，因此该类储层多为水湿；页岩油岩石组成尽管与页岩气类似，但是由于油相具有复杂的组成，其中的表面活性物质将会影响储层的润湿性，据此影响储层的毛细管力；由于页岩油要比页岩气流动困难，渗流阻力大，但是页岩油的油水毛细管力又小于页岩气的气水毛细管力，因此需要对二者量化计算评价。     

毛细管力在非常规油气藏开发中的作用及应用

相对于常规油气藏而言，非常规油气藏储层岩石孔喉尺度小、毛细管力作用突出，极大地影响油气勘探与开发。对于常规油气藏的研究，通常忽略毛细管力效应，但是对于页岩油气与煤层气等自生自储的非常规储层，其纳米孔隙发育，润湿性、毛细管力及其相渗特征的研究还存在难点。通过结合地质成藏理论和开发过程渗流理论，以致密油、煤层气和页岩油气为例，阐明了毛细管力在非常规油气成藏及开发中的作用及应用。同时，进一步刻画了油藏原始条件下油水多种分布关系及对应的流体压力分布特征，借此可以分析评价注水（气）过程润湿相与非润湿相流体渗流机理及非润湿相的卡断尺度，为二次采油、三次采油参数设计提供理论依据；通过评价高有机质含量（TOC）的煤层气储层，发现其多呈现水湿特征，强极性的水分子与孔隙介质少数极性官能团的结合力要比甲烷与孔隙有机质结合力高几倍到几十倍，而润湿角测量与毛细管力测量均体现了极性与非极性吸引力的作用，因此尽管煤层气储层有机质含量远高于无机质，但是其分子间作用力较弱导致润湿性更倾向于水湿；区别于煤层气，页岩气储层无机质体积分数远大于有机质体积分数，由于无机质孔隙原始条件多为水湿，因此该类储层多为水湿；页岩油岩石组成尽管与页岩气类似，但是由于油相具有复杂的组成，其中的表面活性物质将会影响储层的润湿性，据此影响储层的毛细管力；由于页岩油要比页岩气流动困难，渗流阻力大，但是页岩油的油水毛细管力又小于页岩气的气水毛细管力，因此需要对二者量化计算评价。