低渗透油藏注入流体窜流及渗漏力学机理研究

倪维蔚

摘 要：高压注水开采是低渗透油田主要的开采方式，注入水沿隔夹层及断层窜流和渗漏使注水达不到预期效果，严重影响开发效果。本文针对导致窜流的主要因素，通过实验研究、理论建模和数值模拟的方法，建立了考虑隔夹层渗流损伤的力学模型，通过数值模拟，对影响窜流、渗漏的主要因素进行了敏感性分析，给出了窜流、滲漏的防控措施。

关键词：低渗透油藏;注水开采;敏感性分析;窜流

1 绪论

我国低渗透油气藏探明量占总新探明油气藏半数以上。且其生产潜力大，生产建设规模占总规模七成以上。可开发的低渗透油田一般微裂缝发育，这些微裂缝具有良好的导流能力，是油藏内流体渗流的主要通道。在开发过程中，注入流体很容易沿着裂缝窜流或渗漏到相邻其他层位，造成窜流。弄清注入流体窜流和渗漏的基本规律，对于提高注水开釆的成效以及油气藏的采收率具有十分重要的理论意义和实际应用价值。

2 考虑渗流--损伤本构的窜流及渗漏敏感性分析

2.1 孔隙度渗透率演化对窜流及渗漏的影响分析

取研究区域为地下1000m处油层，模型上边界与盖层相接，并取上覆岩层压力20MPam，模型上边界为不透水边界;设储层厚度为61m，其中被隔层分隔的上部油藏层厚度为20m，上部油层与工作层间隔层厚0.5m，工作层厚为20m，工作层与下部油层间隔层厚0.5m，下部储层厚度为20m，其中只对中部油层进行注水开采。 储层及隔层孔隙度及物性参数如表1所示。对照组物性参数只采用动态演化组的初始计算数据，计算过程中不考虑动态演化过程。

注水10年后，在考虑有效应力与孔隙度、渗透率之间关系关系模型中，储层中部渗透率最大达到10.3 （m/D），初始渗透率为10.0（m/D），变化幅度不大;夹层渗透率0.039（mD），初始渗透率为0.41（mID），增加幅度几乎为400%，在高压注水条件下，骨架有效应力减小，储层孔隙度变化不如渗透率变化显著，且增加幅度较小;而对于夹层，孔隙度与渗透率均有明显变化，且渗透率变化明显。

2.2 渗流一损伤演化模型对窜流及渗漏的影响分析

本节研究一注一采油藏，其中注水井压力为15MPa采收边界压力为5MPa，地层压力7.5MPa，模型四周及底面约束轴向位移。模拟区域长宽高为100m×60m×20m。其中油藏上部油层厚度为4.9m;上部油层与工作层间隔层厚0.1m;工作层厚为10m;工作层与下部油层间隔层厚0.lm;下部油层厚度为4.9m。整个区域有限元模型共有单元数3840个，结点数4641个。

对工作区油层持续注水10年。取注水边界正上方单元为研究对象，在连续注水约1000天后开始产生塑性变形，然后塑性应变迅速增加，在此过程中，隔层渗透性的变化趋势与其损伤因子保持一致。取最小井距间各结点为研究对象，注水10年后，在注水井80m以内范围的隔层均处于损伤指标相对较高，其损伤因子达到2.5E-2;而80m到90m内损伤因子迅速减小，损伤因子由2.5E-2降低至1.4E-2;900m以后的损伤变化情况不明显。计算结果说明隔层渗透性变化趋势与损伤指标变化趋势保持一致，且塑性部分渗透率变化较大，注入流体沿着损伤区域窜入了上下层。

2.3 不同形态天然裂缝对窜流的影响分析

通过比较在裂缝长度分别为10m，15m，及30m时地层内部的渗流速度场分布，我们发现随石裂缝长度的改变，渗流场的状态也相应随之改变。从总体上来看，裂缝内部的渗流流体流速较高，而又由于裂缝渗流率的各向异性，其延伸方向的流速远高于其法问流速。因此在当裂缝长度较短时，地层内部通过裂缝的流体较小，裂缝内部的流体速度也较小;而当裂缝穿整个地层时，裂缝内部流体流速也较大。当裂缝延伸穿过隔层时，流体就会延着裂缝窜向临层，导致层间窜流现象发生。

2.4 不同形态人工缝对窜流的影响分析

以上是对天然裂缝进行的研究。然而压裂开采是低渗流油藏的主要开采方式，在压裂过程中，会产生各种人工裂缝，因此本节对不同形态的人工缝进行研究。在人工裂缝未与天然裂缝连通时，天然裂缝对于地层内部的渗流场分布的影响相对较小;而一旦二者互相连通，注入流体会先沿着人工缝注入天然裂缝，然后再由天然裂缝渗入地层。竖直的天然裂缝对于其法向渗流场影响较大，而人工裂缝则对于水平方向上的渗流场影响较大。在注入井到天然裂缝之间的地层内，流体基本上是通过天然裂缝反向注入地层的。因此，这部分油藏不能很好的得到驱替，在人工裂缝一天然裂缝的组合裂缝形式下，窜流现象极可能发生。

2.5 环空窜流模拟

通过比较水泥环与地层之间有微裂隙与无微裂隙时的情况，我们可以发现，当无微裂隙存在时，地层内部孔压分布均匀，隔层以外地层孔压无明显变化;而有微裂隙存在时，微裂隙使得地层内部孔压急剧减小，隔层以外孔压变化明显。在渗流速度矢量场上，无微裂隙时储层内部流体流动速度比地层中其他位置的流体流动速度快，隔层以外流体流动不明显。这说明微裂隙改变了地层内部的流体流动情况，在有微裂隙存在的情况下，大部分注入流体会沿着微裂隙穿过隔层，并降低地层内流体流动速度，影响注水开采的效果。

3 结论

通过对不同形态天然裂缝及人工裂缝进行数值模拟研究得出，由于裂缝渗透率的各向异性特征，其在延伸方向上具有良好的导流能力，裂缝的存在将明显改变地下渗流场的分布情况。

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