專利名稱：砂巖油藏注水開發(fā)可預(yù)測物理模型建立方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種油氣田開發(fā)領(lǐng)域中油藏滲流和開發(fā)過程研究的新型物理實驗方 法，尤其是指一種砂巖油藏注水開發(fā)可預(yù)測物理模型建立方法，其同時適用于其它與多孔 介質(zhì)滲流現(xiàn)象有關(guān)的研究領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
油氣田開發(fā)領(lǐng)域中，人們一直在嘗試?yán)梦锢韺嶒灧椒▽τ筒貪B流和開發(fā)過程進 行模擬和預(yù)測，即通過較短時間的小模型試驗，使實際油藏中所發(fā)生的物理過程按照一定 的相似關(guān)系在模型中再現(xiàn)，以便迅速、直觀地觀察油藏滲流與開發(fā)過程，測定所需數(shù)據(jù)，研 究預(yù)測開發(fā)方案的實施效果，指導(dǎo)開發(fā)實踐。但是，此前尚未發(fā)現(xiàn)成功的油藏可預(yù)測物理模 擬研究報道。油藏可預(yù)測物理模擬難以實現(xiàn)的主要原因是，所建物理模型不能充分滿足相似性 要求，因而無法在物理模型和實際油藏之間建立直接的對應(yīng)關(guān)系。為了使模型中的物理過程和實際油藏相似，除了使模型的幾何形態(tài)與所要模擬的 油藏或區(qū)塊相似以外，還必須從流體力學(xué)的理論出發(fā)，根據(jù)相似原理，提出相似準(zhǔn)數(shù)，實現(xiàn) 流體力學(xué)相似，即建立多重相似模型。這樣模擬后所得的規(guī)律才能與實際油藏相似，將相似 模型所得結(jié)果經(jīng)過還原就可直接用于實際油藏。但由于在實驗室內(nèi)同時嚴(yán)格滿足多種相似 條件是非常困難的，此前的模擬研究大都只針對少部分相似準(zhǔn)數(shù)建立模型，因而只能在某 個方面在一定程度上反映流體在油藏中的運動規(guī)律，無法全面模擬實際油藏的滲流特征和 開發(fā)過程，無法預(yù)測實際油藏開發(fā)效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的技術(shù)問題是提供一種能夠全面滿足多重相似性要求的砂巖油藏注 水開發(fā)可預(yù)測物理模型建立方法。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是—種砂巖油藏注水開發(fā)可預(yù)測物理模型建立方法，其中，該方法包括(a)根據(jù)三維油藏油水兩相滲流的特點，建立油藏水驅(qū)開發(fā)模擬的相似準(zhǔn)則，所 述相似準(zhǔn)則包括外形與空間相似、井筒幾何相似、巖石物性相似、油水粘度相似、動力學(xué)相 似以及時間相似；(b)根據(jù)上述相似準(zhǔn)則設(shè)計物理模型，并確定上述相似準(zhǔn)則的實現(xiàn)方法； (c)制作物理模型。本發(fā)明的特點和優(yōu)點如下1、本發(fā)明提供了一套完善的利用物理模擬手段模擬和預(yù)測砂巖油藏的滲流和開 發(fā)過程的新型技術(shù)方法，包括基本原理、理論體系、實現(xiàn)方法及實施步驟。2、本發(fā)明研究建立了砂巖油藏注水開發(fā)過程的可預(yù)測物理模擬相似準(zhǔn)則，奠定了 該類油藏物理模擬的理論基礎(chǔ)。該相似準(zhǔn)則包含16項相似準(zhǔn)數(shù)。3、井筒_油藏幾何相似性實現(xiàn)方法。本發(fā)明綜合考慮油藏幾何參數(shù)、井筒表皮系數(shù)和壓力系統(tǒng)之間的關(guān)系，同時實現(xiàn)了井筒幾何相似和油藏壓力系統(tǒng)相似，見3. 6節(jié)(33)式。4、物性分布及時間過程相似實現(xiàn)方法。本發(fā)明綜合考慮滲透率、孔隙度、相對滲透 率和特征時間參數(shù)之間的關(guān)系，同時實現(xiàn)了模型和油藏兩個系統(tǒng)之間的巖石物性相似和時 間過程相似，見4. 1節(jié)第(5) ⑶步。5、井筒及測試管線的制作方法。本發(fā)明利用小巖塊預(yù)制井筒技術(shù)，解決了在物理 模型內(nèi)部任意位置和任意方向設(shè)置井筒及測試管線這一長期存在的技術(shù)難題。6、天然砂巖的選擇及小巖塊的制備過程(1)本發(fā)明針對設(shè)計模型內(nèi)每一個區(qū)域，篩選符合條件的天然地層巖石作為原材 料，加工制作成正方形小巖塊。一般砂巖的孔隙度和滲透率有一定的相關(guān)性，可以首先篩選 同時滿足滲透率和孔隙度要求的天然砂巖，再對初選出的各類砂巖進行相對滲透率實驗測 試，確定最佳的砂巖種類。(2)利用選定的砂巖品種加工制作正方形小巖塊，小巖塊加工利用純機械切割方 式，小巖塊的表面不進行任何打磨、拋光等特殊處理，以盡量保持巖石的天然形態(tài)，以便更 好地模擬天然油藏，另外，所有小巖塊的尺寸必須嚴(yán)格相等。(3)在設(shè)計井筒穿過的小巖塊上鉆孔，形成預(yù)設(shè)的井眼。(4)對需要預(yù)設(shè)各種測試管線及流體飽和通道的小巖塊進行加工處理。7、物理模型制備過程(1)用小巖塊順序粘結(jié)形成大尺度物理模型巖體。(2)在模型巖體表面均勻涂刷環(huán)氧樹脂膠，待其凝固形成封閉的模型邊界。(3)連接各井筒及測試點的管線，在模型底部和頂部設(shè)置流體飽和通道。(4)飽和過程。首先向模型底部飽和通道注入驅(qū)替液(水)，并打開頂部飽和通道 排出流體，直到系統(tǒng)全部充滿驅(qū)替液，形成底部注、頂部采的循環(huán)流動，關(guān)閉所有通道。然后 向模型頂部飽和通道注入被驅(qū)替液(油)，從底部飽和通道排出流體，直到系統(tǒng)內(nèi)形成完全 的被驅(qū)替液頂部注入、底部采出的循環(huán)流動，即采出液完全是被驅(qū)替液，不含驅(qū)替液。此時 模型內(nèi)的每個小巖塊都已被液體飽和，且其中的驅(qū)替液都是束縛流體，達到模型飽和要求。(5)設(shè)計實驗方案，并建立物理模型到實際油藏的對應(yīng)預(yù)測關(guān)系。


圖1為不同井徑與壓力的關(guān)系示意圖。主要標(biāo)號說明1 壓力線
具體實施例方式本發(fā)明提出一種砂巖油藏注水開發(fā)可預(yù)測物理模型建立方法，其包括(a)根據(jù)三維油藏油水兩相滲流的特點，建立油藏水驅(qū)開發(fā)模擬的相似準(zhǔn)則，所述 相似準(zhǔn)則包括外形與空間相似、井筒幾何相似、巖石物性(滲透率、孔隙度及相滲)相似、油 水粘度相似、動力學(xué)相似、時間相似、飽和度分布相似及位勢分布相似；(b)根據(jù)相似性關(guān)系計算確定物理模型的各項參數(shù)；
(c)制作物理模型。在具體實施時，所述步驟(a)還可包括(al)根據(jù)油藏的物理條件，確定建模條件，并建立油藏的無量綱滲流數(shù)學(xué)模型；(a2)建立相似準(zhǔn)則。下面結(jié)合現(xiàn)有滲流力學(xué)理論和相似性分析理論并配合附圖及具體實施例對本發(fā) 明的砂巖油藏注水開發(fā)可預(yù)測物理模型建立方法的基本原理、理論體系、實現(xiàn)方法、實施步 驟作進一步的詳細說明。1方法原理首先利用滲流力學(xué)理論和相似性分析，建立油藏開發(fā)模擬的相似準(zhǔn)則，包括外形 與空間相似、井筒幾何相似、巖石物性(滲透率、孔隙度及相滲)相似、油水粘度相似、動力 學(xué)相似、時間相似、飽和度分布相似及位勢分布相似共8個方面相似性；然后研究實現(xiàn)相似 性的途徑，提供一套建立滿足相似性的油藏宏觀物理模型的建立方法。區(qū)別于此前的油藏 模擬研究只滿足少部分相似性，本相似準(zhǔn)則中包含全面的相似關(guān)系，所建油藏物理模型全 面滿足多重相似性，可以全面模擬實際油藏的滲流特征和開發(fā)過程，研究預(yù)測開發(fā)方案的 實施效果，指導(dǎo)開發(fā)實踐。具體地，本發(fā)明的一具體實施例中，該相似性準(zhǔn)則包括表1所示的16項相似準(zhǔn)數(shù)， 其具體的建立方法可以參照下文所述內(nèi)容。表1水驅(qū)砂巖油藏物理模擬相似性準(zhǔn)則 本發(fā)明的上述方法可以滿足油田開發(fā)領(lǐng)域?qū)τ筒乜深A(yù)測物理模擬研究的需要。2相似準(zhǔn)則的建立下面以本發(fā)明的一具體實施例來描述相似準(zhǔn)則的建立方法，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可 以了解，除了下文所舉具體實施例，還可采用其它現(xiàn)有的技術(shù)和方法來實現(xiàn)該目的，例如 無量綱化數(shù)學(xué)模型的具體推導(dǎo)過程可以不同，方程形式可以不同，無量綱參數(shù)形式可以不 同；相似準(zhǔn)數(shù)既可以利用方程得到，也可以通過量綱分析得到，此文不再一一詳述。2. 1油藏的物理條件本發(fā)明以三維油藏油水兩相滲流及注水開發(fā)過程作為研究對象。油藏中油水流體 所受的力主要包括壓力，粘滯力和重力等。根據(jù)油藏滲流特點，本發(fā)明的一具體實施例中， 其建模條件如下(1)油藏開發(fā)方式為注水開發(fā)；(2)油藏內(nèi)為油水兩相滲流；(3)油水互不相溶；(4)考慮重力的影響。(5)忽略毛管力的影響。(6)忽略流體及巖石的壓縮性。2. 2滲流數(shù)學(xué)模型油藏中的油水運動方程
14[水相
L油相λ=-么VOa油藏中的物質(zhì)平衡方程
⑴ 自然限制條件 初始條件O0(x,y,z,t = 0) = Oi, Ow(x,y,z,t = 0) = 0，Sw(x，y，z，t = 0) = Sw邊界條件對于油藏外邊界，假設(shè)為封閉邊界Γ，η為邊界法向，則
⑷
(6)對于井筒邊界，假設(shè)為定壓注采，則 上述各式中，V、q、S分別表示滲流速度、滲吸強度、飽和度，下標(biāo)O、w分別表示油 相和水相，Sw。為束縛水飽和度。x、y、z為直角坐標(biāo)系的三個坐標(biāo)7 = (x，>%z)表示油藏空間 點，‘和 。分別表示注水井和生產(chǎn)井井筒上任意一點。A。、Aw、A分別為油的流度、水的流度 及流體總流度 Ao =
(7) K為絕對滲透率，Φ為孔隙度，Kro和Κ 分別是油相和水相的相對滲透率，Φ。，Ow 分別為油相和水相的位勢，Oi為初始位勢，P為壓力，Δρ為注采壓差。記Υ為重度，G為 油水重力勢差，則有如下表達式Φ0 = ρ+Y0z，Ow = P+Ywz, G = (H)Z把運動方程帶入物質(zhì)平衡方程，得 (9)式+(10)式，得 (9)可化為
故滲流數(shù)學(xué)模型可寫為
將(13)在直角坐標(biāo)系中展開，可得 2. 3相似準(zhǔn)則建立將數(shù)學(xué)模型無量綱化，首先把方程中所有的變量無量綱化。 4個自變量無量綱化 4個孔滲參數(shù)無量綱化 3個流體參數(shù)無量綱化 3個因變量無量綱化 其中，Lx、Ly、Lz——X、y、z方向的特征長度(可取最大長度)；

-水驅(qū)特征時間；φ—平均孔隙度；K——平均滲透率；K、K——油相、水相流體平均粘度；因忽略流體壓縮性，凡三JK Ψ^Κ ；Af——平均油水重度差；因忽略流體壓縮性，= Af。Swc, Sor——束縛水飽和度和殘余油飽和度。——平均束縛水飽和度，^——平均殘余油飽和度。把(15) (18)帶入(14)式，得 再考慮到(17)式，得
17
.4根據(jù)(20)式中方程結(jié)構(gòu)及相似理論分析，可以得到砂巖油藏注水開發(fā)滲流問題 的相似性準(zhǔn)則。3相似準(zhǔn)則及指標(biāo)預(yù)測的實現(xiàn)為了便于準(zhǔn)確理解本發(fā)明，此部分是以表1中的16項相似準(zhǔn)數(shù)的具體實現(xiàn)方法來 說明的，但不能理解為對本發(fā)明的限制，即本發(fā)明還可以采用不同的相似準(zhǔn)數(shù)，且針對各相 似準(zhǔn)數(shù)也可以采用不同的實現(xiàn)方法，特此說明。本發(fā)明利用正方形天然砂巖小巖塊連結(jié)形成大尺度的滲流模型。單個小巖塊可以 看作模型內(nèi)的一個點，其物性參數(shù)可看作均勻的，而大巖體內(nèi)的物性分布是非均勻的。選取 具有合適物性參數(shù)的小巖塊并按照合適的粘結(jié)方式和特定順序把它們連結(jié)在一起，就可以 形成具有任意物性分布和任意形狀的大尺度的滲流介質(zhì)巖體。在此基礎(chǔ)上，提供本發(fā)明中相似準(zhǔn)數(shù)的實現(xiàn)途徑及模型制作的具體方法。3. 1外部形狀及內(nèi)部空間的幾何相似性(π 1 Ji 5)為了滿足相似準(zhǔn)數(shù)π 1 π 5，設(shè)計物理模型與實際油藏保持幾何形狀相似，也就 是使物理模型和油藏在各個部位和各個方向的尺度都具有同一比例(Lx/Ly) I 模型=(Lx/Ly) I 油藏，(Lx/Lz) | 模型=(Lx/Lz) | 油藏， 3.2井徑的幾何相似性(π 6)為了滿足相似準(zhǔn)數(shù)η 6，設(shè)計模型中的井筒與實際油藏井筒保持幾何相似，也就是 使物理模型和油藏中井筒與外部邊界尺度之間的比例相同。即滿足如下關(guān)系(rw/Lx)| 模型=(rw/Lx)| 油藏(22)但是，如果直接按照上述要求設(shè)計物理模型井筒，物理模型內(nèi)的井徑rwiSS—般在 Imm以下(記作rwl)；如此小的井徑，會使得井筒中的摩阻效應(yīng)非常明顯，從而顯著影響流體 在其中的流動，降低實驗測試的可靠性。為了解決這一問題，實驗采用擴大的井徑rw2，見附圖1。如圖中壓力線1所示，根據(jù)井筒壓降漏斗原理，rw_由rwl變?yōu)閞w2，只需相應(yīng)地把壓差Δρ由八？1變成Ap2，這里 八？1和Δρ2分別是井徑為rwl和rw2時模型中的注采壓差。假設(shè)Ap2= Ap1Xa,把常數(shù)a =Δρ2/Δρι求出即可。 考慮各種可能的井型、井網(wǎng)，假設(shè)三維油藏在垂直于井筒方向的截面積為Ε，井?dāng)?shù) 為m，則平均單井控制面積為Ew = E/m，等價圓形控制區(qū)域半徑為 設(shè)油藏平均壓力為pe，單井注采液量為Q，Pwl和Pw2分別為井徑rwl和rw2所對應(yīng)的 井底流壓；根據(jù)徑向流注采量公式，有 由(24)得
(24) 因為(25)式同時適用于注入井和生產(chǎn)井，所以 實際計算時，利用(26)式求得系數(shù)a，再根據(jù)Δρ2 = Ap1Xa得到Δρ2。在實驗 設(shè)計中將井筒半徑rwiSa取作rw2，注采壓差Δ ρ取作八巧，則等價于井筒半徑！^麵取&，注 采壓差Δρ取Δρ1;這樣的設(shè)計既可以滿足相似性要求，又可以滿足井筒內(nèi)阻對大井徑的 要求。考慮到砂巖加工工藝的方便性，實驗中宜?。胃^》6mm。3. 3井筒表皮系數(shù)的處理實際油藏由于近井地層污染和完井過程缺陷的影響，井筒附近會產(chǎn)生額外阻力， 因此表皮系數(shù)往往大于0。由徑向流注采量公式可知，單井在表皮系數(shù)為S的條件下以壓差Δρ生產(chǎn)，等價于 在表皮系數(shù)為0的條件下以壓差Δρ'生產(chǎn)，如(31)式所示 Δρ將作為實際油藏有效注采壓差用于模擬實驗方案的設(shè)計t
3. 4滲透率、孔隙度及相對滲透率的相似性(π 7 π 10)根據(jù)相似理論，(16)式所列無量綱孔滲參數(shù)在任意區(qū)域應(yīng)該滿足如下關(guān)系Kd模型=Kd油藏，小0模型=^d油藏，KroD模型=KroD油藏，KrwD模型=KrwD油藏亦即要求在模型和油藏內(nèi)任意一個對應(yīng)點(xD，yD，zD)處滿足(29)式 其中Φ _，‘藏，Κ_，玄油藏及Kro油藏，Krw油藏均為已知的實際油藏參數(shù)值。按照(29)式要求，物理模型內(nèi)部滲透率的相對分布必須與實際油藏分布成正比， 但不限定其絕對大??；孔隙度的相對分布必須與實際油藏成正比，但不限定其絕對大小； 而油、水兩相的相對滲透率，則要求在模型內(nèi)每個區(qū)域都與油藏對應(yīng)相等。實現(xiàn)途徑針對模型內(nèi)每一個區(qū)域，篩選符合(29)式條件的天然地層巖石作為原 材料，加工制作成正方形小巖塊，再將所有的小巖塊按位置順序用選定的膠液(環(huán)氧樹脂) 粘結(jié)形成模型。一般砂巖的孔隙度和滲透率有一定的相關(guān)性，可以首先篩選滿足滲透率和 孔隙度要求的天然砂巖，再對初選出的各類砂巖進行相對滲透率實驗測試，確定最佳的砂 巖種類。3. 5油水粘度比的相似性(π 11)因為不計流體的壓縮性，所以可認(rèn)為驅(qū)替液(油)和被驅(qū)替液(水)的粘度均為 常數(shù)。根據(jù)相似準(zhǔn)則η 11，選擇粘度合適的流體作為驅(qū)替液和被驅(qū)替液，使得油藏和模型的 油水粘度比滿足下述關(guān)系( μ 0/ μ w) | 模型=(μ 0/ μ w) | 油藏(30)考慮到安全性，具有較強揮發(fā)性和毒性的輕質(zhì)烴組分不適合在實驗室內(nèi)使用，因 此選擇柴油或更重的原油成分進行調(diào)合后作為被驅(qū)替液(模擬油藏內(nèi)的原油)；選擇水和 適當(dāng)?shù)脑稣硠┻M行調(diào)合后作為驅(qū)替液(模擬油藏內(nèi)的水)。如果實際油藏的原油粘度大于或等于柴油的粘度，則根據(jù)(30)式，物理模型用純 水作為驅(qū)替液，用柴油和重質(zhì)油調(diào)合后做被驅(qū)替液，便可使之滿足油水粘度比的相似性要 求。如果實際油藏的原油粘度小于柴油的粘度，則根據(jù)(34)式，物理模型用柴油做被 驅(qū)替液(常溫下粘度最小約為3. OmP · s)，用純水和適當(dāng)?shù)脑稣硠┱{(diào)合后作為驅(qū)替液，便可 使之滿足油水粘度比的相似性要求。經(jīng)過反復(fù)試驗，最終確定用蔗糖作為增粘劑。其它物 質(zhì)作為驅(qū)替液增粘劑的可行性舉例對比如下(1)純水的粘度是ImPa · s，粘度太小。(2)向水中加鹽可以增粘，在18°C下，鹽水濃度達到27%就很難再溶解了，而這時 鹽水粘度僅為1. 6mPa · s，粘度值偏低。(3)聚丙烯酰胺的增粘效果較好，可以達到需要粘度。但聚合物溶液為絮狀混合 物，容易堵塞滲流通道；另外其滲流機理尚不完全明確，會給實驗帶來更多不確定因素，故 棄用。(4)用糖做增粘劑。經(jīng)過試驗，濃度為40%的糖水就可達到5. OmPa · S。糖水安 全，對物理模型傷害小，因此最終確定用糖水做驅(qū)替液。
3. 6重力壓差與注采壓差之比的相似性(π 12)根據(jù)相似準(zhǔn)數(shù)π 12，模型必須選擇合適的注采壓差Δρ，使之滿足(31)式(LzA γ/Αρ)Ι 模型=(LZAY/Ap)| 油藏即 再加入擴大井徑的影響，考慮到(26)式，則(32)式變?yōu)?(33)式中ΔρΛ|1為已知的油藏實際數(shù)據(jù)，只需按照(33)式設(shè)計模型注采壓差Δρ tss，則模擬過程滿足動力學(xué)相似準(zhǔn)數(shù)η 12。3. 7時間相似性(π 13)模型模擬時間tiSS與實際油藏開采時間必須滿足相似準(zhǔn)數(shù)π 13，即應(yīng)該按如
下關(guān)系確定跟實際油藏開采時間對應(yīng)的模擬時間 (34)式即為模型實驗過程中任一個時間點與油藏開發(fā)過程的對應(yīng)關(guān)系。3. 8油藏開發(fā)指標(biāo)預(yù)測的實現(xiàn)利用本發(fā)明的方法，可以根據(jù)指標(biāo)對應(yīng)關(guān)系全面地計算預(yù)測實際油藏的滲流過程 和開發(fā)指標(biāo)，具體包括(1)流場分布動態(tài)變量的對應(yīng)關(guān)系(π 14 π 16)在Ji 1 Ji 13得到滿足的情況下，π 14 π 16會自然滿足，即有
度分布
利用(35)式就可以從模型內(nèi)的壓力和飽和度分布計算實際油藏內(nèi)的壓力和飽和
(2)實際油藏產(chǎn)量與實驗?zāi)Ｐ土髁康膶?yīng)關(guān)系 由單井注采液量Q的計算公式可知
其中Lw為井筒長度。由Q 和Qra相除，并考慮到以及
(31)式，可得 (3)實際油藏含水率跟實驗?zāi)Ｐ秃实膶?yīng)關(guān)系在(34)式所示的對應(yīng)時間點上，實際油藏的含水率fw跟實驗?zāi)Ｐ拖嗟?，即fw 油藏=fw 模型(37)(4)實際油藏累計產(chǎn)油量和采出程度(采收率)的預(yù)測設(shè)任意時刻實際油藏累積產(chǎn)油量為Qc^li，對應(yīng)時刻模型被驅(qū)替液(油)的累積流 量為Q。iSS，根據(jù)(36)式很容易得到 (38)式中Q。iSS為實驗測量值，根據(jù)(38)式可以計算得到任意時刻實際油藏累積
產(chǎn)油量Qd.設(shè)實際油藏地質(zhì)儲量為N，則該時刻油藏的采出程度(采收率)為 利用(35) (39)式，便可以全面地計算預(yù)測實際油藏的滲流過程和開發(fā)指標(biāo)。4實施步驟4. 1根據(jù)相似性關(guān)系計算設(shè)計物理模型的各項參數(shù)(1)根據(jù)實際油藏的尺度和形狀、實驗室空間條件及關(guān)系式(21)，計算確定模型 的幾何尺度(Lx，Ly，Lz)和形狀，并確定物理模型所需小巖塊的大小和數(shù)量。根據(jù)經(jīng)驗，一般 小巖塊的邊長可取50mm。(2)根據(jù)實際油藏及其井筒的幾何參數(shù)確定模型內(nèi)的井筒半Srwiss 首先利用 (21)得到rwl = Lx模型· rw油藏/Lx油藏如果rwl 彡 6. 0mm，則取 rw模型=rwl，此時(26)式中 rwl = rw2 ；如果 rwl < 6. 0mm，則取 rw模型=rw2 = 6. 0mm，此時(26)式中 rwl Φ rw2。(3)根據(jù)實際油藏的油水粘度和(30)式，利用3. 5節(jié)所述方法，試驗設(shè)計具有合適 粘度的驅(qū)替液和被驅(qū)替液。(4)根據(jù)實際油藏的注采井底壓力和油水密度，以及物理模型驅(qū)替液和被驅(qū)替液 的密度，并考慮擴大井徑和表皮系數(shù)的影響，利用(33)式計算確定模型的注采壓力。(5)根據(jù)實驗需要，確定實際油藏開發(fā)跟物理模型實驗過程時間比例
合理值。(6)將油藏_模型時間比值tiSS/t_代入(34)式，確定如下組合參數(shù)的值 (7)根據(jù)(40)式計算結(jié)果和所具備的砂巖材料的物性參數(shù)，確定模型的3個物性 參數(shù)平均值玄、歹和Ι-t-之。因為共有3個量(無、歹和I-^re-D，而約束條件只 有1個即(40)式，理論上有無數(shù)種選擇，這為模型的天然砂巖選材提供了便利條件。(8)根據(jù)上一步所確定的玄、i和I-^wr-瓦，，利用(29)式確定模型中任意區(qū)域 的滲透率分布、孔隙度分布和相對滲透率分布。4. 2天然砂巖的選擇及小巖塊的制備(1)針對物理模型的每個區(qū)域，利用4. 1(8)所得的參數(shù)，選擇合適的天然砂巖材 料。(2)根據(jù)4.1(1)中的設(shè)計，使用4.2(1)中選定的砂巖品種加工制作正方形小巖 塊。所有小巖塊的尺寸必須嚴(yán)格相等。(3)在設(shè)計井筒穿過的小巖塊上鉆孔，形成預(yù)設(shè)的井眼。井徑取4. 1(2)中的設(shè)計值。(4)對需要預(yù)設(shè)各種測試管線及流體飽和通道的小巖塊進行加工處理。4. 3模型制作及實驗準(zhǔn)備(1)用4. 2中制作的小巖塊順序粘結(jié)形成大尺度模型巖體。(2)在模型巖體表面均勻涂刷環(huán)氧樹脂膠，待其凝固形成封閉的模型邊界。(3)連接各井筒及測試點的管線，在模型底部和頂部設(shè)置流體飽和通道。(4)飽和過程。首先向模型底部飽和通道注入驅(qū)替液(水)，并打開頂部飽和通道 排出流體，直到系統(tǒng)全部充滿驅(qū)替液，形成底部注、頂部采的循環(huán)流動，關(guān)閉所有通道。然后 向模型頂部飽和通道注入被驅(qū)替液(油)，從底部飽和通道排出流體，直到系統(tǒng)內(nèi)形成完全 的被驅(qū)替液頂部注入、底部采出的循環(huán)流動，即采出液完全是被驅(qū)替液，不含驅(qū)替液。此時 模型的每個小巖塊內(nèi)的驅(qū)替液都是束縛流體，達到模型飽和要求。(5)設(shè)計實驗方案，并依據(jù)(35) (39)式建立物理模型到實際油藏的對應(yīng)預(yù)測關(guān)系。本發(fā)明根據(jù)滲流力學(xué)理論和實驗研究，提出全面滿足相似性要求的油藏物理模型 的建立方法。利用本方法建立的物理模型可以全面模擬實際油藏的滲流特征和開發(fā)過程， 研究預(yù)測開發(fā)方案的實施效果，指導(dǎo)開發(fā)實踐。本發(fā)明的優(yōu)點如下
(1)本發(fā)明提供了一套完整的技術(shù)方法，使人們利用物理模擬手段模擬和預(yù)測一 般砂巖油藏的滲流和開發(fā)過程成為可能。(2)本發(fā)明確立了砂巖油藏注水開發(fā)過程的可預(yù)測物理模擬相似準(zhǔn)則，奠定了物 理模擬的理論基礎(chǔ)。(3)綜合考慮油藏幾何參數(shù)、井筒表皮系數(shù)和壓力系統(tǒng)之間的關(guān)系，同時實現(xiàn)了井 筒幾何相似和油藏壓力系統(tǒng)相似。(4)綜合考慮滲透率、孔隙度、相對滲透率和特征時間參數(shù)之間的關(guān)系，同時實現(xiàn) 了物理模型和油藏兩個系統(tǒng)之間的巖石物性相似和時間過程相似。(5)利用小巖塊預(yù)制井筒技術(shù)，解決了在物理模型內(nèi)部任意位置和任意方向設(shè)置 井筒及測試管線這一長期存在的技術(shù)難題。(6)本發(fā)明給出了定量化的、可操作的的技術(shù)方法和實施步驟。(7)本發(fā)明不僅適用于油田開發(fā)研究領(lǐng)域，還可以供其它與滲流現(xiàn)象有關(guān)的研究 領(lǐng)域使用和參考，例如煤礦瓦斯排采研究、水利工程研究等。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解不脫離本發(fā)明的精神和范圍，而對本發(fā)明進行 的任何修改或者局部替換，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
一種砂巖油藏注水開發(fā)可預(yù)測物理模型建立方法，其特征在于，該方法包括(a)根據(jù)三維油藏油水兩相滲流的特點，建立油藏水驅(qū)開發(fā)模擬的相似準(zhǔn)則，所述相似準(zhǔn)則包括外形與空間相似、井筒幾何相似、巖石物性相似、油水粘度相似、動力學(xué)相似、時間相似；(b)提供上述相似準(zhǔn)則的實現(xiàn)途徑，并根據(jù)相似性準(zhǔn)則設(shè)計物理模型；(c)制作物理模型。
2.如權(quán)利要求1所述的砂巖油藏注水開發(fā)可預(yù)測物理模型建立方法，其特征在于，所 述步驟(a)中，所述相似性準(zhǔn)則還包括飽和度分布相似及位勢分布相似，且所述巖石物性 相似包括滲透率分布相似、孔隙度分布相似及相對滲透率相似，由此，砂巖油藏注水開發(fā)滲 流問題的相似性準(zhǔn)則共包含下面的水驅(qū)砂巖油藏物理模擬相似性準(zhǔn)則表所包含的16個相 似準(zhǔn)數(shù)。水驅(qū)砂巖油藏物理模擬相似性準(zhǔn)則表
3.如權(quán)利要求1所述的砂巖油藏注水開發(fā)可預(yù)測物理模型建立方法，其特征在于，所 述步驟(a)中，相似準(zhǔn)則的建立包括(al)根據(jù)油藏滲流特點確定建模條件，并建立無量綱 化滲流數(shù)學(xué)模型；所述建模條件包括(all)油藏開發(fā)方式為注水開發(fā)；(al2)油藏內(nèi)為油水兩相滲流； (al3)油水互不相溶； (al4)考慮重力的影響； (al5)忽略毛管力的影響； (al6)忽略流體及巖石的壓縮性； 無量綱滲流數(shù)學(xué)模型的建立方法如下 油藏中的油水運動方程 油藏中的物質(zhì)平衡方程 自然限制條件S。+Sw = 1(3)初始條件Φ0(χ，y, ζ, t = 0) = Oi, Ow(x, y, ζ, t = 0) = 0，Sw(χ, y, ζ, t = 0) = Swc (4) 邊界條件對于油藏外邊界，假設(shè)為封閉邊界Γ，η為邊界法向，則 (5)對于井筒邊界，假設(shè)為定壓注采，則 (6)上述各式中，V、S分別表示滲流速度、飽和度，下標(biāo)O、w分別表示油和水；χ、y、 ζ為直角坐標(biāo)系的三個坐標(biāo)，F(xiàn) 二江兄勾表示油藏空間點，恧表示井筒上任意一點， ； A。、Aw、A分別為油的流度、水的流度及流體總流度 (7) K為絕對滲透率，Φ為孔隙度，Kra和κ 分別是油相和水相的相對滲透率，Φ。，Ow分別 為油相和水相的位勢，Oi為初始位勢，P為壓力，Δρ為注采壓差，記Υ為重度，G為油水 重力勢差，則有如下表達式 (8)把運動方程帶入物質(zhì)平衡方程，得 (9) (10)(9)式+(10)式，得 (9)可化為故滲流數(shù)學(xué)模型可寫為 其中，Lx、Ly、Lz——x、y、z方向的特征長度(可取最大長度)； -水驅(qū)特征時間；Φ——平均孔隙度； K——平均滲透率；仄、K—油相、水相流體平均粘度；因忽略流體壓縮性，μ。=μ。,μν=Τ^., Af—平均油水重度差；因忽略流體壓縮性，； sw。、sor—束縛水飽和度和殘余油飽和度；—平均束縛水飽和度，Ir—平均殘余油飽和度； 把(15) (18)帶入(14)式，得 (19)再考慮到(17)式，得
4.如權(quán)利要求2所述的砂巖油藏注水開發(fā)可預(yù)測物理模型建立方法，其特征在于，所 述步驟(b)中相似性準(zhǔn)則的實現(xiàn)中包括(bll)外部形狀及內(nèi)部空間的幾何相似性(π 的實現(xiàn)為了滿足相似準(zhǔn)數(shù) π 1 π 5，設(shè)計物理模型與實際油藏保持幾何形狀相似，也就是使物理模型和油藏在各個 部位和各個方向的尺度都具有同一比例(
5.如權(quán)利要求4所述的砂巖油藏注水開發(fā)可預(yù)測物理模型建立方法，其特征在于，所 述步驟(b)中相似性準(zhǔn)則的實現(xiàn)中還包括(bl2)井徑的幾何相似性π 6 為了滿足相似準(zhǔn)數(shù)η 6，設(shè)計模型中的井筒與實際油藏井筒保持幾何相似，也就是使物 理模型和油藏中井筒與外部邊界尺度之間的比例相同，即滿足如下關(guān)系(rw/Lx) I 模型=(rw/Lx) | 油藏(22)但是，如果直接按照上述要求設(shè)計模型井筒，模型內(nèi)的井徑rwiSS—般在Imm以下(記 作rwl)；如此小的井徑，會使得井筒中的摩阻效應(yīng)非常明顯，從而顯著影響流體在其中的流 動，降低實驗測試的可靠性；為了解決這一問題，實驗采用擴大的井徑rw2，根據(jù)井筒壓降漏 斗原理，rw_由rwl變?yōu)閞w2，且相應(yīng)地把壓差Δρ由Ap1變成Ap2，這里八？1和八巧分別 是井徑為rwl和rw2時模型中的注采壓差，假設(shè)Ap2= Δ PlXa，把常數(shù)a=八巧/^ 1求出 即可；考慮各種可能的井型、井網(wǎng)，假設(shè)三維油藏在垂直于井筒方向的截面積為E，井?dāng)?shù)為m， 則平均單井控制面積為Ew = E/m，等價圓形控制區(qū)域半徑為 設(shè)油藏平均壓力為Py單井注采液量為Q，Pwl和Pw2分別為井徑rwl和rw2所對應(yīng)的井底 流壓；根據(jù)徑向流注采量公式，有 由(24)得 因為(25)式同時適用于注入井和生產(chǎn)井，所以 實際計算時，利用(26)式求得系數(shù)a，再根據(jù)Ap2= Ap1Xa得到Δρ2，在實驗設(shè)計中 將井筒半徑rwiSS取作rw2、注采壓差Δ ρ取作八巧，則等價于井筒半徑1^_取1^、注采壓差 Δρ取Ap1 ；這樣的設(shè)計既可以滿足相似性要求，又可以滿足井筒內(nèi)阻對大井徑的要求。
6.如權(quán)利要求5所述的裂縫各向異性油藏注水開發(fā)可預(yù)測物理模型建立方法，其特征 在于，考慮到砂巖加工工藝的方便性，井徑的幾何相似性的實現(xiàn)中，井筒半徑6mm。
7.如權(quán)利要求2所述的砂巖油藏注水開發(fā)可預(yù)測物理模型建立方法，其特征在于，所 述步驟(b)中相似性準(zhǔn)則的實現(xiàn)中還包括(bl3)井筒表皮系數(shù)的處理實際油藏由于近井地層污染和完井過程缺陷的影響，井筒附近會產(chǎn)生額外阻力，因此 表皮系數(shù)往往大于0 ；由徑向流注采量公式可知，單井在表皮系數(shù)為S的條件下以壓差Δρ生產(chǎn)，等價于在表 皮系數(shù)為0的條件下以壓差Δρ’生產(chǎn)， Δ P’將作為實際油藏有效注采壓差用于模擬實驗方案的設(shè)計。
8.如權(quán)利要求5所述的砂巖油藏注水開發(fā)可預(yù)測物理模型建立方法，其特征在于，所 述步驟(b)中相似性準(zhǔn)則的實現(xiàn)中還包括(bl4)滲透率、孔隙度及相對滲透率的相似性 (Ji 7 π 10)的實現(xiàn)根據(jù)相似理論，(16)式所列無量綱孔滲參數(shù)在任意區(qū)域應(yīng)該滿足如下關(guān)系 亦即要求在模型和油藏內(nèi)任意一個對應(yīng)點(xD，yD，zD)處滿足(29)式 均為已知的實際油藏參數(shù)值；按照(29)式要求，物理模型內(nèi)部滲透率的相對分布與實際油藏分布成正比，但不限定 其絕對大?。豢紫抖鹊南鄬Ψ植急仨毰c實際油藏成正比，但不限定其絕對大??；而油、水兩 相的相對滲透率，則要求在模型內(nèi)每個區(qū)域都與油藏對應(yīng)相等。
9.如權(quán)利要求8所述的砂巖油藏注水開發(fā)可預(yù)測物理模型建立方法，其特征在于，所 述步驟(b)中相似性準(zhǔn)則的實現(xiàn)中還包括(bl6)重力壓差與注采壓差之比的相似性(π 12) 的實現(xiàn)根據(jù)相似準(zhǔn)則η 12，模擬實驗必須選擇合適的注采壓差Δ ρ，使之滿足(31)式 再加入擴大井徑的影響，考慮到(26)式，則(32)式變?yōu)?(33)式中ΔρΛ|1為已知的油藏實際數(shù)據(jù)，只需按照(33)式設(shè)計物理模型注采壓差Δρ s，則模擬過程滿足動力學(xué)相似性準(zhǔn)則η 12。
10.如權(quán)利要求9所述的砂巖油藏注水開發(fā)可預(yù)測物理模型建立方法，其特征在于，所述步驟(b)中相似性準(zhǔn)則的實現(xiàn)中還包括(bl7)時間相似性(π 13)的實現(xiàn)模型模擬時間tiSS與實際油藏開采時間t_必須滿足相似準(zhǔn)數(shù)π 13，即應(yīng)該按如下關(guān)系確定跟實際油藏開采時間對應(yīng)的模擬時間 (34)式即為模型實驗過程中任一個時間點與油藏開發(fā)過程的對應(yīng)關(guān)系。
11.如權(quán)利要求10所述的砂巖油藏注水開發(fā)可預(yù)測物理模型建立方法，其特征在于， 所述步驟(b)中還包括根據(jù)指標(biāo)對應(yīng)關(guān)系全面地計算預(yù)測實際油藏的滲流過程和開發(fā)指 標(biāo)(b21)流場分布動態(tài)變量的對應(yīng)關(guān)系(π 14 π 16)在π 1 π 13得到滿足的情況下，π 14 π 16會自然滿足，即有 利用(35)式就可以從模型內(nèi)的壓力和飽和度分布計算實際油藏內(nèi)的壓力和飽和度分(b22)實際油藏產(chǎn)量與物理模型流量的對應(yīng)關(guān)系 由單井注采液量Q的計算公式可知 其中Lw為井筒長度，由Q油藏和Q模型相除，并考慮到(Re/rw)模型=(Re/rw油藏，以及油水粘度比的相似性和(31)式，可得 (b23)實際油藏含水率跟物理模型含水率的對應(yīng)關(guān)系 在(34)式所示的對應(yīng)時間點上，實際油藏的含水率fw跟實驗?zāi)Ｐ拖嗟?，?fw油藏=fw模型(37)(b24)實際油藏累積產(chǎn)油量和采出程度的預(yù)測設(shè)任意時刻實際油藏累積產(chǎn)油量為Qc^li,對應(yīng)時刻模型被驅(qū)替液(油)的累積流量為Q?！秙，根據(jù)(36)式很容易得到 (38)(38)式中Q。iSS為實驗測量值，根據(jù)(38)式可以計算得到任意時刻實際油藏累積產(chǎn)油 量Q。^t，設(shè)實際油藏地質(zhì)儲量為N，則該時刻油藏的采出程度為 利用(35) (39)式，便可以全面地計算預(yù)測實際油藏的滲流過程和開發(fā)指標(biāo)。
12.如權(quán)利要求11所述的砂巖油藏注水開發(fā)可預(yù)測物理模型建立方法，其特征在于， 所述步驟(b)中模型參數(shù)的的設(shè)計步驟包括(b31)根據(jù)實際油藏的尺度和形狀、實驗室空間條件及關(guān)系式(21)，計算確定物理模 型的幾何尺度(Lx，Ly, Lz)和形狀，并確定物理模型所需小巖塊的大小和數(shù)量；(b32)根據(jù)實際油藏及其井筒的幾何參數(shù)確定物理模型內(nèi)的井筒半徑rwiSS 首先利用 (21)式得到 如果rwl≥6. Omm,則取rw模型=rwl，此時(26)式中rwl = rw2 ；如果rwl < 6. Omm,則取rw =rw2 = 6. Omm，此時(26)式中 rwl ≠ rw2 ；(b33)根據(jù)實際油藏的油水粘度，試驗設(shè)計具有合適粘度的驅(qū)替液和被驅(qū)替液； (b34)根據(jù)實際油藏的注采井底壓力和油水密度，以及物理模型驅(qū)替液和被驅(qū)替液的 密度，并考慮擴大井徑和表皮系數(shù)的影響，計算確定物理模型的注采壓力；(b35)根據(jù)實驗需要，確定實際油藏開發(fā)跟物理模型實驗過程時間比例的合理值； (b37)根據(jù)(40)式計算結(jié)果和所具備的砂巖材料的物性參數(shù)，確定模型的3個物性參 數(shù)平均值R、歹和1-5^-1，因為共有3個量(K、f和1-Swt-^0,)，而約束條件 只有1個即(40)式，理論上有無數(shù)種選擇，這為模型的天然砂巖選材提供了便利條件；(b38)根據(jù)上一步所確定的無、f和1-艮，，利用(29)式確定模型中任意區(qū)域 的滲透率分布、孔隙度分布和相對滲透率分布。
13.如權(quán)利要求12所述的砂巖油藏注水開發(fā)可預(yù)測物理模型建立方法，其特征在于， 所述步驟(c)中包括(Cl)天然砂巖的選擇及小巖塊的制備，具體為(cll)針對物理模型的每個區(qū)域，根據(jù)步驟(b38)中的各參數(shù)選擇合適的天然砂巖材料；(cl2)根據(jù)步驟(b31)中確定的模型數(shù)據(jù)，使用(cll)中選定的砂巖品種加工制作正方 形小巖塊，其中所有小巖塊的尺寸相等；(cl3)在設(shè)計井筒穿過的小巖塊上鉆孔，形成預(yù)設(shè)的井眼，井徑取設(shè)計值； (cl4)對需要預(yù)設(shè)各種測試管線及流體飽和通道的小巖塊進行加工處理。
14.如權(quán)利要求13所述的砂巖油藏注水開發(fā)可預(yù)測物理模型建立方法，其特征在于， 所述步驟(c)中還包括(c2)制作物理模型，具體為(c21)用步驟(cl)中制作的小巖塊順序粘結(jié)形成大尺度模型巖體； (c22)在模型巖體表面均勻涂刷環(huán)氧樹脂膠，待其凝固形成封閉的模型邊界； (c23)連接各井筒及測試點的管線，在物理模型底部和頂部設(shè)置流體飽和通道； (c24)飽和過程首先向物理模型底部飽和通道注入驅(qū)替液，并打開頂部飽和通道排 出流體，直到系統(tǒng)全部充滿驅(qū)替液，形成底部注、頂部采的循環(huán)流動，關(guān)閉所有通道；然后向 物理模型頂部飽和通道注入被驅(qū)替液，從底部飽和通道排出流體，直到系統(tǒng)內(nèi)形成完全的 被驅(qū)替液頂部注入、底部采出的循環(huán)流動，即采出液完全是被驅(qū)替液，不含驅(qū)替液，此時物 理模型的每個小巖塊內(nèi)的驅(qū)替液都是束縛流體，達到物理模型飽和要求。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種砂巖油藏注水開發(fā)可預(yù)測物理模型建立方法，其中，該方法包括根據(jù)三維油藏油水兩相滲流的特點，建立油藏水驅(qū)開發(fā)模擬的相似準(zhǔn)則，所述相似準(zhǔn)則包括外形與空間相似、井筒幾何相似、巖石物性相似、油水粘度相似、動力學(xué)相似、時間相似、飽和度分布相似及位勢分布相似；提供上述相似準(zhǔn)則的實現(xiàn)途徑，并根據(jù)上述相似準(zhǔn)則設(shè)計物理模型；制作物理模型；本發(fā)明提供了一套完善的利用物理模擬手段模擬和預(yù)測砂巖油藏油水滲流和注水開發(fā)過程的新型技術(shù)方法。
文檔編號E21B49/00GK101899972SQ20101022247
公開日2010年12月1日 申請日期2010年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月30日
發(fā)明者丁祖鵬, 劉月田, 張勇, 敖坤 申請人:中國石油大學(xué)(北京)