專利名稱：砂巖油藏注水開發(fā)可預測物理模型建立方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種油氣田開發(fā)領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)象有關的研究領域。
背景技術：
油氣田開發(fā)領域中，人們一直在嘗試利用物理實驗方法對油藏滲流和開發(fā)過程進 行模擬和預測，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 究預測開發(fā)方案的實施效果，指導開發(fā)實踐。但是，此前尚未發(fā)現(xiàn)成功的油藏可預測物理模 擬研究報道。油藏可預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關系。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，還必須從流體力學的理論出發(fā)，根據(jù)相似原理，提出相似準數(shù)，實現(xiàn) 流體力學相似，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)可預測物理模型建立方法。本發(fā)明的技術解決方案是—種砂巖油藏注水開發(fā)可預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，建立油藏水驅開發(fā)模擬的相似準則，所 述相似準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、動力學相 似以及時間相似；(b)根據(jù)上述相似準則設計物理模型，并確定上述相似準則的實現(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測砂巖油藏的滲流和開 發(fā)過程的新型技術方法，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)過程的可預測物理模擬相似準則，奠定了 該類油藏物理模擬的理論基礎。該相似準則包含16項相似準數(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)明利用小巖塊預制井筒技術，解決了在物理 模型內(nèi)部任意位置和任意方向設置井筒及測試管線這一長期存在的技術難題。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格相等。(3)在設計井筒穿過的小巖塊上鉆孔，形成預設的井眼。(4)對需要預設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)全部充滿驅替液，形成底部注、頂部采的循環(huán)流動，關閉所有通道。然后 向模型頂部飽和通道注入被驅替液(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替液，不含驅替液。此時 模型內(nèi)的每個小巖塊都已被液體飽和，且其中的驅替液都是束縛流體，達到模型飽和要求。(5)設計實驗方案，并建立物理模型到實際油藏的對應預測關系。
圖1為不同井徑與壓力的關系示意圖。主要標號說明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，建立油藏水驅開發(fā)模擬的相似準則，所述 相似準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)學模型；(a2)建立相似準則。下面結合現(xiàn)有滲流力學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理論和相似性分析，建立油藏開發(fā)模擬的相似準則，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，本相似準則中包含全面的相似關系，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，研究預測開發(fā)方案的 實施效果，指導開發(fā)實踐。具體地，本發(fā)明的一具體實施例中，該相似性準則包括表1所示的16項相似準數(shù)， 其具體的建立方法可以參照下文所述內(nèi)容。表1水驅砂巖油藏物理模擬相似性準則
權利要求
1.一種砂巖油藏注水開發(fā)可預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，建立油藏水驅開發(fā)模擬的相似準則，所述相似 準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、動力學相似、時間 相似；(b)提供上述相似準則的實現(xiàn)途徑，并根據(jù)相似性準則設計物理模型；(c)制作物理模型。
2.如權利要求1所述的砂巖油藏注水開發(fā)可預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 流問題的相似性準則共包含下面的水驅砂巖油藏物理模擬相似性準則表所包含的16個相 似準數(shù)。水驅砂巖油藏物理模擬相似性準則表
3.如權利要求1所述的砂巖油藏注水開發(fā)可預測物理模型建立方法，其特征在于，所 述步驟(a)中，相似準則的建立包括(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)學模型的建立方法如下 油藏中的油水運動方程 「水相^ = I 油相K=-^V(J)q
4.如權利要求2所述的砂巖油藏注水開發(fā)可預測物理模型建立方法，其特征在于，所 述步驟(b)中相似性準則的實現(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)為了滿足相似準數(shù) π 1 π 5，設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.如權利要求4所述的砂巖油藏注水開發(fā)可預測物理模型建立方法，其特征在于，所 述步驟(b)中相似性準則的實現(xiàn)中還包括(bl2)井徑的幾何相似性π 6 為了滿足相似準數(shù)η 6，設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，即滿足如下關系(rw/Lx) I 模型=(rw/Lx) | 油藏(22)但是，如果直接按照上述要求設計模型井筒，模型內(nèi)的井徑rwSS—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，且相應地把壓差Δρ由Ap1變成Ap2，這里八？1和Ap2分別 是井徑為rwl和rw2時模型中的注采壓差，假設Ap2= Ap1Xa,把常數(shù)a= Ap2M1求出即 可；考慮各種可能的井型、井網(wǎng)，假設三維油藏在垂直于井筒方向的截面積為E，井數(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
6.如權利要求5所述的砂巖油藏注水開發(fā)可預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.如權利要求2所述的砂巖油藏注水開發(fā)可預測物理模型建立方法，其特征在于，所 述步驟(b)中相似性準則的實現(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O ；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O的條件下以壓差Δρ’生產(chǎn)，
8.如權利要求5所述的砂巖油藏注水開發(fā)可預測物理模型建立方法，其特征在于，所 述步驟(b)中相似性準則的實現(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)域應該滿足如下關系
9.如權利要求8所述的砂巖油藏注水開發(fā)可預測物理模型建立方法，其特征在于，所 述步驟(b)中相似性準則的實現(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)相似準則π 12，模擬實驗必須選擇合適的注采壓差Δ ρ，使之滿足(31)式
10.如權利要求9所述的砂巖油藏注水開發(fā)可預測物理模型建立方法，其特征在于，所 述步驟(b)中相似性準則的實現(xiàn)中還包括(bl7)時間相似性(π 13)的實現(xiàn)模型模擬時間與實際油藏開采時間t_必須滿足相似準數(shù)π 13，即應該按如下關 系確定跟實際油藏開采時間對應的模擬時間
11.如權利要求10所述的砂巖油藏注水開發(fā)可預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)指標對應關系全面地計算預測實際油藏的滲流過程和開發(fā)指 標(b21)流場分布動態(tài)變量的對應關系(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
12.如權利要求11所述的砂巖油藏注水開發(fā)可預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rwSS 首先利用 (21)式得到
13.如權利要求12所述的砂巖油藏注水開發(fā)可預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)在設計井筒穿過的小巖塊上鉆孔，形成預設的井眼，井徑取設計值； (cl4)對需要預設各種測試管線及流體飽和通道的小巖塊進行加工處理。
14.如權利要求13所述的砂巖油藏注水開發(fā)可預測物理模型建立方法，其特征在于， 所述步驟(c)中還包括(U)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)全部充滿驅替液，形成底部注、頂部采的循環(huán)流動，關閉所有通道；然后向 物理模型頂部飽和通道注入被驅替液，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替液，不含驅替液，此時物 理模型的每個小巖塊內(nèi)的驅替液都是束縛流體，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，建立油藏水驅開發(fā)模擬的相似準則，所述相似準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；提供上述相似準則的實現(xiàn)途徑，并根據(jù)上述相似準則設計物理模型；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測砂巖油藏油水滲流和注水開發(fā)過程的新型技術方法。
文檔編號E21B49/00GK102061910SQ20101056051
公開日2011年5月18日 申請日期2010年11月25日 優(yōu)先權日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(北京)