低渗透应力敏感油藏实验及数值模拟研究

论文摘要

低渗透油藏普遍存在应力敏感现象，当前储层应力敏感性实验一般参照行业标准进行，这种实验过程与地下真实储层应力变化过程不一致。本文改进实验方法，研究了储层岩石在流体压力变化的情况下的应力敏感性。大量的研究证实Terzaghi有效应力应用在低渗透储层时可能存在误差，本次研究引入双重有效应力理论进行储层应力敏感及流固耦合数值模拟研究。 本文首先对多孔介质变形机理进行了分析，回顾了有效应力的发展历程，引入了双重有效应力理论。针对多孔介质特殊的孔隙结构特征，建立了一个新的简化孔隙力学模型，并由该模型导出了渗透率与有效应力的二次多项式关系。 对大量岩心进行了应力敏感性实验研究，一部分实验参照行业标准进行，一部分实验则采用变流体压力的方式进行。与常规应力敏感实验相比，变流体压力条件下的实验更能反映地下储层真实应力变化情况，并且可以消除有效应力系数的不同所造成的评价指标的差异，该实验还为数值模拟中的动态参数模型提供了可靠的基本数据。从油藏实际应力条件出发，提出了储层应力敏感性的油气藏评价方法。通过对实验数据的拟合分析，认为用二次多项关系式来描述有效应力与渗透率之间的关系是合适的。储层应力敏感存在滞后效应，这是储层岩石塑性变形对孔渗造成了永久性损害的原因，文中提出储层渗透率永久性伤害的概念，并给出其计算公式。 低渗透储层存在较为显著的流固耦合现象，本文在前人研究的基础上，利用有效应力方程，推导了岩石骨架的变形场方程和流体的渗流微分方程，不同的有效应力方程在数学模型中体现在有效应力系数的不同。对岩石骨架变形场方程采用有限元方法进行数值求解，对渗流微分方程采用有限差分方法求数值解，并用显式耦合的方法对整体流固耦合方程进行求解。 耦合模型中的动态参数模型一般采用理论推导的方程，但是影响地下储层岩石变形的因素较多，理论参数模型不能完全考虑到所有的因素。因此本次数值模拟以实验数据为基础，利用回归方程作为模拟的动态参数模型，不仅能体现该特定地区储层孔渗的变化规律，更节约了计算时间。 对应力敏感油藏的压实模拟方法忽略了地层应力在孔隙流体压力变化过程的变化，因此夸大了地层的应力敏感性。本文对此做出改进，考虑地层附加应力，对流体压力与孔隙度渗透率的关系进行修正，从而使得模拟更加符合实际情况。 最后，分别采用不同的流固耦合模型和常规应力敏感模型进行了实例计算。结果表明，不同耦合模型的计算结果差别不大，而采用修正后的流体压力～孔渗关系的常规应力敏感模型的模拟结果与耦合模型的结果也只有很少的差别。总的

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出及研究意义
• 1.2 多孔介质储层应力敏感性研究现状
• 1.2.1 多孔介质储层应力敏感性影响因素
• 1.2.2 孔渗与有效应力的关系
• 1.2.3 应力敏感性的滞后效应
• 1.3 有效应力研究现状
• 1.4 流固耦合的研究现状
• 1.4.1 流固耦合研究的早期阶段
• 1.4.2 以线弹性变形为基础的耦合模型研究阶段
• 1.4.3 考虑非线弹性变形和塑性变形下的流固耦合研究阶段
• 1.4.4 综合考虑渗流、应力和温度场的流固耦合理论研究阶段
• 1.5 主要研究内容及技术路线
• 1.6 本文主要工作和研究成果
• 2 多孔介质储层的变形理论
• 2.1 多孔介质的孔隙及孔隙结构
• 2.2 多孔介质的变形类型及变形机理
• 2.3 多孔介质变形的影响因素
• 2.3.1 内在因素
• 2.3.2 外在因素
• 2.4 多孔介质有效应力理论
• 2.4.1 Terzaghi有效应力
• 2.4.2 其它形式的有效应力
• 2.4.3 多孔介质的双重有效应力原理
• 2.5 低渗透多孔介质简化孔隙模型
• 2.6 本章小结
• 3 低渗透储层应力敏感实验研究
• 3.1 储层应力敏感性及影响因素
• 3.2 低渗透储层常规应力敏感性实验
• 3.2.1 实验方法及结果
• 3.2.2 孔渗随净覆压变化关系
• 3.2.3 储层应力敏感性评价
• 3.2.4 渗透率应力敏感滞后效应
• 3.3 改变流体压力的应力敏感性实验研究
• 3.3.1 实验方法及流程
• 3.3.2 实验结果及分析
• 3.4 本章小结
• 4 流固耦合模型的建立及数值求解方法
• 4.1 多孔介质岩石骨架数学模型
• 4.1.1 多孔介质岩体应力平衡方程
• 4.1.2 多孔介质岩体的连续性方程
• 4.1.3 多孔介质岩体本构方程
• 4.1.4 弹性油藏变形场方程
• 4.2 流体渗流数学模型
• 4.2.1 流固耦合的流体运动方程
• 4.2.2 渗流微分方程的建立
• 4.2.3 辅助方程
• 4.3 数学模型的定解条件
• 4.3.1 多孔介质岩体变形场定解条件
• 4.3.2 流体渗流场定解条件
• 4.4 应力敏感油藏渗流物性参数动态模型
• 4.4.1 孔隙度动态模型
• 4.4.2 渗透率动态模型
• 4.5 耦合流体渗流方程的有限差分方程
• 4.6 岩石耦合变形方程的有限元模型
• 4.6.1 八结点等参元法
• 4.6.2 高斯数值积分方法
• 4.6.3 位移函数
• 4.6.4 整体平衡方程的建立
• 4.6.5 载荷的等效结点力计算
• 4.6.6 整体平衡方程的求解
• 4.7 流固耦合数学模型迭代求解过程
• 4.8 本章小结
• 5 应力敏感油藏数值模拟实例研究
• 5.1 经验动态参数模型
• 5.2 在常规模拟器中模拟应力敏感油藏
• 5.3 单井衰竭式开采数值模拟实例
• 5.3.1 数据准备
• 5.3.2 数值模拟对比研究
• 5.4 注水开采数值模拟研究实例
• 5.5 本章小结
• 6 结论及建议
• 6.1 结论及认识
• 6.2 建议
• 致谢
• 参考文献
• 博士期间发表论文
• 答辩委员会