低渗透油层非达西渗流规律的研究
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姚约东，葛家理
（石油大学石油工程系， 北京 "1!!11 ）
摘
要：运用无因次分析法对岩心渗流实验数据进行了分析和研究， 按雷诺数由小到大依次分为三段： 超低速区、 低
速区及达西流区， 并给出各段的数学表达式。 综合应用边界层等理论给出这些特殊渗流现象的物理和力学解释。 最后 分析出不同渗流运动形态对油田开发过程的影响。其研究的结果对于油田的开发具有一定指导意义。 主题词：低渗透油气藏；启动压力；压力；梯度；非达西流 中图法分类号：23#"! 文献标识码： 4
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上式表明， 当雷诺数大于亚临界雷诺数时， 流体 流动为达西流。
从上面的分析可知： 影响启动压力梯度大小的物 理量有： 渗透率、 流体粘度及密度、 多孔介质的特征尺 度。根据因次分析2)5可得
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通过对油气 （藏） 含油气层中大量岩心实验数据
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即斜率为-! 的直线区域， 其表达式为
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低速区 在斜率逐渐增大的过渡段， 随着 $678$ 9$678$ " 的
* 基本渗流形态的物理和力学上的解释
对于大多数液体 （石油、 地层水） 来说， 当它们不 与孔隙介质接触时， 并不显示异常性质， 而当低速渗流 时，由于和孔隙介质相互作用可以形成非牛顿系统， 影响了流体在孔隙介质中的运动， 表现出异常现象21345。 边界层理论告诉我们： 由于固体与液体的界面作 用，在油层岩石孔隙的内表面存在一个原油的不动 层， 其中的原油属边界流体。在边界层内的原油存在 组分的有序变化， 结构粘度特征及屈服值等。原油在 组成和性质方面， 有别于体相原油 （运动流体） 。并且 不动层的厚度， 除了与原油本身的性质有关外， 还与 万方数据
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收稿日期： "666-"!-!! 作者简介：姚约东 ， 男，现为石油大学 （北京）在读博士生，油藏工程。 万方数据 （"65!-）
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很显然， 以上方程表现为非线性， 并且与相邻两
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达西流动区 在斜率为 &" 的直线， 达到一定的雷诺数， 不动层
为固化层， 进入线性达西流动阶段。即当渗流速度增 ， 渗流速度与压力梯度 大到亚临界速度以后 （& /0& /’） 成线性关系， 阻力为粘滞阻力。 综合以上分析， 低渗油藏的渗流规律为
即随着雷诺数的增大， 流体不动层的厚度逐渐减 小， 直至最后为固化层， 这样在低速流动时， 其流动截 面大小随压力梯度而发生变化， 表现为非线性渗流。
1 不同渗流形态对油田开发的影响
从以上分析可知，低渗油层渗流特征如图 ! 所 示， 亚临界流速与流体粘度和储集层渗透率有关。渗 透率相同时， 粘度 越 大 ， 亚临界流速越大； 当粘度相 同时， 渗透率越小 ， 亚临界 流 速 越 大 ； 在低于亚临界 流速时， 其速度远小于同样条件下的达西流。 因此， 开 发低渗油田时， 应减小非达西渗流区域， 以提高产能。
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彻底解决这个问题， 仍存在很多的争论。其主要原因 是缺乏一套描述微观渗流规律的统一模型。 本文在分析、 研究大量低渗岩心实验数据的基础 上， 确定出各种渗流形态的范围， 肯定了启动压力梯 度及低速非达西渗流的存在， 建立起统一的基本渗流 规律表达式，为油田的合理开发提供了理论依据， 并 对不同的流动形态模式进行了物理和力学上的解释。 最后分析出不同运动形态渗流规律对低渗油田开发 的影响， 给出了合理开发低渗油田的建议。
第!" 卷 第 第# 期 !"卷 #期 第 !111 年 ; 月
新 疆 石 油 地 质 姚约东等： 低渗透油层非达西渗流规律的研究
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文章编号： （!111 ） "11"-#/5# 1#-1!"#-1#
低渗透油层非达西渗流规律的研究
图 " 阻力系数 $ —雷诺数 ! * 关系曲线
从图 " 可以看出， 曲线大体上可分成三段： 首先 是当速度非常小时 （趋于静止不动） 为斜率为 -! 的直 线； 然后是一段曲线， 曲线的斜率逐渐增大； 随着雷诺 数的进一步增大， 达到亚临界雷诺数， 变为斜率为 -" 的直线。 在这里，我们称斜率为 -! 的直线段区域为超低 速区， 外界动力不足以驱动液体使之流动， 流体基本 处于静止状态； 然后是低速区； 最后是达西流区。 达西 流动开始所对应的雷诺数称为亚临界雷诺数， 其值为
逐渐增大， 产生可动流体的份额增大， 使得可动流体 的横截面积增大， 多孔介质允许流体通过的能力逐渐 增大。由 .% !（$678$ ） 的关系曲线可知 215， 在外界压力 梯度较小 的 范 围 内 ， （$678$ ） . %’) #$ ./: 当 压 力 梯 度 增 加到一定值后， 边界层为固化层， 其厚度保持最小值 不变， 而我们研究的渗流曲线与之对应， 达西流对应 的不动层为固化层， 中间为过渡段， 而超低速对应的 流体全部为不动层。即： 当 $678$ ! 8$ " 时， ， .%.（不动层） "
与达西定律相差甚远而造成的， 因此必须发展基本渗 流理论以揭示这类油气田流体渗流的特殊运动形态 和基本规律。 长期以来， 研究地下油气渗流均以达西定律作指 导的 “简单的线性系统” 作为研究基础， 发展到后期， 紊流的出现， 将非线性引入渗流领域， 最近， 在研究低 速渗流中提出起始压力梯度和气体滑脱效应等， 进而 提出低速非线性渗流
当前 $ 我国油气田 （藏） 开发工业已进入了一个新 的阶段— — —复杂油气田 （藏） 开发阶段 $ 即裂隙、 稠油、 低渗等特殊油气田 （藏） 的开发 %"&。油气田 （藏） 开发难 度的增大主要是由特殊地质环境下的流体渗流规律
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斜率为 -! 的直线 过渡段曲线 线性渗流区
8
参考文献
油工业出版社， "99:.
［" ］ 葛家理 . 复杂渗流系统的非线性流体力学 ［4 ］ 石 . 北京： ［! ］ 冯文光 . 非达西低速渗流的研究现状与进展 ［; ］ . 石油勘 探与开发， （1 ） ： "9:8 ， "# <8=:%. ［# ］ 阎庆来， 何秋轩， 尉立岗， 等 . 低渗透油层中单相液体渗流 特征的实验研究 ［; ］ （! ） . 西安石油学院学报， "99% ， 2 . ［1 ］ >?+*(/’ @. A/BC/D EF >?+*+GH/*C’HCG’ EF IED 5/*-/+JC(CHK ［; ］ ， （2 ） ： LL5MN "9:9N <# 8"#=8!9. ［2 ］ 葛家理. 油气层渗流力学 ［4］ ， 北京： 石油工业出版社， "9:!. ［8 ］ 马尔哈辛 . 油层物理化学机理 （李殿文译） ［4 ］ ， 北京： 石 油工业出版社， "9:<. ［< ］ 黄延章 . 低渗透油层渗流机理 ［4 ］ 石油工业出版 . 北京： 社， "99:.
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姚约东等： 低渗透油层非达西渗流规律的研究
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这样， 随着不动层厚度的变化， 可动流体截面大 小发生变化， 表现为
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对于给定的产量而言，地层参数与流体性质一定， 则 亚临界流速对应的临界半径一定， 若加密井网， 可以 减小非线性渗流区域， 甚至可使整个渗流区域都变为
（石油大学石油工程系， 北京 "1!!11 ）
摘
要：运用无因次分析法对岩心渗流实验数据进行了分析和研究， 按雷诺数由小到大依次分为三段： 超低速区、 低
速区及达西流区， 并给出各段的数学表达式。 综合应用边界层等理论给出这些特殊渗流现象的物理和力学解释。 最后 分析出不同渗流运动形态对油田开发过程的影响。其研究的结果对于油田的开发具有一定指导意义。 主题词：低渗透油气藏；启动压力；压力；梯度；非达西流 中图法分类号：23#"! 文献标识码： 4
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上式表明， 当雷诺数大于亚临界雷诺数时， 流体 流动为达西流。
从上面的分析可知： 影响启动压力梯度大小的物 理量有： 渗透率、 流体粘度及密度、 多孔介质的特征尺 度。根据因次分析2)5可得
即渗流特征表现为非线性关系。
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通过对油气 （藏） 含油气层中大量岩心实验数据
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* 基本渗流形态的物理和力学上的解释
对于大多数液体 （石油、 地层水） 来说， 当它们不 与孔隙介质接触时， 并不显示异常性质， 而当低速渗流 时，由于和孔隙介质相互作用可以形成非牛顿系统， 影响了流体在孔隙介质中的运动， 表现出异常现象21345。 边界层理论告诉我们： 由于固体与液体的界面作 用，在油层岩石孔隙的内表面存在一个原油的不动 层， 其中的原油属边界流体。在边界层内的原油存在 组分的有序变化， 结构粘度特征及屈服值等。原油在 组成和性质方面， 有别于体相原油 （运动流体） 。并且 不动层的厚度， 除了与原油本身的性质有关外， 还与 万方数据
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孔道大小、 驱动压力梯度有关245。 这样， 在多孔介质内， 由于边界不动原油层的存 在，实际上可供流动的横截面积小于孔道的横截面 积。其次， 流体通过多孔介质的横截面积与压力梯度 有关， 当压力梯度变化时， 运动流体占的份额发生变 化。因此流动流体体积是压力梯度的函数。 因此， 研究低速渗流规律时， 其物理过程可描述 为： 在压力梯度较小时， 因固体表面分子的表面作用 力俘留的束缚水形成不动层， 并且不动层的厚度随着 压力梯度的增加而减小，即体相流体横截面积增大。
很显然， 以上方程表现为非线性， 并且与相邻两
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1 不同渗流形态对油田开发的影响
从以上分析可知，低渗油层渗流特征如图 ! 所 示， 亚临界流速与流体粘度和储集层渗透率有关。渗 透率相同时， 粘度 越 大 ， 亚临界流速越大； 当粘度相 同时， 渗透率越小 ， 亚临界 流 速 越 大 ； 在低于亚临界 流速时， 其速度远小于同样条件下的达西流。 因此， 开 发低渗油田时， 应减小非达西渗流区域， 以提高产能。
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低渗透油层非达西渗流规律的研究
图 " 阻力系数 $ —雷诺数 ! * 关系曲线
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斜率为 -! 的直线 过渡段曲线 线性渗流区
8
参考文献
油工业出版社， "99:.
［" ］ 葛家理 . 复杂渗流系统的非线性流体力学 ［4 ］ 石 . 北京： ［! ］ 冯文光 . 非达西低速渗流的研究现状与进展 ［; ］ . 石油勘 探与开发， （1 ） ： "9:8 ， "# <8=:%. ［# ］ 阎庆来， 何秋轩， 尉立岗， 等 . 低渗透油层中单相液体渗流 特征的实验研究 ［; ］ （! ） . 西安石油学院学报， "99% ， 2 . ［1 ］ >?+*(/’ @. A/BC/D EF >?+*+GH/*C’HCG’ EF IED 5/*-/+JC(CHK ［; ］ ， （2 ） ： LL5MN "9:9N <# 8"#=8!9. ［2 ］ 葛家理. 油气层渗流力学 ［4］ ， 北京： 石油工业出版社， "9:!. ［8 ］ 马尔哈辛 . 油层物理化学机理 （李殿文译） ［4 ］ ， 北京： 石 油工业出版社， "9:<. ［< ］ 黄延章 . 低渗透油层渗流机理 ［4 ］ 石油工业出版 . 北京： 社， "99:.
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低速过渡区 即斜率逐渐增大的曲线段， 其方程可写为 （)-*-! ） ， #$ ! %#$" )’*#$# (， （* ）
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姚约东等： 低渗透油层非达西渗流规律的研究
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这样， 随着不动层厚度的变化， 可动流体截面大 小发生变化， 表现为
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对于给定的产量而言，地层参数与流体性质一定， 则 亚临界流速对应的临界半径一定， 若加密井网， 可以 减小非线性渗流区域， 甚至可使整个渗流区域都变为