低渗透油藏非线性渗流机理及数值模拟方法研究讲解
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低渗透油藏非线性 渗流机理及数值模拟方法研究
姜瑞忠
中国石油大学（华东）
国际研讨会引言
引言 随着世界石油资源形势的日益严峻，低渗透
油藏开发已成为石油资源产量接替的重要组成部 分。而目前的低渗透油藏开发理论不能有效地指 导实际生产，微观渗流机理以及数值模拟方法的 研究还存在着许多争论及不足之处。
本文以国家重大科技专项之子课题“低渗、 特低渗油气田经济开发关键技术 ”为依托，主 要从非线性渗流机理、非线性渗流描述方法以及 数值模拟方法三个方面进行深入探讨。
中国石油大学（华东）
一、 非线性渗流微观机理探讨
1.3 低渗透油藏渗流规律呈现非线性特征探讨
1.3.1 低渗透多孔介质的渗透率并非常数
由于低渗岩心的孔隙系统基本上是由小孔道 组成的，在油、水流动时，每个孔道都有自己的启 动压力梯度，只有驱动压力梯度大于某孔道的启动 压力梯度时，该孔道中的油、水才开始流动。随着 驱动压力梯度的不断提高，就会有更多的孔道加入 到流动的行列，岩心的渗透性能也随之增强，渗透 率变大。
第一类为一般低渗透油田，油层平均渗透率为(10.1 50) 103 m2 。
平均毛管半径为（1.11—2.47） m 。
第二类为特低渗透油田，油层平均渗透率为 (1.110.0) 103 m2 。
平均毛管半径为（0.37—1.11）m 。
第三类为超低渗透油田，其油层平均渗透率为 (0.11.0) 103 m2。
中国石油大学（华东）
ห้องสมุดไป่ตู้
一、 非线性渗流微观机理探讨
1.2 低渗透油藏启动压力梯度探讨
值得一提的是，对于部分低渗透油藏，因非均质 状况十分严重，渗流孔径跨度较大，这时会出现 实验中也没有观测到启动压力梯度。这是因为虽然 油藏整体评价属于低渗透油藏，但存在着小部分渗 流孔径属于中高渗透油层范畴，一般的实验手段也 没有观测到启动压力梯度。因此实际生产分析时部 分学者没有考虑启动压力梯度也是合理的。但对于 特低渗透油藏忽略启动压力梯度就会产生较大的误 差。
中国石油大学（华东）
目录
第一 部分
低渗透油藏非线性渗流微观机理探讨
第二 部分
低渗透油藏非线性渗流描述方法研究
第三 部分
低渗透油藏非线性渗流数值模拟方法研究
中国石油大学（华东）
一、非线性渗流微观机理探讨
1.1 低渗透油藏渗流特征
1
渗流规律 呈非线性 特征
2
3
4
低渗透油 藏中渗流 存在启动 压力梯度
中国石油大学（华东）
一、 非线性渗流微观机理探讨
1.2 低渗透油藏启动压力梯度探讨
很多学者的研究证明，启动压力梯度与渗透率
呈反比，渗透率越低，启动压力梯度越大。低渗透 油藏孔径很小，原油边界层的影响显著，导致宏观 表现出来的启动压力梯度就很明显。 而对于中高渗透油藏，由于孔道半径比较大， 原油边界层的影响微弱，尤其对于稀油油藏，流体 的屈服应力值很小，导致用一般的实验手段不易测 到启动压力梯度。因此在实际生产分析时就忽略了 启动压力梯度的影响。
笔者经过多年的研究认为，低渗透油藏出现非线性渗 流的主要原因就包括两方面：
1、低渗透多孔介质的渗透率并非常数，而是随驱替 压力梯度变化而变化
2、低渗透油藏渗流存在微尺度流动效应。因低渗透 油藏孔喉特征尺寸细小，处在连续流动区域以及分子效应 区的交界处，虽然连续介质场的假设仍能成立，但由于流 动尺度的微小，许多在宏观流动中被忽略的因素，此时成 为主要的影响因素，吸附边界层的存在更加加剧了微尺度 流动效应，从而导致流动规律不同于中高渗油藏的流动规 律，渗流曲线上存在着启动压力梯度以及非线性段，因此 达西定律不再适用，需进行修正。
低渗透多 孔介质中 流体流动 的横截面 积是可变 的
低渗透多 孔介质的 渗透率并 非常数
中国石油大学（华东）
一、非线性渗流微观机理探讨
1.2 低渗透油藏启动压力梯度探讨
从理论上讲，流体在多孔介质内流动时，均不同程
度地存在有启动压力梯度。这是因为任何流体都存在 一定的屈服应力值，只有驱替压力能够克服这个屈服 应力值时流体才开始流动。而且因流体与多孔介质的 相互作用导致边界层的出现是必然的。边界层的出现 导致流体在渗流孔道中出现一定的分布，越靠近多孔 介质固体界面流体越致密，许多学者对此进行了相应 的研究，并提出了渗流流体的概念。随着驱替压力梯 度的增大，参与流动的流体的份额就越大，动用的边 界层就越大，所应克服的屈服应力值就越大，因此启 动压力梯度也就越大。
中国石油大学（华东）
一、 非线性渗流微观机理探讨
1.3 低渗透油藏渗流规律呈现非线性特征探讨
1.3.2 低渗透油藏存在微尺度流动效应
借助大家公认的毛细管模型来分析低渗透油藏的渗流孔道特征尺 寸。
根据孔隙孔道半径与渗透率之间的关系式： r 0.35 K
可以计算出三类低渗透油田的平均毛管半径如下：
中国石油大学（华东）
一、 非线性渗流微观机理探讨 微尺度效应
1、尺度效应：随着尺度
减小到微米级时， 体积力的作 用下降； 表面力的作用却上升 ， 超过了体积力； 随着尺度 的减小，粘性力相对作用增强 ，惯性力作用变小，越靠近壁 面这种规律越明显。
流变学的结论，因低渗透 油藏特征尺度很小，使得速度 的空间导数较大，无论是原油 还是地层水在渗流时，均会表 现出非牛顿的特性，原油的非 牛顿特性更强一些。
2、表面效应：随着尺
度的减小，渗流通道的表 面积与体积之比大大增加， 流体处在表面上的分子相 对于内部分子所占的比例 增大，这在很大程度上影 响了渗流通道表面处的质 量、动量和能量的传输， 表面力将会起主要作用。 由于面体比的变化使固体 表面的界面效应明显。
中国石油大学（华东）
一、 非线性渗流微观机理探讨
平均毛管半径（0.11—0.37）m 。
中国石油大学（华东）
一、 非线性渗流微观机理探讨
1.3.2 低渗透油藏存在微尺度流动效应
通过上述计算可以看出，低渗透油藏渗流通
道的特征尺寸已进入微米级别，根据中国科学院 陶然、李战华等专家的研究结论，微米级别已属 于微尺度流动。但显然远大于分子的特征尺寸， 因此虽然连续介质场的假设依然成立，但由于流 动尺度的微小，许多在宏观流动中被忽略的或一 些影响较小的因素，此时成为主要的影响因素， 从而导致流动规律不同于宏观的流动规律，渗流 曲线出现非线性段。 也就是说低渗透油藏非线性渗流出现的原因 从某种程度上说要归因于微尺度流动效应。
姜瑞忠
中国石油大学（华东）
国际研讨会引言
引言 随着世界石油资源形势的日益严峻，低渗透
油藏开发已成为石油资源产量接替的重要组成部 分。而目前的低渗透油藏开发理论不能有效地指 导实际生产，微观渗流机理以及数值模拟方法的 研究还存在着许多争论及不足之处。
本文以国家重大科技专项之子课题“低渗、 特低渗油气田经济开发关键技术 ”为依托，主 要从非线性渗流机理、非线性渗流描述方法以及 数值模拟方法三个方面进行深入探讨。
中国石油大学（华东）
一、 非线性渗流微观机理探讨
1.3 低渗透油藏渗流规律呈现非线性特征探讨
1.3.1 低渗透多孔介质的渗透率并非常数
由于低渗岩心的孔隙系统基本上是由小孔道 组成的，在油、水流动时，每个孔道都有自己的启 动压力梯度，只有驱动压力梯度大于某孔道的启动 压力梯度时，该孔道中的油、水才开始流动。随着 驱动压力梯度的不断提高，就会有更多的孔道加入 到流动的行列，岩心的渗透性能也随之增强，渗透 率变大。
第一类为一般低渗透油田，油层平均渗透率为(10.1 50) 103 m2 。
平均毛管半径为（1.11—2.47） m 。
第二类为特低渗透油田，油层平均渗透率为 (1.110.0) 103 m2 。
平均毛管半径为（0.37—1.11）m 。
第三类为超低渗透油田，其油层平均渗透率为 (0.11.0) 103 m2。
中国石油大学（华东）
ห้องสมุดไป่ตู้
一、 非线性渗流微观机理探讨
1.2 低渗透油藏启动压力梯度探讨
值得一提的是，对于部分低渗透油藏，因非均质 状况十分严重，渗流孔径跨度较大，这时会出现 实验中也没有观测到启动压力梯度。这是因为虽然 油藏整体评价属于低渗透油藏，但存在着小部分渗 流孔径属于中高渗透油层范畴，一般的实验手段也 没有观测到启动压力梯度。因此实际生产分析时部 分学者没有考虑启动压力梯度也是合理的。但对于 特低渗透油藏忽略启动压力梯度就会产生较大的误 差。
中国石油大学（华东）
目录
第一 部分
低渗透油藏非线性渗流微观机理探讨
第二 部分
低渗透油藏非线性渗流描述方法研究
第三 部分
低渗透油藏非线性渗流数值模拟方法研究
中国石油大学（华东）
一、非线性渗流微观机理探讨
1.1 低渗透油藏渗流特征
1
渗流规律 呈非线性 特征
2
3
4
低渗透油 藏中渗流 存在启动 压力梯度
中国石油大学（华东）
一、 非线性渗流微观机理探讨
1.2 低渗透油藏启动压力梯度探讨
很多学者的研究证明，启动压力梯度与渗透率
呈反比，渗透率越低，启动压力梯度越大。低渗透 油藏孔径很小，原油边界层的影响显著，导致宏观 表现出来的启动压力梯度就很明显。 而对于中高渗透油藏，由于孔道半径比较大， 原油边界层的影响微弱，尤其对于稀油油藏，流体 的屈服应力值很小，导致用一般的实验手段不易测 到启动压力梯度。因此在实际生产分析时就忽略了 启动压力梯度的影响。
笔者经过多年的研究认为，低渗透油藏出现非线性渗 流的主要原因就包括两方面：
1、低渗透多孔介质的渗透率并非常数，而是随驱替 压力梯度变化而变化
2、低渗透油藏渗流存在微尺度流动效应。因低渗透 油藏孔喉特征尺寸细小，处在连续流动区域以及分子效应 区的交界处，虽然连续介质场的假设仍能成立，但由于流 动尺度的微小，许多在宏观流动中被忽略的因素，此时成 为主要的影响因素，吸附边界层的存在更加加剧了微尺度 流动效应，从而导致流动规律不同于中高渗油藏的流动规 律，渗流曲线上存在着启动压力梯度以及非线性段，因此 达西定律不再适用，需进行修正。
低渗透多 孔介质中 流体流动 的横截面 积是可变 的
低渗透多 孔介质的 渗透率并 非常数
中国石油大学（华东）
一、非线性渗流微观机理探讨
1.2 低渗透油藏启动压力梯度探讨
从理论上讲，流体在多孔介质内流动时，均不同程
度地存在有启动压力梯度。这是因为任何流体都存在 一定的屈服应力值，只有驱替压力能够克服这个屈服 应力值时流体才开始流动。而且因流体与多孔介质的 相互作用导致边界层的出现是必然的。边界层的出现 导致流体在渗流孔道中出现一定的分布，越靠近多孔 介质固体界面流体越致密，许多学者对此进行了相应 的研究，并提出了渗流流体的概念。随着驱替压力梯 度的增大，参与流动的流体的份额就越大，动用的边 界层就越大，所应克服的屈服应力值就越大，因此启 动压力梯度也就越大。
中国石油大学（华东）
一、 非线性渗流微观机理探讨
1.3 低渗透油藏渗流规律呈现非线性特征探讨
1.3.2 低渗透油藏存在微尺度流动效应
借助大家公认的毛细管模型来分析低渗透油藏的渗流孔道特征尺 寸。
根据孔隙孔道半径与渗透率之间的关系式： r 0.35 K
可以计算出三类低渗透油田的平均毛管半径如下：
中国石油大学（华东）
一、 非线性渗流微观机理探讨 微尺度效应
1、尺度效应：随着尺度
减小到微米级时， 体积力的作 用下降； 表面力的作用却上升 ， 超过了体积力； 随着尺度 的减小，粘性力相对作用增强 ，惯性力作用变小，越靠近壁 面这种规律越明显。
流变学的结论，因低渗透 油藏特征尺度很小，使得速度 的空间导数较大，无论是原油 还是地层水在渗流时，均会表 现出非牛顿的特性，原油的非 牛顿特性更强一些。
2、表面效应：随着尺
度的减小，渗流通道的表 面积与体积之比大大增加， 流体处在表面上的分子相 对于内部分子所占的比例 增大，这在很大程度上影 响了渗流通道表面处的质 量、动量和能量的传输， 表面力将会起主要作用。 由于面体比的变化使固体 表面的界面效应明显。
中国石油大学（华东）
一、 非线性渗流微观机理探讨
平均毛管半径（0.11—0.37）m 。
中国石油大学（华东）
一、 非线性渗流微观机理探讨
1.3.2 低渗透油藏存在微尺度流动效应
通过上述计算可以看出，低渗透油藏渗流通
道的特征尺寸已进入微米级别，根据中国科学院 陶然、李战华等专家的研究结论，微米级别已属 于微尺度流动。但显然远大于分子的特征尺寸， 因此虽然连续介质场的假设依然成立，但由于流 动尺度的微小，许多在宏观流动中被忽略的或一 些影响较小的因素，此时成为主要的影响因素， 从而导致流动规律不同于宏观的流动规律，渗流 曲线出现非线性段。 也就是说低渗透油藏非线性渗流出现的原因 从某种程度上说要归因于微尺度流动效应。