稠油开采过程温度与地层渗透率作用关系研究

打开文本图片集

摘 要： 稠油开采过程中，地层温度的剧烈变化会改变地层骨架结构，使得地层渗透率重新分布，影响原油的渗流。反过来，地层渗透率的改变也将影响原油的渗流，从而改变温度场的分布。以三场耦合机理为基础，通过数学模型的建立及物理模拟实验研究温度对渗透率的影响，准确研究稠油开采时地下温度和地层渗透率的相互作用关系。结果表明：渗透率越高，温度场传播越快；相同条件下地层整体温度也越高。研究成果对于有效开发稠油油藏具有指导意义。

关 键 词：稠油油藏；温度；渗透率；有效应力

中图分类号：TE 357 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2016）02-0390-03

Research on Interaction Relationship Between Temperature and

Formation Permeability in Heavy Oil Recovery Process

ZHOU Zhi-jun1，TIAN Yang-yang1，ZHANG Xiao-yan2，LIU Lu-yao3，ZHANG Wei1

（1. Northeast Petroleum University， Heilongjiang Daqing 163000，China；

2. Daqing Oil Field company No.2 Oil Production Plant Fourth Operation Area， Heilongjiang Daqing 163000，China；

3. Xinjiang Oilfield Company Fengcheng Oilfield Operation Area， Xinjiang Karamay 834000，China）

Abstract： In the heavy oil recovery process， the dramatic changes in the formation temperature will change the formation skeleton structure， making formation permeability redistribution to affect seepage of crude oil. In turn， the change of the formation permeability will also affect seepage of crude oil， thereby changing the distribution of the temperature field. Based on the coupling mechanism， through establishment of mathematical model and physical simulation， effect of temperature on the permeability was studied as well as interaction relationship between ground temperature and formation permeability in heavy oil recovery process. The results show that： the higher the permeability， the faster the temperature field propagation， the higher as the overall temperature of the strata under the same conditions.

Key words： Heavy oil reservoir；Temperature；Permeability；Effective stress

在常规油藏开采过程中，由于温度变化并不是很剧烈，往往忽略掉了地层温度变化和地层渗透率之间的相互作用，对于稠油开采来说，这种忽略会导致研究结果的不准确甚至错误。

近年来，有部分学者研究了温度对地层渗透率的影响，并取得了一些成果。贺玉龙[1，2]等研究了温度和有效应力对砂岩渗透率的影响机理，通过不同温度水平下的渗透率实验发现砂岩渗透率随温度增大减小的规律；曾平[3]等全面评价了温度、有效应力和含水饱和度变化对砂岩渗透率的影响，实验测定了在不同条件下低渗透砂岩渗透率的变化规律。根据实验结果定性地分析了温度、有效应力和含水饱和度对低渗透砂岩渗透率的影响以及三者之间的相互作用关系。刘向君[4]等研究了低孔、高孔两组低渗透砂岩岩心渗透率在温度压力共同作用下的变化特征，两组低渗透砂岩的渗透率都表现出了较强的压力、温度敏感性，随温度、围压升高，渗透率都减小。还有一些学者对温度影响地层渗透率的现象进行了研究[5-9]，各学者得到了比较一致的结论，但是很少有人研究渗透率对于温度场分布的影响。凌露露等研究了地热开采过程中渗透率对温度场的影响，其研究成果和方法值得借鉴。本文意在研究稠油油藏温度与地层渗透率的相互作用关系，先通过物理实验观察有效应力作用下温度对岩石渗透率的影响，验证相关学者的研究成果；然后通过建立数值模型，模拟渗透率对温度场的影响，观察不同渗透率水平下温度场的分布规律。

1 地层渗透率对温度场分布的影响

1.1 模型建立

先采用ADINA的CFD模块建立流体模型；然后，采用ADINA的Structures模块建立结构模型；最后采用FSI流固耦合求解器进行求解运算。因为涉及到温度场，所以建立流体模型的时候应当考虑热交换；地层为多孔介质，因此建立流体模型和结构模型都应当选中Includes Porous Coupling选项，同时两个模型都应当设置相同的初始温度条件。

取注入井邻井地带为模拟对象，以流体模型为例，整个模拟地层分为三段，上、下两段为盖层和底层，中间为油层，左端为注入端。图1为所建立的流体模型。

比较可以发现，相同流体注入温度条件下，地层渗透率越大，温度场传播越快。地层渗透率为1×10-3μm2时，温度场的变化只波及到近似一半的研究区域，而地层渗透率增大为10×10-3μm2时，温度场的变化几乎波及整个研究区域，差异非常明显。每幅图中，盖层和底层的温度场传播要比中间油层的慢，可以看见很明显的分界。

为了更加直观的观察温度场随空间的分布状况，选择垂直于z方向、位于模型中部的一条直线路径进行分析研究。从ADINA的Post-Processing后处理模块输出直线上所有节点温度在最后一个时间步的数值，然后用Excel软件绘图，得到图5所示的不同渗透率下温度场的空间分布曲线图。

可以看出，离注入端越远，地层温度越低，越接近原始地层温度；离注入端越近，地层温度越高，越接近注入温度。地层渗透率越高，地层整体温度也越高，这是因为渗透率高的地层，注入流体侵入比较容易。

2 温度对地层渗透率的影响

2.1 岩样制备

试料采用钻井取心所得的岩心，在取料和试样制备过程中，应当特别注意，不允许人为裂隙出现。实验采用圆柱体作为标准试样，直径为40 mm，允许变化范围为38～42 mm，高度为50 mm，允许变化范围为48～52 mm。试样必须满足：在试样整个高度上，直径误差不得超过0.3 mm；两端面的不平行度，最大不超过0.05 mm；端面应垂直于试样轴线，最大偏差不超过0.25。测定试样的密度分布在2.50～2.60 g/cm3之间，平均2.55 g/cm3；含水率约为19.3%。

2.2 实验设计

实验使用岩心流动实验仪，以达西定律为原理进行实验测量。实验依据热水驱和蒸汽驱的温度范围总共分5个温度段：22（常温）、60、90、120、150 ℃，有效应力范围总共分为5段：10、20、30、40、50 MPa。分别测量并计算各温度和有效应力下试样的渗透率。

实验时先加热恒温箱至预定的实验温度，然后缓慢施加围压到预定压力，送液使之通过岩心，记录该围压水平下的岩心稳定渗流量，然后调节围压至下一水平进行测试，如此重复实验完成所有预定围压下的实验。升高温度至下一水平，直至完成所有实验。

实验完成后，根据记录的围压和孔隙水压力计算有效应力，由达西定律计算渗透率：

式中：L — 试样的高度；

A — 试样的截面积。

2.3 实验结果

图6为不同温度水平下的渗透率—有效应力关系曲线。从图6中可以看出，当温度水平一定时，试样的渗透率随着有效应力的增大而减小，初期递减率较大，后期趋于平缓。之所以会出现这种变化

趋势是因为岩石试样被压缩，并且初期试样压缩系数较大，到后期试样压缩系数逐渐变小。

从图7中可以看出，当有效应力水平保持一定时，随着温度的升高，岩石试样的渗透率是逐渐减小的，这是因为温度升高使得岩石骨架颗粒受热膨胀，渗流空间被压缩。另外，温度升高后岩样中粘土矿物的扩散、微粒的运移也可能引起岩石渗透率的降低。

3 结 论

当有效应力水平保持一定时，随着温度的升高，岩石试样的渗透率是逐渐减小的；当温度保持一定时，随着有效应力的增大，岩石试样的渗透率是逐渐减小的，并且初期递减率较大，后期趋于平缓。对于稠油而言渗透率对于地层温度的影响表现为地层渗透率越高，地层整体温度也越高。

参考文献：

[1]贺玉龙，杨立中.温度和有效应力对砂岩渗透率的影响机理研究[J].岩石力学与工程学报，2005，24（14）：2420-2427.

[2]贺玉龙.三场耦合作用相关实验及耦合强度量化研究[D].成都：西南交通大学，2003.

[3]曾平，赵金洲，李治平，等.温度、有效应力和含水饱和度对低渗透砂岩渗透率影响的实验研究[J].天然气地球科学，2005，16（1）：31-34.

[4]刘向君，高涵，梁利喜.温度围压对低渗透砂岩孔隙度和渗透率的影响研究[J].岩石力学与工程学报，2011，30（2）：3771-3778.

[5]杨建平，陈卫忠，田洪铭，等.应力-温度对低渗透介质渗透率影响研究[J].岩土力学，2009，30（12）：3587-3594.

[6]刘均荣，秦积舜，吴晓东.温度对岩石渗透率影响的实验研究[J].石油大学学报（自然科学版），2001，25（4）：51-53.

[7]梁冰，高红梅，兰永伟.岩石渗透率与温度关系的理论分析和试验研究[J].岩石力学与工程学报，2005，24（12）：2009-2012.

[8]Nasvi M C M，Ranjith P G，Sanjayan J.Effect of temperature on permeability of geopolymer： primary well sealant for carbon capture and storage wells[J].Fuel，2014，117：354-363.

[9]D Yang，D Elsworth. Experiments On Permeability Evolution With Temperature of Oil Shale[J].American Rock Mechanics Association，2012，97：132-137.

推荐访问:地层 开采 渗透 温度 作用