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锥台径向流渗流模型的建立和两向渗透率解释技术摘要相对于其它地层动态测试手段,电缆地层测试具有诸多优点,可以提供对油藏管理开发很重要的中等范围的量化的、存在束缚水及考虑地层近井筒地带非均质条件下的油气分布特征尤其是有效渗透率参数,研究和改进描述其测试过程的数学模型对增进对油气藏的动态特性认识是有积极意义的。本文从研究电缆地层测试常用数学模型入手,提出了更适合于双封隔器式电缆地层测试器的“锥台形径向流”数学模型,通过三维渗流网络状态数值演化的方法来模拟地层动态渗流过程,提出了通过以在同一油层两个非对称位置上分别进行的两次测试所获得的压力曲线为控制条件,对测试过程的井底流量进行历史拟合的办法来求取地层水平和垂自渗透率的解释方法,并将该方法应用于实际测井数据和实验室模拟数据的解释,验证了其可行性。关键词:电缆地层测试渗流模型数值模拟双封隔器渗透率第一章绪论1.1立论依据研究目的获取地层渗透率的基本方法有岩心试验、试井和电缆地层测试。电缆地层测试可以提供对油藏管理开发很重要的中等范围的量化的、存在束缚水及考虑地层近井筒地带非均质条件下的油气分布特征。相对于其他方法,电缆地层测试具有测试时间短,成本低,一次下井可获取多层地层参数的优点,其能获取在油藏压力条件下的中等范围有效渗透率参数。然而,笔者在跟随导师进行“套管井地层动态测试器”油田应用研究过程中发现,不同方法对同一油层的渗透率参数做出的解释之间存在较大差异。这一差异一方面是由于测试时间不同,随着油井的生产过程进行,油层渗透性发生变化引起的,或者测试方法不同产生的固有差异造成的,同时,很重要的一方面是,针对这些测试方法的渗透率解释理论所建立的数学模型都是理想化的近似模型,不同实际情况间的差异很难在其中表现出来,而且,解释过程往往是先导出理想模型的某种状态变化过程(比如压力恢复过程),然后将实际测试过程视为这一过程(比如电缆地层测试器抽取地层流体之后的压力恢复过程),其解释方法通常只需提取测试过程中获得的部分参数,这就产生了对测试数据利用不完全的问题。研究对象“套管井地层动态测试器”对渗透率的解释是以通过圆柱状径向流数学模型的压力恢复过程所导出的压力一时间约束关系为依据进行的(见式2-80),这对于油层很薄或者油层和水平渗透率相对垂自向渗透率为很大的情况下该模型是能较好的反映地层实际的,然而不属于这种情况时,误差是显而易见的,于是本文的首要目的就是建立适用于双封隔器式探头抽取地层流体的数学模型来更准确的反映这一过程。对于一个均质的油藏,渗透率在水平和垂自方向上的差异以及油层的形状会使仪器在油层的不同位置测试时获得的压力恢复曲线产生差异,很自然就想到,能不能通过在油层不同位置获得的压力恢复曲线来求出的地层的两向渗透率差异,于是,本文的另外一个目的就是:验证“套管井地层动态测试器”具有通过在油层不同位置进行测试来求取地层的垂直、水平两向渗透率的能力。1.2该领域研究现状1.2.1电缆地层测试器的种类和发展概况电缆地层测试器有多种类型,其对地层渗透率的解释基本上都是通过内置测试室抽取一定量的地层流体,然后记录地层压力的恢复过程的压力-时间曲线,再通过一定的数学模型对压力恢复曲线进行解释得出的。其不同的探头类型决定了解释时使用的数学模型的不同,为了更好的研究其对地层渗透率的解释理论,最好先对电缆地层测试器的种类和发展概况进行回顾。电缆地层测试器(WirelineFormationTester)其相关技术始于20世纪50年代,时至今日,其己经发展日趋成熟,成为了解地层动态的重要手段。电缆地层测试器的功能包括或部分包括:获取地层流体样本(部分型号仪器具备获取PVT取样能力)、流体样本成分实时分析、储层静态压力以及地层压力梯度的测定、储层油气水界面的确定、储层渗透率解释各向异型评价和产能评价等。相对于常规测井资料估计的地层渗透率相对值、通过岩心试验获取的小范围渗透率,电缆地层测试器可以提供对油藏管理开发更重要的中等范围的量化的、存在束缚水及考虑地层近井筒地带非均质条件下的油气分布特征。其能获取在油藏压力条件下的中等范围有效渗透率参数,而多探针电缆地层测试器(探针分布具有一定拓扑结构)还能在油藏条件下测得水,1人和垂直渗透率异性参数,为油藏的管理和开发方案的调整提供依据。最早的一代电缆地层测试器是由斯伦贝谢(Schlumberger)测井公司研制的,其主要设计目的是获取地层流体样本,此后生产的地层测试器((FormationTestTools)增加了测压功能。当它应用于松软地层时,不带聚能射孔弹,应用于硬质地层或者套管井时要带聚能射孔弹。此后的一些产品是地层间隔测试器((FormationIntervalTester),它有两个取样探针,每一个取样探针处设置一发聚能射孔弹。两个探针间距为几十厘米,目的是验证密封的可靠性,同时也为了增加该层段取样和测压结果的代表性。这一代电缆地层测试器的代表性型号还有多节式流体取样器和地层流体取样器等(图1-1,图1-2)。地层流体取样器是德莱赛·阿特拉斯(Atlas)公司的产品。这一代电缆地层测试器在60年代和70年代应用很多,它们的特点是:①一次下井只有一个测点,只能对一个储层进行一次测试。可以取到地层流体样品并测出取样过程中的地层压力变化曲线(包括取样探头推靠前井筒液柱静压,推靠后测试过程中地层流体流动压力,取样完成之后的地层恢复压力)。②仪器通过内置压力信增器将泥浆柱静压转化为仪器内高压来作为仪器液压动力源。③仪器压力传感器采用多圈式弹簧管压力计,通过与弹簧管压力计相连的压敏电阻即电位计将压力转化电压信号来输出,测压精度低,约为0.5%。④地面液压控制的实现是通过地面通电爆炸发爆炸来控制井下液压阀(如推靠阀、取样阀、样品密封阀、倒泄阀、平衡阀)。⑤可以通过对所取地层样品的分析给出样品的气油比、含水率,并计算出地层流体样品API相对密度。仪器所装备的高温温度计等.可以测出取样点地层温度,最后计算出地层流体粘度、地层有效渗透率以及地层产率动态特征。第二代的电缆地层测试器最具代表性的是重复式地层测试器,简称RFT(图1-3),也是由斯伦贝谢公司发明的,它于1971年完成了可行性研究,1973年完成油田试验,在1974年首次批量生产,到1984年初己有500套仪器在世界各地投入商业服务。实践证明该仪器获取以往常规仪器所不能或难以获取的地质信息,如泥浆柱压力、地层静止压力,并能通过压力曲线和流量信息计算出地层渗透率,其能为复杂细小的断块油气藏和具有多套油水/压力系统的低渗透率、低孔隙度油气藏的评价提供重要依据。阿特拉斯测井公司这一时期的同档次仪器是1980年开始批量生产的多次地层测试器((FormationMultiTester),简称FMT(图1-4)为1925系列。1983年该公司对它又做了较大改进,称为F0203M系列。1988年又作了进一步改进,型号是1966MB,每过一两年都会有些改进。性能和质量完全.IJ以与斯伦贝谢公司的相媲美。它的最大特点是取样时.可根据地层特点控制和调整取样管线内的压力(比如对于脆弱地层,其.可以保证取样压差不超过地层垮塌压差或保证取样压差小于原油溶解气饱和压力)。1992年斯伦贝谢公司又推出模块化地层动态测试(MDT一ModularFormationDynamicsTester),如图l一5,可抽排钻井液滤液,带有电阻率识别和光谱分析仪器,取PVT液样和多次取样,有双封隔器模块、有三探测器模块,可根据测井任务需要自山组合。相比其它两代(第一代FT、第二代RFT)电缆地层测试仪,MDT地层测试仪有以下几个方面的优点:(1)采用了高精度的石英压力计,提高了压力测量精度和动态响应的速度;(2)实时测量管线流体电阻率,使用光谱分析仪分析被测流体的类型和性质;(3)可以通过选用不同体积的预测试室和控制电机转速来控制取样时的压差来提高取样成功率;(4)多个具有独立功能的具有标准接口的模块,可以根据任务需要自由组合,搭配灵活。1997年出现的过套管地层测试器CHDT是由美国天然气研究院与斯伦贝谢公司联合研制成功的。如图1-6。与其它应用于套管井的电缆地层测试器的最大不同在于,仪器可以使用柔性软管钻穿套管,水泥环和岩石来测量油层压力并对地层流体进行取样。在取样完成后,其.可以对钻过的孔眼进行封堵,使地层与井眼封隔开,这一独特的密封能力使不必花费大量费用和时间来修复套管和水泥环就能恢复生产成为可能。2002年出现了第一代恶劣环境地层测试器HSFT一1(HostileSequentialFormationTester)其设计的初衷是考虑到地层测试时经常遇到高温高压等环境,普通仪器由于元件性能等原因无法再这种恶劣环境下上作,因此需要一种能比普通地层测试器承受高许多倍的温度和压力的仪器。其在2008年己经发展到第二代HSFT-2,并于2009年投放市场。它可以承受4500F和30000psi的高温高压,并逐渐发展为可以和常规仪器一样,精确进行流体识别和PUT高质量流体取样。因此可以看出,电缆地层测试仪器在技术和服务上是不断进步的,从取样技术的角度说,从一次下井取单个样品,到一次取多个样品,到取PVT真样,再到利用电阻率,核磁共振,光谱分析能技术对地层流体进行实施分析:从使用范围来说,从单井单点测试到单井多点多层测试,从仅适用于裸眼井到裸眼井套管井通用,再到可在各种恶劣环境下使用:从渗透率解释来说,从单探头抽取少量地层流体到多探头拓扑组合测试地层渗透率各向异性,到使用于超低渗透率的双封隔器形测试,再到考虑地层垮塌压力和溶解气饱和压力的可控流量流速的测试:从具有单一功能的单支仪器,到模块化,组合化的的多功能仪器。电缆地层测试技术的发展为认识地层动态提供了新的手段,对油气藏的勘探和开发做出了巨大的贡献。我国对于电缆地层测试器的研究始于1965年,测井专家刘永年、蒋学明等人在考察国外测井技术时,曾在阿尔及利亚参观了美国斯伦贝谢测井公司的电缆地层测试器,即较老的地层测试器(FormationTesterTool),细致了解了上作原理及性能。回国后,刘永年组织西安石油地球物理仪器)一40多位上程技术人员开始研制,1967年拿出了样机并在北京参展。从1970年到1974年,研制组在西安石油仪器二)一又研制成了一套两支样机,1975年通过了石油化上部的验收,到1978年共生产了六套DC-75型电缆地层测试器,曾在大港、华北、大庆油田试验,取得了成功。但因维修和操作比较困难而未能推广应用。1990年后,西安石油勘探仪器总)一也生产了3700系列测井仪器,武装了我国各油田。另外,中国船舶工业总公司第705研究所与中原石油勘探局测井公司于1987年开始联合研制地层测试器,成功研制了CDC重复式地层测试仪。但以往所引进和研制的电缆地层测试器有许多不足之处,主要表现为以下几个方面:(1)人机联系手段不友好;(2)控制能力不强,适应性和扩展性差;(3)可靠性不高;(4)无法完全满足取样要求;(5)预测试流量不能改变。2009年,中海油田服务股份有限公司技术中心在国家863课题支持下研发了增强型储层特性测试仪ERCT(EnhancedFormationCharacterizationTool),其目标是开发出和国外以MDT为代表的第三代地层测试器技术水平相当的基本功能型仪器,其可以实现MDT的基本功能,其特点有:模块化结构,以具有特定功能的短节为单位,可根据不同测井需要自由组合;重复式压力测试,一个位置坐封可多次测量压力;增加了流体泵抽功能,速度可控;多种地层流体类型识别方式:光谱、电阻率;PVT取样和大容量取样,一次下井可取4-6个PVT样品。1.2.2电缆地层测试的解释技术现状电缆地层测试器是一种能够直接测量地层有效渗透率的测井仪器。在油气藏综合评价中,作为直接测量油藏压力性质的一项测井技术,电缆地层测试器具有极其重要的作用。电缆地层测试解释理论的核心是将地层流体渗流过程抽象简化为某种数学模型,然后将仪器测试过程比拟为该模型某种状态变化过程,推导出该过程的约束方程,然后
本文标题:锥台径向流渗流模型的建立和两向渗透率解释技术
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