低渗透油藏启动压力梯度的研究方法

低渗透油藏启动压力梯度的研究方法陈志明*，刘冰，蔡雨桐（长江大学石油工程学院油气钻采工程湖北省重点实验室，湖北荆州434023）摘要：对于低渗透油藏来说，启动压力梯度的研究是渗流规律研究的关键所在，具有重要意义。然而，现有的启动压力梯度研究方法缺乏统一和规范性，对低渗透油藏的开发产生了极大的不利。为了改善这一状况，使低渗透油藏启动压力梯度的研究得到更好地发展，有必要了解目前的研究现状。在参考相关文献的基础上，对近几年来许多学者的研究进行了总结和归纳。介绍了低渗透油藏的启动压力梯度和数学计算、室内实验、数值模拟、IPR和试井解释等5种研究方法，并提出以上方法存在的问题和初步解决思路，可以为低渗透油藏启动压力梯度的研究提供一些理论依据。关键词：低渗透；启动压力梯度；研究方法；问题；解决思路中图分类号:TE文献标识码:A0引言在低渗透油藏开发过程中，启动压力梯度存在并对油藏的开发效果产生影响这一观点已经被油藏工程师们广泛接受[1]。因此，对低渗透油藏启动压力梯度的研究具有十分重要的意义。启动压力梯度研究是一项非常精细而繁重的工作，目前没有固定、统一和完善的研究方法[2]。在缺乏统一和完善的研究方法的情况下，相同的低渗岩样往往会得到不同的启动压力梯度，实验数据的可靠性就得不到保证，且大量低渗油藏开发的疑难问题尚未解决，如单井产量低、压力下降快等，这样就对我国低渗透油气藏的开发产生了极大的不利，亟需形成一套完整的研究体系。为了使启动压力梯度的研究得到更好地发展，笔者在参考相关文献的基础上，介绍了数学计算、室内实验、数值模拟、IPR和试井解释等5种方法，并提出这些方法存在的问题和初步解决思路，可以为我国低渗透油藏启动压力梯度的研究提供一些理论的帮助。1低渗透油藏的启动压力梯度对低渗透油藏的岩石来说，其孔隙系统可基本看作由小孔道组成，由于孔道表面边界表面张力的影响，只有当驱动压力梯度大于某孔道的启动压力梯度时，该孔道中的流体才能流动。因此，低渗透油藏存在启动压力梯度[3]。VonEngelhardt和Tunne[4]，Miller[5]等都曾先后发现了存在启动压力梯度的非达西现象。但遗憾的是他们没有对启动压力梯度作进一步的研究。随后国内外后许多学者[6-8]对启动压力梯度进行更深一步的研究，研究结果表明在低渗透油气藏开发过程中，油、气、水存在启动压力梯度，其渗流曲线不经过坐标原点（如图1）。图中a点对应最小启动压力梯度，压力梯度高于此点流体才开始流动；b点为拟启动压力梯度,为直线段的延长线与横坐标的交点；c点为临界压力梯度,压力梯度高于此点流体的流动符合达西定律；de线段为达西渗流直线。图1典型非达西渗流曲线示意图Fig.1Dynamiccurveofnon-Darcyflow*基金项目：国家大学生创新实验计划项目（长大校发[2011]55号）第一作者简介:陈志明，1989年生，男，湖北黄冈人，本科，现参与低渗透渗流规律方面的研究。地址：（434023）湖北省荆州市南环路汉科学苑3栋419室。电话：[phone]。E-mail：[e-mail]12低渗透油藏启动压力梯度的研究方法近几年来许多学者对低渗油藏的启动压力梯度进行了一些研究。笔者进行了总结和归纳，主要有数学计算、室内实验、数值模拟、IPR和试井解释等5种方法。2.1数学计算法岩石的启动压力梯度是由于流体和岩石的相互作用引起的。因此，一些学者根据流体和岩石的物性参数计算启动压力梯度。孙明等[9]根据Binghan公式，解出启动压力梯度与孔隙度、渗透率的关系，再利用岩石的物性参数，得出岩石的启动压力梯度。朱长军等[10]根据BP人工神经网络方法，通过流体粘度、密度和岩石孔隙度、渗透率四个参数，较准确得到启动压力梯度，相对误差在5%之内。徐德敏等[11]根据岩石渗透系数与压力梯度的正相关关系,利用三次平均法计算出启动压力梯度，结果较为合理,易于推广使用。数学计算方法思路清晰，逻辑性强，具有说服力，但是由于低渗油藏的复杂物性，此方法计算结果常与实际不相符，实用性不强。2.2数值模拟法油藏数值模拟是应用计算机研究油藏流体渗流规律的数值计算方法，它能很好解决油藏开发过程中复杂的渗流及工程问题。因此，一些学者利用数值模拟法来研究低渗透油藏的启动压力梯度。数值模拟法是建立在LatticeBoltzmann（以下简称LB）方法的基础上，首先获得岩石的孔喉分布曲线，然后利用LB方法计算出无量纲启动压力梯度的值，最后与油田实际生产的压力梯度进行对比，以获得低渗油藏的启动压力梯度。Chen等[12]利用LB方法，根据孔喉分布特征研究了中高渗地层的渗流规律，模拟得到了经典的达西定律。刘曰武等[13]在此基础上，利用LB方法得到“流量—压力梯度”模拟曲线和无量纲启动压力梯度，最终获得油藏的启动压力梯度。数值模拟法简单方便、周期短，但是只有准确获得孔喉分布曲线和实际生产数据，才能得得到启动压力梯度。因此，此方法具有一定的局限性。2.3室内实验法许多学者在实验的基础上，对低渗岩石的启动压力梯度进行了研究。但由于启动压力梯度研究是一项非常精细而繁重的实验工作，所以目前没有固定、统一和完善的研究方法。现应用较普遍的是“压差—流量”法，即在不同驱替压差下，测定流体通过低渗透岩心的渗流速度，求得流量与压力梯度的关系，再用数学的方法获得启动压力梯度。AlvaroPrada[14]通过对致密岩芯进行“压差—流量”渗流实验，得出渗流曲线，并通过数学拟合求得启动压力梯度。另外，许多学者[15-17]也通过实验对启动压力梯度进行研究，取得了一些成就。室内实验法简单直观，应用较为普遍。但是，它存在许多不足：实验数据难以准确测得；实验时间长；启动压力梯度不易捕获；不能真实反映油藏信息。这使实验结果精度较低，不能完全满足生产要求。2.4IPR法IPR法也称生产分析方法，即首先建立低渗透油藏含启动压力的IPR方程，然后通过生产数据来求解启动压力梯度。郑祥克等[18]在Wiggins的工作基础上,得到含油相启动压力的IPR产能方程，然后利用生产数据，计算出靖安油田低渗储层的启动压力梯度。李晓良等[19]基于低渗非达西渗流的理论分析,推导出含启动压力梯度的无因次IPR流入动态方程，然后通过生产数据，同样得出胜利油田低渗油藏的启动压力梯度。IPR法简单快捷，所得结果与其它方法具有可比性，但此方法极大地受油藏生产数据的准确性影响。2.5试井解释法试井解释法是在考虑启动压力的情况下，建立渗流数学模型，再根据试井资料得到启动压力梯度的一种方法。根据试井资料获取的方式，又可分为稳定试井法和不稳定试井法。2.5.1稳定试井法谭雷军等[20]通过求解含启动压力梯度的渗流数学模型，得出不过坐标原点的压差与流量2关系曲线，然后通过稳定试井资料求得启动压力梯度。黄成江[21]在此基础上，利用前者所求的压差与流量关系曲线和低渗车408-3井的稳定试井资料，得到该井启动压力梯度。2.5.2不稳定试井法宋付权等[22]在质量守恒定律和压力分布公式的基础上，推导出启动压力梯度的表达式，根据压力恢复资料求出低渗油藏的启动压力梯度。程时清等[23]建立了不稳定试井的数学模型，并求解得到含启动压力梯度的理论曲线，然后根据不稳定试井资料拟合出启动压力梯度。由于试井解释法能真实地反映油藏的渗流规律，实用性强，受到一些学者[24-25]的青睐，但此方法对压力数据比较敏感，计算结果精度不高。3研究方法存在的问题（1）数学计算法实用性不强。低渗油藏具有复杂物性，利用数学方法计算启动压力梯度时，经常需要建立许多假设条件。一旦假设条件增多，必然会使计算结果与实际相偏离。因此，此方法虽然思路清晰、逻辑性强，但是实用性较差。（2）数值模拟法具有局限性。因为运用此方法的前提是准确获得孔喉分布曲线，所以尽管它具有简单方便、周期短的优点，但受孔喉分布曲线准确性的影响，存在一定的局限性。（3）室内实验法不够完善。由于低渗岩石具有低渗、低空的复杂物性，使得室内实验时间长、数据难以准确测得。因此，启动压力梯度不易捕获，实验精度较低。（4）IPR法具有依赖性。IPR法计算过程中需要得到油藏的实际生产数据，如井底流压和流体流度等。因此，IPR法受生产数据的准确性影响，对实际生产数据具有依赖性。（5）试井解释法误差较大。虽然试井解释法能真实地反映油藏的渗流规律，实用性强，但此方法对压力数据比较敏感。在实际的试井过程中，压力数据是难以精确获取的，因此给试井解释法带来较大的误差。4初步解决思路针对以上方法存在的问题，可考虑以下解决思路：（1）建立新型数学计算模型。当运用数学计算方法确定启动压力梯度时，应多与油藏实际情况相联系，建立新型模型，尽量减少假设条件，以增强此方法的实用性，如罗银富等[26]考虑到达西定律在低渗油藏不适用的情况，建立了含启动压力梯度的达西定律改进模型。（2）开发含岩石孔喉分析的数值模拟软件。针对目前数值模拟法的不足，可以开发一种集岩石孔喉分析和启动压力梯度计算于一体的数值模拟软件。只要获取了低渗岩石的基本物性数据，就可以利用LB方法计算出启动压力梯度，更加快捷方便。（3）及时监测流体的流动状态。在利用室内实验法测量低渗岩心启动压力时，可以运用物理学方法，如电阻率测试法[27]，通过测试岩样不同截面间的电阻率，监测岩样内部流体的动态分布，从而得到流体在低渗岩样中开始流动的时刻以及对应的压力梯度，这样就可以准确地捕捉到启动压力梯度。（4）设计测量动态数据的新方法。由于IPR法的计算结果受生产数据的准确性影响。因此，可设计测量生产数据的新方法，以准确获取生产数据，使计算误差减小到最低值。（5）开发监测非稳定压力的新技术。由于试井解释法对压力数据比较敏感，在实际计算中误差较大、精度不高。因此，可开发监测非稳定压力的新技术，应用到压力数据获取中去，提高试井解释法的计算精度。5结论（1）经过总结和归纳，现有的启动压力梯度研究方法主要包括数学计算、室内实验、数值模拟、IPR和试井解释等5种。其中，数学计算法思路清晰、逻辑性强，但实用性较差；数值模拟法简单方便、周期短，但受孔喉分布曲线准确性的影响；室内实验法简单直观，但实验时间长，启动压力梯度不易捕获；IPR法简单快捷，但对生产数据有较强的依赖性；试井解释法真实客观、实用性强，但计算误差较大。总之，目前的启动压力梯度研究方法都存3在一些优点和不足。因此，在实际油田应用中，应根据具体情况选用合适的研究方法。（2）目前研究方法存在的问题：数学计算法实用性不强；数值模拟法具有局限性；室内实验法不够完善；IPR法具有依赖性；试井解释法误差较大。而解决这些问题的初步思路有：建立新型数学计算模型；开发含岩石孔喉分析的数值模拟软件；及时监测流体的流动状态；设计测量生产数据的新方法；开发监测非稳定压力的新技术等。参考文献[1]LeiQ，XiongW，YuanJR，etal.Behaviorofflowthroughlow-permeabilityreservoirs[C]//Europec/EAGEConferenceandExhibition，Rome，Italy：SPE，2008.[2]张代燕，王子强，王殿生,等.低渗透油藏最小启动压力梯度实验研究[J].新疆地质，2011,29(1):106-109.[3]吕伟峰，秦积舜，吴康云,等.低渗岩石孔渗及相对渗透率测试方法综述[J].特种油气藏，2011,18(3):1-6.[4]VonEnglehardtW，TunnWLM.Theflowoffluidsthroughsandstones[J].CircIllStateGeolSurv,1955，194：1-17.[5]MillerRJ，LowPF.Thresholdgradientforwaterflowinclaysystems[J].SoilSciSocAmProc，1963，27(6):605-609.[6]程时清，徐论勋，张德超.低速非达西渗流试井典型曲线拟合[J].石油勘探与开发，1996，23(4):50-53.[7]