裂缝型水驱气藏渗流理论及应用 1裂缝型水驱气藏研究现状
天然气作为一种对于环境污染相对小的能源，越来越受到全世界的青睐，从环境保护和优化能源结构的角度来看，二十一世纪将是天然气的世纪。从二十世纪七十年代初到二十世纪九十年代中的二十年间，世界能源消费增长了38%，而其中65%是靠天然气来实现的，据估计到2010年，天然气在世界油气一次能源消费结构中的比例将从由1970年的17.7%上升到24.3%。从我国的形势来看，国家己将天然气的开发和利用提高到一个非常重要的地位，目前己经开始实施的“西气东输”将全国天然气工业的发展带到了一个新的高度。天然气的逐渐大规模开发和开采给天然气工业上游工业带来了新的机遇，加快天然气的开发必将有助于适应我国国民经济对天然气日益增长的需要。
我国大多数气藏均属不同程度的裂缝型水驱气藏，其中边底水活跃的气藏约占40-50%，其中以四川气田及塔河气田为主，以四川气田为例，在中国石油西南油气田分公司所属的472个气藏和含气构造中，水驱气藏达240个，占总气藏数的50.85%，己经见水气藏的剩余储量为1663.9×108 m3，占西南油气田分公司全部剩余储量的41.88%。
对于水驱气藏，随着开发过程的不断进行，天然气的不断采出，气藏压力的不断下降，将导致边底水侵入气区，从而形成地层中的气水两相流动。水驱气藏中出现的气水两相流和气井产水现象，必然使气藏采收率降低，国内外研究表明，纯气藏即弹性气驱气藏的采收率在80-95%之间，而水驱气藏的采收率在40-60%之间，显然水驱气藏的采收率远低于气驱气藏的采收率，必然导致水驱气藏开发经济效益的降低，就开发的角度而言，由于水驱气藏中存在气水两相渗流使气体的渗流阻力增大，水的侵入实际上是对气藏的一种伤害，这种伤害可能使大量气井水淹，其结果在气藏中形成封闭气而无法采出，致使气井停产，大量天然气滞留地下，其结果必然严重影响气藏的产量和最终采收率，造成严重的资源浪费和经济损失。
实际上，对于水驱气藏而一言，水是一种驱替能量，合理科学地利用这种天然能量对于提高水驱气藏的采收率，延长无水开采期，延缓单井见水时间，提高开发与开采效益是积极有利的，反之就会危害气藏和气井的正常生产，过早地导致气井见水及水淹，不利于水驱气藏开发与开采整体效益的提高。
提高水驱气藏开发效益的研究属于复杂的系统工程，作为提高水驱气藏采收率的关键理论—水驱气藏渗流机理，目前还不是很清楚和明白，有的甚至是空白，由此建立起来的水驱气藏模拟理论和相关的应用技术在实际应用中的效果不是很理想。因此，全面、深入地研究水驱气藏的渗流机理，对于寻求有效的防水、治水方法，提高水驱气藏的采收率，制定该气藏的合理生产规模及排水采气工艺措施，是我国天然气工业发展过程中一个急待解决的重大课题，对于我国一半以上天然气资源的有效开发具有至关重要的作用。
1.1水驱气藏实验渗流机理进展
在水驱气藏机理研究方面，原苏联学者作了大量的研究工作。葛传鼎等研究了孔隙介质中水驱气的机理，主要研究水驱气采收率及残余气饱和度变化规律，其结果表明低驱动速度范围内气的采收率随着驱动速度提高而迅速上升，经过最高值后又稍微降低，主要是由于驱动速度提高而减小了死气区范围，因此气体采收率得以提高，在超过速度的合理值后孔隙介
质的非均质性就开始表现出来，残余气的饱和度除与原始含气饱和度有关外，还与驱替条件以及地层本身特性(例如毛细管传导直径等)有关系。
乐长荣提出了要研究气水界面的移动规律，首先要认识和掌握水驱气的机理。文中阐明，水驱气过程大体上分为两个阶段，在第一个阶段，地层压力下降时，破坏了毛细管压力的平衡状态，在毛细管渗吸作用下，水驱替岩块孔隙中的天然气，该过程主要取决于地层压力(其中包括裂缝、孔隙中的压力)的下降和毛细管力的作用，对于裂缝孔隙介质，当水还没有完全包围岩块，气体被驱替至尚未水淹的裂缝中时，发生顺向毛细管渗吸，当孔隙岩块被水包围，气体被驱替至己被水淹的裂缝时，则产生逆向毛细管渗吸，在驱替过程中，含气饱和度的大小是这一过程和各带界面的函数，含气饱和度主要取决于水的运动速度和压力梯度，当含气饱和度从原始的含气饱和度降到临界饱和度时，在临界饱和度下，水只呈毛细管渗吸状态。在第二阶段，依靠水动力作用，水驱替裂缝中的天然气，其饱和度由临界饱和度变为残余气饱和度。上述过程连续进行，使得气水界面不断向前推进。残余气饱和度大小取决于孔隙度、渗透率、孔隙通道平均半径，毛细管压力对形成残余气饱和度和孔隙介质中的相分布起决定性作用。随地层压力下降，气水界面不断收缩，水不可能将孔隙介质中的气全部驱出，在水驱前沿的后面残留一定数量的封闭气，封闭气饱和度的大小取决于压力下降的速度，压降速度越大，封闭气饱和度越高，即当气水界面移动速度过高时(例如大幅度降低压力)，前沿后面可流动气还来不及进入地层的含气区，就被水圈闭形成大量的封闭气，压降速度低，气水界面移动速度慢，可以获得较高的采收率，研究表明压降速度并非越低越好，越低会使气水过渡带拉得很长，发挥不了水驱气作用，反而使得封闭气饱和度变大，因此，苏联学者玛塔克什提出“临界速度”概念，在此速度下气水界面呈均匀推进，低于此速度会使高渗透性层的过渡带拉长，而低渗透层出现迟后现象，大于此临界速度时，会产生水的超前推进，水沿高渗透层或裂缝发育带窜进，形成饱和度很高的封闭气区。
前苏联是世界上最大的天然气生产国，他们在水驱气藏的试验研究方面所作的工作较多。最有意义的一次机理研究是他们采用有机玻璃制作的裂缝试验模型，制作的裂缝是纯裂缝，试验现象比较简单。这种模型的优点是可以观察到水在裂缝中的宏观运动情况，但不能真实地反映多孔介质中气水两相渗流的微观流动规律和渗流特征，与实际裂缝型气藏的气水渗流有一定差距。
目前，研究裂缝型水驱气藏应用最多的是激光刻蚀微观人工物理模型，该模型从微观上揭示裂缝型水驱气藏渗流机理，但是实验条件较高，难度较大。
1.2水驱气藏计算渗流机理进展
随着现代数学及计算机技术的发展 ,油气层计算渗流力学也取得飞速发展 ,计算渗流力学又可分为数值计算和解析计算两大类 ,油气藏渗流的数值计算 ,在国内外的石油行业中被称为 “油气藏数值模拟”,并视为一种技术 ,油气藏数值模拟技术在各种类型油气藏的开发中得到广泛应用 ,它为油田开发方案优选 ,产量和地层压力动态预报 ,地下剩余油分布和采收率预测 ,经济效益预测及整个油气田开发的重大问题决策 ,提供了一个有严格科学依据的现代模拟计算技术。
自 20 世纪 80 年代以来 ,对油气藏模拟模型进行差分离散和线性化过程 ,先后采用了半隐式方法、Impes方法、 IMPIMS方法、 全隐式方法以及自适应隐式方法。线性代数方程组求解方法有直接法和迭代法 ,直接法包括高斯消去法、 主元消去法、 D4 法、带状矩阵压缩排列消元法 ,迭代法包括交替方向隐式法、 超松驰法、 强隐式法、 不完全 LU 分解的预处理共轭梯度法以及正交极小化方法。以后研究多是在油气藏模拟模型差分离散和线性化处理(如半隐式、 全隐式、 自适应隐式和线性代数方程组求解方法(如 D4 高斯解法、
预处理共轭梯度法)等方面发展 ,使锥进问题的模拟速度更快 ,精度更高 ,稳定性更好 ,与实际更接近。
在模型研究方面，Kazemi 等最早提出将双重介质概念用于水锥研究，模拟计算分别使用裂缝和基岩的相渗曲线和毛管压力曲线。国内该方面的研究工作始于 20 世纪 80 年代，相继发展的一些论文，在双重介质模型的单井水锥研究方面取得了较大的进展。Hong Bo Zhou et al研究了天然裂缝油气藏中的超双重介质模型并对水窜进行了数值模拟研究。
在多相流渗流力学解析方法研究方面 ,通常是以单井作为研究对象 ,把压力动态和渗流特征作为研究目的 ,实际上这是一个正问题 ,具体的应用就是反问题即多相流的试井分析问题 ,该方向的研究大多数都是将正问题和反问题结合起来 ,关于这方面的研究现状将在下面的部分予以阐述。
2裂缝型水驱气藏水窜类型及物理模型研究
2.1裂缝型水驱气藏水窜类型
气藏中影响流体流动规律的裂缝有两类，一类是在储层中分布较多的微细裂缝，它们在气藏中与孔隙一起参与渗流，沟通孔隙并起渗流通道的作用;另一类裂缝是大裂缝。大裂缝在储层中分布少且极不均匀，其延伸距离往往较长，少则几米、几十米，多则数公里、数十公里。流体在其中的流动已超出常规的达西渗流规律，是一种高速非达西流动。因此在水驱气藏的开发中，气井投产后所产生的压力降沿与边水连通的大裂缝迅速传到边水中，使地层水沿大裂缝很快到达井底，这种现象就是我们的通常所说的气藏裂缝水窜现象。宏观上按照水窜的方向分为横侵型及纵窜横侵型两类。
横侵型
在边水气藏的开发中，往往处于构造高部位或裂缝发育的高渗区的气井先投产，在顶部或裂缝发育的高渗区形成低压区，势必在大裂缝和裂缝发育带形成低能带，边水则沿大裂缝向构造高部位或裂缝发育带窜流，使这些部位的井过早地产地层水，甚至水淹。如图所示处于构造高部位的井A因与边水相连的大裂缝连通而很快产地层水:构造低部位的井B因无大裂缝连通而产纯气。
此外，气井通过高角度和低角度的大裂缝与水体连通，从而使地层水先沿高角度大裂缝纵窜，然后再沿低角度大裂缝呈横向窜流而进入井底，可以称为气藏裂缝间接连通横窜型水侵模式，如图所示。这种水侵方式，造成水层下又有气层的交互分布现象。这类出水井底水活动差别较大，大多不活跃，主要分布在中、高渗透地带。
纵窜横侵型
在这类气井附近，往往存在着与高角度大裂缝相连通且微裂缝或溶洞发育的高渗透层.边水首先沿大裂缝上窜而进入高渗透层，然后再沿此高渗透层向生产井推进，结果导致气井在投产一定时间后大量产水，如图所示.这种类型水侵对气井生产和气藏开发危害最大，它使小范围的纵窜水危害至一大片，且主要发生在高渗地带主产气区。
2.2裂缝型水驱气藏物理模型研究
宏观上了解了裂缝型水驱气藏类型后，对其进行微观研究，进一步探究其渗流机理是非常必要的。通过广泛调研，国内外利用微观模型研究裂缝型水驱气藏渗流机理的实验非常少，相比之下，利用微观物理模型开展气水两相渗流试验比进行油水两相渗流试验具有更大的难度，主要表现在:
①油水两相渗流试验过程中，模型饱和油水后可以自由移动，在常压和敞开状态下，油水不会流出损失，而模型饱和气以后则没有如此优点。 ②在驱替试验过程中，水驱油模型的出口端可以敞开通大气，就象进行常规的渗透率测定一样，而水驱气模型则不能。一旦水驱气模型出口端通大气，气体则会立即释放。因此水驱气模型在试验过程中出口端必须加回压，因此试验流程技术要求要高得多。
③水驱油过程中，由于油水色差较大，油水及其界面容易观察。而水驱气模型中，水、气及模型三者之间的色差较浅，气体始终是透明的，因此流动界面不易观察。
为了直观研究多孔介质中气水两相渗流机理，最终确定的模型建立方案是:利用铸体薄片或扫描电镜照片，将岩石的真实孔隙结构翻拍到光学玻璃板上，利用先进的激光刻蚀技术，将岩石的真实孔隙结构刻蚀在光学玻璃板上，制成可供摄录像用的透明的微观物理模型。
这样，制作的模型能够真实反映岩石孔隙结构。激光刻蚀微观物理模型的水驱气实验流程框图。
裂缝模型中裂缝是主要渗流通道，裂缝比均质孔隙中喉道具有更高的渗流能力，因此在裂缝一孔隙模型中，水进入模型入口后，便以极快的速度在模型中沿裂缝发生水窜现象。由于裂缝一孔隙模型具有亲水性，当水窜入模型后，水总是沿裂缝壁流动。同时水窜作用在储层中形成大量封闭气，从微观上看，绕流、卡断、孔隙盲端和连通性较差的孔隙、以及关井复压会压死部分气体等都是形成封闭气的原因。 裂缝模型水驱气主要渗流特征的认识 ①卡断形成封闭气
水窜入裂缝后，总是沿裂缝表面流动，气体占据孔道中央流动。在比较粗糙的裂缝表面和喉道变形部位，由于贾敏效应产生附加阻力，使连续流动的气体发生卡断现象而形成封闭气。试验表明:提高驱替压差，在水动力作用下，卡断形成的封闭气可以进一步采出。另一方面，降低模型出口压力(相当于降低井底压力)，卡断形成的封闭气能产生较大规模的膨胀和聚并，利用自身的膨胀能量可以将其采出。由于贾敏效应 ,气泡流经狭 窄裂缝 时形 状发 生改变 即“收缩一 变形一 膨胀 ” ,使得连续流动的气泡在狭窄裂缝处发生卡断 ,成为不连续相。
②绕流形成封闭气
由于裂缝具有很高的导流能力，在较低的压差下，水就会窜入较大的裂缝，以较快的速度发生水窜，其结果会将许多孔隙和微细裂缝中的气体封闭起来。如图3-5所示。试验表明，提高驱替压差，可以进一步采出微细裂缝中由于绕流形成的封闭气:降低出口压力依靠封闭气膨胀能量也可采出部分绕流形成的封闭气。
③死孔隙形成封闭气
不连通的孔隙和孔隙盲端，也会形成一定数量的封闭气，并且不连通孔隙尤其是盲端形成的封闭气，通过提高驱替压差，也不能将其采出。因为提高驱替压差，实际上是表现为地
层压力升高，这时死孔隙和盲端中的气体受到压缩而进一步向孔隙和盲端深处退缩，无法进入流动通道而依靠水驱能量将其带出。
2.3卡断封闭气在裂缝中运动特征
如图所示。设平行裂缝宽度为b，裂缝最狭窄处的宽度为a，水的平均运动速度为vw，气泡是规则的椭球形，并且居于裂缝中心。气泡上游的压力为p1。下游的压力为p2，则压差为△P=p1-p2，气泡由上游向下游运动，气泡上游的毛管力为pc1，下游的毛管力为pc2,f为气泡壁与裂缝壁之间的摩擦力。
卡断封闭气在裂缝整个运动微观过程可以分为四个阶段： (1)静止阶段(能量聚集)
如图所示，该阶段气泡很小，水对气泡的摩擦力不足以使气泡运动，在后续气泡运动还没有到达该气泡的最末端时，该气泡没有得到能量补充，各力仍保持平衡，气泡静止不动。此时，△p+f+pc1=pc2，假设后续气泡运动速度为vw;，当后续气泡运动与该气泡末端接触时，此气泡得到能量补充，根据能量守衡定律，后续气泡遇到阻力，运动速度变慢，该气泡得到后续气泡补充的能量，形状发生改变，毛管力大小随之发生变化。当两个气泡聚并在一起时，该气泡体积变大，毛管力发生更大的变化，气泡壁与裂缝壁形成的水的通道必然缩小，摩擦力变大.此时力的平衡可能遭到破坏。
P2 a Pc2 Pc1 b p1
vw
(2)运动阶段(能量聚集)
如果△p+f+pc1<=pc2，该气泡仍然静止不动，继续等待后续气泡补充能量;如果△
p+f+pc1>pc2，则该气泡的力学平衡遭到破坏，聚并后的气泡开始运动，气泡进人运动阶段。当大气泡最前端运动到狭窄裂缝处后，狭窄裂缝对气泡产生阻力(F)，该力可以分解为平行于平行裂缝壁的力F1和垂直于平行裂缝壁的力F2。由于狭窄裂缝两壁均对气泡产生阻力，因此，两个F2大小相等，方向相反，相互抵消;而两个F1大小相等，方向相同，所以该方向的阻力变为2F1。当大气泡最前端接触到狭窄裂缝壁，前端开始发生变形后，大气泡使水的过流通道变小，此时进人下一阶段。
(3)卡住阶段(能量聚集)
如图2所示，当水的通道变得非常小后，气泡的最前端进人裂缝最狭窄处，并试图突破狭窄喉道，此时，pc2= 2σcosθ/r，由于r逐渐减小，pc2将逐渐增大。大气泡的上流仍然有小气泡不断向大气泡处运动，不断与大气泡碰撞、聚并，根据能量守衡定律，该大气泡获得越来越多的能量，而气泡壁与裂缝两壁之间水的通道变得越来越小，所以对气泡施加越来越 大的压力。由于以上种种原因，该大气泡内部压力逐渐增高，因此其最前端试图突破狭窄喉道。
当p2+pc2+2F1 如图3所示.大气泡由于聚并了许多小气泡，其体积较大，并且水的过流通道非常小，摩擦力较大。当大气泡最前端通过狭窄喉道时，其后端不能顺利通过狭窄喉道。这样整个大气泡被卡断而成为两部分:一部分通过狭窄喉道:另一部分不能通过狭窄喉道。由于这一过程中损失了能量，因此，未能通过狭窄喉道的气泡内部压力减小，此时，该气泡由于pc2的作用开始收缩变形，如果收缩变形较小.水的过流通道稍稍变大，摩擦力的作用变小，pc2 > f十pc1+△p;如果收缩变形较大，水的过流通道变得更大，摩擦力变得更小，甚至为零，pc2>pc1+△p，由于后续气泡的不断运动，大气泡聚并越来越多的小气泡，体积逐渐增大，动能也越来越大，逐渐向狭窄喉道处运动。当大气泡最前端逐渐通过狭窄喉道且变成圆球形，其毛管半径等于狭窄喉道宽度的一半.即r=a/2，此时，pc2为极限毛管力。如果后续气泡继续运动，能量继续得到补充，大气泡内压力逐渐增高，则大气泡有可能一部分或全部通过狭窄喉道。 通过以上分析可以看出，气相在裂缝性地层中的流动是不连续流动，由于裂缝形态十分复杂，所以裂缝性地层中气水流动情况也十分复杂。 P2 p1 Pc2 Pc1 a b vw P2 a Pc2 Pc1 b p1 vw 3裂缝型水驱气藏微观渗流机理数学研究 目前，关于气液两相流体渗流的数学模型，分为单流体模型和双流体模型。单流体模型主要应用在两相流体可以均匀混合，而且它们的动力学和热力学性质差别不大的情况。这种情况下二相流体的运动可以等效为某种单一流体的流动。等效混合物的物理性质参数，如密度、粘性系数、温度和比热等，都可以从混合物两种组分的对应参数通过加权平均得到。 双流体模型主要应用在两相流体可以不可混合，而且它们的动力学和热力学性质差别较大的情况。双流体模型中，对每一种流体都建立各自的守恒方程，两种流体之间存在质量、动量、能量交换等相间作用，通过两种流体间的相互作用使两种流体的运动联系在一起。由于气体和水物理性质的巨大差异，其渗流问题只能采用双流体模型。 3.1基本假设 1、气液二相流体在裂缝中的渗流为饱和渗流，即气液二相流体将整个渗流区间完全充满。 2、忽略气液二相流体间表面张力的影响，认为在整个渗流区域内任一气液界面两侧的气体压力与液体压力相同。 3、气体为理想气体，渗流过程为等温渗流，其压力密度关系满足等温状态下的理想气体状态方程。 4、气体和液体在裂缝内的渗流，在微段压力梯度上，分别服从各自的线性达西定律。 5、液体为均质不可压缩流体，地层为层状，忽略液体重力影响。 3.2裂缝中气水二相流体渗流的基本方程 3.2.1运动方程 由于在同一渗流空间内同时存在两种流体的渗流，因此对其中的每一相流体来说，另一相流体可以被视为其边界，因而导致该相流体的渗流通道减小，阻力增大，渗透率减小，但宏观上气体和水仍然是从整个裂缝的渗流断面上流出，应用气体和液体的相对饱和度来反 映由于某一相流体的存在而导致另一流体通过能力的下降，按照达西定律有: b2dp气体运动方程：vgx?? ?sg?dx12?gb2dp?sw? 水运动方程：vwx??dx12?w3.2.2质量守恒方程 考虑气液二相流体流过裂缝内某一微元体的质量平衡问题。在裂缝中取一微元如图所 示，其边长分别为dx ,dy、dz。其中dz=b即裂缝宽度，假设沿z方向不存在流动，则裂缝内气液二相流体的渗流简化为平面渗流，这在裂缝宽度较小且裂缝宽度为常量时是合适的。设?相流体的渗流速度分量分别为中 ??x、 ??y，质量流速分别为 ????x、 ????y，其 ??为?相流体密度。 z D H G C A E x F B y 在?t时间内沿x轴方向通过面ABCD的流体质量为： MABCD?MABCD,w?MwwxABCD,g ?????vwx??w????v?x?????x???y?z?t???vgx?g?2??????v??x???y?z?t ggx?x2??? 在?t时间内沿x轴方向通过面EFGH的流体质量为： MEFGH?MEFGH,w?MEFGH,g ?????vwx??w????wvwx?x???x???y?z?t??2?????g??vgx????v??x???y?z?t ggx?x2???在?t时间内沿x轴方向流出比流入多出的流体质量为： ?Mx? ???v??x?y?z?t????v??x?y?z?t????wvwx??vwwxggxggx?x?x?x??x?y?z?t 同理，在?t时间内沿y轴方向流出比流入多出的流体质量为： ?My????v??x?y?z?t????v??x?y?z?t????wvwy??vwwyggyggy?y?y?y??x?y?z?t 在?t时间内单位体内流体质量变化量为： ????wsw??s??x?y?z?tgg?t 根据质量守恒定律，多流出单元体的流体质量等于其内流体质量的减小，即: ? ?Mx??My?????wsw??s??x?y?z?tgg?t ??wvwx??v??x?y?z?t????wvwy??v??x?y?z?t?????wsw??s??x?y?z?tggxggygg?x?y?t ?化简为： ??wvwx??v?????wvwy??v??????wsw??s?ggxggygg?xg?y?t 气体状态方程为： ??PM RT2将气水运动方程带入方程左边则有： ???wvwx??v?????wvwy??v????????bs?ggxggyw?x?y??12?w??wbs?2gg12???PM??P? ?RT??? 方程右边可化为： ???wsw??s????MP?????sgg?t?RTM?wRT??tg?P?M??sg?PMP????sg?t??wRT?P?tRT???Psg?t 2??2????bsgbs?M??sgMwgw??????P??P????则原方程可化为：?w??12???RT?tRT12???wg???????Psg?t ??M??sgM???P????w??RT??PRT? ??P sg???t????????sgs?M??sgMwgb???w????P???P????w?????12?RT??PRT?g?w?????2P??P sg???t?令???0??????ssg?gg?g?P?????Psswwww??dP ，?????? ??????t?P?t?t?g??g?w???w ??????sg?Pswgw??P??2?? 则 ， ??????????t????w?g??????sww?sgg????g?w????M??sgM12??P????w??RT??PRT2?则原式可化为：?????sg?g2sw?w??b????g?w????M??sgM12??P????w??RT??PRT?令c???sg?g2sw?w??b????g?w??即裂缝型水驱气藏渗流方程为： 2???t?sg????? ?t?sg???，则有 ???c2?? ?t???c?? ?t
裂缝型水驱气藏渗流理论及应用 - 图文
