超低渗透岩石非饱和流体运移机理与相对渗透率数学表征

Currently tight reservoir has become the research focus of unconventiaonal energy, but its unsaturated fluid migration mechanism is quite complicated, and the main controlling factor of threshold pressure and nolinear flow is not clear yet. Conventional description methods could not reflect the influence of fluid interfacial effect since the interfacial contact between unsaturated fluids is much more complex than that of single phase flow, and the area variation between immiscible fluids exerts significant influence on seepage law.Based on actural microscopic pore structure in ultra-low permeability formation,this paper adopts unsteady experiment method to study the mutual displacement feature between wetting phase and nonwetting phase, dynamic cappilary force theory is also applied to describe the interfacial dynamic effect and oil-water two phase flow mechanisim. Unsaturated fluid migration characteristic parameters were obtained from the experiment,which lead to two-phase flow relative permeability modeling.In breif, this paper reveals the unsaturated fluid migration mechanism in ultra-low permeability rock and put forward the mathematical characterization method of two-phase flow relative permeability, which theoretically supports ultra-low permeability reservoir development.

致密储层作为非常规能源的开发热点之一，其非饱和流体运移机理较为复杂，启动压力与非线性特征的主控因素尚未明确统一。由于非饱和渗流中流体间的界面接触情况远比单相饱和渗流复杂，非混相流体间界面面积变化对渗流规律影响较大，传统描述方法并未充分体现流体界面效应的影响。本项目以超低渗透储层为研究对象，拟从实际微观孔隙结构出发，采用非稳态实验的方法研究润湿相与非润湿相相互驱替的渗流特征，应用动态毛管力理论准确描述界面动态效应对非饱和渗流的影响，对油水两相渗流机理进行研究。在此基础上根据两相渗流实验，获得非饱和渗流特征参数，建立油水两相相对渗透率计算模型。通过以上研究工作，本项目试图阐明超低渗透油藏微观孔隙条件下的非饱和流体运移机理，建立两相渗流相对渗透率的数学表征方法，为超低渗透油藏开发提供理论支持。

特低、超低渗透油藏已成为我国重要油气接替资源。超低渗油藏(0.1×10-3μm2~1×10-3μm2) 具有低孔、低渗的特征，注水开发采收率低，因此通过多种室内实验方法和理论方法的结合，深入认识超低渗油藏的油水非饱和流体渗流规律，对于指导超低渗油藏的生产实践具有重要意义。.首先，研究超低渗储层的微观孔隙结构特征。通过岩心分析，研究储层的岩石学特征及影响物性的主控因素；结合压汞实验，对孔隙结构进行分类评价；并构建渗透率与孔喉半径及孔喉比之间定量公式，从而建立起储层微观孔隙结构与宏观渗流特征内在联系；结果表明：超低渗储层渗透率变化主要受孔隙发育程度控制，溶蚀作用和微裂隙是影响物性的有利因素；主流孔喉半径与渗透率相关性最好；渗透率越小，孔隙半径和喉道半径越小，孔喉半径比越大。.其次，根据目前国内对超低渗透储层饱和渗流启动压力梯度和非线性渗流问题的争论，在延安市延长县采集鄂尔多斯盆地三叠系露头全直径砂岩岩心，通过美国岩心公司AFS300TM全自动岩心驱替系统，在极低渗流速度条件下（压力梯度为0.005MPa/m-0.3MPa/m），研究了超低渗透岩石单相盐水、煤油和模拟原油以及束缚水和残余油条件下的单相渗流特征。渗流指示曲线表明：超低渗（不变形条件下）单相饱和盐水、煤油和模拟原油以及束缚水和残余油条件下的单相渗流不存在启动压力梯度和非线性渗流特征，符合达西定律。.同时，针对超低渗透储层非饱和渗流界面动态效应（不平衡效应）以及该效应对超低渗相对渗透率、含水率曲线的影响，通过渗流实验，在岩心尺度条件下测试了渗流过程中处于运动状态下油水界面产生的毛管压力大小。发现非润湿相驱替润湿相时，动态毛管压力将高于静态毛管压力；同时，根据室内水驱油渗流实验结果，分析了尺度系数、宏观毛管数和末端效应对超低渗相对渗透率和含水率曲线的影响，并指出超低渗水驱油毛管压力和末端效应对相对渗透率和含水率曲线影响非常显著。.最后，推导考虑动态毛管压力和末端效应的相对渗透率数学模型，并得到解析解。新数学模型解释的实验结果表明：考虑动态毛管压力和岩心末端效应的相对渗透率和含水率曲线能更真实地反应超低渗透储层水驱油过程中油水相对渗透率和含水率特征，并根据水驱油渗流实验提出了超低渗水驱油过程中的驱油效率数学模型，该模型与实验实测值仅相差3%-8%。.研究成果对于认识超低渗透油层渗流规律和开发具有重要意义。