平面渗流规律（共6篇）
平面渗流规律 篇1
随着储层渗透率的越来越低,渗流的非线性程度越来越强,流体在其中的渗流规律亟待通过实验的方法来研究。目前关于特低渗透油藏中流体渗流规律的基础实验研究多为一维岩心驱替实验,流体在其中的渗流曲线出现非线性现象[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]。在二维平板模型中的渗流规律有待通过实验的方法进行研究。由于特低渗透储层孔喉细小,用填砂模型无法达到其渗透率尺度,阻碍了通过实验的方法进行二维渗流规律的研究。采用特低渗透露头砂岩平板模型,其孔隙结构与真实油藏一致,在其中进行流体驱替实验能够最大程度反映实际油藏中流体渗流的状况。
1 实验方法
1.1 实验用平板模型
图1为实验用正方形平板模型。该模型是根据相似原理建立的。模型的两个对角上分别有一口注入井和一口采出井,井径为rw 模型边长为a,厚度为h。模型是采用特低渗透露头砂岩平板,用环氧树脂进行整体浇铸封装而成。表1为模型的基本参数。
1.2 实验设备
实验设备由驱动系统和采出测量系统组成。驱动系统采用氮气作为压力源,通过压力稳定装置精确控制驱替压力。采出测量系统通过微流量计精确测量流速,通过电子天平精确测量采出井产量。实验流程图如图2。
1.3 实验步骤
1.3.1 平板模型的制作
平板模型模拟五点法井网的1/4单元,沿对角线在模型两角钻取深孔模拟注采井。烘干平板模型,将连接接头安装于钻孔内并用胶固定, 用环氧树脂进行整体浇铸。
1.3.2 模型饱和水
待封胶固结后,将模型抽真空。抽真空过程中在模型上连接压力表,保证抽真空过程充分进行。首先利用外界大气压进行地层水初步饱和,然后用泵向模型中注入地层水,憋压24 h,最后将模型放置48 h,以使模型充分均匀地饱和地层水。
1.3.3 单相流体驱替实验
调节压力稳定装置到实验设计驱替压力。打开实验流程中各个阀门,使实验流程保持通路状态。打开氮气气源进行驱替。从采出端的微流量计来观察驱替是否稳定。当驱替达到稳定后,记录流速大小。在不同的驱替压差下进行相同的驱替实验。将实验结果收集并统计。
2 产能公式的推导
在流体力学,定义“势”为这样一个量,它的梯度形成一个力场,其表达式如下:
其中,K为地层渗透率,μ为流体黏度,p为压力。
当地层中同时存在若干口井时,可根据势的叠加原则来确定地层中任一点的势值。若有n口井,各口井的产量分别为q1,q2,q3,…,qn,单位厚度下产量分别为qh1,qh2,qh3,…,qhn,则地层中任一点M的势值为:
其中,r1,r2,r3,…,rn,分别为各口井与M点的距离。
实验模型在两角点处分别有一口注入井和采出井,根据镜像法处理封闭边界的原则[11],在对应位置作出“镜像井”(如图3),从而把含有封闭边界的实际问题转化为无限大地层中有8口井的情况。
对于采出井井底有:
式(1)中,ϕ1为采出井井底势,等号右边各项分别为真实井6、镜像井1、镜像井2、镜像井5、真实井3、镜像井4、镜像井7、镜像井8在采出井6井底处产生势的分量。
对于注入井井底有:
式(2)中,ϕ2为注入井井底势,等号右边各项分别为井真实井3、镜像井1、镜像井2、镜像井5、真实井6、镜像井4、镜像井7、镜像井8在注入井3井底处产生势的分量。
式(1)减式(2),得
式(3)中,Δp为注入井与采出井之间的压力差。
式(3)即为实验平板模型稳态流动产能公式的理论表达式。式(3)经过变形,得
本实验即根据式(4)来反算渗透率。
3 实验结果与分析
实验中用的三块不同渗透率的平板模型,其空气渗透率分别为1.2 mD ,1.9 mD和4.9 mD。
模型定注采压差注入单相流体,待采出井流量稳定后,分别记录其注采压差和对应产量。将实验结果,代入公式(4)计算岩心的水测渗透率,在直角坐标系中分别作出三块平板模型水测渗透率与注采压差之间的关系。如图4:
从图4中可以看出:
特低渗透平板模型的水测渗透率随注采压差的变化而发生变化。由于模型的液相渗透率随注采压差的变化而变化,因此将其称为视渗透率。平板模型的视渗透率随着注采压差的增大而增大。当注采压差达到一定值时,视渗透率达到一个较大值,之后其随着注采压差的增大而变化的趋势不明显,稳定在该值附近;
平板模型渗透率的越低,非线性渗流现象越明显。表现为视渗透率发生变化的区间范围较大。如图4所示,对于模型A1,由于其空气渗透率为1.2×10-3 μm2 ,在三块模型中最小,其视渗透率发生变化的注采压差区间为0.001—0.005 MPa ,在三块模型中也是最大。对于模型A3,由于其空气渗透率4.9×10-3 μm2 ,在三块模型中最大,其视渗透率发生变化的压差区间最小;
机理分析:在经典的达西渗流中,产量和压差的关系在直角坐标系中为直线关系,即渗透率为一定值。通过特低渗透平板模型实验发现,平板模型的视渗透率是随着注采压差而发生变化的。这是由于在特低渗透介质中,孔喉极其细小,比表面大,孔喉壁上由于流体边界层的存在,较小的驱动力不能使其参与流动,相当于损失了一部分渗透率。当驱动力使边界层流体也发生流动时,这部分损失的渗透率得到恢复,故视渗透率随注采压差的变化而发生变化,而非一定值。
4 结论
(1) 从理论上推导了实验注采系统的产能公式,可作为平板模型物理模拟实验的理论基础。
(2) 在不同的驱替压差下进行了单相流体驱替实验,发现特低渗透平板模型的水测渗透率随注采压差的变化而发生变化。
(3) 平板模型的单相驱替实验中也存在非线性渗流现象,并且渗透率越低,非线性渗流现象越明显。
参考文献
[1]冯文光.非达西低速渗流的研究现状与进展.石油勘探与开发,1986;13(4):76—80
[2]闫庆来,何秋轩,尉立岗,等.低渗透油层中单相液体渗流特征的实验研究.西安石油学院学报,1990;5(2):1—6
[3]黄延章.低渗透油层渗流机理.北京:石油工业出版社,1998
[4]邓英尔.低渗介质单相与两相流体非达西渗流研究.中国科学院研究生院,博士论文,1999
[5]阮敏,何秋轩.低渗透非达西渗流临界点及临界参数判别法.西安石油学院学报,1999;14(3):9—11
[6]阮敏,何秋轩.低渗透非达西渗流综合判据初探.西安石油学院学报,1999;14(4):46—48
[7]吴景春,袁满,张继成.大庆东部低渗透油藏单相流体低速非线性渗流特征.大庆石油学院院报,1999;23(2):82—85
[8]陈永敏,周娟,刘文香,等.低速非达西渗流现象的实验论证.重庆大学学报(自然科学版),2000;(z1):59—61
[9]姚约东,葛家理.低渗透油层非达西渗流规律的研究.新疆石油地质,2000;21(3):213—215
[10]贾振岐,王延峰,付俊林,等.低渗低速下非达西渗流特征及影响因素.大庆石油学院院报,2001;25(3):73—76
[11]翟云芳.渗流力学.北京:石油工业出版社,2003:25—35
稳定渗流产能规律研究 篇2
实验研究中发现部分岩心的渗流规律亦不满足达西定律。人们称这种渗流为非达西渗流, 其典型特征为存在大于零的启动压力梯度;当压力梯度大于启动压力梯度时, 渗流速度与压力梯度存在着明显的非线性关系。如图1所示:
2 低速非达西渗流表达式
低渗透油层岩心室内流动实验表明, 当渗流速度很低时, 渗流为非达西渗流, 随着压力梯度增加渗流由非线性渗流过渡为拟线性渗流。所以本文采用基于图4-3的渗流运动方程来研究低速非达西渗流基本规律。具体表达式如下:
式中:
λ0—最小启动压力梯度, 对应图1中A点;
λ1—拟启动压力梯度, 对应图1中C点;
λ2—为线性渗流时的起始压力梯度, 相对应于图1中的B点;
n—为渗流指数, 表征的是低速非达西渗流规律的非线性程度。渗流指数n越大, 低渗透油藏中流体渗流的非线性程度越强。
3 低速非达西渗流的压力分布
根据低渗透油藏低速非达西径向渗流时的压力分布公式:
其中, α=1/n, n为大于1的常数。
4 低速非达西渗流油井产能
4.1 油井产能公式
本文仍以平面径向流动来推导出低渗油藏低速非达西渗流时油井产量公式, 径向流动情况下非达西运动方程为:
将上式代入流体流量公式q=Av中可得:
对于平面径向流动而言, A=2πrh代入上式可得低渗透油藏低速非达西渗流时油井产量公式:
对式 (4) 进行移项整理可得:
在这里令α=/1n, 代入上式, 整理可得:
对上式中的r进行积分可以得到:
已知条件为:在井筒处, r=rw, p=pwf;在供给边界处, r=re, p=pe。
可得:
结合式 (8) 和式 (9) 可以得到:
式 (10) 即为低渗透油藏径向低速非达西稳定渗流时的油井产量公式。由上式可以看出随着驱替压差∆p的变化, 可以求出相对应的油井产量q的值。
4.2 渗流指数n对产能的影响
对于低渗透油藏中的一口生产井, 当re=300m, rw=0.1m, h=10m, µ=4m Pa·#s, K=0.01µm2, λ0=0.001M P a/m, pe=10.0MPa, pwf=5MPa时利用公式 (10) 可以计算出油井产量q与渗流指数n的关系曲线如图2所示。
从图2中可以看出, 非达西渗流时油井产量随着渗流指数增大而逐渐减小并且减小的幅度逐渐变小, 说明渗流时非线性程度越严重, 油井产能越低。
4.3 启动压力梯度对产能的影响
对于低渗透油藏中的一口生产井, 当re=300m, rw=0.1m, h=10m, µ=4m Pa·s, K=0.1µm2, pe=10.0MPa, pwf=5MPa, n=1.6时利用公式 (10) 可以计算出油井产量q与启动压力梯度λ0的关系曲线如图3所示。
从图3中可以看出, 非线性渗流时油井产量q随地层启动压力梯度λ0的增加而呈直线递减趋势。
5 结论
(1) 以平面径向流动为例, 通过理论推导, 得到了低渗油藏低速非线性和非达西线性稳定渗流时地层压力分布和油井产能公式。
(2) 低渗透油藏非达西渗流时, 油井产量随着渗流指数增大而逐渐减小并且减小的幅度逐渐变小。
(3) 低渗透油藏非达西渗流时, 油井产量随地层启动压力梯度的增加而呈直线递减趋。
参考文献
[1]徐绍良, 岳湘安, 侯吉瑞等.边界层流体对低渗透油藏渗流特性的影响[J].西安石油大学学报 (自然科学版) .2007, 22 (2) :26-28
[2]何海峰, 孙天建, 龙文涛等.低渗透砂岩油层渗流启动压力梯度研究[J].西部探矿工程.2007, (1) :47-48
平面渗流规律 篇3
关键词：应力敏感性,承压含水层,渗流,数学模型
地下水开采过程中,由于水的产出,地层压力下降,使含水层岩石受力发生改变并发生弹塑性变形;而弹塑性变形反过来又影响到含水层的孔隙度和渗透率,含水层岩石渗透率受应力变化而减小的现象称为含水层岩石的应力敏感性。含水层岩石应力敏感性在存在客观上将导致管井出水能力下降,研究含水层应力敏感性对于设计合理水位降深,保持管井出水能力以及含水层岩石物性的实验室分析都具有极其重要的意义[1,2]。
本文针对单井取水条件下,具有应力敏感性承压含水层内稳定渗流问题的进行研究。
假设承压完全井以某一定流量Q抽水时,供水边界的水位保持不变,可保证无限供给定流量。井流服从D a r c y线形渗透定律和连续定律,并按轴对称井壁进水且无阻力地汇入井内,如图1所示:
1数学模型
1.1渗流基本方程
(1)、运动方程
对于单向液体稳定渗流,根据达西定律,渗流速度可写为:
式中,v为渗流速度,m/s;K为含水层的渗透系数,m/s;dh/dr为水力坡度。
(2)、状态方程
由地层应力敏感性实验,可知地层渗透率与压力之间满足如下函数关系[3]:
式中,K为含水层渗透系数,m/s;K0为含水层的初始渗透系数,m/s;β为应力敏感性系数,m-1;h为水头高度,m;H为供给边界水头高度,m。
1.2出水量方程
将状态方程(2)代入运动方程(1),渗流速度可写为:
根据平面径向渗流流量公式,管井出水量可写为如下形式:
式中,δ为含水层厚度,m。
上式分离变量,可得:
对(5)式进行积分,可得:
根据边界条件,确定积分常数,对于外边界,满足定压边界条件,即当r=R时,h=H,代入上式,可得
(7)式变形,可得积分常数为:
将积分常数代入(6)式,可得:
根据内边界条件,当r=rw时,h=hw,代入上式可得:
(10)式整理可得出水量公式为
令Δh=H-hw,上式中指数函数可展开成如下级数形式:
若当β→0时,则有βΔh<<1,此时可取级数前两项,代入公式(11),可得:
上式表示,不考虑含水层应力敏感性时,出水量公式即退化为一般形式的承压井流量公式。
根据(11)式,若已知任一水位降深,便可求得流量以及承压含水层水头分布状况。
2计算实例
2.1基础数据
以某承压含水层抽水井为例,水井及含水层有关参数如下:初始渗透系数K0=1.2×10-4m/s,井的影响半径R=1000m,井半径rw=0.1 m,承压含水层厚度δ=15m。
根据本文所建立的数学模型,应用以上基础数据,可以求得不同应力敏感性下水位降深-流量之间的相互关系以及含水层水头分布。
为了分析含水层应力敏感性对承压含水层渗流的影响,应力敏感性系数分别取0、0.01、0.02、0.05m-1,计算四种情况下,水位降深与流量之间的相互关系曲线如图1所示。
可以求得任一水位降深时,当不同应力敏感性系数条件下含水层水头分布曲线,水位降深Δh=10m时,含水层水头分布曲线如图2所示:
2.2结果分析
由图2可见,在稳定渗流条件下,不同应力敏感性系数下,流量都随着水位降深的增大而增大,应力敏感性系数越小,水位降深-流量关系曲线越接近于线性关系,随着应力敏感性系数逐渐增大,水位降深-流量关系曲线越来越偏离直线,表现出非达西性渗流特征,表明由于应力敏感性,含水层渗透率将随着水头的降低而减小,从而使得在相同的水位降深条件下,应力敏感性较强的地层中,流量将小于应力敏感性较弱的地层。
由图3可见,在稳定渗流条件下,沿着径向距离增加的方向上,含水层水头是逐渐增大的,应力敏感性越大,靠近井底附近位置处水头损失也越大。
3结论
(1)本文所建立的渗流数学模型,可以求解具有应力敏感性承压含水层中的单井稳定渗流问题;
(2)对于应力敏感性含水层中的渗流,水位降深-流量关系曲线将偏离达西线性渗流关系,随着应力敏感性系数增大,靠近井底附近位置处的水头损失也随之增大,相同的水位降深条件下,井的出水量将随之减小。
参考文献
[1]庞宏伟,岳湘安,李丰辉,孙立旭,赵春.有效压力对低渗透变形介质油藏物性的影响[J].大庆石油地质与开发.2007,26(01):54-57
[2]张浩,康毅力,陈一健,李前贵,游利军,何健.致密砂岩油气储层岩石变形理论与应力敏感性[J].天然气地球科学.2004,15(5):482-486
平面渗流规律 篇4
关键词：聚合物,分子量,渗流
聚合物驱油是一种技术上成熟的三次采油方法, 在我国许多油田得到推广应用。聚合物驱主要是提高注入溶液的粘度和降低水相渗透率而增加渗透率。聚合物驱油时, 溶液浓度、分子量、粘度和滞留在岩石孔道中的聚合物分子都是影响其驱油能力的重要因素。聚合物分子量是影响上述机理的主要参数之一, 聚合物分子量越高其增粘性越好, 降低水相渗透率的能力越强。从上述影响聚合物驱油效果的诸多因素中, 聚合物的粘度控制是聚合物驱能否成功的关键, 而聚合物分子量是控制其粘度的重要参数之一, 本实验就是通过聚合物体系渗流过程中分子量的变化来研究聚合物的分子量在不同情况下的变化规律。为油田聚合物驱油时选择最佳聚合物分子量提供实验依据。
1 实验方案
为研究聚合物溶液在油层渗流过程中工作性能的变化情况, 利用多组串联岩心开展实验。实验采用恒速注入方式, 将聚合物溶液模拟炮眼剪切后, 进行岩芯注入实验。利用传统的岩芯驱替装置, 恒速注入聚合物溶液, 收集每块岩芯出口端采出液。根据北北块和北东区块聚合物注入情况, 设定注入速度为0.4ml/min。
实验流程为:岩心抽真空, 饱和水, 水测渗透率, 利用岩心恒速注入系统注入聚合物溶液。收集岩芯采出液, 测量聚合物溶液分子量、粘度的变化情况。
2 聚合物溶液渗流过程中分子量变化规律研究
2.1 相同粘度条件下, 低分子量高浓度聚合物体系降解率低
在渗透率500×10-3μm2的人造岩心柱中, 分别注入清水配制的2500万2000mg/L和1900万2200mg/L的聚合物溶液, 注入粘度为285m P a·s左右, 经四块岩心渗流后, 粘度降解率分别为50.5%、47.3%。分子量降解率分别为57.52%、52.59%。
通过实验结果我们可以看出, 相同粘度的聚合物溶液, 在油层渗流过程中, 低分子量、高浓度的聚合物溶液分子量降解率较低, 粘度降解率较低。
2.2 聚合物体系经油层渗流后, 污水体系保留率高
在渗透率为350×10-3μm2的岩心中, 采用恒速注入实验, 分别注入浓度为2800 mg/L分子量为2500万的污水体系聚合物溶液和浓度为2000 mg/L分子量为2500万的清水体系聚合物溶液, 两者注入粘度分别为277.3m Pa·s和285.9P a·s, 经岩心渗流后, 粘度降解率分别为41.9%、50.5%。分子量降解率分别为51.3%、57.52%。
实验结果表明, 在岩心中渗流过程中, 污水体系的分子量保留率较高, 粘度降解率要低于清水体系。
2.3 聚合物浓度相同的条件下, 分子量越低, 降解率较小
选取渗透率为500×10-3μm2的人造岩心柱中, 将浓度为2000mg/l分子量分别为2500万和1200万的聚合物溶液分别注入单块岩心及采出液反复注入五块岩心, 聚合物溶液的粘度降解率分别为50.5%和45.6%。分子量降解率分别为57.5%和47.9%。在渗透率为500×10-3μm2的岩心中, 将浓度为3000mg/L分子量分别为1900万和1200万的聚合物溶液分别注入单块岩心及采出液反复注入三块岩心中, 收集聚合物采出液, 测定分子量、粘度, 进行对比。
实验结果表明, 相同浓度的聚合物体系, 在岩心渗流过程中低分子量聚合物溶液分子量保留率较高, 粘度降解率较低。
2.4 分子量相同的聚合物体系, 浓度越低, 降解率较高
在渗透率500×10-3μm2的人造岩心柱中, 分别注入清水配制的2500万1500mg/L和2500万2000mg/L的聚合物溶液, 注入粘度分别为205.9m Pa·s和185.9m Pa·s, 经岩心渗流后, 粘度降解率分别为53.2%、50.5%, 分子量降解率分别为63.5%、57.5% (见表1) 。
实验结果表明, 相同分子量的聚合物溶液, 在油层渗流过程中, 高浓度的聚合物溶液分子量降解率较低, 粘度降解率较低。
2.5聚合物溶液在油层运移过程中, 降解率逐渐减小
清水950万3000mg/L的聚合物溶液, 初始粘度为311.5 m Pa·s, 利用高速搅拌器模拟炮眼剪切, 剪切至粘度为233.6 m Pa·s。
在渗透率为300×10-3μm2的人造岩心柱中, 利用剪切后的聚合物溶液进行渗流实验, 并收集采出液, 反复注入, 考察聚合物溶液在油层连续渗流过程分子量变化情况。经三块岩心渗流后, 分子量降解率分别为35.25%、9.17%、7.31%。
实验结果表明, 聚合物溶液在渗流过程中, 随着推进距离的增加, 分子量降解率逐渐减小, 分子量降解主要发生在注入前期, 在注入后期分子量降解率逐渐减小。
3几点认识
(1) 聚合物体系经油层渗流后, 污水体系的分子量保留率高;
(2) 相同粘度条件下, 低分子量高浓度聚合物体系降解率低;相同浓度的条件下, 分子量越高降解率越大;相同分子量条件下, 浓度越低降解率较高;
(3) 聚合物溶液在油层运移过程中, 分子量降解率逐渐减小;聚合物分子量降解主要发生在注入前期, 在注入后期分子量降解率逐渐减小。
参考文献
[1]杨承志, 韩大匡等.化学驱油理论与实践, 1996
[2]高振环等编.聚合物分子量与驱油效果关系的实验研究[J].大庆石油地质与开发, 1994 (2)
[3]高树棠等编译.聚合物驱提高原油采收率[J].北京石油工业出版社, 1996
平面渗流规律 篇5
关键词：煤层气,非线性,拟稳态,COMSOL Multiphysics
煤层岩孔隙属于孔隙-裂缝介质, 尤其对于低渗透储层, 孔隙结构更复杂, 在裂隙界面与煤层气存在较强的吸附作用, 复杂作用的影响使煤层气在低渗透储层中渗流规律并不遵循达西渗流模型。本文通过对低渗透煤层的孔隙结构及气-固作用力方面进行研究, 建立煤层气非线性渗流模型, 并应用COMSOL Multiphysics软件进行数值模拟研究。
1 低渗透煤层孔隙特征及渗流模型引入
煤是一种具有复杂孔隙结构的聚合物质, 煤层气主要吸附在孔隙的内表面。煤层气与固体表面作用力的强弱决定了吸附量, 同时也影响着煤层气的渗流。因此, 煤层气-固界面作用对于致密低渗透煤层介质煤层气渗流的影响, 比中高渗透煤层中煤层气渗流的影响大得多。低渗透煤层气渗流遵循一种非线性渗流规律[3,4]。本文引入新的煤层气渗流模型:
2 低渗透煤层气低速非线性渗流数学模型
2.1 气体的控制方程
气体的物质控制方程为
其中
忽略重力的影响:
则
2.2 解吸-扩散方程
煤层气的扩散视为拟稳态, 遵循Fick第一定律, 单位体积煤体所吸附的气体质量为
2.3 特性参数
本文采用由Palmer和Mansoori提出的孔渗模型, P&M模型考虑基质的应变变化线弹性方程及煤层气解吸后煤基质收缩的影响。
根据煤储层孔渗透率和孔隙度的关系
2.4 煤层气拟稳态数学模型
将方程 (9) 代入方程 (5) , 则得到:
2.5 初始条件及边界条件
考虑煤储层中甲烷的吸附解吸过程, 设置模型初始条件和边界条件。
初始条件:
定压内边界:
封闭边界:
3 模型分析
模型尺寸为100m×100m, 井位于模型中心, 模型为封闭边界, 取模型的1/4进行数值模拟研究, 选用COMSOL Multiphysics建立模型。
考虑三种渗流规律模型计算365d后, 煤层孔隙压力分布如图2所示, 定产量生产时, 非线性渗流模型和启动压力梯度模型需要消耗更多的能量, 启动压力梯度模型由于悲剧地夸大了地层的阻力, 近井地带压力降落更大。达西渗流模型生产后, 整个气藏均动用, 压力降落均匀, 非线性渗流模型和启动压力梯度模型由于存在最小启动压力梯度和启动压力梯度, 存在未启动区, 即图2中压力水平段。
如图3所示了不同非线性系数影响下孔隙压力分布, 非线性渗流越严重, 气藏的压力降落越大, 同等的产能需要消耗的地层能量越大, 同时存在的非启动区越大, 因此, 考虑低渗透煤层气非线性渗流规律对研究低渗透煤层气储层的生产具有重要的意义。
4 结论
(1) 考虑低渗透煤层气孔隙结构及吸附特征, 建立非线性渗流模型, 模型具有普遍适用性
(2) 对比达西渗流模型和启动压力梯度模型, 非线性渗流模型更好的描述低渗透煤层气的渗流规律, 同等产能, 非线性渗流模型和启动压力梯度模型压力降落更严重, 消耗更多的能量。
(3) 研究了不同非线性系数影响下, 储层中压力分布规律及储层非启动区范围。
参考文献
[1]Zhang H B, Liu J and Elsworth D.Howsorption-induced matrix deformation affectsgas flow in coal seams:a new FE model[J].International Journal of Rock Mechanics andMining Sciences, 2008, 45 (8) :1226-1236
[2]邓英尔, 马宝岐, 刘慈群.煤层气—固界面作用与吸附模型[J].煤田地质与勘探, 2003, 32 (3) :24-26
[3]张先敏, 冯其红, 陈东等.阜新盆地煤层气渗流规律实验[J].重庆大学学报, 2011, 34 (4) :58-61
[4]邓英尔, 谢和平, 黄润秋等.低渗透孔隙-裂隙介质气体非线性渗流运动方程, 四川大学学报, 2006, 38 (4) :1-4
平面渗流规律 篇6
关键词：聚合物溶液,黏度,第一法向应力差,多孔介质,弹性
聚合物溶液在多孔介质中渗流,由于孔道连续收缩、发散,使聚合物溶液在多孔介质中流动要克服剪切应力和拉伸应力[1]。受剪切应力的作用使其在高分子团沿剪切方向定向排列,溶液剪切黏度下降;同时聚合物在孔隙和吼道中流动时还受到拉伸作用,表现出弹性,即被拉伸的分子线团试图恢复卷曲状,是流动阻力增加。因此,该溶液在多孔介质渗流时不仅表现出黏性,还表现出弹性,具有黏弹性流体的性质。由于弹性的存在,聚合物溶液除了能够提高波及体积外,还可以提高驱油效率,体系弹性增加,驱扫残余油的能力增强。
1 弹性变化规律研究
1.1 实验条件
药剂:实验中使用聚合物为聚丙烯酰胺,分子量分别为1 900万、2 500万,实验用水为人工配制大庆模拟盐水。
实验仪器:黏弹性测量实验所用仪器为美国TA公司生产的GR流变仪,选用锥板测量系统(锥板半径为50 mm,锥板角度为5°),实验温度为45 ℃,测试及数据处理绘图由计算机自动控制。
实验步骤:岩心抽空,饱和地层水,测岩心渗透率,用模拟大庆盐水配制聚合物溶液,装入中间容器,在45°条件下打开线路阀门,开启平流泵,按实验方案使聚合物溶液流经岩心,收集采出液做黏弹性实验。
1.2 聚合物溶液在多孔介质中黏度变化
聚合物溶液在多孔介质渗流过程中黏度变化是为聚合物的弹性变化提供指导依据。在恒速注入条件下对不同渗透率岩心中渗流后,收集岩心聚合物采出液,测定黏度,并与注入液黏度进行对比。
实验分别通过长0.3 m、0.6 m、0.9 m、1.2 m和1.5 m岩心渗流后,经剪切后注入黏度为196.3 mPa.s的2 500万2 000 mg/L的聚合物溶液,黏度降解率分别为8.9%、6.6%、5.4%、2.9%和1.0%。经剪切后注入黏度为190.9 mPa.s的1 900万2 200 mg/L的聚合物溶液,黏度降解率分别为8.6%、5.6%、4.4%、1.6%和0.95%。
实验结果表明,高浓度聚合物溶液在渗流过程中初期黏度降解率较大。随着推进距离的增加,黏度降解率逐渐减小,且能够保持一定的工作黏度。
1.3 聚合物溶液在地层渗流时弹性变化规律
1.3.1 聚合物溶液在多孔介质中渗流时法相应力差变化规律
通过剪切速率为0.01—500 s-1区间内分别对分子量为2 500万、1 900万。清水配制的聚合物溶液进行剪切实验,得到第一法相应力差曲线,如图所示。
根据实验所得曲线可以看出:聚合物溶液在经过模拟炮眼剪切后弹性下降严重。但在地层渗流中聚合物溶液弹性变化很小。在剪切速率10 s-1～100 s-1时表现出的弹性较小,这是因为在聚合物分子构象未舒展开之前,分子链之间缠绕成团,这阶段为解缠阶段,此时的弹性为解缠弹性。此后,随着剪切速率的增加,分子构象完全舒展,此时分子链被拉伸,弹性表现明显,此时的弹性叫做拉伸弹性。在剪切速率较高时,模拟炮眼剪切后的溶液与经岩芯渗流后的溶液弹性变化不大,但与剪切前相比,弹性下降明显,这是因为在未被剪切时,聚合物溶液分子链有长有短,大小分布明显,因此长链聚合物溶液的拉伸弹性表现明显,经过剪切后,溶液的长链分子的剪切程度大于短链分子,这使得聚合物的分子链长短分布更均匀。因此,长链分子的拉伸弹性下降较为明显,缠绕弹性有所增加。
在地层渗流过程中,在近井地带,由于渗透率较大,因此流速较快,剪切速率较大,聚合物的拉伸作用表现明显,弹性表现为拉伸弹性;在远井地带,由于渗流速度较慢,聚合物以缠结成团的方式向前推进,解缠时的弹性表现明显。当聚合物进入大小不一的孔喉时,由于“可变直径活塞”效应[2],拉伸和解缠同时存在,聚合物溶液流体边缘的流速和质量流量都高,因此黏弹性流体的流线在这些部位所改变的程度较大,弹性表现明显,地层盲端和边部聚合物溶液与油界面平行或其法线方向垂直于流动方向的原油被更多的“拽”出[3]。对于具有黏弹性的溶液,其后续流体对前缘的流体不仅有推动作用,而且前缘的流体又对其边部及后续流体有拉、拽的作用。这种拉、拽作用是由于聚合物长分子链间的相互缠绕及分子链间的相互拉、拽。聚合物溶液对残余油的拉力与分子缠绕程度有关。聚合物分子缠结越严重,它在岩心中的流动阻力就越大,从而产生拉伸,并带动后面和周围的分子运动,从而携带出盲端和边缘中的残余油,这有利于残余油的移动并富集。
1.3.2 相同黏度不同分子量聚合物溶液弹性变化规律
采用恒速实验注入清水配制的不同分子量、不同浓度但黏度相同的聚合物溶液。实验分别注入分子量2 500万2 000 mg/L和1 900万2 200 mg/L的聚合物溶液,注入黏度为180 mPa.s。采出液做稳态剪切实验,得到曲线如下:
由曲线可以看出:在相同黏度条件下,2 500万聚合物溶液在低剪切速率时的第一法向应力差小于分子量1 900万聚合物溶液,表现出的弹性小于1 900万聚合物溶液,在高剪切速率时,由于分子构象完全舒展开,因此2 500万聚合物溶液的第一法向应力差大于1 900万聚合物溶液,表现出的弹性强于1 900万聚合物溶液。
2 聚合物岩心驱替实验效果评价
实验方案:配制分子量2 500万2 000 mg/L和1 900万2 200 mg/L聚合物溶液,水驱1.5 PV,聚合物驱0.64 PV,后续水至不出油为止。
实验结果可以看出:相同黏度条件下,1 900万2 200 mg/L聚合物溶液总采收率高于2 500万2 000 mg/L聚合物溶液1.81%,驱油效率较好。这主要是因为1 900万2 200 mg/L聚合物溶液在地层渗流中的弹性大于2 500万2 000 mg/L聚合物溶液。在地层渗流时1 900万2 200 mg/L聚合物溶液在地层渗流时的第一法向应力差大于2 500万2 000 mg/L聚合物溶液;1 900万溶液产生沿各运动方向的法向力,其第一法向应力差作用于油斑,使得油斑被剥离并变小,第一法向应力差越大,对油斑的作用力越大,剥离掉的油量越大,残余油量越小。
3 几点认识
(1)聚合物溶液的黏度在近井地带下降较大,随着推进距离的增加,降解率逐渐减小,保持较高的工作黏度;
(2)聚合物溶液在多孔介质中渗流时,弹性的变化分为两个阶段:解缠时产生的弹性和拉伸时产生的弹性,拉伸弹性大于解缠弹性;聚合物溶液在大孔道向前推进时,由于孔喉结构的不规则性,使得聚合物的拉伸和缠绕同时存在,拉伸弹性和解缠弹性同时存在;
(3)相同黏度聚合物溶液,低分子量高浓度的弹性大于高分子量低浓度聚合物溶液,采收率较高。
参考文献
[1]王德民,程杰成,杨清彦.黏弹性聚合物溶液能够提高岩心的微观驱油效率.石油学报,2000;21(9):45—51
[2]夏惠芬,王德民,侯吉瑞.黏弹性聚合物溶液对驱油效率的影响.大庆石油学院学报,2002;26(2):109—111