地质力学学报  2019, Vol. 25 Issue (6): 1068-1074
引用本文
曾治平, 王千军, 李静, 范婕, 王昊, 刘晨. 多场耦合作用下致密储层渗流特性研究[J]. 地质力学学报, 2019, 25(6): 1068-1074.
ZENG Zhiping, WANG Qianjun, LI Jing, FAN Jie, WANG Hao, LIU Chen. STUDY ON SEEPAGE CHARACTERISTICS OF TIGHT RESERVOIRS UNDER MULTI-FIELD COUPLING[J]. Journal of Geomechanics, 2019, 25(6): 1068-1074.
多场耦合作用下致密储层渗流特性研究
曾治平1, 王千军1, 李静2, 范婕1,3, 王昊2, 刘晨2    
1. 中国石化胜利油田分公司勘探开发研究院, 山东 东营 257015;
2. 中国石油大学(华东)地质力学与工程研究所, 山东 青岛 266580;
3. 胜利石油管理局博士后科研工作站, 山东 东营 257000
摘要:储层岩石的渗流特性对致密砂岩储层的评价及开发具有重要意义。为此,研究构建热流固耦合控制方程,采用COMSOL Multiphyics软件,针对准噶尔盆地中部4区块某三维区致密储层不同开采时间下流体渗流速度和地层孔隙压力的分布规律开展了数值模拟研究。研究结果表明,流体渗流速度最大值出现在井口及其周围地区,断层破碎过渡带流体渗流速度高于周围连续地层和断层核部;随着与井口距离的增加,开采过程中流体渗流速度变化规律由先增加后减小最后趋于稳定逐步转化为先缓慢增加后逐步趋于稳定;在开采初期,孔隙压力等压线在井口周围呈环形分布,而后低应力区沿断层的开展方向进行扩展;孔隙压力随着开采时间的增加而不断减小,同时间节点下,距离井口越远,孔隙压力越大且下降幅度越小。研究成果为正确预测开发生产指标,为提高致密油气勘探开发效果提供技术支撑。
关键词多场耦合    致密储层    渗流特性    孔隙压力    
DOI10.12090/j.issn.1006-6616.2019.25.06.089     文章编号:1006-6616(2019)06-1068-07
STUDY ON SEEPAGE CHARACTERISTICS OF TIGHT RESERVOIRS UNDER MULTI-FIELD COUPLING
ZENG Zhiping1, WANG Qianjun1, LI Jing2, FAN Jie1,3, WANG Hao2, LIU Chen2    
1. Research institute of exploration and development of Shengli Oilfield, Sinopec, Dongying 257015, Shandong, China;
2. Research Institute of Geological Mechanics and Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, Shandong, China;
3. Working Station for Postdoctoral Scientific Research, Shengli Oilfield, Dongying 257000, Shandong, China
Abstract: Seepage characteristics of tight sandstone are of great significance for tight reservoir evaluation and exploitation. The fluid-solid-heat coupling control equation was built, and the COMSOL Multiphyics software was used to carry out a numerical simulation study for the distribution law of fluid seepage velocity and formation pore pressure under different production time in a 3D tight reservoir in No.4 block of central Dzungaria Basin. The results are as follows:(1) The maximum values of fluid seepage velocity appeared in the wellhead and its surrounding areas, and the velocity of fluid seepage in the transition zone of fault breakage was higher than that in the surrounding continuous formation and nuclear part of the fault. (2) With the increase of the distance from the wellhead, the variation of fluid seepage velocity changed from increasing first, then decreasing, and finally tending to be stable to gradually increasing first, then gradually tending to be stable. (3) In the initial stage of production, the pore pressure isobar was located around the wellhead, distributed with circular line and then the low stress zone extended along the direction of the fault. (4) The pore pressure was decreasing as the production time increased, at the same time, the farther from the wellhead, the larger the pore pressure was and the smaller the decrease amplitude was. The research results provide technical support for the correct prediction of development and production indexes and improvement of exploration and development effect of tight oil and gas.
Key words: multi-field coupling    tight reservoir    seepage characteristics    pore pressure    
0 引言

近年来,致密储层已成为全球非常规油气勘探开发的新领域[1]。致密储层物性差,含油饱和度低,流动阻力大,开发成本高[2],勘探开发难度极大。研究油气在裂隙中的渗流特性,对于研究储层岩石中油气运移特性,提高勘探开发效率具有十分重要的意义[3]。然而,致密储层所处地质环境复杂,开采效果受温度场、渗流场、应力场作用明显,必须综合考虑由于注水和开采所引起的流体的渗流、应力状态的变化和储层变形之间的耦合作用[4]。Lee和Howell等[5]对多孔介质传热进行了理论分析和实验研究,提出热传导系数的确定方法;邓金根等[6]建立了横观各向同性地层模型,研究了孔隙压力变化、构造载荷和渗流场对地应力的联合影响;刘中春等[7]用椭圆来描述断层形状,建立单断层平面应变模型,给出了椭圆孔口问题弹性力学解,揭示了断层对地应力影响的力学机理;孙金等[8]建立了径向油水两相非等温渗流数学模型和温度引起的地应力变化模型,分析了注水温度对地应力分布的影响。

目前,对致密储层的多场耦合研究仍然较少,尤其是场地尺度致密砂岩的多场耦合效应研究鲜有报道。因此,文章以准噶尔盆地中部4区块某三维区为例,考虑温度场、渗流场和应力场的耦合作用,建立了致密储层热流固耦合方程,采用COMSOL Multiphyics软件开展了研究区多场耦合作用下流体渗流特性的数值模拟研究,确定了不同开采时间下研究区不同位置处的流体渗流速度和地层孔隙压力的分布规律。

1 研究区地质概况

准中4区块位于新疆昌吉回族自治洲阜康市以北,构造上处于中央坳陷昌吉凹陷东段,北依白家海凸起,西北为马桥凸起,东邻沙帐断褶带,南接阜康断裂带,勘探面积为2891.7 km2[9-10](图 1)。自上而下发育有白垩系、侏罗系、三叠系、二叠系和石炭系等地层,地层发育齐全,总体较为平缓,构造相对简单,整体为向南西倾的单斜,断层主要为侏罗系层间断层,以逆断层为主发育了以河流相和三角洲相为主的碎屑岩沉积[9]

图 1 准噶尔盆地中部4区块地质概况图 Fig. 1 Geological survey map of the No.4 block in central Junggar Basin

研究区主要发育有泥质粉砂岩、粉砂岩和细砂岩等,粉细粒、粉粒结构为主,部分为中细粒结构,分选中等—好,圆状、次棱角状,支撑类型多为颗粒支撑,储集空间类型为裂缝-孔隙型。孔隙度主要分布在1%~15%,平均孔隙度为7.4%,渗透率主要分布在0.01~13 mD,平均渗透率为0.89 mD。

2 数值模型建立 2.1 热流固耦合方程建立

多场耦合数学模型是由两个或两个以上的偏微分方程所组成的偏微分方程组。由于变量间的相互作用,这些方程组中的每一个方程通常不仅仅包含自身的场量,还包含其他场的场量,考虑初始条件和边界条件后,就形成数学上所谓的定解问题。

基于质量守恒定律,建立了温度场和变形场共同作用下的地下水渗流控制方程,如公式(1)所示;考虑液体热对流和固相热传导而导致的能量迁移,确定了渗流场和变形场共同作用下温度场控制方程,如公式(2)所示;利用柯西方程和静力平衡关系,得到了热流固耦合作用下的应力控制方程,如公式(3)所示[11-13]

$ \frac{{\partial \left( {\phi {\rho _{\rm{w}}}} \right)}}{{\partial t}} + \nabla \cdot \left( {{\rho _{\rm{w}}}u} \right) + {\rho _{\rm{w}}}\frac{{\partial \varepsilon }}{{\partial t}} = Q $ (1)
$ \begin{array}{l} {\rho _{\rm{s}}}{C_{\rm{s}}}\frac{{\partial T}}{{\partial t}} + {\rho _{\rm{w}}}{C_{\rm{w}}}\mathit{\boldsymbol{\nu }}\nabla T + \nabla \cdot \mathit{\boldsymbol{q}} + \phi \frac{{{\beta _{\rm{T}}}}}{{{\beta _{\rm{p}}}}}\mathit{\boldsymbol{\nu }} \cdot \nabla T + \\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\frac{1}{2}(1 - \phi ){\beta _{\rm{T}}}\nabla T\frac{{\partial \varepsilon }}{{\partial t}} = Q \end{array} $ (2)
$ {\rho _{\rm{s}}}\frac{{{\partial ^2}\mathit{\boldsymbol{u}}}}{{\partial {t^2}}} = \nabla \cdot \mathit{\boldsymbol{\sigma }} + {F_{\rm{v}}} - \alpha \nabla p + {\beta _{\rm{T}}}\nabla T $ (3)

公式中,ρw为地下液相密度,kg/m3t为时间;为哈密顿算子;ρs为岩石骨架密度,kg/m3ϕ表示为介质孔隙率,%;Q为热量的源(汇)项;ε表示为介质体积应变;CsCw分别为岩体和地下流体的比热容,J/(kg·K);T为温度;βT为流体的热体积膨胀系数;βp为流体的压缩系数;ν=${\kappa _{ii}}{\nabla ^2}p$为流体流速,m/s;q为固相和液相之间的热量传递;u=[u, v, w]T为三个方向的位移;FV为体积荷载,α为Biot系数;p为孔隙压力。

2.2 模型建立及边界条件反演

基于研究区地质资料和地震数据,通过PETREL软件建立了研究区精细地质模型,利用逆向工程软件Imageware对地质模型中点阵坐标进行处理,而后导入到有限元软件COMSOL Multiphyics中,建立了研究区有限元模型,如图 2所示。研究区范围为19.64 km×22.75 km,为消除反演过程中边界荷载和边界约束带来的边界效应,在区块模型周边设置过渡区域,工区范围扩大到29.64 km×32.75 km。

图 2 多场耦合数值模型应力施加图 Fig. 2 Stress applied graph of the multi-field coupling numerical model

从宏观效果出发,近似地将地质体作为分块均匀的岩石体;同时,将断层两侧过渡区内充填岩性的强度减弱,岩石的杨氏模量等力学参数相对同深度相同的岩性降低一定的比例[14],确定研究区储层岩石计算参数如表 1所示。根据关键井点的单井地应力值,利用最小二乘法确定了研究区有限元模型的边界条件,如表 2所示。

表 1 计算参数表 Table 1 Table of calculation parameters

表 2 最优化反演数据表 Table 2 Optimized inversion data sheet

由于研究区边界面不是主应力面,因此,边界面会同时受到正应力和剪应力的作用。研究区范围较大,边界面上正应力和剪应力大小和方向会发生变化,为此分段设置正应力P和剪应力T。以单井地应力值为基础,运用最小二乘法反演边界条件,得到最优的边界正应力P和剪应力T。边界应力条件如表 2所示,具体施加模式如图 3所示。

图 3 多场耦合模型网格划分图 Fig. 3 Grid mapping of the multi-field coupling model
3 致密储层渗流特性研究 3.1 多场耦合作用下储层流体渗流速度分布规律

多场耦合作用下研究区不同时刻的流体渗流速度及方向如图 4所示,箭头方向表示速度方向,箭头尺寸表示速度大小。

图 4 多场耦合作用下流体渗流速度及方向分布图(m/s) Fig. 4 Seepage velocity and direction distribution of fluid under multi-field coupling(m/s)

整体上,在致密储层中,孔隙度小、渗透率低,流体渗流速度较慢。由于致密储层中断层破碎带物性较好,故流体渗流由外围地层向井口处流动,且流体渗流主要沿着断层延展[15]。井口周围地区流体渗流速度最大,断层破碎过渡带流体渗流速度明显高于周围连续地层和断层核部。

为了直接观测不同位置不同时间的渗流速度,绘制了D8井口处渗流速度随开采时间的变化曲线和距离D8井不同位置处的渗流速度随开采时间的变化曲线,如图 5所示。

图 5 渗流速度随开采时间的变化曲线 Fig. 5 Variation curves of seepage velocity with mining time

图 5a可以看出,在井口位置,在开采初期渗流速度急剧下降,而后趋于稳定。分析认为,开采初期井口附近流体迅速向井口流动,渗流速度较快,随开采时间增加,井口附近流体迅速减少,需要从远处运移,因而渗流速度呈现先急剧变小,后逐渐下降达到稳定。从图 5b可以看出,在距离井口100 m、600 m处,开采初期渗流速度急剧上升,随后逐渐减小;在距离井口1500 m、3000 m、5000 m处,随着开采时间的增加,渗流速度逐渐增加,并在一定时间内达到稳定状态。此外,距离井口位置越远,渗流速度达到稳定的时间也越快,其原因在于距离井口越远,孔隙压力差越小,导致流速越容易达到稳定状态。

绘制了D8井附近1000 m范围内流体渗流速度曲线,如图 6所示,相同时间下,渗流速度在井口附近陡降,在200 m距离时,渗流速度基本趋于稳定。分析认为:①在致密储层中渗透率低,井口周围相对于其他区域渗透率较高;②致密储层孔隙度小,距离井口越远,压力差降低,开采过程中井口周围压差较大,渗流速度较快。在开采时间达到5年时,井口处渗流速度较小,表明该井的长期产能受到影响,应采取储层改造或增加注入井的方式保证其长期产能。

图 6 井口附近流体渗流速度曲线图 Fig. 6 Curves of fluid velocity in the vicinity of the wellhead
3.2 多场耦合作用下储层孔隙压力变化规律

多场耦合作用下不同时刻的研究区块孔隙压力变化规律如图 7所示。可以看出,在开采初期,井口的均质各向同性地带,等压线近似环形分布,断层所在的区域的孔隙压力下降速度较快,明显高于周围基岩部分。随着开采时间的推移井口附近的低应力区域逐渐扩大,且优先沿着断层的开展方向进行扩展。分析认为,随着开采的深入,周围流体不断的向井口位置运移,导致井口周围孔隙的饱和度下降,孔隙压力逐渐降低;同时,致密储层中断层对渗流作用明显,在开采过程中需要加大裂缝的密度来提高开采效率。

图 7 孔隙压力变化云图(Pa) Fig. 7 Cloud charts of pore pressure variation (Pa)

为了直接观测不同位置不同时间的孔隙压力,绘制了距离D8井不同位置处的孔隙压力随开采时间的变化曲线和D8井附近1 km孔隙压力曲线如图 8所示。

图 8 孔隙压力变化曲线图 Fig. 8 Curves of pore pressure with time at different locations

整体上,孔隙压力随着开采时间的增加而不断减小,并且逐渐趋于稳定。在相同的开采时间节点上,距离井口位置越远,孔隙压力越大,并且孔隙压力下降的幅度越小(图 8a)。井口处的孔隙压力明显低于井口周围区域(图 8b),表明致密储层中,井口对储层的影响距离有一定的限度,在致密储层油气田开发过程中,需要适当的增加开采井密度。随着开采时间的进展,井口与井口周围区域的孔隙压力差逐渐减小。

4 结论

(1) 随着开采时间的增加,研究区致密储层流体渗流由外围地层向井口处流动,且流体渗流主要沿着断层延展。井口周围地区流体渗流速度最大,断层破碎过渡带流体渗流速度明显高于周围连续地层和断层核部。

(2) 在井口位置,开采初期渗流速度急剧下降,而后趋于稳定;在距离井口600 m范围内,渗流速度先急剧上升,随后逐渐减小;当距离井口超过1500 m时,随着开采时间的增加,渗流速度逐渐增加,并在一定时间内达到稳定状态。距离井口位置越远,渗流速度达到稳定的时间也越快。

(3) 在开采初期,孔隙压力等压线在井口周围近似呈环形分布,随着开采时间的推移井口附近的低应力区域逐渐扩大,且优先沿着断层的开展方向进行扩展。

(4) 孔隙压力随着开采时间的增加而不断减小,并且逐渐趋于稳定。在相同的开采时间节点上,距离井口位置越远,孔隙压力越大,并且孔隙压力下降的幅度越小。

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