岩石压力敏感裂缝的模拟方法与模型系统及应用

文档序号:9928735阅读:633来源:国知局
岩石压力敏感裂缝的模拟方法与模型系统及应用
【技术领域】
[0001] 本发明设及多孔介质渗流现象研究领域,尤其设及一种岩石压力敏感裂缝的模拟 方法与模型系统及应用。
【背景技术】
[0002] 世界上低渗透基质类油藏(包括低渗油藏、特低渗油藏、超低渗油藏、致密油藏等) 在新发现油藏储量中所占的比例已达60% W上,而运些油藏主要依靠裂缝提供产能。研究 发现,低渗裂缝性油藏具有强压力敏感特征,即开发过程中油藏内流体压力的变化会造成 基质岩块的胀缩和剪切变形,从而使基质岩块之间裂缝的开度发生变化,甚至使开启的裂 缝闭合,或者使油藏原始状态下闭合的"隐"裂缝开启,裂缝渗透率随着渗流场的变化而变 化,并对油藏开发过程产生显著影响。因此,裂缝的压力敏感性研究对低渗透类油藏开发具 有非常重要的意义。
[0003] 物理实验是油藏压力敏感研究的基础。现阶段,人们对裂缝压力敏感即油藏介质 变形的实验研究均采用天然岩屯、或与实际油藏岩石接近的岩石露头。但是此方法需要设计 实验压力等于实际油气藏压力(一般达几百个大气压),因此对室内实验要求条件极高,不 仅实施难度高并且容易出现安全事故。同时,由于实际油气藏岩石的变形非常微小,所W很 难直接观测到实验现象,无法获得较为直观的实验结果和认识。

【发明内容】

[0004] 本发明提供一种岩石压力敏感裂缝的模拟方法与模型系统及应用,用来克服现有 模拟方法实施难度高、实验现象难W直接观测的缺陷。
[0005] 本发明提供一种岩石压力敏感裂缝的模拟方法,使用设置有介质模型的模型系 统:
[0006] 所述介质模型至少具有一条裂缝;
[0007] 选择所述介质模型的材料使其杨氏模量Em、体积模量Bm和剪切模量Gm分别满足下 述式1~3,
[000引 式1
[0009] 式.艺
[0010] 式 3
[OOW 其中,Er为岩石的杨氏模量,Br为岩石的体积模量,Gr为岩石的剪切模量,A Pr为岩 石孔隙内压力的最大变化值,dr为岩石中的裂缝间距,APm为介质模型孔隙内压力的最大变 化值,dm为介质模型中的裂缝间距。
[0012]本发明的模拟方法可W通过一包括介质模型的模型系统实施,并且该介质模型至 少具有一条裂缝。本发明的模拟方法主要解决的问题是如何放大岩石裂缝的可变形性,从 而通过观察介质模型中裂缝的变化而对实际岩石裂缝在受到流体压力作用后发生变化的 情况进行预测。经过发明人的大量研究,当对介质模型的多孔材料进行限定,使材料具有可 渗透性的同时还满足介质模型材料的弹性模量小于岩石的弹性模量,便能够通过介质模型 对岩石进行有效模拟,因此介质模型材料的杨氏模量Em、体积模量Bm和剪切模量Gm需要分别 满足式1~3,满足该比例关系式的介质模型材料不仅能够实现对岩石裂缝在受到流体压力 作用后的开合状态变化的客观模拟,还能够放大岩石裂缝的变形特征,从而减小测试结果 的相对误差,并且由于介质模型的弹性模量远远小于岩石的弹性模量,因此在模拟实验中 无需对介质模型裂缝的施W过大压力便可实现裂缝的形变需求,明显降低了实验条件,提 高了模拟实验的可实施度。
[0013] 进一步地,上述模拟方法还包括:在输入压力Pi下,将流体W流速Q输入所述介质 模型中至所述介质模型饱和;当所述介质模型中流体饱和后,在采出压力P2下,将所述流体 W流速Q从所述介质模型中采出,根据式4得到所述裂缝的渗透率kf,
[0014]
试 4
[0015] 其中,所述介质模型的宽度为d,高度为h,长度为L,ko为所述介质模型材料的渗透 率,D;Q为流速,ml/s;y为流体粘度,mPa ? s;A = h ? d,cm2,;
[0016] 具体的,在输入压力Pi下,向满足上述关系式I~3的介质模型W流速Q注入流体, 由于介质模型具有一定体积,因此当流体充满介质模型后,再W采出压力P2将介质模型中 的流体W同样的流速Q采出,通过式4便可计算出介质模型裂缝在具体压力条件下的渗透 率,从而为岩石裂缝的压力敏感度的研究提供有力的支持。其中,介质模型孔隙内压力就是 模型内流体的压力。
[0017] 本发明并不限制裂缝的具体数目W及方向,如果介质模型中具有多条无规则方向 的裂缝,通过本发明得到的裂缝渗透率则是在该压力条件下,集合多条裂缝的介质模型在 多裂缝作用下的总的裂缝渗透率。
[0018] 本发明的模拟方法通过对介质模型材料进行限定,能够在较小压差的条件下,实 现裂缝变形特征的放大,不仅能够通过肉眼直观观测到裂缝的形变过程,而且能够使测量 结果的相对误差减小,进一步提高对岩石裂缝的模拟准确度。因此,本发明通过建立介质模 型材料的选取准则,实现了对岩石裂缝压力敏感性的现象的直观观察W及定量测试,为裂 缝性油藏介质压力敏感研究提供了参考基础,该模拟方法不仅能够用于油气田的开发研 究,还适用于其他与渗流现象有关的研究领域,例如煤矿瓦斯排采研究、水利工程研究等。
[0019] 进一步地,所述介质模型的材料为强可压缩易变形的多孔介质材料。由于本发明 的介质模型代替实际岩石,为了放大裂缝的形变特征,因此介质模型的材料需要具有强可 压性和易变形,从而能够克服岩石压缩性小、变形不明显的特点。并且介质模型材料的多孔 性能够满足流体在介质材料中具有一定的渗透性。
[0020] 进一步地,所述介质模型的材料为苯乙締泡沫板。苯乙締泡沫板又称为EPS泡沫 板,是一种强可压缩易变形的多孔介质材料,其不仅满足式1~3并且可W通过改变其密度 得到不同压缩性的EPS泡沫板。其中,苯乙締泡沫板的主要物理参数见下表1。
[0022]
[0021] 表1苯乙締泡沫板的主要物理参数
[0023]
[0024] 进一步地,所述流体选自水、油和空气中的一种。
[0025] 进一步地,所述模型系统还包括一能够容置所述介质模型的外壳,所述外壳的宽 度与所述介质模型的宽度匹配,所述外壳的高度与所述介质模型的高度匹配,所述外壳的 长度大于所述介质模型的长度,所述外壳设有入口和出口;沿所述壳体的长度方向,所述入 口和出口分别在所述介质模型的两侧。
[0026] 为了使外壳的宽度和高度分别与介质模型的宽度和高度相匹配,外壳的内部宽度 应该等于介质模型的宽度,外壳的内部高度应该等于介质模型的高度,从而使容纳在外壳 中的介质模型在宽度和高度方向的共四个面分别与外壳对应的四个面无缝贴合,而外壳的 长度可W比介质模型的长度大5cm~10cm。作为优化选择,可W将介质模型置于外壳的中 部,从而使介质模型在长度方向上的两侧与外壳的距离相同,有助于流体的稳定流动。
[0027] 为了便于流体的采出和输入,可W沿所述壳体的长度方向,在介质模型的两侧分 别设置一孔,其中一个为入口,另外一个为出口,除了出入口外,外壳上无其它孔实现介质 模型与外界的连接。优选的,可W将入口和出口设置在同一水平面线上,当入口和出口在同 一水平面上时,外壳内部不会因为出入口的高度差使介质模型内部的流体产生压力差,从 而保证流体流动的稳定性和测试的精确性。具体实施模拟实验时,先将流体注入模型系统 内使之饱和介质模型,然后在输入压力Pi、采出压力P2下,将流体W稳定流速Q通过所述入口 输入至所述介质模型中,并从出口采出,此时的流体流速Q由注入压力和采出压力决定。可 W想到的是,当介质模型外部具有一外壳时,能够简易实验操作,并且为了便于观察介质模 型的形变,可W选用透明有机玻璃作为外壳的材料。
[0028] 本发明还提供一种用于实现上述任一项所述模拟方法的模型系统,包括:
[0029] 介质模型,所述介质模型上具有至少一条裂缝;
[0030] 外壳,所述外壳能够容置所述介质模型,所述外壳的宽度与所述介质模型的宽度d 匹配,所述外壳的高度与所述介质模型的高度h匹配,所述外壳的长度大于所述介质模型的 长度L,所述外壳设有入口和出口;沿所述介质模型的长度方向,所述入口和出口分别在所 述介质模型的两侧。
[0031] 同样的,该介质模型的材料选择应该满足上述关系式1~3,并且介质模型的材料 为强可压缩易变形的多孔介质材料,优选为聚苯乙締泡沫板。当介质模型的尺寸确定后,可 W选用透明有机玻璃制作外壳,外壳的内部宽度应该等于介质模型的宽度,外壳的内部高 度应该等于介质模型的高度,而外壳的长度可W比介质模型的长度大5cm~10cm。
[0032] 作为优选的,可W将介质模型置于外壳的中部,从而使介质模型在长度方向上的 两侧与外壳的距离相同,由于外壳的长度大于介质模型的长度,所W在长度方向上介质模 型的两侧与外壳的两侧分别具有一定的空间,也就是说,当流体由入口进入壳体时,并未直 接进入介质模型,而是充满一侧空间后再进入介质模型,同样的,当流体穿过多孔介质模型 后,也是先浸满另一侧空间后才由出口采出,因此该外壳尺寸与介质模型的尺寸关系对流 体在整个实验过程中起到了缓冲的作用,进一步加强了整个实验体系的稳定性。同时为了 进一步保证流体流动的稳定性和测试精确度,可W将出入口设置在同一水平线上。
[0033] 本发明提供的岩石压力敏感裂缝的模型系统构成简单,通过对介质模型材料的限 审IJ,使介质模型能够在客观模拟岩石的同时,放大岩石裂缝的变形特征,减小测量结果的相 对误差,使裂缝的压力敏感参数的测量更加客观准确,并且本发明的模型系统能够使实验 者通过肉眼观测到裂缝的形变过程,因此对裂缝的压力敏感性研究具有显著的科研价值。
[0034] 进一步地,所述介质模型中,30cm < d < 100cm;30cm < L < 100cm;5.0cm < h < 10cm。
[0035] 进一步地,还包括注液管和采液管,所述注液管的出口与所述入口连接,所述采液 管的入口与所述出口连
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