壓裂增產(chǎn)后的毛細(xì)管弛豫效應(yīng)

曹 耐 張洪亮 叢海龍 韋 婉 侯曉晨

（1.中國石油大學(xué)（北京），北京 102249；2.北京大學(xué) 地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京大學(xué)石油與天然氣研究中心，北京 100871；3.勝利油田東勝信遠(yuǎn)公司，山東 東營 257067）

1 介紹

非常規(guī)儲層固有滲透率很低， 毛細(xì)管壓力會產(chǎn)生弛豫效應(yīng)，進(jìn)而影響飽和度和相對滲透率的變化，連續(xù)流體或達(dá)西流體的假設(shè)不再適用，建立準(zhǔn)確的進(jìn)行水力壓裂模擬需要考慮非達(dá)西流和非平衡的影響。

本文利用多種管徑的毛細(xì)管組成綜合滲透介質(zhì)對通過狹窄毛細(xì)管束的流體流動進(jìn)行模擬。 通過觀察毛細(xì)管壓力和相對滲透率的瞬時變化的漸進(jìn)關(guān)系獲得穩(wěn)態(tài)的限定條件。 利用現(xiàn)有的公式解釋納米級毛細(xì)管中兩相流的毛管弛豫效應(yīng)。

2 毛細(xì)管束中毛管力的瞬時特性

在垂直單細(xì)毛管中，假設(shè)流體為不可壓縮的牛頓流體，潤濕相的增加可描述為：

假定流態(tài)為層流，地層為強水濕，則適用于擬穩(wěn)態(tài)流體的Lucas-Washburn 方程可化為：

在毛細(xì)管的半徑達(dá)到閾值時，時間變化為零，達(dá)到穩(wěn)態(tài)，解析解為：

突破半徑可定義為：

平衡狀態(tài)僅在毛管半徑趨近零時才能達(dá)到， 此時解析方程為：

式中，參數(shù)a 無物理意義，由于在濾失過程中沒有半徑閾值，突破半徑為：

以上解析解與Schoelkopf 等人（2000）提出的分析結(jié)果具有很好的一致性。

3 飽和度、毛管壓力、相對滲透率弛豫

3.1 非平衡態(tài)飽和度、毛管壓力、相對滲透率

非平衡態(tài)毛管壓力的計算可以基于突破半徑進(jìn)行， 毛管束出口段相對滲透率會隨時間變化。 由于毛管半徑是呈對數(shù)正態(tài)分布的，濕相流體相對滲透率表達(dá)式為：

驅(qū)替流體相對滲透率為：

由此可得非平衡態(tài)弛豫效應(yīng)影響下的毛管壓力、 相對滲透率和飽和度。

3.2 平衡態(tài)飽和度、毛管壓力、相對滲透率

毛管壓力、 相對滲透率和飽和度在非濕相驅(qū)替濕相的吸吮過程中以漸進(jìn)趨勢達(dá)到穩(wěn)態(tài)。 因此，在吸吮過程中應(yīng)使時間趨于無窮來計算這些物性的穩(wěn)態(tài)形式，則有：

3.3 毛管壓力弛豫、弛豫時間

毛細(xì)管弛豫可以用飽和度的直接弛豫進(jìn)行模擬（Barenblatt et al.2003），飽和度隨時間的變化依賴于平衡時間與弛豫時間的偏差：

其中：τ是弛豫時間。 在驅(qū)替過程中被設(shè)為常數(shù)。 Andrade et al.（2010，2011）給出了巖心驅(qū)替實驗?zāi)M中該方法的參數(shù)調(diào)整。 而Hanspal 和Das2011 年提出飽和度隨時間的變化與平衡態(tài)下毛管壓力偏差相關(guān)：

從而可得毛管力的弛豫公式：

方程16、17 可用在油藏模擬中的非常規(guī)儲層非濕相驅(qū)替濕相時弛豫效應(yīng)的影響模擬。

4 結(jié)論

1) 極細(xì)毛細(xì)管中的近壁作用極大的改變了流體的臨界性質(zhì)，流體臨界性質(zhì)的改變進(jìn)一步引起了其他性質(zhì)的變化，如界面張力、粘度、流動阻力、實際氣體狀態(tài)等。

2）對應(yīng)于非常規(guī)儲層滲透率變化范圍（1μD-150μD）飽和度、毛細(xì)管壓力和相對滲透率弛豫效應(yīng)過大。

3）當(dāng)多孔介質(zhì)滲透率降低時，弛豫效應(yīng)更顯著。

4）弛豫效應(yīng)時間的解析解和它相應(yīng)的毛管壓力弛豫現(xiàn)象可以融入現(xiàn)有的解釋非潤濕相驅(qū)替潤濕相的弛豫效應(yīng)的模擬軟件中。

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