稠油開采過程溫度與地層滲透率作用關系研究

周志軍，田陽陽，張小巖，劉露堯，張 偉

（1. 東北石油大學，黑龍江 大慶 163000； 2. 大慶油田采油二廠第四作業區，黑龍江 大慶 163000；3. 新疆油田公司風城油田作業區， 新疆 克拉瑪依 834000）

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稠油開采過程溫度與地層滲透率作用關系研究

周志軍1，田陽陽1，張小巖2，劉露堯3，張 偉1

（1. 東北石油大學，黑龍江 大慶 163000； 2. 大慶油田采油二廠第四作業區，黑龍江 大慶 163000；3. 新疆油田公司風城油田作業區， 新疆 克拉瑪依 834000）

摘 要：稠油開采過程中，地層溫度的劇烈變化會改變地層骨架結構，使得地層滲透率重新分布，影響原油的滲流。反過來，地層滲透率的改變也將影響原油的滲流，從而改變溫度場的分布。以三場耦合機理為基礎，通過數學模型的建立及物理模擬實驗研究溫度對滲透率的影響，準確研究稠油開采時地下溫度和地層滲透率的相互作用關系。結果表明：滲透率越高，溫度場傳播越快；相同條件下地層整體溫度也越高。研究成果對于有效開發稠油油藏具有指導意義。

關 鍵 詞：稠油油藏；溫度；滲透率；有效應力

在常規油藏開采過程中，由于溫度變化并不是很劇烈，往往忽略掉了地層溫度變化和地層滲透率之間的相互作用，對于稠油開采來說，這種忽略會導致研究結果的不準確甚至錯誤。

近年來，有部分學者研究了溫度對地層滲透率的影響，并取得了一些成果。賀玉龍［1，2］等研究了溫度和有效應力對砂巖滲透率的影響機理，通過不同溫度水平下的滲透率實驗發現砂巖滲透率隨溫度增大減小的規律；曾平［3］等全面評價了溫度、有效應力和含水飽和度變化對砂巖滲透率的影響，實驗測定了在不同條件下低滲透砂巖滲透率的變化規律。根據實驗結果定性地分析了溫度、有效應力和含水飽和度對低滲透砂巖滲透率的影響以及三者之間的相互作用關系。劉向君［4］等研究了低孔、高孔兩組低滲透砂巖巖心滲透率在溫度壓力共同作用下的變化特征，兩組低滲透砂巖的滲透率都表現出了較強的壓力、溫度敏感性，隨溫度、圍壓升高，滲透率都減小。還有一些學者對溫度影響地層滲透率的現象進行了研究［5-9］，各學者得到了比較一致的結論，但是很少有人研究滲透率對于溫度場分布的影響。凌露露等研究了地熱開采過程中滲透率對溫度場的影響，其研究成果和方法值得借鑒。本文意在研究稠油油藏溫度與地層滲透率的相互作用關系，先通過物理實驗觀察有效應力作用下溫度對巖石滲透率的影響，驗證相關學者的研究成果；然后通過建立數值模型，模擬滲透率對溫度場的影響，觀察不同滲透率水平下溫度場的分布規律。

1 地層滲透率對溫度場分布的影響

1.1 模型建立

先采用ADINA的CFD模塊建立流體模型；然后，采用ADINA的Structures模塊建立結構模型；最后采用FSI流固耦合求解器進行求解運算。因為涉及到溫度場，所以建立流體模型的時候應當考慮熱交換；地層為多孔介質，因此建立流體模型和結構模型都應當選中Includes Porous Coupling選項，同時兩個模型都應當設置相同的初始溫度條件。

取注入井鄰井地帶為模擬對象，以流體模型為例，整個模擬地層分為三段，上、下兩段為蓋層和底層，中間為油層，左端為注入端。圖1為所建立的流體模型。

圖1 流體模型Fig.1 Fluid model

1.2 結果分析

保持其他模擬參數不變，改變地層滲透率，設計1×10-3、5×10-3、10×10-3μm2三組模擬方案，圖2-4是溫度場云圖。

圖2 地層滲透率為1×10-3μm2時溫度場分布Fig.2 Formation permeability is 1×10-3μm2temperature field distribution

圖3 地層滲透率為5×10-3μm2時溫度場分布Fig.3 Formation permeability is 5×10-3μm2temperature field distribution

圖4 地層滲透率為10×10-3μm2時溫度場分布Fig.4 Formation permeability is 10×10-3μm2temperature field distribution

比較可以發現，相同流體注入溫度條件下，地層滲透率越大，溫度場傳播越快。地層滲透率為1 ×10-3μm2時，溫度場的變化只波及到近似一半的研究區域，而地層滲透率增大為10×10-3μm2時，溫度場的變化幾乎波及整個研究區域，差異非常明顯。每幅圖中，蓋層和底層的溫度場傳播要比中間油層的慢，可以看見很明顯的分界。

為了更加直觀的觀察溫度場隨空間的分布狀況，選擇垂直于z方向、位于模型中部的一條直線路徑進行分析研究。從ADINA的Post-Processing后處理模塊輸出直線上所有節點溫度在最后一個時間步的數值，然后用Excel軟件繪圖，得到圖5所示的不同滲透率下溫度場的空間分布曲線圖。

圖5 不同滲透率下溫度場的空間分布Fig.5 The spatial distribution of temperature field under different permeability

可以看出，離注入端越遠，地層溫度越低，越接近原始地層溫度；離注入端越近，地層溫度越高，越接近注入溫度。地層滲透率越高，地層整體溫度也越高，這是因為滲透率高的地層，注入流體侵入比較容易。

2 溫度對地層滲透率的影響

2.1 巖樣制備

試料采用鉆井取心所得的巖心，在取料和試樣制備過程中，應當特別注意，不允許人為裂隙出現。實驗采用圓柱體作為標準試樣，直徑為40 mm，允許變化范圍為38～42 mm，高度為50 mm，允許變化范圍為48～52 mm。試樣必須滿足：在試樣整個高度上，直徑誤差不得超過0.3 mm；兩端面的不平行度，最大不超過0.05 mm；端面應垂直于試樣軸線，最大偏差不超過0.25。測定試樣的密度分布在2.50～2.60 g/cm3之間，平均2.55 g/cm3；含水率約為19.3%。

2.2 實驗設計

實驗使用巖心流動實驗儀，以達西定律為原理進行實驗測量。實驗依據熱水驅和蒸汽驅的溫度范圍總共分5個溫度段：22（常溫）、60、90、120、150 ℃，有效應力范圍總共分為5段：10、20、30、40、50 MPa。分別測量并計算各溫度和有效應力下試樣的滲透率。

實驗時先加熱恒溫箱至預定的實驗溫度，然后緩慢施加圍壓到預定壓力，送液使之通過巖心，記錄該圍壓水平下的巖心穩定滲流量，然后調節圍壓至下一水平進行測試，如此重復實驗完成所有預定圍壓下的實驗。升高溫度至下一水平，直至完成所有實驗。

實驗完成后，根據記錄的圍壓和孔隙水壓力計算有效應力，由達西定律計算滲透率：

式中：L — 試樣的高度；

A — 試樣的截面積。

2.3 實驗結果

圖6 不同溫度水平下的滲透率—有效應力關系曲線Fig.6 Permeability under the different temperature levels -effective stress curve

圖6為不同溫度水平下的滲透率—有效應力關系曲線。從圖6中可以看出，當溫度水平一定時，試樣的滲透率隨著有效應力的增大而減小，初期遞減率較大，后期趨于平緩。之所以會出現這種變化趨勢是因為巖石試樣被壓縮，并且初期試樣壓縮系數較大，到后期試樣壓縮系數逐漸變小。

從圖7中可以看出，當有效應力水平保持一定時，隨著溫度的升高，巖石試樣的滲透率是逐漸減小的，這是因為溫度升高使得巖石骨架顆粒受熱膨脹，滲流空間被壓縮。另外，溫度升高后巖樣中粘土礦物的擴散、微粒的運移也可能引起巖石滲透率的降低。

圖7 不同有效應力水平下的滲透率—溫度關系曲線Fig.7 The permeability under different effective stress levels - temperature curve

3 結 論

當有效應力水平保持一定時，隨著溫度的升高，巖石試樣的滲透率是逐漸減小的；當溫度保持一定時，隨著有效應力的增大，巖石試樣的滲透率是逐漸減小的，并且初期遞減率較大，后期趨于平緩。對于稠油而言滲透率對于地層溫度的影響表現為地層滲透率越高，地層整體溫度也越高。

參考文獻：

［1］賀玉龍，楊立中.溫度和有效應力對砂巖滲透率的影響機理研究［J］.巖石力學與工程學報，2005，24（14）：2420-2427.

［2］賀玉龍.三場耦合作用相關實驗及耦合強度量化研究［D］.成都：西南交通大學，2003.

［3］曾平，趙金洲，李治平，等.溫度、有效應力和含水飽和度對低滲透砂巖滲透率影響的實驗研究［J］.天然氣地球科學，2005，16 （1）：31-34.

［4］劉向君，高涵，梁利喜.溫度圍壓對低滲透砂巖孔隙度和滲透率的影響研究［J］.巖石力學與工程學報，2011，30（2）：3771-3778.

［5］楊建平，陳衛忠，田洪銘，等.應力-溫度對低滲透介質滲透率影響研究［J］.巖土力學，2009，30（12）：3587-3594.

［6］劉均榮，秦積舜，吳曉東.溫度對巖石滲透率影響的實驗研究［J］.石油大學學報（自然科學版），2001，25（4）：51-53.

［7］梁冰，高紅梅，蘭永偉.巖石滲透率與溫度關系的理論分析和試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，2005，24（12）：2009-2012.

［8］Nasvi M C M，Ranjith P G，Sanjayan J.Effect of temperature on permeability of geopolymer：primary well sealant for carbon capture and storage wells［J］.Fuel，2014，117：354-363.

［9］D Yang，D Elsworth. Experiments On Permeability Evolution With Temperature of Oil Shale［J］.American Rock Mechanics Association，2012，97：132-137.

Research on Interaction Relationship Between Temperature and Formation Permeability in Heavy Oil Recovery Process

ZHOU Zhi-jun1，TIAN Yang-yang1，ZHANG Xiao-yan2，LIU Lu-yao3，ZHANG Wei1
（1. Northeast Petroleum University， Heilongjiang Daqing 163000，China；2. Daqing Oil Field company No.2 Oil Production Plant Fourth Operation Area， Heilongjiang Daqing 163000，China；3. Xinjiang Oilfield Company Fengcheng Oilfield Operation Area， Xinjiang Karamay 834000，China）

Abstract:In the heavy oil recovery process， the dramatic changes in the formation temperature will change the formation skeleton structure， making formation permeability redistribution to affect seepage of crude oil. In turn， the change of the formation permeability will also affect seepage of crude oil， thereby changing the distribution of the temperature field. Based on the coupling mechanism， through establishment of mathematical model and physical simulation， effect of temperature on the permeability was studied as well as interaction relationship between ground temperature and formation permeability in heavy oil recovery process. The results show that:the higher the permeability， the faster the temperature field propagation， the higher as the overall temperature of the strata under the same conditions.

Key words:Heavy oil reservoir；Temperature；Permeability；Effective stress

中圖分類號：TE 357

文獻標識碼：A

文章編號：1671-0460（2016）02-0390-03

基金項目：黑龍江省自然科學基金，項目號：E201333。

收稿日期：2015-10-25

作者簡介：周志軍（1966-），男，黑龍江大慶人，教授，博士，1990年畢業于大慶石油學院油藏工程專業，研究方向：從事油氣田開發技術工作。E-mail：sygc423@163.com。

通訊作者：田陽陽（1991-），女，研究方向：油氣田開發理論與技術。E-mail：815953117@qq.com。