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Hydrocarbon-water-rock非常规储层的交互

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体积 2021年 |文章的ID 8265962 | https://doi.org/10.1155/2021/8265962

香港,海阳,奈曹,他田,Shiqing Cheng Shiying Di, 多尺度的三维数值模拟骨折和异构非常规油藏中多相流耦合的分形特征”,Geofluids, 卷。2021年, 文章的ID8265962, 15 页面, 2021年 https://doi.org/10.1155/2021/8265962

多尺度的三维数值模拟骨折和异构非常规油藏中多相流耦合的分形特征

学术编辑器:Tivadar m·托斯
收到了 04年6月2021年
接受 02年9月2021年
发表 2021年10月12日

文摘

模拟储层模型,基于渗透率的分形模型和三维(3 d)高斯滤波器,建立了占层内和层间非均质性,结果符合地质规律的统计数据。结合嵌入式离散裂缝(EDFM)方法,建立了多尺度断裂系统,形成多相流的数值模拟方法在异构水平井储层复杂骨折。水库的异质性和饱和度混合五点的垂直和水平模式的注入和生产井和水平井进行了讨论。结果表明,很难描述复杂的水库使用齐次渗透率模型。因此,最好使用一个异构模型,认为致密储层渗透率差异。在多个阶段形成液体共存,含水饱和度有直接影响生产。因此,多相流模型是必要的,可以在注入和生产技术发挥更大的作用。垂直和水平水井的混合五点模式在一定程度上可以提高生产力,但异质性的双重影响,压裂将导致产量下降,加速注入流体的沟通。储层井之间的异构,对邻井有不同的影响。因此,near-well自然裂隙被打开,因为水平井压裂的异质性是不容忽视的,尤其是当多个井同时注入和生产。

1。介绍

非常规储层通常是异构的,特点是低孔隙度和渗透率和自然裂隙。水平井压裂通常用于提高生产力,使骨折的主要渠道迁移等水库(石油和天然气1- - - - - -3]。因为骨折的重要性,它是至关重要的,提高数值模拟的准确性和适用性的多孔介质与骨折(4- - - - - -6]。

近年来,许多学者研究和裂隙多孔介质的数值模拟,开发和使用最广泛的模型是等价的连续介质模型和离散裂缝模型(DFM) [7]。然而,考虑到等效连续介质模型无法描述的差流骨折,DFM不足在复杂骨折的网格生成(8- - - - - -10]。李等人。11)和Moinfar et al。12)提出了嵌入离散裂缝法(EDFM)。该方法可以大大降低计算成本,适用于复杂骨折模型通过将裂缝网格嵌入到矩阵网格,然后构建流交换矩阵和断裂系统之间通过不相邻的链接。燕et al。13)应用数值模拟的EDFM基质渗透率的各向异性。邵和迪14开发了集成EDFM。基于EDFM, Zhang et al。15)建立了一个三维模型的多级水力压裂水平井的紧水库、重力和应力敏感性的影响。Fiallos et al。16)使用EDFM来研究井间干扰对生产率的影响。朱et al。17)设计一个基于角落EDFM网格和精制near-well区域电网。Rao et al。18)开发了一个EDFM预处理算法对任意形状。EDFM可以说是最有前途的方法数值模拟多孔介质的骨折,但它仍然有问题。许多学者报道,有效模拟EDFM适用于复杂骨折的骨折,虽然他们通常忽略了裂缝尺度。储层模型和网格通常规模大(网格可能代表几十米)。EDFM的使用可以有效地代表在大规模骨折,但是考虑到天然裂隙的水库将增加裂缝建模的复杂性。此外,矩阵在大多数数值模型被认为是均匀的,这是完全不同于真正的系统。因此,它是非常重要的找到一个方法,可以降低计算难度在非常规油藏的数值模拟储层的复杂性。

一般来说,缺乏实际的地质模型,所以大多数研究者将不同的渗透率值分配给不同的层或用随机数缺乏物理意义异构建模的水库(19]。在实践中,储层非均质性是geo-statistics1的原则。不幸的是,这往往是被忽视的数值模拟的简化的目的。此外,许多研究人员已经建立了非常详细的模型来描述多孔介质的孔隙度和渗透率之间的关系20.- - - - - -23]。然而,大多数模型使用渗透率的理论计算和相应的假设过于理想化。

提出了分形几何在曼德布洛特和惠勒在1970年代迅速发展后,24]。研究对象有三个明显的特点:(1)它属于大自然,(2)其形态不规则和不稳定的,和(3)自相似性的特点(25]。除了这三个特性,一般分形几何研究结构在本质上,不能用传统的几何描述。分形结构,储层的孔隙结构非常适合于分形几何的研究由于其微观非均质性(26]。许多学者发现,岩石的孔隙微观结构满足自相似性的分形特征,分形几何理论已广泛应用于多孔介质中的传播特性的研究(如渗透率)(27]。Yu和程28)简化了复杂的孔隙大小分布根据分形理论和分形bidispersed多孔介质的渗透率模型,提出了一种解决缺陷的直径等于原c方程。陈和姚29日)提出了一个分形渗透率模型,从理论上推导出基于分形几何理论考虑束缚水饱和度。董et al。30.)使用一种改进的二进制图像数据的统计算法来估计每个孔隙的几何参数如周长、面积来确定孔隙微观结构的分形参数。传统的微孔结构参数之间的关系模型和macropermeability被修改。因此,它是一个有意义的工作扩展分形渗透率模型的数值模拟。

这项工作的主要目的是结合自然造成的异质性与分形裂隙渗透率模型和三维矩阵的高斯滤波器,从而导致模型符合统计规律。在大规模使用EDFM,骨折和人工骨折形成多尺度断裂系统,建立了该解决方案的决定基于开源的框架水库模拟器黑油模型在MATLAB仿真工具箱(MRST) [31日]。通过比较与模型建立了张的正确性提出模型的简化均匀版本验证。磁导率和饱和度的影响生产力均质储层的裂缝水平井进行了讨论。然后区域异质性的影响,层间非均质性对水平井产量进一步讨论。此外,混合五点的注入和生产模式的垂直和水平相邻水平井井和复杂的储层条件下模拟演示模型的潜力。异质性的影响和多尺度骨折在注采从而从理论上进行了分析,为反向提供指导生产数据的解释和澄清的主要控制因素生产。

2。数学模型

2.1。控制方程

基于物质平衡原理和达西定律,得到了多相流的质量方程,奠定了理论基础的介绍嵌入式离散裂缝模型(EDFM)。 在哪里 代表不同的液体。在本文中,油相、水相为下标 ,分别。 , 体积因素; 孔隙度(%); 代表流体饱和度(%); 流体的粘滞性(mPa·s);k绝对磁导率(μ2); 相对渗透率(μ2); 压力(MPa);和 源项( )。每个阶段的饱和度满足的方程 流体的压缩系数 在哪里 是液体的等温压缩系数(1 / MPa)。因此, 在方程(1)可以表示为 在哪里 参考体积系数和吗 参考(MPa)的压力。

2.2。嵌入离散裂缝模型

由于岩石力学性能的影响,构造应力,nonrock机械层,厚度和水力压裂,致密储层中的裂缝系统通常具有多尺度特性(32]。骨折的影响不同尺度渗流系统显然是不同的。根据长度、宽度、孔隙度和渗透率的天然裂缝,它们可分为大骨折中骨折,骨折,裂隙(33]。由于裂隙网格划分的难度,造成的物理性质差异矩阵简化为异质性。水力压裂技术可以产生多尺度液压骨折。自然和液压骨折都是EDFM的特征。这意味着骨折不同大小由差异化设置基于物理特性(孔隙度、渗透率和填充度)。

通过使用EDFM,矩阵直接分为结构性网格;然后,骨折嵌入基岩网格系统,形成和nonneighboring连接(NNC)根据骨折的交集和矩阵,从而实现网格之间的流量交换相邻的物理模型计算一个但不相邻。因为这个模型避免了细化网格的骨折,其计算速度大大提高,尤其是在处理复杂的断裂分布,它更明显优于离散裂缝模型(4,7,12]。注意,裂纹在尺寸上减少 流之间的交换矩阵和断裂系统,可以获得以下方程(34]: 在下标 ,分别代表了矩阵和断裂系统; 是矩阵之间的流量交换系统和断裂系统; 骨折之间的流量交换; th th分别断裂; 的导热系数矩阵和断裂; 是骨折的导热系数;和普通导热系数计算公式不相邻连接(15] 在哪里 是NNC的渗透,即有效渗透率( ); 是NNC副的接触面积,即流区(m2);和 是相关的特征距离(m)。更详细的理论方法EDFM Moinfar的可以在报纸上找到35]。

2.3。异质性的矩阵

1扫描电子显微镜图像块的长庆紧水库。天然裂隙是储层分布广泛,严格矩阵和天然裂隙的渗透性显著不同(36,37]。在大规模EDFM适用于骨折,而天然裂隙在相对较小的尺度和有一个复杂的分布。在这个工作中,渗透率差异引起的自然裂隙被认为是在数值计算的成本最小化最大程度。因此,天然裂隙的异质性是等价的矩阵建立异构储层符合自然裂隙渗透率差异和紧密的矩阵。

为了描述非均质储层的孔隙度和渗透率有一定的分布规律,首先,基于广泛使用的高斯模型,建立了多相孔隙度场根据孔隙度范围内,平均孔隙度和标准差。然后,为了描述相对应的渗透率场非均匀孔隙度,根据描述的复杂的孔隙结构特征的分形特征。更详细的实际储层获得的数据,建立异构的更现实的领域。这个过程也适用于其他异构水库的方法,如非高斯领域。

2.3.1。三维高斯滤波器

高斯滤波器是一个线性平滑滤波器,这是广泛应用于图像噪声减少过程(38]。高斯滤波的具体操作是使用模板扫描矩阵中的每个元素(这里指的是每个网格)和替换模板的核心网值的加权平均价值网的价值在附近由模板。

异构域建立工作是通过卷积的一个随机正态分布和高斯滤波器(模板)。三维高斯函数 在哪里 标准偏差;本文中的默认值是0.6。根据方程(7),非均匀孔隙度可以获得。

2.3.2。分形渗透率模型

很难建立一个令人满意的模型来准确描述之间的关系复杂储层多孔介质的孔隙结构和物理特性。Kozeny-Carman (KC)方程是一种常用的经验公式来表达储层渗透率,这已被许多学者[扩展和修改39,40]。本文建立的渗透率的分形模型郑和李41],考虑比表面的影响,选择描述储层渗透率的非均质性。 在哪里 是多孔介质孔隙结构的分形维数反映了孔隙结构的复杂性; 是曲折迂腐; 是最小和最大孔隙半径的比值在多孔介质中,代表等效孔隙半径的差异之间的紧密的矩阵和自然裂隙;和 是特定于多孔介质的表面( )。

3所示。模型验证

开源水库MATLAB仿真工具箱(MRST)被用来解决这个问题31日),自动微分模块的耦合,黑油模型,EDFM骨折模块,实现了分形模型。两点通量的控制方程离散化近似有限体积方法。向后欧拉计划用于时间离散化。NNC操作符是嵌入到黑油模型实现的解决方案框架流模拟。图2展示了主要的框架和解决方案的过程。

首先,为了验证该模型的准确性,是简化为单相均匀版本和文献[建模的结果相比15]。模型验证是一个矩形的水库 水平井是四级压裂后进行定压生产。的主要参数与文献中是一致的。仿真结果图3的结果表明,本文建立的模型同意传统的均匀模型,综合误差小于5%。在非常规油藏,水平井压裂是用于执行耗尽与较低的整体复苏发展,在快速下降是早期所示;低生产后期的维护。

因此,一些增强复苏(采油)技术,如注水、注气发怒,和泡芙,也采用生产(42]。然而,报告相关工作参考显然并不适用于他们只需要考虑单相均匀模型。这项工作中给出的模型可用于模拟同构和异构水库、单相或多相流和复杂的三次采油技术,显示出巨大的应用潜力。

4所示。结果与讨论

在本节中,两个同构和异构水库被认为,有一个深讨论物理性能,饱和,层内非均质性、层间非均质性,和三次采油技术的例子(混合五点的注入和生产模式的垂直和水平附近井和水平井,等等)来说明适用性,模型的鲁棒性和性能。

4.1。均质储层
以下4.4.1。不同渗透率的矩阵

为了说明讨论矩阵异质性的必要性,在均质储层基质渗透率的影响首先是讨论。基本参数设置如表所示1。水平井网的图,在不同的时间生产曲线和压力分布如图所示4。三种不同的基质渗透率的影响与一个小差异裂缝水平井的生产讨论了齐次水库。从结果可以看出,尽管基质渗透率差异很小,有一个显著的差异在水平井的生产初期的快速下降。主要原因是流断裂和矩阵之间的交流和交往断裂和井孔的能源供应在这个阶段。基质渗透率越大,越早期生产阶段。后期,有一个线性下降的主要能源供应是矩阵,和差异逐渐减少。当渗透率差异很小,采用单一的渗透率将导致一个大错误。当天然裂隙的致密储层广泛分布的、由单一特征的局限性渗透率将更加明显;因此,异构模型考虑渗透率差异更符合实际情况。


参数 价值 参数 价值

物理尺寸(m3) 网格生成
密度(公斤/米3) 800年 饱和度(%) 80年
粘度(mPa·s) 20. 压缩系数(MPa1) 104
基质渗透率(103μ2) 0.5,0.6,0.7 数量的骨折 9
基质孔隙度(%) 10 骨折半身像(m) 50
裂缝渗透率(μ2) 50 初始压力(MPa) 35
水平井长度(米) 600年 井底压力(MPa) 20.

4.1.2。不同饱和度的矩阵

一般来说,储层中的流体共存在多个阶段,包括油相、地层水和溶解气体(本文不考虑)。在油井的实际生产,合作生产的水和油会发生。因此,束缚水饱和度设置在本节中是35%,和残余油饱和度为25%。储层的含油饱和度比较63%(方案1)和60%(方案2),基质渗透率的设置 3μ2和其他参数设置如表所示1。通过模拟如图5

最初的石油产量的两个方案都是一样的。含油饱和度越低,初始生产下降越快。这样的整体生产低含油饱和度低。当含水饱和度高束缚水饱和度、水生产将发生在石油生产。在方案1中,含水饱和度为37%,略高于束缚水饱和度。在这种情况下,活动只有少量的水生产很小,但随着含水饱和度的增加,水产量将大幅增加。方案1的平均含水率为10%,而方案2中的平均含水率为42%。在实际的水库,水生产也很常见43,44]。饱和度和相对渗透率的影响仿真结果上的油和水不能被忽视,特别是在一些三次采油方法(45- - - - - -47]。因此,该模型提出了可以应用于协同生产的复杂情况在实际生产的水和油。

4.2。异构的水库
4.2.1。准备层内非均质性

层内非均质性的特点是根据方程(7)和(8)和高斯滤波器;建立了渗透率场。的主要参数设置如表所示2


(%) (厘米2/厘米3)

1 0.06 ~ 0.12 1.7 2800年 0.08 3 32.99 0.08 ~ 0.7 8.75
2 0.06 ~ 0.12 1.7 2800年 0.04 3 11.66 0.2 ~ 1.9 9.50
3 0.06 ~ 0.12 1.7 2800年 0.03 3 7.57 0.3 ~ 2.9 9.67
4 0.06 ~ 0.12 1.7 2800年 0.02 3 4.12 0.6 ~ 5.3 8.83
5 0.06 ~ 0.15 1.7 2800年 0.03 3 7.57 0.3 ~ 5.7 13

孔隙度和渗透率之间的关系在不同比例下的最小值和最大值在多孔介质孔隙半径 如图6 被认为是严格的孔隙半径矩阵,然后呢 作为等效孔隙半径包含天然微裂缝特征。非均质性越强,越小的价值 ,和渗透率越高。的 在表2的值代表渗透率差异,这四种类型的例子可以达到10倍甚至更高,因此可以根据水库的实际情况合理的调整。生成的3 d渗透率分布场参数的设置在表1和32和相应的概率直方图如图7

相对应的生产通过模拟集1,2,3表2如图8,初始含油饱和度为80%。当 ,裂隙的渗透领域符合情况稀疏地分布在异构水库(整体渗透率小于 ),初始生产的低,表现出近似线性下降,结束了一个低累计生产。当 ,渗透率的分布范围宽,表明由于广泛分布的非均质性强骨折。初始生产在这种情况下是高,但生产的下降非常迅速,显示,非均质性造成的影响水平井生产的大前期和较小的后一个。

4.2.2。层间非均质性

单层的异质性只介绍了一层内非均质性,但垂直方向不容忽视的异质性。夹层存在垂直方向的实际水库(孔隙度和渗透率明显低于上部和下部层)。对生产带来的影响讨论了以下两种夹层在本节中:(一)储层的垂直方向分为十层的网格,其中1~ 3理查德·道金斯和8th~ 10th层具有很强的异质性与自然裂隙分布广泛,而4th~ 7th层相对较紧,这完全是夹层(b)储层的垂直方向分为10层的网格来表示5异构层,每个包含两层网格。13理查德·道金斯,5层在垂直方向有很强的异质性与自然裂隙分布广泛,而2nd和图4th层是致密层

上述两种情况下的渗透率分布和生产获得相应的模拟数据所示910

尽管储层模拟(一)只有一个夹层,厚度相对较大和集中。整体近似线性下降显示生产小初始生产。的总比例两个夹层占所有层,以防(b)是一样的(a),但由于夹层分为两层,与强大的非均匀层交替排列,最初的产量明显增加。生产这两个节目的后期有点区别。

4.2.3。注水模拟基于五点井网

严格的低孔隙度、低渗透率、储层采收率低和生产使用耗尽水平井的发展迅速下降。注水和注气一般用于提高生产力。

在本节中,讨论了建立多尺度断裂系统,其中包含微裂缝,裂缝在大规模和人工骨折,基于分形多层非均质油藏模拟。四个注水井设置在四个角落(以注水为例,注射速度20米3/ d)。与外部能源供应和水平井的生产力是探索利用五点井网。网格的注入和生产、渗透率分布和水饱和时的初始饱和度80%,生产300天的数据所示11(一)和11分别(b)。结果表明,注水的前沿的差异大的四个注水井由于异质性。当水达到大规模的断裂或人工裂缝,它很快就会流到骨折,这将直接影响水平井的水突破时间。图11(d)显示了生产曲线在不同饱和度。而枯竭的开发、生产曲线hump-shaped由于外部液体补充地层能量的注入。当初始含油饱和度为80%,将会有一个无水的时期,它的长度取决于水与生产井的裂缝或故障。在这种情况下,骨折是广泛分布;含水上升的s形曲线。

当初始含油饱和度为60%,从开井生产发生的水,含水达到43%左右。虽然也是hump-shaped生产曲线,它显然是更低,达到峰值后下降,含水曲线没有无水的时期。

4.2.4。注入和相邻的水平井的生产

上述案件的例子使用恒压生产,在本节中,三个相邻的水平井进行了讨论。中间一个是注入井50米的速度3/ d,另两个是在不断的生产方式与生产25米3/ d。在这种情况下,主要目的在注采连通比较异质性的影响。

同时,安排两个夹层。在图12网格(a)所示;渗透(b)所示,显示一个红色部分与相对较高的渗透率之间的注入井和生产井2;相同的部分有一个相对较高的含水饱和度(c)所示,表明更好的注入井和生产井之间的连通性;生产曲线得到的仿真(d)所示;它可以直接观察到生产井的水突破时间2是生产井的早于1。由于异质性的影响,石油产量的下降和上升的水生产曲线起伏的但不是在前面的情况下那样光滑。这说明了需要考虑异质性在模拟模式,沟通的流体注入将进一步加速,如果存在一个断裂带与连接在某些程度上。

4.2.5。高度异构的水库

前面的例子显示财富非常规储层的情况下,本节将重点介绍如何构建水库与高度非均质储层渗透率的差异,可以达到超过106在真正的水库,这是一个常见的问题。众所周知,水库信息通常是有限的。假设孔隙度的信息是已知的,SPE10而言,该方法被用来建立渗透率。

如图(13日),有一个显著差异在上下两层之间的物理性质的水库,这意味着渗透率显著差异。为了了解储层的分形特征,初步渗透领域首次建立了整个储层通过方程(8)。值得注意的是,我们有分段渗透领域,这意味着不同渗透率的分形特征字段不同孔隙度间隔如图13 (b)。与实际还有一个大错误。然后考虑岩性的差异,我们也进行了分层和岩性渗透率场重建。这意味着,不同层次、不同岩性的分形特性是不同的。然后,几个调整最后形成渗透率场如图13 (d)这是接近实际的渗透率场。

回顾这一过程,我们有更多的信息,更好的创建现实的异构水库。然而,当目标储层信息是失踪,只有地方特色,拟合得到的分形参数和未知区域的孔隙度和渗透率字段建立了使用方法。当然,本文的方法也有局限性。当前的高斯方法主要是未知的领域,但这一过程也适用于其他方法。有必要选择一个合适的目标储层的方法。更多的信息我们有高度异构的水库,我们越接近实际的地质特征。

5。结论

本文基于模型,储层非均质性,饱和,五点井网的混合垂直和水平水井,注入和水平井的生产,和高度异构进行了讨论。结果表明,地层流体多相共存和含水饱和度有直接影响生产;模型提出了适用于复杂形势合作生产石油和天然气的实际生产过程中,可能产生更多的注入和生产技术的价值。

快速下降发生在水平井的开发和消耗。垂直和水平水井的混合五点模式可以提高产量,但异质性的双重影响,压裂注入液体会导致相互的交流,导致生产力的快速下降。

注采井间注采连通影响数值模拟的模式。Near-well自然裂隙被打开,因为压裂水平井的异质性是不容忽视的,直接影响水入侵的时间。

然而,储层的特征,尤其是骨折的三维参数和复杂的非常规储层物理力学,一直是一个挑战。这个模型只适用于某些情况下,非均质性并不是充分的考虑。生产力在不同储层预测场景还有待探索。准确的生产力的预测是一个有趣的和具有挑战性的课题,需要工作。

数据可用性

可以按照客户要求所有的数据都包含在本研究通过与相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者感谢金融支持中国的国家自然科学基金(批准号51874317和51874317),中国石油天然气集团公司的战略合作技术项目和CUPB (ZLZX2020-02)和中国石油大学的科学基金会、北京(2462020 yxzz028)。特别感谢将中国奖学金委员会和SINTEF的研究人员。

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