储层孔隙结构对油水两相相对渗透率影响微观模拟研究百度.

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1、收稿日期:2006-11-23基金项目：石油科技中青年创新基金（04E7029作者简介：高慧梅（1979-,女，博士研究生，主要从事油气田开发方向的研究.huimeig ao 文章编号：1673-064X（200702-0056-04储层孔隙结构对油水两相相对渗透率影响微观模拟研究Simulatio n study on the effect of the microscopic parameters of reservoir porestructure on oi-l water relative permeability高慧梅 1,姜汉桥 2,陈民锋 2（1.中国石油大学（北京石油天然气工

2、程学院，北京 102249; 2.中国石油大学（北京 提高采收率中心，北京 102249摘要:油水相对渗透率曲线是表示两相渗流的重要信息，而储层微观孔隙结构特 征是影响相对渗透率的重要因素.结合逾渗理论，采用截断威布尔分布作为孔喉分布 函数，模拟初次油驱和二次水驱过程，建立了油水两相流的三维准静态孔隙网络模型.利用建立的孔隙网络模型 研究了水湿情况下储层微观孔隙结构参数如孔喉半径、孔喉比、配位数、形状因子 等对油水相对渗透率的影响.结果表明：孔喉半径和孔喉比越大、配位数和形状因子 越小，残余油饱和度越大，两相共流区越窄；配位数对非润湿相相对渗透率影响较大，而形状因子对润湿相相对渗透率影响较大.

3、关键词:孔隙网络模型；孔隙结构参数；相 对渗透率；微观模拟中图分类号:TE319 文献标识码:A 孔隙网络模型用来研究多孔介 质中的流体驱替过程已经日益成熟1-2.自从 fatt 3提出网络模型后，它已成为研究储层岩石微观孔隙结构与宏观渗流特征的重要手段随着计算机技术的发展，对微观孔隙结构的三维数字化定量描述越来越精细，这一方法显示出 明显的优越性.油水相对渗透率曲线是表示两相渗流的重要信息，在油田开发中得到了广泛的 应用，而微观孔隙结构特征是影响相对渗透率的重要因素.本文通过建立近似反映真 实储层岩石孔隙空间的准静态网络模型，运用逾渗理论描述微观驱替机制，通过模拟 初次油驱和二次水驱过程，研

4、究了在水湿条件下孔隙结构参数孔喉半径、孔喉比、 配位数、形状因子对相对渗透率的影响.1 孔隙网络模型的建立孔隙网络模型由喉道及其相连的孔隙体构成，喉道代表相对狭长的孔隙空间，孔隙代表喉道交接处相对较大的孔隙空间，孔隙 体和喉道被设定为一些理想的几何形状，并具有相应的几何参数.本模型中采用的截 面形状有圆形、正方形和三角形.形状的不规则性采用形状因子 G 表征4:G =A /d 2.(1式中:A 为横截面积;d 为周长.圆形和正方形的形状因子分别为 1/4 ,1/16 三角形 的形状因子为 03/36.喉道半径分布采用比较有代表性的截断威布尔分布表示:R t =(R tmax -R tm i n

5、 - z (1-e -1 +e -11r+R tmin ,(2R p = maxni=1R t in,max (R t i .(3式中,R t 为喉道半径,m ;R p 为孔隙半径,m ;R tmax ,R tm i n 对应最大和最小喉 道半径,m ;z 为0,1之间2007 年 3 月第 22 卷第 2 期西安石油大学学报(自然科学版Journal of Xi an Shiy ou U niversity(N atural Scienee EditionM ar.2007V ol.22No.2的任意数；，为分布特征参数；为孔喉比;R t i 为与孔隙连通的喉道半径,m;n 为配 位数.三维

6、网络模型的构建过程是：如要建立 20 20 10 的网络，首先在三维空间随机布2000 个点，共 10 层，每层 400 个点，给每个点一个标记，这些点代表孔隙.然后再根据配 位数的要求，将点用键连接起来，键代表喉道，使用多重链表征孔隙以及喉道之间的配 置关系，最后赋予点和键明确的物理意义，即各自的大小、长度、形状，这些均依据一 定的概率分布，这样最终形成了三维孔隙网络模型.2 渗流过程描述及相对渗透率计算2.1 渗流过程的描述2.1.1 油驱过程因模型的初始状态为孔隙和喉道中只有水，仅发生活塞式驱替排 液开始时，从入口端注入油相，并逐渐增大油相压力，而整个网络中的水相压力不变，整 个过程中，

7、毛管压力逐渐增加，直至达到预先给定的含水饱和度或毛细管压力为止.驱 替过程中的每一步采用侵入逾渗算法，具有最低进入毛管压力即孔喉半径最大的单 元最先被驱替.2.1.2 水驱过程经过初次油驱后，部分孔喉的润湿性发生改变，而且有些单元中残 留水,因此水驱过程要比初次油驱过程复杂很多.模型采用 Lenormand 等在微观实 验基础上提出的活塞式驱替、孔隙体填充和卡断3 种驱替方式.驱替过程：开始水驱时，给定初始含水饱和度和毛管压力，一般为油驱过程最后状态的值.然后逐渐增加水 相压力注入水，而油相压力保持恒定，整个过程中毛管压力是逐渐降低的.驱替过程由 进入毛管压力决定，毛管压力最高的过程最先发生，

8、在模型计算过程中根据进入毛管 压力选择不同的驱替方式.2.2 相对渗透率计算在圆形截面的圆管中，流量根据 Hagen-Poiseuille 方程计算：Q= R4 p8 l.(4根据方程(7,定义传导率为g=Qp=kA2G1.(5式中,Q 为流量,m3/s;R 为半径,m;l 为长度,m;g 为传导率，m6/(N s;为黏度,Pa s;k 为常数，圆形、三角形和正方形截面孔喉的k 值分别为 0.5,0.6,0.56237.对于多相流动，由于多边形网络单元可能同时含油、水两相，存在薄膜形式的层 流和角隅流动，传导率公式极为复杂，一般采用数值模拟获得经验公式.两孔隙间的传导率可以看作各方向上传导率的

9、调和平均数，其相应的数学表达 式为1g m,ij=1g m,t i j+121g m,ig m,j.(6 式中,t 指连通的喉道;m 代表油相或水相;g m,ij, g mi,g mj,g m,t i j 分别代 表孔隙 i 与 j 之间、孔隙 i,j 及其连接的喉道中的 m 相流体的导流率，m6/(N s.假定流体是不可压缩的，且黏滞压力降与毛管力相比可忽略根据流量守恒原理, 注入孔隙的流量之和应等于流出孔隙的流量，总流量为零，即 n ij=1q m,ij=0.(7 其中,n i 是与孔隙 i 连通的喉道数.孔隙 i,j 间的流量由下式计算：q m,ij=g m,ij(p m,i-p m,j

10、.(8 式中,p m,i,p m,j 分别为孔隙 i,j 中的 m 相压力,Pa; q m,ij为孔隙 i,j 之间 m 相的流量，m3/s.由(7 和(8 两式可得一系列以压力为未知数，传导率为系数矩阵的方程组，求解可 得到网络中的压力分布.已知网络模型中任意截面的压力，就可以计算仅单相流动时 m 相总流量 Q m 和多相流动时 m 相流量 Q57Ipfjh: Wf.ww.xuF iruq I/喇卿山E H“加icacuqVII MsPrCPMm，即可计算出相对渗透率：K r m=Q mQ m.(9 3 模拟结果与讨论建立的准静态孔隙网络模型为立方体，如图 1 所示.图中球体代表孔隙，圆柱体

11、代表喉道，为便于显示单元截面均采用圆形图 1 三维孔隙网络模型高慧梅等：储层孔隙结构对油水两相相对渗透率影响微观模拟研究模型中忽略了由黏滞力产生的压降，流动过程中毛管压力是主要作用力，适用于 低流速、低毛管数的情况.3.1 孔喉半径的影响孔喉半径是表征孔喉大小的储层微观参数.因孔喉半径分布服从截断威布尔函 数，确定两个特征参数分别为=0.8, =1.6.孔喉半径对两相相对渗透率的影响见图 2,可以看出，随着半径的增大，束缚水减少，残余油饱和度减小，两相区变大，水相渗透率增大.这是因为孔隙半径大，则相应比 表面减小，因此束缚水饱和度也较小.而且孔隙半径大，也使湿相通过多孔介质的能力 增强，渗流阻

12、力小，因此水相相对渗透率增加S.ycvqnmic lonujuj |；pcfiouic I的rmii科、xuicriKtbjipi用屮屹HonwrVII U卸詞CPI*图 2 孔喉半径对相对渗透率的影响3.2 孔喉比的影响孔喉比指孔隙半径和与之连通的喉道半径之比，是反映孔隙与喉道交替变化特 征的参数，值越小，越有利于提高驱油效率.从图 3 可以看出，YOKCIIJKinnurajE|E111EjnpwT甘伽托VII uSpraQiiira随着图 3 孔喉比对相对渗透率的影响孔喉比增大，残余油饱和度增大.孔喉比大小决定水驱过程中是发生活塞式驱替还是卡断式驱替，孔喉比越大（即与孔隙相连的喉道半径越

13、小，越容易发生卡断效应，形成的油珠残留于较小的喉道中，剩余油增加.对于水湿体系，更容易发生卡断,非湿相 的油以油珠状存在于孔隙中，不能形成连续相，油相渗透率下降，而随着孔喉比的增大, 孔隙内滞留的油量增加，水相达到同样的渗流能力所对应的含水饱和度增加3.3 配位数的影响配位数指与孔隙连通的喉道个数，是表征储层连通程度的微观参数.配位数越大, 表示连通性越好，流体的流动通道越多.在模拟中采用了 3 种不同的平均配位数（分别 为 3,4,5,研究了岩石孔隙的拓扑特性对相对渗透率的影响，见图 4.从模拟结果可见，随 着配位数的增大，两相共流区变大，残余油饱和度减小，端点处饱和度下的相对渗透率 增大，

14、相对来说,对非润湿相油的相对渗透率影响更大.显然配位数增大，连通的孔喉数 增多，流体被捕集的机会减少，所以残余油饱和度减小.水作为润湿相，主要沿孔隙表面 运动，将油捕集在较大的孔隙中，因此，配位数对水相渗透率影响较小Iddt-TOll冲*tufirUNVO陕PN图 4 配位数对相对渗透率的影响3.4 形状因子的影响形状因子 G 是描述孔隙不规则性的微观参数，G 越小,形状越不规则，角隅越明显. 在油水两相流中，孔隙形状对润湿相的分布具有重要影响，尤其是在低润湿相饱和度 时润湿相的连续性和流动主要由角隅和孔壁上的润湿相量决定，同时形状因子也决定了非润湿相在润湿相单元中的量.图 5 给出了形状因子

15、对相对渗透率的影响ldM301 Jfinite图 5 形状因子对相对渗透率的影响可以看出：58 西安石油大学学报(自然科学版(1 随着形状因子的减小，残余油饱和度增加，两相共流区变小.这是因为,形状因 子越小，孔隙越复杂、角隅越多，而在水湿体系中，水相易于连通，对于存在孔喉中央的0.60.204140原油产生圈闭作用；同时，存在于角隅中的水与原油易形成乳状液，因此，残余油饱和度增加(2随着形状因子的增大，同一饱和度下的润湿相相对渗透率减小，尤其当润湿相 饱和度较小时，变化更明显这是因为，孔隙喉道中的润湿相主要在孔壁上形成的薄膜 中流动，而非润湿相占据孔喉中心，而相对渗透率主要由流动通道的最小半

16、径决定，因 此形状因子对非润湿相的相对渗透率影响较小35 润湿性的影响利用接触角的变化分别研究了水湿、中性润湿、油湿情况下的相对渗透率曲 线,3 种情况下的润湿角范围见表 1,润湿性对相对渗透率的影响见图6.表 1 不同润湿性时的接触角范围润湿性水湿中性润湿油湿接触角范围/(406080100|onuiijpitbWA/urruFrijCt阿1卿屮E HE时UWXACf* YU LiSpp Cpiuw160图 6 润湿性对相对渗透率的影响从图 6 中可以看出：(1 随着亲油程度的增加，同一饱和度下的油相相对渗透率下降，而水相相对渗透 率增大这是因为在水湿系统中，水分布于小孔隙、死孔隙或以薄膜状

17、态分布于表面，水的这种分布基本上不妨碍油的流动，而在大的流 动孔道中的残余油会阻塞水的流动，引起水相相对渗透率降低而在油湿系统中，处在 相同含水饱和度时，水是以水滴形式在孔隙中间流动，由于孔隙结构的复杂性，这种水 滴流动到孔道窄口时遇阻，产生贾敏效应，阻碍油相渗流，使油的相对渗透率降低；而0.6对于水相，由于油主要以薄膜的形式分布在岩石表面，对水的流动干扰很小，即阻力相对较小，因此水相相对渗透率较高(2亲油时的残余油饱和度大于水湿的残余油饱和度冲性时最低；而且随着水湿的减弱，两相区变宽在油湿情况下，油分布于岩石表面，而水主要在孔隙中心流动，导致水对岩石表面的油膜驱替作用较小，因而油湿情况下的残

18、余油饱和度大于水湿岩石的残余油饱和 度在水湿情况下，由于毛管力强，趋向于把水吸入较小的孔隙里，水从油的旁边绕过，并将油捕集在较大的孔隙里被水圈闭在大孔隙中的油是不能流动的，这就导致两相 流动的饱和度范围比较小.而水湿减弱时，毛管力也降低，这时，吸入的水通过小孔隙运 动，迅速把油捕集在大孔隙的倾向性也减少，于是两相范围变宽4 结论研究结果表明：(1 随着半径的增大，束缚水减少，残余油饱和度减小，两相区变大，水相渗透率增 大(2 随着孔喉比的增大，残余油饱和度增大，水相达到同样渗流能力所对应的含水 饱和度相对较大(3 随着配位数的增大，两相共流区变大，残余油饱和度减小，相对来说，对非润湿 相油的相

19、对渗透率影响较大(4 形状因子对润湿相渗透率的大小影响较大，尤其在润湿相饱和度较低的情况 下，影响程度更为显著随着形状因子增加，残余油饱和度减少，两相共流区变大(5 随着亲油程度的增加，一定饱和度下的油相相对渗透率下降，而水相相对渗透 率增大；而亲油时的残余油饱和度大于水湿的残余油饱和度，中性时最低；随着水湿的 减弱，两相区变宽.参考文献：1 王金勋，刘庆杰杨普华应用Bethe网络研究孔隙结构对两相相对渗透率的影 响J.重庆大学学报：自然科学版,2000,23:130-132.2 Valv atne P,Blu nt M.Predictiv e Pore -Scale Networ k M o

20、deli ngC.SPE84550,2003:1-12.3 F att .T he N etw ork model of porous media, :Capi-llary pressure characterist ics.T rans J.A IM M ,1956(07:144-159.4 M ason G,M orrow N R.Capillary Behav ior of a Per fectly Wetting L iquid in Irregular T r iangular TubesJ.Jour nal of Colloid and In terface Scie nce,19

21、91,141:262-274.(下转第 65 页59 高慧梅等:储层孔隙结构对油水两相相对渗透率影响微观模拟研究影响也非常微小，均在 10-3 的量级.可见，防渗依托层下伏强透水层厚度、渗透 性对半封闭式防渗墙的防渗效果的影响微弱，属次要因素.3 结语(1 在影响半封闭式防渗墙防渗效果的诸多因素中，防渗依托层的厚度、渗透性 是主要的、控制性的因素；天然弱透水覆盖层、第二层强透水层及防渗依托层下伏 强透水层的厚度、渗透性均属于次要因素.而在次要因素中，天然弱透水覆盖层厚 度、渗透性的影响较强透水层的影响大，尤其对堤脚附近渗透坡降影响明显.(2 半封闭式防渗墙只有与可靠的防渗依托层一起形成合理的防

22、渗结构体系，才能起到保护堤防安全的作用.因此，选用半封闭式防渗墙作为渗控措施时，应首先重点 考察:在合理深度范围内能否找到相对完整的、具有足够厚度和渗透性相对较小的 可靠防渗依托层本文的研究表明，可靠的防渗依托层的渗透性与第二层强透水层渗 透系数比值至少小于 10-2.(3 当防渗墙的贯入比达到某一个值或一取值范围时，再增大贯入比，对堤内最大 渗透坡降的影响将会越来越小，也就是说,在研究半封闭式防渗墙在防渗依托层中的 贯入深度时，贯入比应该存在一个临界值或一个临界范围.对于该问题的详细阐述见 后续文章.参考文献：1 李广诚，司富安,白晓民,等.中国堤防工程地质M.北京:中国水利水电出版社，20

23、05.2 张家发，吴昌瑜,朱国胜.堤基渗透变形扩展过程及悬挂式防渗墙控制作用的试验模拟J.水利学报,2002(9:108-111.3 刘川顺，刘祖德,王长德.冲积地基堤防垂直防渗方案研究J.岩石力学与工程学报，2002,21(3:434-438.4 Dietrich Koch.Be nton ites as a basic material for tech ni calbase liners and site encapsulat ion cut-off wallsJ.Applied Clay Science,2002,21:1-11.5 Ilker Bekir T opcu,Propert

24、ies of heavyweig ht con creteproduced w ith bariteJ.Ceme nt and Con crete Resear ch,2003,33(6:815-822.张家发，吴昌瑜,李胜常,等堤防加固工程中防渗墙的防渗效果及应用条件研究J.长江科学院院报，2001,18(5:56-60.7 彭华,陈胜宏.饱和-非饱和岩土非稳定渗流有限元分析研究J.水动力学研究与进展:A 辑,2002,17(2:253-259.8 彭华,陈尚法，陈胜宏.水布垭大岩淌滑坡非饱和渗流 分析与渗控优化J.岩石力学与工程学报,2002,21 (7:1027-1033.编辑:田美娥(

25、上接第 59 页5 Bo Qilia ng,Zh ong T aixia n,Liu Qin gjie.Porescale net-w ork modeling of relative Permeabil-ity in chem ical floodi ngC/SPE Intern ati onalIm proved oi1Recovery Conferen ce,SPE84906,2003:1-6.6 Lenormand R,Zarc one C,Sarr A.Mecha nismsof the Displaceme nt of One Fluid by Ano therin a Netwo

26、rk of Capillary DuctsJ.Jour nal ofFluid M echa nics,1983,135:337-353.7 Patzek T W,Silin D B.Shape factor and hydraulic con ducta nce in non circular capillaries I:On e-phase creep ing flowJ.Jour nal of Colloidand In terface Scie nce,2001:236,295-304.编辑:国伍玲65罗玉龙等：多元结构堤基半封闭式防渗墙概化模型研究Simulatio n study

27、on the effect of the microscopic parameters of reservoir porestructure on oi- water relative permeability l Abstract: oi- water relative per meability curverepresents the important information of the two hase permeabilit y, and the micr o l scopicpor e structure character istics of reservoir are the

28、 importa nt factor of in flue ncing t herelative per meability. Based on percolat ion t heory, a quas- static 3D pore netw ork modelis established, and it can be used to descr ibe primary oil floodi ng and sec on dary water iflooding and to calculate the relativ e permeability. T he effects of por e

29、 throat radius, po rehroat r atio , coord in ati on nu mber and shape -t factor on the relative permeability ar e investig ated un der water wet co n diti on by the model. T he results show that w ould be largeras t he g reater the po re t hroat radius and por e throat ratio and the less the coord i

30、n ati onnu mber and the shape factor, the gr eater the r esidual oil saturation and the narr ower t hetw o phase co flo w; t he coordination number has gr eater in flue nce on the relativepermeabil it y of non wett ing phase, but the shape factor has greater in flue nce on the relativ e per meabilit

31、y of w ett ing phase. Key words: pore n etwor k model; pore structureparameter; relative permeabilit y; microscopic simulati on GA O H ui-mei 1, JIA N G Han-qiao2 , CH EN Mi n-f eng 2( 1. F aculty of Petroleum and Natur al Gas Eng ineering,China U niv ersity of Petr oleum ( Beijing , Beijing 102249,

32、 China; 2. R esearch Cen ter ofRecovery F actor Enhancing, China U ni versity of Petroleum ( Beijing , Beijing 102249,China JXSYU 2007 V . 22 N . 2 p. 56 59, 65 Study on gen eralized model of the sem- closedcutoff wall of mult- structure levee foun dati on i i Abstract: In order to en sure the safet

33、y ofthe levee foun dat ion in Do ngt ing Lake regi on, a gen eralized model of t he sem- closed icutoff wall of mult- structure levee foun dati on is established according to t he geologiccharacter istics of the levee foundat ion. T he fac i tors of in flue ncing the an t-seepageresult of t he sem-

34、closed cutoff wall is systemically and compr ehe nsively studied byseepage FEM , i i and the in flue ncing laws of the t hickness and permeability of lesspermeable cover ing layer, the second stro ngly permeable layer, anti seepage suppor tinglayer and the strongly permeable lay er under ant- seepag

35、e support ing layer on themaximal seepage gradie nt in side i t he levee and n ear the levee toe, are prese nted. T henu merical results in dicate that the thick ness and permeability of ant- seepage sup i po rting layer are mai n in flue ncing factors and have the greatest effects on the max imalse

36、epag e gradie nt in side lev ee and n ear the levee toe, they determine t he ant-seepageeffect of sem- closed cutoff w all. T he thickness and per meability of less permeable covering layer i i have greater effect t han ot her sec on dary facto rs on the seepage g radie nt inside the levee, especial

37、ly n ear the levee toe. T hese numerical r esults can be used fo r thequantitativ e study of the ant- seepage mechanism of the sem- closed cutoff w all and provide theoretical basis i i for t he desig n of the v ert ical cutoff wall. Key words: mult-structure lev ee foundation; sem- closed cuto ff w

38、all; an t-seepag e support ing lay er ;seepage g radie nt ; an t-seepage i i i i r esult L UO Y u - long , PEN G H ua ( School of Civil and A rchitectural Engineer ing , W uhan University, Wuhan 430072, Hubei, Chi naJXSYU 2007 V . 22 N . 2 p. 60 65 Co ntin uous tracer Model for the leakage amount of

39、 adam Abstract: At prese nt, artificial tracer exper ime nt is one of t he importa nt means todeterm ine the leakage amount of a dam .In this art icle, a leakage amount comput ingmodel o f the dam is established in the case of the tr acer being con ti nu ously injected,which is based on the seepage

40、amount calculatio n method when the tracer isinstantaneously injected. T he correctness of the model is v er ified by a field test. Keywords: art ificial tracer; continuous injecting ; dam; amount of leakag e L1Jun hua, CH EN Jia n-she ng, CH EN Lia ng ( Research In stitute of Geotech nicalEngineeri

41、ng, Ho hai U niversity, Nanjing . 210098, Jiangsu, China JXSYU 2007 V. 22 N.2 p. 66 69 Numerical an alysis of the seepage f ield and stability of the coff erdam in theupper reaches of some hydraulic power station in the middle reach of Dadu river Abstract: The seepage field and stabilit y of the cof

42、ferdam is numerically simulated using lar ge - scalefinite element softw are G eoStudio which is suitable for g eo -technical engineer ing and theobtained r esult is analyzed. T he distributions of the various parame ters of the seepagefield are obtained, and the stability of the side slope of the c

43、offer dam is ev aluated. T heresults show that, the ar ran geme nt of w ater pen etrat ing body in the slo pe can obviouslyraise the stabilit y of coffer dam, the reas on able reductio n o f the depth oft he cofferdam cutoff wall don t produce great in flue nee on the side slope. T he obta ined resu

44、lts can provide refere nee for the r ev isi on of t he desig n pla n of the cofferdam and thedesign of similar project . Key words: coffer dam; seepage field; stability; cutoff wall DA N GFa -ning 1 , M El H ai-f eng 1, H A N W en-taol, 2 ( 1. Co llege of Water Co n serva ncy andHydropower Engin eer

45、i ng , Xi an U ni versity of T ech no log y, X i an 710048, Shaa nx i,China; 2. T he Yan gtze R iver Gor ges Eng in eeri ng Developme nt Corporation of China,Nichang 443002, Hubei, China JXSYU 2007 V . 22 N . 2 p. 70 73 Seepage of mining massand con trol of mine disasters Abstract: T o study on the

46、remarkable permeability o f mi ningfractured rock and non Darcy seepage in it, its permeability is de termined using sel-designed testing instruments. Based on this, the seepage theory is established which candescribe the non lin ear ity f and r andomn ess of the seepage process in the mining fractu

47、red r ock. T he for ecast and pr edict ion system of mine disasters in which the seepage instability of the mining fractured rock is as water inr ush cr iter ion is established based on themechanic model of the key w a ter r esisting layer of mining floor. T he gas emission law infully mechanized sublevel cav ing w orking face and the g as mig rati on law in -