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      壓裂液單相濾失模型適用條件研究

      2013-12-23 05:02:24李勇明張秦汶李亞洲
      石油地質(zhì)與工程 2013年1期
      關(guān)鍵詞:濾失壓縮系數(shù)單相

      羅 攀,李勇明,張秦汶,李亞洲,王 楠

      (“油氣藏地質(zhì)與開發(fā)工程”國家重點(diǎn)實驗室·西南石油大學(xué),四川成都610500)

      近年來建立的一些濾失模型考慮到了越來越復(fù)雜的油藏條件,但求解的難度也變大。單相濾失假設(shè)能夠極大地簡化復(fù)雜情況下的濾失問題,便于計算分析。任嵐[1]等將濾失視為二維流動,考慮了壓裂液的非牛頓性,建立了高滲透地層的二維濾失模型;李勇明[2]等考慮到油藏介質(zhì)的不均勻性,建立了一系列的雙重介質(zhì)、多重介質(zhì)的濾失模型,得到了經(jīng)典濾失理論不適宜于多重介質(zhì)儲層濾失計算的結(jié)論,對裂縫性地層、裂縫-溶洞性地層的濾失計算有重要意義;黃志文[3]等考慮了溫度對壓裂液流變性的影響,提出了考慮溫度場影響的濾失計算方法。上述模型都建立在壓裂液單相濾失假設(shè)的基礎(chǔ)上,單相假設(shè)可以簡化問題,但使用假設(shè)前應(yīng)先解決假設(shè)是否合理、以及引起多大的誤差這兩個問題。本文試圖在考慮兩相流體性質(zhì)差異的濾失模型的基礎(chǔ)上比較兩相濾失與單相濾失的差異,以明確單相濾失假設(shè)的合理條件,確定單相濾失假設(shè)的誤差范圍。

      1 兩相濾失數(shù)學(xué)模型[4-12]

      假設(shè)壓裂液活塞式驅(qū)替油藏流體(圖1),侵入?yún)^(qū)壓力分布函數(shù)為p1(x,t),0<x<xc(t);油藏區(qū)壓力分布函數(shù)為p2(x,t),xc(t)<x<+∞;流體界面處的壓力為pc;界面處的壓力滿足連續(xù)性方程:

      界面處的濾失速度相等:

      圖1 壓裂液活塞式驅(qū)替油藏流體示意圖

      設(shè)儲層滲透率為K,孔隙度為φ,巖石孔隙壓縮系數(shù)為cf,油藏流體粘度為μ2,壓縮系數(shù)為cc,壓裂液粘度為μ1,壓縮系數(shù)為cv,油藏初始壓力為pi,則兩相濾失壓力計算方程:

      其中,η1 為侵入?yún)^(qū)導(dǎo)壓系數(shù),η2 為油藏區(qū)導(dǎo)壓系數(shù),c1為侵入?yún)^(qū)綜合壓縮系數(shù),c2為油藏區(qū)綜合壓縮系數(shù),由下式計算:

      2 兩相濾失模型的求解

      作玻爾茲曼變換

      可將(3)式化常微分方程組的邊值問題:

      設(shè)滿足方程邊界條件與初始條件的解為

      式中,erf(x)為高斯誤差函數(shù),erfc(x)=1-erf(x)。

      單位面積的裂縫壁面與流體界面之間包含的流體體積為:

      時間t內(nèi)單位面積裂縫壁面的流體濾失量為:

      若令時間t等于流體界面從裂縫壁面運(yùn)動至xc處所花費(fèi)的時間,那么V1與V2應(yīng)該相等,即

      整理,得

      由界面處流速條件(2)可得

      界面處壓力條件(1)可表示為

      將(12)、(13)帶入(14)式,并整理可得

      用迭代法即可解出uc,并將其帶入(8))式便可得求出A、B,從而得到壓力分布函數(shù)p1、p2。裂縫壁面上的濾失速度則可按(16)式計算。

      裂縫壁面上的濾失量則為:

      3 單相濾失誤差計算

      為了比較兩相濾失與單相濾失的差異,可推導(dǎo)只考慮壓裂液單相存在的濾失計算式(18)。

      若將單相流動假設(shè)引起的相對誤差控制在δ以內(nèi),則(16)、(18)式應(yīng)滿足

      整理,得

      將(12)、(15)帶入(20)式,并略去一些影響較小的項,有:

      結(jié)合(4)式,得:

      當(dāng)壓裂液與油藏流體的粘度與壓縮系數(shù)滿足(22)式時,將兩相濾失簡化為單相濾失的相對誤差上限為δ。

      4 應(yīng)用分析

      根據(jù)以上模型編制了VB 程序進(jìn)行計算分析?;緮?shù)據(jù)如表1所示。

      圖2為計算得到的兩相濾失速度與單相濾失速度曲線對比,兩相濾失速度為單相濾失速度的數(shù)倍,主要原因為油藏流體小于壓裂液粘度,兩相濾失阻力遠(yuǎn)小于單相濾失的阻力。

      圖3為流體粘度差異對濾失速度之比的影響,圖4為流體壓縮系數(shù)差異對濾失速度差異的影響。油藏流體與壓裂液的性質(zhì)差異越小,兩相與單相濾失速度越接近。若兩種流體粘度與壓縮系數(shù)均相等,這實際等同于單相濾失的情形,兩相濾失速度與單相濾失速度是完全一致的。

      表1 程序輸入數(shù)據(jù)

      圖2 兩相濾失與單相濾失的差異

      圖3 粘度差異對兩相濾失速度的影響

      圖5為滿足(22)式的兩相濾失曲線(從上至下δ分別為0.1,0,0.17),與單相濾失曲線的對比。單相濾失假設(shè)引起的誤差在20%之內(nèi),說明當(dāng)流體性質(zhì)差異滿足一定條件的時候,兩相濾失是完全可以假設(shè)為單相濾失的。

      圖6為流體界面附近的壓力分布,兩相流體的壓力分布曲線在界面處有明顯的轉(zhuǎn)折,符合兩種性質(zhì)差異較大的流體在界面處有相同的壓力、相同的流速的實際情況。圖7為遠(yuǎn)場區(qū)域的壓力分布,區(qū)域的壓力分布為油藏流體的性質(zhì)所控制,壓裂液對該區(qū)域的壓力分布的影響很小。

      圖4 壓縮系數(shù)差異對濾失速度的影響

      圖5 可以將兩相濾失當(dāng)作單相濾失的情形(cv=0.0007 MPa-1,μ1=100 mPa·s)

      圖6 流體界面附近的壓降曲線

      圖7 遠(yuǎn)場區(qū)域的壓降曲線

      5 結(jié)論

      (1)壓裂液濾失是壓裂液驅(qū)替油藏流體的兩相或多相滲流過程。由于油藏流體與壓裂液的粘度、壓縮系數(shù)存在差異,濾失計算時不能一概將濾失過程假設(shè)為壓裂液的單相滲流,否則可能會引起較大誤差。

      (2)當(dāng)油藏流體與壓裂液性質(zhì)滿足一定條件時,兩相濾失可以簡化為壓裂液的單相濾失。

      (3)本文建立的兩相濾失的計算模型易于求解,具有一定推廣應(yīng)用價值。

      (4)在需要大量重復(fù)進(jìn)行濾失計算的壓裂模擬設(shè)計中,可先估算單相濾失的誤差范圍,若誤差不大,可使用單相滲流假設(shè)的模型,以便于考慮其他復(fù)雜條件;若誤差較大,建議使用兩相濾失的模型。

      [1] 任嵐,胡永全,趙金洲,等.高滲透地層壓裂液濾失模型研究[J].天然氣工業(yè),2006,26(11):116-118.

      [2] 李勇明,郭建春,趙金洲,等.裂縫性儲層壓裂液濾失計算模型研究[J].天然氣工業(yè),2005,25(3):99-102.

      [3] 黃志文,李治平,王樹平,等.壓裂施工閉合過程壓裂液濾失分析[J].油氣井測試,2007,16(3):8-10.

      [4] 古發(fā)剛,任書泉.多種因素下的濾失速度計算模型[J].西南石油學(xué)院學(xué)報,1991,13(2):65-711.

      [5] 付永強(qiáng),郭建春,趙金洲,等.一種多參數(shù)的壓裂液在雙重介質(zhì)中濾失模型的推導(dǎo)與計算[J].天然氣工業(yè),2003,23(3):88-91.

      [6] 孔祥言.高等滲流力學(xué)[M].合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,1999.

      [7] 程林松.高等滲流力學(xué)[M].北京:石油工業(yè)出版社,2011.

      [8] 紀(jì)國法,姜雨省,陳亮,等.淺析濾失性研究現(xiàn)狀[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2012,14(4):73-77.

      [9] Ribeiro L H,Sharma M M.Multi-phase fluid-loss properties and return permeability of energized fracturing fluids[C].SPE139622,2011.

      [10] Wang J Y,Holditch S A,Mcvay D A,et al.Modeling fracture fluid cleanup in tight gas wells[C].SPE 128067,2009.

      [11] 李勇明,紀(jì)祿軍,郭建春,等.壓裂液濾失的二維數(shù)值模擬[J].西南石油學(xué)院學(xué)報,2000,22(2):43-47.

      [12] 張保平.油藏增產(chǎn)措施(第3版)[M].北京:石油工業(yè)出版社,2002.

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