一种致密储层纳米尺度多孔介质油相表观渗透率计算方法技术

本发明专利技术提供了一种致密储层纳米尺度多孔介质油相表观渗透率计算方法，属于非常规石油开采技术领域；解决了现有致密储层原油非线性渗流理论存在的理论问题；包括如下步骤：确定假设条件；确定流固相互作用机制；根据统计力学中流体粘度的数学表达式，结合在纳米尺度孔喉中，流体粘度受流

【技术实现步骤摘要】
一种致密储层纳米尺度多孔介质油相表观渗透率计算方法


[0001]本专利技术提供了一种致密储层纳米尺度多孔介质油相表观渗透率计算方法，属于非常规油气资源开发


技术介绍

[0002]致密油、页岩油等非常规石油资源高效开发对缓解能源危机至关重要，然而，此类非常规石油资源赋存储层的典型特征是多孔介质纳米尺度孔喉富集，常规油气开采技术手段难以实现有效开发。目前非常规储层能够实现有效开发得益于压裂改造技术的发展。压裂改造技术实施过程中存在储层动用程度低、产能下降快等问题，其原因是压裂改造技术主要动用的是人工裂缝、微裂缝内原油，而难以动用基质内的原油。储层基质内纳米尺度孔喉富集，油气在基质内流动困难，产出难度大。因此，准确认识纳米尺度孔喉内原油流动特征，对非常规油气高效开发具有重要意义。
[0003]纳米尺度孔喉内流体将在流体受限效应作用下表现出非常规的流体动力学特性：在一定外压驱动条件下，流体在纳米尺度孔喉内流量将高出传统流体力学理论预测值4～5个数量级。因此，经典油气藏开发渗流理论难以适用于非常规石油资源开发过程，从而无法进行非常规石油资源开发过程分析及工艺技术优化。因此，准确了解纳米尺度孔喉内原油非线性渗流特征是非常规石油资源开发亟待解决的问题。

技术实现思路

[0004]针对现有致密储层原油非线性渗流理论存在的理论问题，本专利技术的目的是提供一种基于流固相互作用机制的致密储层纳米尺度多孔介质油相表观渗透率计算方法。
[0005]本专利技术所述方法可更为准确计算致密油、页岩油等非常规石油资源储层原油表观渗透率，并在此基础上，以典型致密油藏为例，模拟并优化致密油藏开发模式，实现致密油藏的高效开发。
[0006]本专利技术基于一定的假设条件，结合牛顿内摩擦定律和达西定律，推导出纳米尺度孔喉中原油流体动力学模型，以及纳米尺度多孔介质原油非线性渗透率模型。
[0007]本专利技术所述原油表观渗透率模型可与CMG等油藏开发模拟软件相结合，模拟并优化致密油、页岩油等非常规油藏开发过程。
[0008]本专利技术详细的技术方案如下：
[0009]一种基于流固相互作用机制的致密储层纳米尺度多孔介质油相表观渗透率计算方法，建立考虑流固相互作用的油相表观渗透率计算模型：
[0010]1)确定假设条件
[0011]在致密储层中，原油在纳米尺度孔喉中的流动过程受固体表面影响显著，因此流动特征较为复杂，进而引起非线性渗流过程。在此做以下假设：
[0012]忽略原油分子间、原油分子与孔喉固相分子见的静电力；
[0013]忽略水的影响，即忽略分子间水合力作用；
[0014]孔喉尺寸大于2nm，流体符合连续性介质假设；
[0015]忽略原油、固相组成成分对流固相互作用的影响；
[0016]忽略化学反应过程。
[0017]2)纳米孔喉流固相互作用
[0018]在孔喉固体表面，流体分子受固体表面分子影响而呈现出有序排列状态，形成有序排列的自成层，而远离壁面流体分子依然是无规则排列状态。根据分子热力学理论，近壁面流体分子间作用能包括内聚能，表面能和溶剂化能，其数学表达式分别为：
[0019][0020][0021][0022]式中，E
coh
表示流体内聚能，C
VDW
表示范德华力参数，σ表示流体分子有效直径，单位为m；E
surf
表示表面能，单位为J
·
m
‑2；A表示Hamaker参数，J；D0表示流固界面间距，m，约等于σ/2.5；E
solv
表示溶剂化能，d表示流体分子距离固体表面的距离。
[0023]3)流体粘度非均匀分布函数
[0024]根据统计力学理论，流体粘度可视为化学反应的一种形式，其热力学表达式可写为：
[0025][0026]式中，h
p
表示普朗克常数，6.62607015
×
10
‑
34
J
·
s；v
m
表示流体分子体积，单位为m3；E表示单位面积流体的自由能，单位为J
·
m
‑2；n表示单位面积上流体分子数目，单位为m
‑2；k
B
表示玻尔兹曼常数，1.380649
×
10
‑
23
J
·
K
‑1；T表示系统温度，单位为K。在体相流体系统中，流体粘度受流体分子间相互作用力决定，即流体内部自由能仅为内聚能，因此体相流体粘度μ0表达式为：
[0027][0028]在纳米尺度孔喉中，流体粘度受流
‑
流、流
‑
固分子间相互作用力决定，即流体内部自由能为内聚能和溶剂化能，因此纳米尺度多孔介质内流体粘度μ表达式为：
[0029][0030]为简化公式以便于工程应用，在此定义表征流固相互作用参数α：
[0031][0032]结合式(1)～式(7)，考虑流体粘度为正值，获得纳米尺度孔喉内原油粘度表达式：
[0033][0034]式中，R表示孔喉半径，r表示流体单元与孔喉中心线的距离，单位为m。
[0035]为便于工程分析研究，在此定义有效粘度μ
eff
和粘度变化比：
[0036][0037][0038]4)边界滑移速度函数
[0039]5)截面速度分布函数
[0040]结合牛顿内摩擦定律和原油粘度表达(式(8))进行计算，截面速度的积分函数可以表示为：
[0041][0042]式中，表示外压驱动压力梯度，单位为Pa/m。
[0043]引入变量x＝(R
‑
r)/σ，采用换元法对上式进行修正：
[0044][0045]为方便求解上式超越积分，采用函数拟合的方式对被积函数进行处理。假定流体分子直径为则纳米通道尺寸在1nm到1000nm的范围内，对应参数x的取值范围为0到2000。在[0,2000]的取值范围内，可直接获得对应的exp(
‑
x)函数值。采用最小二乘法拟合函数值，拟合结果显示：函数1/(x+1)2的拟合效果较好，相关系数达到0.9863。因此，截面速度函数的积分部分可写为：
[0046][0047]求解积分可得：
[0048][0049]对积分进行反变换可得截面速度分布函数：
[0050][0051]式中，Ei表示指数积分函数，erfi表示误差函数，C为积分常数。
[0052]通过函数分析和模型简化，截面速度分布函数可简化为：
[0053][0054]结合边界滑移条件(即滑移速度函数)，纳米孔喉内原油截面速度分布函数为：
[0055][0056]式中，σs
olid
表示固体分子有效直径，单位为m；τ
eff
表示流体产生边界滑移速度的有效应力。
[0057本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种致密储层纳米尺度多孔介质油相表观渗透率计算方法，基于流固相互作用机制，其特征在于：建立纳米尺度多孔介质油相表观渗透率计算模型，包括如下步骤：S1：确定假设条件：忽略原油分子间、原油分子与孔喉固相分子间的静电力；忽略水的影响，即忽略分子间水合力作用；孔喉尺寸大于2nm，流体符合连续性介质假设；忽略原油、固相组成成分对流固相互作用的影响；忽略化学反应过程；S2：确定流固相互作用机制：在孔喉固体表面，流体分子受固体表面分子影响而呈现出有序排列状态，形成有序排列的自成层，而远离壁面流体分子依然是无规则排列状态；S3：建立原油粘度非均匀分布函数：根据步骤S2中确定的流固相互作用机制，根据统计力学中流体粘度的数学表达式，结合在纳米尺度孔喉中，流体粘度受流
‑
流、流
‑
固分子间相互作用力的影响，确定纳米尺度孔喉内原油粘度在空间上的非均匀分布函数；S4：构建截面速度分布函数：结合牛顿内摩擦定律和边界滑移条件，确定在一定外压驱动条件下纳米尺度孔喉原油流动的截面速度分布函数以及边界滑移速度函数、流量函数；S5：根据渗透率定义，结合达西定律与纳米尺度孔喉原油流量函数，确定流固相互作用的致密储层纳米尺度多孔介质油相表观渗透率的计算模型。2.根据权利要求1所述的一种致密储层纳米尺度多孔介质油相表观渗透率计算方法，其特征在于：所述步骤S2具体计算如下：根据分子热力学理论，近壁面流体分子间作用能包括内聚能、表面能和溶剂化能，其数学表达式分别为：学表达式分别为：学表达式分别为：上式中：E
coh
表示流体内聚能，C
VDW
表示范德华力参数，σ表示流体分子有效直径，单位为m；E
surf
表示表面能，单位为J
·
m
‑2；A表示Hamaker参数，单位为J；D0表示流固界面间距，单位为m；E
solv
表示溶剂化能，d表示流体分子距离固体表面的距离。3.根据权利要求2所述的一种致密储层纳米尺度多孔介质油相表观渗透率计算方法，其特征在于：所述步骤S3具体包括：根据统计力学理论，流体粘度的热力学表达式为：上式中，h
p
表示普朗克常数，为6.62607015
×
10
‑
34
J
·
s；v
m
表示流体分子体积，单位为m3；E表示单位面积流体的自由能，单位为J
·
m
‑2；n表示单位面积上流体分子数目，单位为m
‑2；k
B
表示玻尔兹曼常数，为1.380649
×
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【专利技术属性】
技术研发人员：武守亚，李兆敏，李秉霖，张超，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：