1、1低渗透岩石渗流规律的实验研究方法综述陈志明 *，蔡雨桐，刘冰，汪伟英（长江大学石油工程学院油气钻采工程湖北省重点实验室，湖北 荆州 434023）摘 要：现有的渗流规律研究实验主要都是针对中高渗油藏的，对低渗油藏岩心样品来说，缺乏统一和规范性。为了改善这一现状，使低渗透岩石渗流规律的研究得到更好地发展，有必要了解目前的实验研究现状。在参考大量相关文献的基础上，对近几年来国内外学者开展的实验研究进行了总结，内容包括：1）低渗透岩石渗流规律的特征；2）低渗透岩石渗流规律的实验研究现状；3）实验研究存在的问题。并对这些问题的提出一些初步解决思路, 这些工作可以为从事相关工作的科研、工程应用人员提供
2、参考。关键词：低渗透；渗流规律；实验方法；问题；解决思路中图分类号: TE 文献标识码: A0 前言随着油田勘探开发的不断深入，低渗透油气藏所占的比例逐年增多。低渗透油气藏的开发占有越来越重要的地位。在低渗透油气藏开发过程中，渗流规律的准确认识可以极大地提高油气藏的开发效果。因此，对低渗透油藏渗流规律的研究具有十分重要的意义。国内外许多学者在实验的基础上，对低渗岩石的渗流规律进行了研究。不同的学者研究方法和手段是不相同的，得出的渗流模型也是各有差异的，如程时清、Halex 、阮敏和姚约东等都建立了自己的模型，并且都存在一定的局限性 1。因此，在缺乏统一和完善的研究机制的情况下，相同岩样往往会得
3、不到一致的分析结果，实验数据的可靠性就得不到保证，且大量低渗油气藏开发的疑难问题尚未解决，如单井产量低、压力下降快等 2，这样就对我国低渗透油气藏的开发产生了极大的不利，亟需形成一套完整的理论体系。本文通过文献调研，对近几年来国内外学者开展的实验进行总结，归纳了实验过程中存在的问题，并提出一些初步可行的解决思路，为我国低渗透油气藏的实验研究提供一些理论的帮助。1 低渗透岩石渗流规律的特征Von Engelhardt 和 Tunne3， Mitchell4等都曾先后发现了低渗透介质中的非达西现象，这些现象包括流速与水力梯度呈非线性比例关系和存在启动压力梯度，但遗憾的是他们没有对这种曲线关系作进一
4、步的研究。随后国内外后许多学者 5-7在实验的基础上，对曲线关系进行了更深一步的研究，研究结果表明在低渗透油气藏开发过程中，流体存在着非线性渗流的现象：渗流速度与压力梯度呈曲线关系；曲线不经过坐标原点，存在启动压力梯度。2 低渗透岩石渗流规律的实验研究现状近几年来许多学者在实验的基础上，对低渗岩石的渗流规律进行了研究。经过笔者的总结和归纳，这些实验方法主要有稳态法、 “压差流量”法、非稳定法、毛细管平衡法和平板模型法等。2.1 稳态法在实验过程中保持岩样两端压差恒定且流量相等，通过流动数据来研究低渗岩石渗流规律的方法称为稳态法。宋付权等 8运用稳态法，在质量守恒定律的基础上，证明了低渗*第一作
5、者简介: 陈志明（1989-） ，男，湖北黄冈人，本科，现参与低渗透渗流规律方面的研究。地址：（434023）湖北省荆州市南环路汉科学苑 3 栋 419 室。身份证号码：421182198912111770。电话：13797500206。E-mail： 指导老师简介: 汪伟英，女，1959 生，教授、硕士生导师，硕士研究生，主要从事采油工程，提高采收率。地址：（434023）湖北省荆州市长江大学石油工程学院。电话：0716-8060457。 E-mail：WWY2岩石中流体的流动具有非线性，并求出了拟启动压力梯度。王炯等 9运用稳态法，进行了水驱油实验，得出的结论与前者相似，并发现岩石的渗透率
6、越低，启动压力梯度越高。但是，在稳态法的测量过程中，流量实现精确控制比较困难，而且达到稳定状态所需的时间较长，因此稳态法测定低渗非线性规律，费时费力，又难以保证实验精度，这种方法不常被学者所用。2.2“压差流量”法“压差流量”法，也称稳定法，即在不同驱替压差下，测定流体通过低渗透岩心的流量，再用数学的方法求得流量与压差的关系，获得渗流规律。Alvaro Prada10利用“压差流量”法，通过对天然和人工胶结岩芯进行单相渗流实验，得出渗流曲线呈现非线性关系，且曲线不通过坐标原点。汪伟英等 11通过在不同的驱替压差下，对致密的天然和人工胶结岩心进行实验，得出在低渗透油藏中流体的流动呈现出非线性特征
7、，存在启动压力梯度。另外，许多学者 12-14也采用“压差流量”法对低渗渗流规律进行研究，取得了一些成就。这种方法由于原理较简单，在室内实验中应用较为普遍。但是，由于实验需要测定多个不同驱动压差条件下的流量，低驱动压差条件下的流量较小，流量的控制及压差的测定误差较大，使得实验精度较低，不能完全满足生产要求。2.3 非稳定法非稳定法是一种关闭岩样注入端和定出口压力的实验方法 15，即利用高压将流体注入岩样中，待流体吸附平衡后，再经过降压使流体从出口端排出，最终通过岩样出口端不断变化的压力和流量数据获得渗流规律。Alexander 等 16利用非稳定法，通过对低渗透岩样进行渗流实验，得出渗流速度与
8、压力梯度呈曲线关系。张先敏等 17同样利用非稳定法对阜新盆地煤样中甲烷的渗流规律进行了研究，得到了甲烷渗流规律曲线具有明显的非线性特征，并建立了相应的曲线方程，具有很好的指导意义。在非稳定法的实验过程中，实验数据的记录由实验设备完成，实验者只需将岩样入口端关闭即可，实验过程简单、精度较高。但是，由于需要对数据进行连续记录，所以该方法对实验设备要求较高。2.4 毛细管平衡法毛细管平衡法主要用于测定低渗岩石的启动压力梯度，以准确得到岩石的渗流规律。它应用的是连通器原理，测定时毛细管和岩心中充满实验流体，由于低渗透岩心存在启动压力，两端液面经过充分平衡后，最终会保持一个高度差，该高度差就是该岩样的启
9、动压力梯度。它与其他方法结合使用可以较完整地测定出低渗岩石的整个非线性渗流段。吕成远等 18首次采用了毛细管平衡法与“压差流量”法相结合的实验方法，对胜利油田的低渗岩样进行了实验，较为完整且准确地获得了低渗岩样的非达西渗流曲线。李爱芬等 19利用“毛细管平衡法”与“稳态法”相结合的测定方法，得到了水相和油相的启动压力及“流速压差”的非线性关系，有力地证明了低渗岩石的非线性渗流规律。利用毛细管平衡法能较准确地测定出整个非线性渗流段，它对硬件要求不高、操作简便、测定周期短，且可同时测定多个岩样，但对于特低岩心，由于压力量程较小，这种方法就不适用了。2.5 平板模型法平板模型法是在“压差流量”法的基
10、础上发展起来的一种新方法，即先利用天然低渗砂岩平板露头制作成平板模型，再进行渗流实验，获取压差与流量的数据，以研究实际低渗透储层的渗流规律。薛成国等 20首次采用平板模型法，进行了气驱水实验，证明了低渗透砂岩的非线性渗流规律，同时从微观上阐明了非线性渗流机理，具有较强的说服力。平板模型法采用的是低渗透天然平板模型，与传统的一维小岩芯渗流实验相比，更能反映出流体在二维方向上的非线性渗流规律，但遗憾的是该方法对实验设备要求高，实验费用较昂贵。3 低渗透岩石渗流规律的实验研究存在的问题3（1）低渗透岩石具有低渗、低孔的复杂物性。在渗流规律的研究实验中，由于低渗岩石的复杂物性，在很小的水力梯度作用下，
11、流动数据是难以准确测量的，并且需要很长的流速稳定时间，这样使得实验时间长、实验精度难以保证。（2）气体存在滑脱效应。当利用气体研究低渗岩石的渗流规律时，由于岩石孔道半径小，气体分子的平均自由行程与其流动所在的孔隙直径相当，气体滑动效应所造成的影响会显现出来，这对渗流规律的研究产生不利。（3）流体流动偏离达西定律。对低渗岩石来说，其孔隙系统可基本看作由小孔道组成，由于孔道表面边界表面张力的影响，只有当驱动压力梯度大于某孔道的启动压力梯度时，该孔道中的流体才能流动，而随着驱动压力梯度的不断提高，就会有更多的孔道加入流动的行列，岩心的渗透性能随之增强，渗透率变大。因此，低渗透油藏中流体的流动偏离了达
12、西定律，达西定律也不再适用于低渗岩石的渗流了 21。这些问题的存在制约了渗流规律的实验研究更好地发展，使准确获得低渗透油气藏的渗流规律成了一大难题。4 初步解决思路解决实验研究中存在的问题，可以考虑以下几个方面：（1）准确获取实验数据。及时监测到很不明显的非线性渗流现象，即使在很小的水力梯度作用下，也能准确测量流动数据，如设计测量微小流速的新方法；开发监测非稳定压力的新技术和新型实验仪器等。（2）减弱或消除气体滑脱效应的影响。如果利用气体测定低渗岩石渗流规律时，要充分考虑气体滑脱效应等因素的影响，通过一些方法和手段减弱或消除其影响，如建立高压、低温和一定的液相饱和度 22等实验条件。（3）建立
13、低渗研究新模型。对数据进行处理时，由于低渗透岩石中流体的流动偏离了达西定律，达西定律不再适用了，所以不能简单地利用达西定律，而应该对达西定律进行改进或建立一些新模型。5 结论（1）低渗透岩石渗流规律的实验研究方法缺乏统一和规范性。经过总结和归纳，主要包括稳态法、 “压差流量”法、非稳定法、毛细管平衡法和平板模型法等。其中，稳态法原理最简单，但实验时间长，流量难以精确控制，实验精度难以保证；“压差流量”法原理简单，应用较为普遍，但测定误差较大，不能完全满足生产要求；非稳定法实验过程简单，实验精度高，但对实验仪器的要求高；毛细管平衡法操作简单，实验周期短，但不适用于特低岩心；平板模型法实验结果真实
14、可靠，但对仪器要求高，实验费用较昂贵。（2）低渗透岩石渗流规律的实验研究中存在的问题主要包括：实验数据难以准确测量；实验所需时间长；气体滑脱效应的影响；达西规律的偏离。而解决这些问题的初步思路有：设计微小流速测量方法；开发非稳定压力的监测设备；减弱或消除气体滑脱效应的影响；建立低渗研究新模型等。（3）目前低渗透岩石渗流规律的研究已有了较多成果，但实验研究方法仍缺乏统一和规范性，并且在实验中还存在一些问题，这就需要研究者们在现有理论和实验的基础上，不断地发展和完善，使得低渗渗流规律的实验研究方法变得简单统一，从而使低渗透岩石的渗流研究得到更好的发展。参考文献1 徐维生，柴军瑞，王如宾，等.低渗透
15、介质非达西渗流研究进展J.勘察科学技术,2007,25(3):20-24.2 陈汝培，余汉成.井下节流工艺在低渗透气田的应用J. 天然气与石油，2009，27（2）：1-4.3 Von Englehardt W，Tunn W L M. The flow of fluids through sandstonesJ. Circ Ill State Geol 4Surv,1955，194：1-17.4 Mitchell J K， Younger J S. Abnormalities in hydraulic flow through fine-grained soilsJ. ASTM Speech，
16、 1967，417: 106-141.5 程时清，徐论勋，张德超.低速非达西渗流试井典型曲线拟合J.石油勘探与开发，1996，23(4):50-53.6 宋付权，刘慈群.低渗透多孔介质中新型渗流模型J.新疆石油地质，2001，22(1): 56-58.7 熊健，李凌峰.变形介质低渗透气藏水平井产能分析J.天然气与石油，2011, 29(5):50-52.8 宋付权，刘慈群.含启动压力梯度油藏的两相渗流分析J.石油大学学报(自然科学版),1999，23(3):47-50.9 王炯，王艺景，陈彬，等. 基于稳定流法的低渗透储层渗流规律实验研究J.特种油气藏，2005，12(5）:93-94.10
17、Alvaro Prada，Faruk Civan. Modification of Darcys law for the threshold pressure gradientJ. Journal Petroleum Science and Engineering，1999，22(4):237-240.11 汪伟英，张磊，杨文新，等.低渗透油藏非线性渗流规律研究J.新疆石油天然气，2008，4(3)：53-55.12 章星，杨胜来，张洁，等.致密低渗气藏启动压力梯度实验研究J.特种油气藏，2011，18(5):103-104.13 刘露，李华斌，乔林，等.宝浪低渗油层注水压力变化规律及特征J.
18、油田化学，2011，28(2):133-136.14 黄贵存，向丽，马飞，等.新场气田难动用储量启动压力特征研究J.钻井液与完井液，2011，28(2):70-72.15 Skopetskii V V. Calculating unsteady seepage in a pressure gradient in the presence of thin weekly permeable inclusion J. Journal of mathematical sciences，1994，72(2):2992-2997.16 Alexander J B，Tawfik N N. Analytica
19、l model for the capillary pressure gradient in oil-water-rock systemJ.Transport in porous media，2006，65(2):359-362.17 张先敏，冯其红，陈 东，等.阜新盆地煤层气渗流规律实验J，重庆大学学报，2011，34(4):58-61.18 吕成远，王建，孙志刚，等.低渗透砂岩油藏渗流启动压力梯度实验研究J.石油勘探与开发，2002，29(2):86-89.19 李爱芬，张少辉，刘敏，等.一种测定低渗油藏启动压力的新方法J.中国石油大学学报(自然科学版)，2008，3(21):68-71.
20、20 薛成国.特低渗透储层大型物理模拟实验研究D.中国科学院研究生院：渗流流体力学研究所，2011.21 吕伟峰，秦积舜，吴康云,等.低渗岩石孔渗及相对渗透率测试方法综述J.特种油气藏，2011,18(3):1-6.22 周克明，李宁，袁小玲.残余水状态下低渗储层气体低速渗流机理J.天然气工业，2003，23(6)：103-107.An Overview of Experiment Methods of Seepage Law for Low Permeability RockCHEN Zhi-ming，CAI Yu-tong，LIU Bing，Wang Wei-ying(The Key La
21、boratory of Oil and Gas Drilling Extraction Project，College of Petroleum Engineering，Yangtze University，Jingzhou，Hubei，434023，China)Abstract：The existing experiment methods for seepage low are mostly for medium and high permeability cores. There is a lack of consistent and normalized measurement met
22、hods for low permeability cores. In order to improve the current situation and make the study on seepage law of low permeability rock developing well, it is necessary to understand the present condition of 5experimental study. The paper which has referred to a large volume of relevant literature sum
23、marizes many authors experiments in low permeability cores at home and abroad. The conclusions include such aspects: first, the seepage law in low permeability cores; second, the present situation of experiment methods in low permeability cores; third, the problems appeared in testing process, and this paper also gives some preliminary solutions for the problems. It could afford some references for the researchers and engineers engaged in related work.Key words：Low Permeability; Seepage Law; Experiments Methods; Problems；Preliminary Solutions
