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1、第五章 物质平衡方法,自1936年R.J.Schilthuis利用物质守恒原理，首先建立了油藏的物质平衡方程式以来，它在油藏工程中得到了广泛的应用与发展。,物质平衡方程式的主要功能（作用、用途）：,（1）确定油藏的原始地质储量（2）判断油藏的驱动机理（3）测算油藏天然水侵量的大小了解天然能量（4）预测油藏未来的压力动态及油藏最终采收率。,第1节 油藏饱和类型和驱动类型,新发现的油藏，探井测压、高压物性的分析 原始地层压力、饱和压力,Pi和Pb 的大小,原始条件的油藏,未饱和油藏或欠饱和油藏:,Pi Pb,饱和油藏:,Pi Pb,带气顶,没有气顶,(Unsaturated、under-satur
2、ated、not saturated),(saturated),(with gas-cap),所有油藏的饱和压力：都有从构造顶部向翼部增加的趋势,因为：Pb与油藏的压力、温度和油、气的组分有关,实际应用时：无论Pi或Pb，都需考虑利用加权平均数据,在确定油藏饱和类型的前提下，可根据油藏的原始外边界条件（即有无边底水和气顶）以及作用于油、气渗流的驱动力情况：,油藏的天然驱动类型：,未饱和油藏或欠饱和油藏:,饱和油藏:,封闭型：封闭性弹性驱动,不封闭型：弹性水压驱动,无气顶、无边底水活动-溶解气驱动,无气顶、有边底水活动-溶解气驱和天然水驱综合驱动,有气顶、无边底水活动-溶解气驱和气顶驱综合驱动,
3、有气顶、有边底水活动-气顶驱、溶解气驱和天然水驱综合驱动,在矿场实际应用中，需根据油藏实际驱动类型，建立和选择不同驱动方式的物质平衡方程式,(sealed or closed),edge/bottom water,elastic water drive,第2节 油藏物质平衡方程,Gas,Oil,Water,GOC,WOC,实际油藏，封闭or 不封闭,简化为,Water,Oil,Gas,储油容器,Tanker,总烃量,采出量,剩余量,油藏物质平衡通式的建立与简化,假设条件？,1.假设条件：,（Generalized MBE）,储层物性和流体物性均匀分布，各向同性；相同时间内，油藏各点地层压力能瞬
4、时达到 平衡；在整个开发过程中，油藏保持热动力学平衡，即地层温度恒定；不考虑毛管力和重力作用,-基于上述假设，把一个实际油藏简化为封闭的或不封闭的（具有天然水侵）储存油、气的地下容器。在这个地下容器内，随着油藏的开采，油、气、水的体积变化服从物质守恒原理，由此原理所建立的方程式。它又称零维模型，这是因为物质平衡方程式本身不考虑油、气、水渗流的空间变化。,物质平衡方程式,2.物质平衡方程建立的思路：,（1）油藏为一体积不变的容器，油藏原始条件下的流体的总体积=开发后任一时刻采出流体的总体积与地下剩余流体体积之和。,（2）油藏为一体积不变的容器，油藏原始条件下的流体的总体积=开发过程中任一时刻所含
5、流体总体积。（不考虑岩石孔隙空间变形）,（3）油藏为一体积不变的容器，开发过程的任一时刻流体体积变化的代数和为零。,三种方式实质相同，可得同一结果。,3、方程的建立,先考察一个饱和油藏：,4,5,10,6,7,8,9,(气顶区),(含油区),(水区),Pi,P,t,1,2,3,饱和油藏：具有气顶、并有边底水作用。在开发过程中，即使人工注水、注气，假定仍不能保持地层能量平衡。随着流体的开采 地层压力逐步 气顶气膨胀 地层原油膨胀 以及岩石和束缚水弹性膨胀 同时，部分溶解气释放出，并随压降而膨胀 边底水随之侵入油藏,irreducible/combined/bound water,Encroach
6、/invade,elastic expansion,在原始条件下，气顶区内天然气的原始地质储量 G，所占地下体积 GBgi,含油区内原油原始地质储量 N，所占地下体积 NBoi,气顶区与含油区所含流体体积比 m:,气顶内天然气原始地质储量G:,它所占的地层孔隙体积为：,附：地层流体物性随地层压力的变化关系,Bt,Bo,Bg,Rs,Bt=Boi,Rsi,Bgi,Pi=Pb,P,0,(Rsi-Rs).Bg,地层原油两相体积系数：,物质平衡方程式的推导：,已知油藏原始地层压力Pi，经过时间 t 开采后，地层压力下降到P。在此期间内，从油藏中累积产出油量Np，气量Gp，水量Wp。,根据物质守恒：累积产
7、出的流体（三者）的地下体积=气顶区和含油区内的诸项弹性累积体积膨胀量、天然累积水侵量和人工累积注水、注气地下体积量的总和。,用文字表述（地下平衡、累积平衡、体积平衡）为：,1累积产油量+2累积产气量+3累积产水量=4气顶的累积体积膨胀量+5气顶区内地层束缚水和岩石的累积弹性体积膨胀量+6含油区内地层原油的累积体积膨胀量+7含油区地层束缚水和岩石的累积弹性体积膨胀量+8累积天然水侵体积量+9人工累积注水体积量+10人工累积注气体积量,用油藏工程参数符号，分别表述各项：,1累积产油量：地面 Np，地下 NpBo,2累积产气量:地面Gp=NpRp,(Rp-累积生产气油比）,在压力P下累产油量Np的溶
8、解气量为：NpRs,地层压力由Pi下降到P时，由油藏中产出的天然气地下体积为：Np(Rp-Rs)Bg,3累积产水量:地面Wp,地下:WpBw,部分溶解气在地下(P下)溶解于原油中，采出的气来自于气顶与溶解气的释放,4气顶的累积体积膨胀量:,5气顶区内地层束缚水和岩石的累积弹性体积膨胀量:,注意：C的定义,6含油区内因溶解气驱引起的地层原油累积体积膨胀量：,7含油区地层束缚水和岩石的累积弹性体积膨胀量：,8 累积天然水侵体积量：We,9人工累积注水体积量:地面Wi,地下WiBw,10人工累积注气体积量:地面Gi,地下GiBig,（Big为在压力p下注入气体的体积系数）,因此：1+2+3=4+5+
9、6+7+8+9+10,饱和油藏物质平衡式的通式：,(分子加减一项NpRsiBg),或：,根据油藏的不同驱动类型，对上述通式简化，可得相应特定条件下的物质平衡式。,第3节 未饱和油藏的物质平衡式,（一）封闭性弹性驱动的未饱和油藏(pi Pb),油藏条件：Pi Pb;We=0;Wi=0;Wp=0;m=0;Gi=0;Rp=Rs=Rsi;Bo-Boi=BoiCop,未饱和,封闭,封闭,弹性驱,弹性驱,未饱和,由物质平衡通式：,未饱和,若设：,则：,N,x,y,或：,弹性驱动油藏的生产指示曲线,弹性能量指数,油藏单位压降的采出油量,N，油藏的弹性能量就越多,弹性强度指数,油藏单位压降的采出程度,EII
10、消除了油藏储量的影响，因而更能反映油藏弹性驱动能量的强弱。实际上，EII 主要反映了油藏有效压缩系数的数值。,油藏的压降指数,采出单位原油量的地层压降,（同样反映油藏弹性能量的多少）,N 越小，PDI，油藏的弹性能量越弱,压降强度指数（油藏的压降率）,单位采出程度的油藏压降,油藏的采出程度,到某阶段累积采出的油量与地质储量的比值,为了提高油藏采出程度，需以地层压力的下降为代价,油藏的弹性采收率,地层压力下降到饱和压力时的油藏采出程度,原油的地饱压差，油藏的弹性采收率,油藏的剩余油饱和度,教材上有误！,（二）天然弹性水压驱动的未饱和油藏(pi Pb),油藏条件：Pi Pb;We0;Wi=0;Wp
11、0;m=0;Gi=0;Rp=Rs=Rsi;Bo-Boi=BoiCop,未饱和,天然弹性水压驱,弹性驱,未饱和,由物质平衡通式：,未饱和,或写成：,天然水侵系数,N,x,y,B=tg,（三）天然水驱和人工注水的弹性水压驱动的未饱和油藏(pi Pb),油藏条件：Pi Pb;We0;Wi 0;Wp0;m=0;Gi=0;Rp=Rs=Rsi;Bo-Boi=BoiCop,未饱和,天然水驱和人工注水弹性水压驱,未饱和,由物质平衡通式：,未饱和,水压驱动油藏的生产指示曲线,W,W,水压驱动油藏的开采初期主要为弹性驱动，早期一般不注水，Wi0，压降较小，还没波及到水体，We0，产水量也很小，Wp0，油藏的MBE
12、为,油藏在经历了弹性驱动阶段之后，已进入水压驱动阶段，水侵或注水过程开始发挥作用,水侵量计算,1.生产指示曲线法,在某一个阶段，油藏的生产指示曲线在 NpBo 轴方向上偏离初始直线段的距离，为油藏的存水量。,由此可计算水侵量：,水体活跃程度：,当指示曲线明显偏离直线段的油藏采出程度R0：,W,2.亏空体积曲线法,油藏的净采出体积，矿场上通常称之为油藏的亏空体积，并用符号Vv表示,油藏的亏空率,亏空体积与油藏容积的比值,油藏的亏空体积，等于油藏的地下膨胀量与油藏的水侵量之和。,当然油藏并不会因为开采原油而出现真正的亏空，亏空的部分由地下体积的膨胀和水侵量填补,在油藏开发的初期，油藏的水侵量很小，
13、可以忽略，油藏基本上为弹性驱动，此时,We,We,Vv,Vv,水压驱动未饱和油藏 Vvp 曲线由两部分组成：初始部分的直线段和之后的曲线段。初始直线段反映了弹性驱动的亏空体积变化，用该直线段的斜率依然可以确定出油藏的动态地质储量。也可以用亏空曲线来计算油藏的水侵量：油藏的亏空体积曲线偏离初始直线段在 Vv 轴上的距离，即为油藏的水侵量,或写成：,天然水侵系数,或令：,则：,x,y,45o,We计算偏大,We计算偏小,油藏注采平衡,水压驱动未饱和油藏的 MBE：,油藏的存水体积系数：,油藏的存水量与油藏容积之比值,油藏的水侵体积系数：,油藏的水侵量与油藏容积的比值,油藏的注水体积系数：,油藏的注
14、水量与油藏容积的比值,油藏的产水体积系数：,油藏的产水量与油藏容积的比值,总注入液量与总采出液量的比值,油藏的累计注采比：,（地下）,（地下）,年(月或日)注入液量与年(月或日)采出液量的比值,油藏的(瞬时)注采比：,（地下）,（地下）,部分保压开采的水侵量 We0，水体的能量可以发挥一定的作用。,注采欠平衡,，即累积注入量小于累积采出量,此时，油藏的压力可能低于 Pi，油藏存在一定的压力降落，这样的开采方式也称做部分保压开采。,油藏完全依靠天然能量进行开采，衰竭式开采的水侵量 We0，水体的能量可以充分发挥作用。,衰竭式开采,，此时，油藏的注入量为0，,注采平衡,平衡状态，即所谓的“注采平衡
15、”。注采平衡时，油藏的压力维持在原始地层压力的水平上，油藏的压降为0，这样的开采方式也称做保(持)压(力)开采。保压开采的水侵量We0，水体的能量无法发挥作用。,油藏的注入与采出达到了一种,注采过平衡时，油藏的压力可能高于 Pi，油藏可能存在一定的压力升高，该开采方式也称做过平衡开采。过平衡开采的水侵量可能 We0，即可能有一部分油藏流体（oil and/or water）逸流到水体中去。,注采过平衡,，即累积注入量大于累积采出量,油藏的逸流量(包括油和水),过平衡开采导致油藏流体外逸，从而浪费了油藏的驱替能量，矿场上一般不采用这种驱替方式。为了充分利用水体的能量，油藏的压力应保持在原始地层压
16、力之下，即油藏存在一定的压降，而且压降越大，水体越能发挥作用。,为了保持油井有相对较高的举升能力，油藏压力又不能降得太低，油藏压力越高，油井的举升能力就越强。因此，油藏压力应保持一个合理的水平之上，才能给油藏开采带来好的经济效益。,压力保持水平,油藏压力与原始地层压力的比值,油藏的压降水平,油藏的压力降落值与Pi 的比值,为了充分利用水体的能量，而又能保持油井具有较高的举升能力，注水开发油藏的压力水平一般保持在80%90%左右。,（四）人工注水的封闭弹性水压驱动的未饱和油藏(pi Pb),油藏条件：Pi Pb;We0;Wi 0;Wp0;m=0;Gi=0;Rp=Rs=Rsi;Bo-Boi=Boi
17、Cop,未饱和,人工注水（封闭）弹性水压驱,未饱和,未饱和,由物质平衡通式：,令：,则：,x,y,斜率：,过原点的直线,N,第4节 饱和油藏的物质平衡式,对饱和油藏(PiPb)，根据不同驱动能量的组合，可得不同驱动类型油藏的物质平衡方程。,（一）溶解气驱油藏(Solution Gas Drive Reservoir),驱动能量：主要是溶解气的分离膨胀，同时考虑地层压降所引起的地层束缚水和地层岩石的弹性膨胀。,油藏条件：Pi Pb;We=0;Wi=0;Wp=0;m=0;Gi=0;,由物质平衡通式：,If 忽略地层束缚水与地层岩石的弹性膨胀作用，则：,纯溶解气驱 MBE：,注水,水处理厂,生产井,注气,下倾部位注水；上倾部位回注气,（二）气顶驱、溶解气驱和弹性驱动油藏,油藏条件：Pi Pb;We=0;Wi=0;Wp=0;m0;Gi=0;,由物质平衡通式,（三）气顶驱、溶解气驱、天然水驱和弹性驱动油藏,油藏条件：Pi Pb;We 0;Wi=0;Wp 0;m0;Gi=0;,由物质平衡通式,（四）溶解气驱、人工注水和弹性驱动油藏,油藏条件：Pi Pb;We 0;Wi 0;Wp 0;m=0;Gi=0;,由物质平衡通式,（五）气顶驱、溶解气驱、天然水驱、人工注水、人工注气和弹性驱动油藏,油藏条件：Pi Pb;We 0;Wi 0;Wp 0;m 0;Gi 0;,即前述物质平衡通式：,
