油气井测试基础知识.docx

1、油气井测试基础知识第1章 油气井测试基础知识1.1 地质基础知识1.1.1岩性石油和天然气都埋藏在地下不同深度的岩石之中。尽管埋藏深度相差很大，但都还在地壳的范围内。 组成地壳的岩石，根据其成因可分为岩浆岩、沉积岩、变质岩三大类。 1.沉积岩 沉积岩是古老的岩石风化剥蚀后，其风化产物再经过搬运、沉积及成岩作用而形成的。根据沉积岩的成因和物质成分，将其分为四类:(1)碎屑岩 是由碎屑和胶结物组成的沉积岩，按粒度分为砾岩、砂岩、粉砂岩。(2)粘土岩 是由粘土矿物组成的沉积岩，如泥岩、页岩。(3)碳酸盐岩 是由碳酸盐矿物组成的沉积岩，如石灰岩、白云岩。(4)生物岩 是由生物沉积物组成的沉积岩，如煤、

2、油页岩。 沉积岩的分布面积很广，在沉积岩中蕴藏着极为丰富的矿产，尤其是被誉为工业血液、黑色金子的石油就生成于沉积岩中，而且大部分储集于沉积岩中。 2.岩浆岩 岩浆岩是岩浆在一定地质作用的影响下，由地壳深处上升，并且经过冷却、凝固、结晶而成的岩石。 岩浆是处于地壳以下高温、高压状态下的含有大量挥发物的硅酸盐熔融体。岩浆的温度超过1000，压力在几百MPa以上，当地壳运动使地壳本身出现薄弱地带时，岩浆就会冲入薄弱地带，甚至喷出地表，这时岩浆的温度、压力下降，挥发物质析出、经冷凝和结晶后，就形成了岩浆岩。 岩浆岩主要分为：超基性岩、基性岩、中性岩、中酸性岩、酸性岩、碱性岩等。 3.变质岩 在地球内力

3、作用的影响下，由于物理化学条件的改变，使早期形成的岩浆岩和沉积岩在固体状态下，其成分、结构和构造相应地发生变化的作用，称为变质作用。因变质作用而形成的岩石称为变质岩。由岩浆岩变质而成的叫正变质岩，由沉积岩变质而成的称副变质岩。 常见的变质岩有片麻岩、片岩、千枚岩、板岩、大理岩、石英岩、云英岩等。 变质岩与火成岩一样是不能生油的，但在储集条件、构造条件及其它条件充分具备的时候，也可以储集石油和天然气。1.1.2储集层 石油天然气储藏在地下岩石的孔隙、洞穴、裂缝中，所以把凡是能够储集油、气，并在其中流动的岩层叫做储集层。 1.储集层的特征 储集层能够储集油气是因为它具备了两个重要本质特征：孔隙性和

4、渗透性。 孔隙性的好坏决定了油、气的储量;渗透性的好坏决定了油、气的产量。（1） 孔隙度 岩石的孔隙性的好坏通常用孔隙度来表示。岩石孔隙指的是岩石中孔隙、洞穴和裂缝等各种孔隙空间的总和，称为总孔隙体积。总孔隙体积与岩石总体积的比值即为孔隙率或称绝对孔隙率:绝对孔隙率=（岩石中总孔隙体积/岩石总体积）100%流体能在其中流动的，相互连通的孔隙称为有效孔隙。有效孔隙体积与岩石总体积之比值称为有效孔隙率:有效孔隙率=（岩石中的有效孔隙体积/岩石总体积）100%一般地说，绝对孔隙率大于有效孔隙率。对于疏松砂岩或未胶结的砂层来说，绝对孔隙率与有效孔隙率差别不大，而致密砂岩和碳酸盐岩的绝对孔隙率与有效孔隙

5、率差别很大。各种岩石孔隙率的变化是较大的，砂岩的有效孔隙率一般在10%25%之间，甚至在5%40%之间，碳酸岩孔隙度一般小于5%。（2）渗透率 在一定的压力差下，岩石本身允许流体通过的性能叫渗透性。渗透性是决定油层产油能力最重要的因素。渗透性的好坏可用渗透率来表示， 储油气岩层中，油或油水、油气水渗滤的实际渗透率称为有效渗透率。有效渗透率与岩石性质有关，又与流体性质有关，通常是根据试井(测试)资料求得。 2.储集层分类 储集层的类型大致可以分成三大类:（1）碎屑岩类储集层，即颗粒之间孔隙型储集层。碎屑岩类储集层包括砾岩、砂岩、粉砂岩等。（2）碳酸盐类储集层，即溶蚀的洞穴型储集层和破裂的裂缝型储

6、集层。这类储层包括石灰岩、白云岩、白云质灰岩、生物灰岩等。（3）其它类型的储集层，如岩浆岩、变质岩、泥岩。这些岩石裂缝、片理、次生孔隙发育的时候，也可成为良好的储集层。图1-1储集层类型示意图我国已发现的储集层是多种多样的，但也超不出以上三种类型。以大庆油田为代表的属砂岩颗粒间的孔隙型储集层:以任丘油田为代表的属碳酸盐岩的溶蚀洞穴型和裂缝型储集层;以四川气田为代表的属碳酸盐岩裂缝型储集层。还有一些特殊的储集层，如在辽河油田见到的火山岩储集层(孔隙型)，玉门鸭儿峡油田的变质岩储集层(裂缝型)以及青海油泉子油田的泥岩储集层等(图1-1)。3.油气藏构造 油、气运移到储集层后，还不一定能够形成油气藏

7、。在这个过程中，如果剥蚀作用、氧化作用、岩浆作用等各种破坏性因素比较强烈，就可能使油、气再次逸散，而不能形成油、气藏。如果运移过程中遇到遮挡，运移不能继续进行，油、气就可逐渐聚集而成油气藏。这种适于油气聚集，并形成油气藏的场所就叫做圈闭。聚集油、气的构造就是储油构造。油气藏的构造种类可分成三大类。（1）背斜构造，或称构造圈闭:构造运动使地层发生褶皱或断裂，这些褶皱或断裂当条件具备时就可形成构造圈闭。如背斜圈闭，断层圈闭等(图1-2)。（2）地层圈闭:地壳升降运动引起海进、海退、沉积间断、剥蚀风化等，形成超覆不整合、侵蚀角度不整合、假整合等，其上部为不渗透地层覆盖即构成地层圈闭。（3）岩性圈闭:

8、在沉积盆地中，由于沉积条件的差异，造成储集层在横向上发生岩性变化，并为不渗透岩性遮挡时，即形成岩性圈闭。如砂岩尖灭、透镜体等(图1-2)。图1-2是三种基本的圈闭类型，有时还可见到它们彼此相结合而形成的圈闭类型。但勘探工作的重点仍是寻找有利油、气聚集的构造圈闭。图1-2各类地质圈闭示意图4.油、气、水在地下的原始分布 油、气进入圈闭以后，又因为油、气、水的密度不同，在圈闭内进一步分成三个层次，天然气密度最小在上面，油在中间，密度最大的水在下面，成为一个完整的油、气藏(图1-3)。在气与油接触处和油与水接触处，分别叫油气界面和油水界面。从构造平面图看含油边界又叫含油外端或外含油边界，是油水界面与

9、油层顶面的交线，在这边界以外就不是含油区了(见图1-4)。在油藏最低处四周衬托着油藏的水叫边水，在油藏下面托着油藏底部的水叫底水，夹层水又叫层间水。图1-3 油气藏内油、气、水分布示意图1 气;2油;3水;4油气界面;5油水界面 图1-4油、气、水边界示意图1含气边界;2含水边界;3含油边界1.1.3油藏类型及驱动方式 油藏就是指可以值得作为单元开发对象的含油体，可以是一个油层，也可以是一组性质近似的几个油层。一个油藏可以是一个油田，而一个油田也可以包几个油藏。 以含油体形态为主划分油藏类型，分为层状油藏和块状油藏。如以圈闭条件为基础划分，可分为构造油藏、地层油藏和岩性油藏。构造油藏的基本特点

10、在于聚集油气的圈闭是由于构造运动使岩层发生变形和移位而形成的。它的类型也还可以细分，其中最主要的有背斜油藏和断层油藏。地层油藏是指因为地层因素造成遮挡条件，在其中聚集油气而形成的油藏。在地层油藏类型中又有地层超覆油藏和地层不整合油藏的区别。岩性油藏主要是像由砂岩被泥岩所包围，而形成一个岩性尖灭圈闭和透镜体圈闭，在其中聚集油气而形成的油藏。当油井投入生产以后，油气就从油层中流向井底，从井底沿井筒上升至地面。那么，是什么力量将油气举升到地面的呢?是油层压力。而压力的形成又由水压作用、弹性作用、溶解气作用来决定。油井的驱动方式不同，所供给的能量也不同。在生产过程中，主要依靠哪一种能量来驱油，这种能量

11、就称为油藏的驱动方式。由此，可把驱动方式分为水压驱动、弹性驱动、溶解气驱动、气顶驱动和混合驱动五种驱动方式。 (1)弹性驱动：在边缘封闭，没有外来能量供给的油藏(如小土豆层)或供水区较远，边水补充不及的油藏中，当地层压力高于饱和压力时，主要依靠岩层和原油本身的弹性能量将原油挤入井底，这种驱动方式称为弹性驱动。 (2) 溶解气驱动 当油层平均压力低于饱和压力时，油层中出现油、气两相渗流，这时油流流入井中主要依靠分离出的天然气的弹性作用，且油藏没有外来能量补充，这种驱动方式称为溶解气驱动。溶解气驱动是一种消耗性开采方式，最终采收率为5%。 (3)气顶驱动：有气顶的油藏，在开发过程中，油层压力不断下

12、降，气顶随之膨胀，而把油流挤入井内，这种驱动方式称为气顶驱动。若油藏气顶较大，岩层连续均质，储油构造陡峭，原油粘度又低，这种驱动方式还是很有成效的。(4)水压驱动：油藏主要依靠边水、底水和注人水的侵人而将油气排出，这种驱动方式叫水压驱动。水压驱动的原油采收率高，理想状况可达到60%80%(5)混合驱动：在较大的油藏中，油藏往往同时存在多种驱油能量。靠近气顶区的油井，主要依靠气顶的天然气膨胀来驱动油流流入井中，因而靠近气顶局部地区的井将在气顶驱动方式下生产;而靠近边水驱动的油井，则靠边水的侵人将原油挤人井内，这些区域的井将在水压驱动方式下生产。如果含油带较宽，处在距气顶和边水都较远的井，就可能在

13、溶解气驱的方式下生产。一旦气边水的作用影响到这些油井，则油并又可能从溶解气驱转化为气顶驱动或边水驱动。1.1.4相关名词术语 （1）油气显示：石油天然气及其与成因相联系的各种石油衍生物的天然和人工露头均称为油气显示。油气显示又分为地面油气显示和井下油气显示两种。 地面油气显示：石油和天然气沿着地下岩石的孔隙和裂缝运移到地面所形成的各种露头，叫地面油气显示。 井下油气显示：由于钻井、取岩心和随同钻井液(或清水)循环而把石油和天然气携带到地面者，叫井下油气显示。（2）含油层：含有油气的储集层。如果储集层中只含有天然气叫含气层。 （3）储油层(储集层)：凡能使石油、天然气在其孔隙和裂缝中流通、聚集和

14、储存的岩层(岩石)均叫储油层。 （4）有效孔隙度：岩石有效孔隙体积(即液体能在其中流动的孔隙体积Vop)与岩石总体积Vf之比，称为岩石的有效孔隙度，即： t=Vop/Vf100%（5）含油饱和度：油层孔隙中，含油的体积V0与孔隙体积Vop之比，称为含油饱和度So , So= VO /Vop100% （6）渗透率：在一定压差下，岩石让流体通过的能力叫渗透率。国外普遍采用的渗透率单位是“达西”，而我国法定计量单位采用的渗透率单位符号是m2 。一个达西(D)的物理意义是:当粘度为1 mPa .s的流体，在压差为0.1 MPa作用下，通过截面积为1 cm2、长度为1cm的多孔介质，其流量为1cm3/s

15、渗透率就称为1达西，1D=1m2。 因渗透率是面积的因次，所以渗透率代表了多孔介质中孔隙通道面积的大小，渗透率越高，多孔介质孔道面积越大，流动越容易，渗透性也就越好。 （7）绝对渗透率：单相液体或气体完全充满岩石的孔隙，且这种液体或气体不与岩石起任何物理、化学反应，流体的流动符合直线渗透定律，这时测得的岩石渗透率为岩石的绝对渗透率。这时岩石的渗透率表示岩石本身的特性。岩石的绝对渗透率一般用空气测定。 （8）有效渗透率：当两种以上的流体通过岩石时，岩石让某一相流体通过的能力，也称相渗透率。 （9）相对渗透率：有效渗透率与绝对渗透率的比值。 （10）油田开发层系：在油田开发过程中，把能连通的油层组

16、合在一起，用一套井网来开采，这个油层组合称为开发层系。 （11）油田开发方式：油田开发方式是指油田开发时采用的注水方式、层系划分、井网部署和开采方式等的总称。（12）油田开发阶段：开发阶段的划分，一般是按开发过程的水驱油机理分为无水期、低含水期，中含水期和高含水期四个阶段，油田综合含水低于2%称为无水期，油田综合含水在2%20%时称低含水期。按油田产量变化规律，亦可将开发过程分为建设阶段、稳产阶段、产量递减阶段和开发后期阶段。 （13）原始地层压力：油藏被打开未进行开采之前所测得的油层中部压力(代表油藏原始状态的地层压力)叫原始地层压力。 （14）静止压力：采油(气)井关井后，井底压力回升到稳

17、定状态时，所测得的油层中部压力，简称静压。 （15）流动压力：油井在正常生产时所测得的油层中部压力叫流动压力。 （16）原始饱和压力：油藏处于原始状态时，溶解于原油中的天然气开始从原油中分离出来的压力叫原始饱和压力。 （17）流压梯度：油井在正常生产时，每单位液柱高度所产生的压力;一般用每1 00m液柱所产生的压力表示。 （18）静水柱压力：井口到油层中部的水柱压力。 （19）油管压力、套管压力：油气从井底流到井口后的剩余压力叫油管压力，简称油压。油套管环形空间内，油和气在井口的压力叫套管压力，简称套压。 （20）地层系数：地层系数是油层有效厚度与有效渗透率的乘积，参数符号为Kh，单位符号为m

18、2m。它反映油层物性的好坏，Kh越大，油层物性越好，出油能力越大。 （21）压力系数：原始地层压力与静水柱压力之比。 （22）流动系数：是地层系数与地下原油粘度的比值， 参数符号kh/，单位符号m2m/(mPaS) 。 （23）采油指数：采油指数是指生产压差每增加1 MPa所增加的日产油量，也称为单位生产压差下的日产量。它表示油井生产能力的大小，参数符号为J，单位符号为m3 / (MPad) 。 （24）总压差：原始地层压力与目前地层压力的差值。 （25）生产压差：静压(即目前地层压力)与油井生产时测得的流压的差值叫生产压差。 （26）地饱压差：目前地层压力与原始饱和压力的差值叫地饱压差，它是

19、表示地层原油是否在地层中脱气的指标。 （27）采油压差：油井生产时，地层静压与流动压力之差，又称为生产压差。 （28）注水压差：注水井注水时的井底压力与地层压力之差。 （29）含水率：生产油井日产水量与日产液量(油和水)之比称含水百分数。 （30）油气比:油气比分为原始油气比和生产油气比。油田未开发时，在油层条件下，一吨原油中所溶解的天然气量称为原始油气比。在油田开发过程中，每采出一吨原油所伴随着采出的天然气量称为生产油气比。 （31）采收率:油田采出来的油量与地质储量的比值称为采收率。无水采油阶段的采收率称为无水采收率。油田开发结束时达到的采收率叫最终采收率。1.2 油藏流体向井流动 油藏流

20、体的向井流动是指原油或其它介质沿渗流通道从地层向生产井底的流动。流动规律满足达西定律。流动状态分为单相渗流和多相渗流。1.2.1单相液体的流入动态根据达西定律，在供给边缘压力不变的圆形单层油藏中心一口井的产量公式为:qo= （1-1）式中 q。油井产量地面m3/s k。油层有效渗透率m2 B。原油体积系数，m3/m3 h油层有效厚度，m 0地层油的粘度，Pa.s 边缘压力，Pare油井供油(泄油)边缘半径，m rw井眼半径， m S表皮系数，与油井完成方式、井底污染或增产措施等有关，可由压力恢复曲线求得。 a采用不同单位制的换算系数，采用流体力学达西单位及法定（SI）单位时a=1；采用法定实用

21、单位时；a=86.4；若压力实用单位中用kPa时，则a=0.0864 对于圆形封闭油藏，即泄油边缘上没有液体流过，拟稳态条件下的产量公式为:qo= （1-2）对于非圆形封闭泄油面积油井拟稳态条件下的产量公式，可根据泄油面积和油井位置进行校正。其方法是令公式中的= X，根据泄油面积形状和井的位置可确定相应的X值见图1-5在单相流动条件下，油层物性及流体性质基本不随压力变化，这样，上述产量公式可写成:qo=J（） （1-3）图1-5泄油面积形状与油井位置系数（A为供油面积） 泄油面积形状与油井的位置系数式中 J采油指数m3/(s.pa) 表达式为： （1-4） 在一些文献中，把式2-3称为油井流动

22、方程。由式2-3可得： J= （ 1-5） 1.2.2 油气两相渗流时的流入动态油气两相渗流发生在溶解气驱油藏中，油藏流体的物理性质和相渗透率将明显地随压力而改变。因而，溶解气驱油藏油井产量与流压的关系是非线性的。要研究这种井的流入动态，就必须从油气两相渗流的基本规律入手。 根据达西定律，对于平面径向流，直井油气两相渗流时油井产量公式为：令油相相对渗透率，并积分，可得： （1-6）式中，、及都是压力的函数，只要找到它们的压力的关系，就可求得积分，从而找到产量和流压的关系。及不难由高压物性资料或经验相关式得到，而与压力的关系则必须利用生产气油比、相渗透率曲线来寻找。显然，利用上述方法来绘制IPR

23、曲线是十分繁琐的。因而，在油井动态分析和预测中通常结合生产测试资料来绘制IPR曲线。（1）Vogel方法 1968年Vogel发表了适用于溶解气驱油藏的无因此IPR曲线及描述该曲线的方程。它们是根据用计算机对若干典型的溶解气驱油藏的流入动态曲线的计算结果提出的。计算时假设：a.圆形封闭单层油藏，油井位于中心；b.单层均质油层，含水饱和度恒定；c.忽略重力影响；d.忽略岩石和水德压缩性；e.油、气组成及平衡不变；f.油、气两相的压力相同；g.拟稳态下流动，在给定的某一瞬间，各点的脱气原油流量相同。计算结果表明，产量与流压的关系随采出程度而变。如果以流压与油藏压力的比值为纵坐标，以相应流压下的产量

24、与流压为零时的最大产量之比为横坐标则不同采出程度下的IPR曲线很接近。Vogel对不同流体性质、油气比、相对渗透率、井距及压裂过的井和井底有污染的等各种情况下的21个溶解气驱油藏进行了计算。其结果表明：IPR曲线都有类似的形状，只是高粘度油藏及油井污染严重时差别较大。Vogel在排除了这些特殊情况之后，绘制了一条如图1-6所示的参考曲线（常称为Vogel曲线）。这条曲线可看作是溶解气驱油藏渗流方程通解的近似解。图1-6溶解气驱油藏无因次IPR曲线图1-6的曲线可用下面的方程（Vogel方程）来表示： （1-7）参考曲线与各种情况下的计算机计算曲线的比较表明：除高粘度及井底污染严重的油井外，参考

25、曲线更适合于溶解气驱早期（即采出程度较低时）情况。应用Vogel方程可以在不涉及油藏参数及流体性质资料的情况下绘制油井的IPR曲线和预测不同流压下得油井产量，使用很方便。但是，必须给出该井的某些测试数据。应用Vogel方程绘制IPR曲线的步骤已知油藏压力及一个测试产量流压时的产量时，应用Vogel方程绘IPR曲线的步骤如下：a.计算 ：b.给定不同流压，用下式计算相应的产量：c.根据给定的流压及计算出得相应产量绘制IPR曲线。如果油藏压力未知，但是要测得两种油井工作制度下的产量及相应的流压，可由下式求得油藏平均压力后，再计算IPR曲线。 (1-8)； Vogel曲线与数值模拟IPR曲线的对比图

26、1-6中绘制了用Vogel方程计算的和用数值模拟计算的不同开采阶段的IPR曲线。由IPR曲线的对比表明：a. 按Vogel方程计算的IPR曲线，最大误差出现在用小生产压差下的测试资料来预测最大产量。一般误差低于5%。虽然，随着采出程度的增加，到开采末期误差上升到20%，但其绝对值却很小。b. 如果用测试点得资料按直线外推时，最大误差可达7080%，只是在开采末期约30% 图1-7 完善井和非完善井周围的压力分布示意图上述认识仅仅是根据对一般的溶解气驱油藏与用数值模拟计算的结果进行对比得到的。但矿场实践表明，除前述的某些特殊情况外，用Vogel方程来预测溶解气驱油藏的油井产量将会得到较满意的结果

27、。（2）费特柯维奇方法 对溶解气驱油藏，即油气两项渗流： （1-9）费特柯维奇假设（）与压力p成直线关系，故：式中， 令则 （1-10a）或 （1-10b）当pwf =0时 qomax = （3）不完善井Vogel 方程的修正 在建立无因次流入动态曲线和方程时，认为油井是理想的完善井。即油层部分得井壁是完全裸露的，井壁附近的油层未受到伤害而保持原始状况。实际油井并非理想的完善井。就其油井完成方式而言：射孔完成的井为打开性质上的不完善井；为防止底水锥进，而未全部钻穿油层的井为打开程度上的不完善井；打开程度和打开性质都不完善的井称为双重不完善井。另外，在钻井或修井过程中油层受到伤害或进行酸化、压裂

28、等措施的油井，其井壁附近的油层渗透率都会改变，从而改变油井的完善性。所有这些都会增加或降低井底附近的压力降，如图1-7所示，从而影响油井流入动态。实际油井的完善性可用流动效率FE来表示。所谓油井的流动效率是指该井的理想生产压差与实际生产压差之比。 （1-11）式中： -平均油藏压力 -理想完善井的流压 -同一产量下实际非完善井的流压 -非完善井表皮附加压力降 （1-12）为“正”称“正”表皮，油井不完善；为“负”称“负”表皮，油井超完善。假定油层未受污染的渗透率为ko ，受污染区的渗透率为ks ，伤害半径为rs，根据稳定流公式，可导出计算的公式。完善井 （1-13a）非完善井 （1-13b）由

29、式（1-13a、（1-13b）及（1-12）可得令： (1-14)则： (1-15)式中 表皮系数或井壁阻力系数。实际上，由于及kr难于确定，利用式（1-15）来确定表皮系数s。通常是利用压力恢复曲线来确定s值。完善井s=0，FE=1；增产措施后的超完善井s1；油层受污染或不完善的井s0，FE1的IPR曲线时，不应超过Standing提供的无因次曲线的范围（FE=0.51.5）。超过曲线范围之后，既无法查曲线，也不能应用上面所介绍的式（1-16）来计算。Harrison方法 Harrison提供了FE=12.5的无因次曲线（图1-9），扩大了Standing曲线的范围。它可用来计算高流动效率井的IPR曲线和预测低流压下的产量。其计 图1-9 Harrison 无因次IPR曲线（FE1）算步骤如下：a. 计算FE=1时的先求，然后查图1-9中在对应的FE曲线上的相应值，则b求FE对应的最大产量，计时的产量；由图1-9的FE对应的曲线上查得Pwf=0时的。则c计算不同流压下的产量由 查图1-9中对应FE的曲线得到。则对应pwf和FE下的产量为d. 根据计算结果绘制IPR曲线1.3垂向管流油气水从地层进入生产井后，在井筒中形成了单相（油、气、水）、两相（油水、气水、油气）或油气水三相流动。气井通常井下为气水两相流动。油井在流压大于饱和压力时，井