石 油 学 报
1 0 5 5年 4 月 AC T A PE T R O L E I S IN IC A 第 6 卷 第 2 期
水驱曲线关系式的推导
陈 元 千
(石油勘探开发科学研究院 )
提 要
由累积产水t (W P) 与累积产油且(N p ), 或水油比(W O R )与累积产油皿(N p )在半对数坐
标纸上构成的关系图, 人们叫做水驱曲线 。 对于预测水驱油田的未来开发动态和最终采收率 , 这
是一个很重要的方法。 因此 , 在国内外得到了广泛的应用。
在本文中 , 基于油水两相流动的驱替理论和方法 , 包括巴克莱 · 列弗胃特和韦尔杰分别提出
的驱动前缘方程和平均含水饱和度方程 , 以及艾富罗斯提供的经验方程 , 本文导出了水驱曲线的
不同关系式。 其中包括查宪章命名的甲、 乙和丙型水呕曲线。
前 一J 一舀「J
水驱曲线在国内外得到了广泛的应用 。它不但可以预测水驱油田的未来开发动态 , 而且还
可以侧算水驱油的可采储量和采收率。童宪章将水驱曲线划分为甲型 、乙型和丙型三种形式 ,
并作了实际应用 t1, “〕。 在文献〔8 〕中对于水驱曲线的基本关系式 , 曾经进行过近似性的推导 .
本文基于油水两相的驱替理论和实验研究成果 , 即Buc ki e y一Lev er et t (巴克莱 ·利 弗雷’
特)的水驱油非活塞式理论〔4 〕, w ei ge (韦尔杰)的平均含水饱和度方程〔6 〕, 以及3 o PO C (艾
富罗斯 )的实验理论研究成果 〔6, 7〕, 对于水驱曲线的各种墓本关系式 , 进行了如下较 为完 整
的理论推导 , 从而为它们赋予了物理上的意义 。
一 、 关系式的推导
水驱油田的累积产油量为 :
N p = N
。 一 N 。 r ( ! )
式中的N 。 (地质储量)和N 。 r (剩余地质储量)分别 由下式
示 :
N
。 = 1 0 0 Fh中(1 一 S w : )Y o / B 。 :
N
。 r = 10 0 F h巾(1 一 S , )Y。 / B o
( 2 )
( 3 )
将 ( 2 )式和 ( 3 )式代入 ( l )式得 :
N p 二 1。。Fh。盗计【(卜 S , ‘)一 (‘一系)会4」
在注水保持地层压力的条件下 , 原油目前体积系数B 。 二 Bo . , 故由 ( 4 )式得 :
_ _ _ , 。 , 丫。 I下 。 、洲 。 = IU U r ll 甲甲五— . ) O - 一 0 , l ,0 0 1 岛 ‘
( 4 )
(吞)
石 油 学 报 第 6 卷
由( 5 )式解得 :
S w 二
N
,
xo o Fh小Yo / B o i + S
, :
( 6 )
将 ( 6 )式等号右端第一项的分子与分母 同乘以 ( 1 一 5 . 、)得 :
S , 二 N
p
(z 一 S , ‘)
100 胜小(1 一 S , . )Y。 / B o . + S
、
( 7 )
再将 ( 2 )式代人 ( 7 )式 , 并考虑原始含油饱和度5 0 . = 1 一 s , :得 :
S w 二 N
, 5
0 。
N
o
+ S
, 。 ( 8 )
如图 l (a) 所示 , 在水驱油的非活塞式 条 件 下 ,
论〔‘〕, 可以写出油井见水之前的驱替方程式为 :
X = 森一 (会)sw
由 B u e k le y一L ev e rett 的 线 性 驱 替 理
( 9 )
注水并 生产井 注水井 生产井
州下z十|stv!l 一 s o r」冬蛇么必孚故如州以瞥 !! 、、 二 )显 }} 、、 呼 于,月 “ 、劝 川关 l! 下、、 l书 }} } ~ 卜汗巡 !l 、 ‘ l丁尽}}夕卜 ”w > 卜 }台w ‘清11 . t l-
一 S o r
0 处绝到
卜 . 交一叫 距离一
( b 少
图 1 水驱油的非活塞式模式图
(a )见水前 , (b )见水后
如图 l (b) 所示 , 在油井见水之后 , 地层内的平均含水饱和度 , 可 由如下 的 w 日se 方 程
表示〔的 :
S
, 。 + Q
.
(1 一 f , 。) (10 )
式中累积注水量 Q , =
S , 二
W
.
A 小L 一
1 l
(〔巫三、_ - -一 ~亘三〕、d s , , 5 . 。 d s , . (1 1)
根据3 O P O C (艾富罗斯 )的实验理论研究表明〔6. 幻 ·
时 , 油水两相流动的出口端含油率 , . 因 r 熟表不 :
‘ . = 一到1 2.5
当地下油水粘度 比协 在 l ~ 10 范 围
(12 )
已知 : f 。。 = 1
林R
一 f, 。
Z
。
= l 一 S o r 一 S , .
(1 3 )
(1 4 )
故得 ; 1 一 ,
, . = 卯一 ( , 一 S 。 r 一 s , 。) “朴沁 (15 )
第 2 期 水驱曲线关系式的推导 7 l
对 (is )式微分后得 :
d f、
d s
w 。
l
Q
.
15 0
卜. ;
(1 一 S o r 一 S , 。) 2 (16 )‘
将 (1 5 )式和 (16 )式代入 (1 0 )式得 :
言 。 . 1 2 , 。 。 \
0 份 二 O , e + 一一 1 1 一 O 时 一 O w e .
3 、 I.
= 哥s , · + 合(卜 S O r) (17 )
由 (1 7) 式与 ( 8 )式相等求得出口端含水饱和度 :
s
w . 二 立 了典鬓一 + s , .、一 生了; 一 s 。 r、
2 、 到 0 1. 2 、 / (18 )
: 甲型水驱曲线关系式的推导 由累积产水量和累积产油量组成的半对数线性关系 , 童
宪章命名为“甲型 ”水驱曲线tl, 2 〕。 该型水驱曲线关系式的推导如下 。
在油水两相渗流的条件下 , 油水两相的相对渗透率比随出口端含水饱和度的变化 , 可由
如下的指数关系式表示〔“〕:
K
r 。
K
r ,
K
o
/ K
K , / K
丛 = n e 一 ms , ·
K ,
(1 9 )
0
, .191,J乙‘廿76口‘2,10‘O‘,‘22J‘、砚了、了.、矛. 、r、JJ‘矛、‘、r、
在水驱的稳定渗流条件下 ,
球o
油水的相渗透率比与油、 水产量之间存在有如 下关系式〔的 :
了丁 = Q
o 协。B o Y ,
Q
, 林, B , Y。
将 (20 )式代入 ( 1 9) 式得产水量 :
Q
w = Q
。
已知油田的累积产水量为 :
竺旦立兰_ 。ms 二
n 协, B , Y。
Q
, d t
将 ( 2 1 )式代入 ( 2 2 ) 式得 :
W
p =
再将 ( 1 7 )式代人 ( 5 )式得 :
W一J
协。B 。丫,
即 , B , 丫。 J;
Q
。
, m s ”“
N
, = 1。。F h。会片s ,一壹(‘一 S 。 ·)一 , , :]
由(2 4) 式对时间t求导数后得产油量 :
o一票 = ‘o oFh , Yo 2 d s , .B o . 3 d t
将 (2 5) 式的分子与分母同乘以 ( 1 一 S , , ) 得 :
Q
o
=
1 0 0 Fh 中( l 一 S , : ) Yo / B 。 :
( 1 一 S , 。)
2
3
d s ,
dt
代 ( 2 )式人 ( 2 6 )式得 :
N
。
2 d s
, -
一 ( 1 一 S , 、) 3 d t
将 (2 7 )式代人 (2 3 )式得 :
石 油 学 报 第 6 卷
W
p
N
o
(1 一 S , : )
丝迎匕 fs. · 。mS 二ds , .
3 n林, 月 , 丫0 J S 二 (2 8 )
在 (2 8) 式积分后得 :
W
p
ZN
o 林。B oY- m s , 。 m s 一 l
e
叮了t凡
3 m n 林, B 一Y。(1 一 S , ; ) ) (2 9 )
若令 D =
则得 ,
再令 :
又得 :
W
, 二 o (e m s , .
ZN
。协。B oY ,
3 m 即 , B , 丫。 (l 一 S , : )
m s 一 :
一 e )
(3 0 )
(3 1)
c = D e m S二
w
p == D e m S
,一 e
(3 2 )
(3 3 )
将 (3 3) 式改写为下式 :
W
p + e = D e m s 二
再将 (1 8) 式代入 (3 4) 式得 :
(3 4 )
w
, + 。 二 。e m
[叠(一器:一S 。 , · s , 1)一合(卜 s 一)]
= 。。卜3鲁票红 十番(3 5 , ! · s 。一 ‘)] (3 5 )
再令 : E = 单(
3 5 , ! + s一 , ) (3 6 )
则得 : 卜鲤些迎l + E 门
W
, + c = n e L Z刊 ,
(3 7 )
对 (3 7) 式取常用对数后得 :
10 9 (W
, + C ) = lo g D + 二
Z
3 m s
o .
4
.
6 0 6 N
。
N , (3 8 )
若令 :
则得 :
A : = lo gD
+
E— 丁 一 +3 0 3
E
2
.
3 0 3
(3 9 )
B
, 二 一 几
4
3 m s
。 i
.
6 0 6N
。 (4 0 )
10 9 (W
p + C ) 二 A l + B , N p (4 1 )
由 (4 l) 式可以看出 , 累积产水量必须加上一个常数 , ‘ 才能与累积产油量在半对数坐标纸
上成一完整的直线关系。 但是 , 跋着油田的持续生产 , 含水率和累积产水量的连续增加 , 常数
c 的影响逐渐减小 。 因而 , 在油田开发的中、 后期 , 累积产水量和累积产油量在半对数坐标
上便成一条直线关系 (图 2 ) 。 此时即可得到水驱曲线的甲型关系式为 :
lo g w
。 = A
I + B IN
,
(4 2 )
若令 : 日: = B IN 。 二 5 m s 。 , / 弓. 6 0 6 (4 3 )
R 、 “ N r / N 。 (“ )
第 2 期 水驱曲线关系式的推导 7 3
则得 : 10 名W , = A 、 + p ; R 。 (4 5 )
2
. 乙型水驱曲线关系式的推导 由水油比和累积产油量组成的半对数线性关系 , 童宪章
命名为“乙型 ”水驱曲线〔l, 幻 。 该型曲线关系式的推导如下 。
将 (2 1) 式改写为下式 :
一 , 。 , Q , _丫V 飞J 上吸 = ~ , 子f 一 =
V
o
少旦竺丫竺_ _ 。m s-o
n卜, B , Y o (4 6 )
将 (一s )式代入 (4 6 )式得水油比 :
w 。 。 =
~琪 ,髦笙李 。m 【雪(一井: 5 0 1 · s , ‘)一 杏(卜 s o r )]
刀卜, 力 , 丫。
协。B oY ,
n 卜, B , Y。
3 m s
。一
N
p
ZN
o
·警(【3 5 , 元· S 。一 ‘)」 (4 7 )rlj引r
e
再将 (36 )式代人 (价 )式得 :
V V O R =
协。B o Y ,
n 协, B , Y。
3少鑫夕仁一 + E ] ( 4 8 ).引引L
e
对 (4 8) 式取常用数后得 :
los w oR
=
los 琪督卜 + 一 二i平 , D , Y o Z E _ - 一 十3 0 3 3 m s 。 :4 . 6 0 6 N (4 9 )N一
营拱d沐0.:
若令 :
则得 :
若令 :
则得 :
A : = 10 9
协。B o y w
n p w B , Y
o
E
3 0 3
B : = 3 m s
o ,
/ 4
.
6 0 6 N
。
( 5 0 )
( 5 1 )
lo gW O R
= A
: + B ZN p ( 5 2 )
几N o 二 3 m s 。 . / 4 . 6 0 6
二N , / N o
入 =
R o
:
( 5 3 )
( 5 4 )
lo gW O R = A : + p aR o ( 5 5 )
(5 2) 式便是所要推导的水驱曲线的乙型关
系式。 从该式可以看出 , 水油比与累积产油量
在半对数坐标纸上成一直线 关 系 , 并 且 由 于
B : 二 B : 二 s m s o . / 4
.
6 0 6N 和 日, = p : = s m s o . /
4
.
6 0 6 , 因此 , 甲型和乙型水驱曲线的直 线 是
平行的 (图 2 ) 。
3
. 丙型水驱曲线关系式的推导 童宪章命
名的丙型水驱曲线 , 是一种无量 纲 的 形 式 。
若将 ( 41 ) 式的等号两端各减一项 “lo g N ” , 则
得 :
o
·
00专
图 2
遗一十寸一护喃尸青卞不针 壳一“·
R o ( ,石)
我国某注水开发油田的甲型和乙型水驱
曲线对比图 (引自童宪章专题报告 )
石 油 学 报 第 6 卷
10 9 (R
, + C
,
) == A
: 夕 + pl R
,
(5 6 )
式中 R , = w , / N 。 , c ‘ = C / N 。 , A : , 二 A , 一 lo gN o o
当油田开发进人中、 高含水期时 , C 《的影响可以忽略不计 , 因此由 (5 6) 式得 :
lo g R
, = A
: 尹 + p
, R
.
(5 7 )
对于甲型水驱曲线 , 若取直线斜率的倒数为B . = 1 / B , , 或是B : = l / B 丁, 则 由(4 2) 式等
号两端各减一项 “log B ‘”得下式 :
一‘TNBW 。
Lo g 不二O r = A一 lo g B T +
若令 :
则得 :
a , = A 一 lo g B T
( 5 8 )
(5 9 )
, 。‘会 =一会 ( 6 0 )
(6 0) 式便是童氏的丙型水驱曲线关系式。
。. 油水相对渗透率比与撰积产油t 的关系式 将 《1 8) 式代入 《19) 式得 :
一 m 岭 (
= n e . -
N , 5
0 .
K
r o
K
r ,
· s , ,
)
一合(卜 s 一 )1
二 n e 一侣
再将 ( 3 6 )式代入 (6 1 )式得 :
3 m s
。 iN p
ZN
o
·警(3 5 , , · s一 ‘)1
( 6 1 )
K
, 。
3 m s
。: N p
ZN
。
+ E
J
K
r ,
对 (6 2) 式取常用对数后得 :
n 。 一
l ( 6 2 )
10 8
K
r o
= lo g n 一 E
3 0 3
3 m s
。一
N
p
4
.
6 0 6 N
。 ( 6 3 )
若令 :
则得 :
式中
A , = 10 s n 一 E / 2
.
3 0 5
B 。= 3 m s o ‘/ 4
.
6 0 6 N
o
( 6 4 )
(6 5 )
K
r 。
g se 瓦石 = A , 一 B sN , 二 A一 日。R ( 6 6 )
日, 二 B o N o , R o 二 N , / N 。 。
由 (6 6) 式可以看出 , 油水相对渗透率比与累积产油t 成半对数线性关 系 , 并且几 二 几 =
B : , p。 二 p: 二 日: 。
5
. 地层平均含水饱和度与水油比的关系式 由 ( 1 7) 式解得 :
。 3 石 又 , , 0。 二 = — 口 . 一 一 _一 、 1 一 。 . , ,2 2 ( 6 7 )
将 (6 7 ) 式代人“6 )式得 :
一注活汤
、.声
W O R =
林。B o Y -
n 林 , B , Y。
S ,
1
, , 。
一— 气 i 一 ‘〕 o r2 ( 6 8 )
由 (4 0 ) 式得 :
m = 4
.
6 0 6 B : N
o
/ 3 5
0 :
( 6 9 )
第 2 期 水驱曲线关系式的推导 78
由 (3 0) 式得 :
n 二 (7 0 )
(6 9 )式代人 (7 0 )式 , 并5 0 。二
n 二
Z N
。林。B oY ,
3 D m 协, B w y o (1 一 S , 、)
l 一 S , 。得 :
协。B 。Y ,
2
.
3 0 3 B 一D 协, B , Y o (7 1 )
将(6 9 )和 (7 1 )式代入 (6 8 )式得 :
W O R
= 2
.
3 0 3 B xD e
2
·黔改 l瓦 一 ; “ 一 阮 , ] (7 2 )
由 (3 9 )式得 :
n = e (2
.
3 0 3 A 一 E ) (7 3 )
代 (7 3 )式入 (7 2 )式得 :
W 。R = 2 . 3。3 B :e
{
‘2一‘ 1 一 E ’· ; ’嘿些[瓦 一 ; “ 一 S 二’]} 、7 4 )
对 (74 )式取常用对数 :
10 gW O R = lo g 2
.
3 0 3 B : + A : - 卫 _ 一 + 「言 1一 {口 份 一 一
L
’
3
“ 一 “。 r ,
} (7 5 )
N一“残S
将 (6 9 )式代入 (3 6 )式得 :
E =
2
.
3 0 3 B 一N
o
S
。 :
2
.
3 0 3
【”。一 1 (l 一 S 。 : ) 13 J (7 6 )
再将 (7 6 )式代入 (7 5 )式得 :
‘。
gw
o R = ’。‘2 · 3“3 B ! + A : 一急票一卜、 一 ; (卜 s一 )1
十 .摺黔【瓦 一 ; “ 一 S O r , ]
= lo g 2
.
3 0 3 B I + A l + 一瞥代瓦 一 s 一 ) (7 7 )
由 (7 7) 式解出地层平均饱和度为 :
(
, 。g w o R 一 , 。g B I 一 A l 一 。
.
3 6 2 2
)
+ S , 1
(7 8 )oI一Ns一玩S , =
若令 A 4 = S叫 - 粼(A l · , 。g B I · 0 · 3 6 2 2) (7 9 )
B ‘ = 5
0 ‘
/ B
IN
o
则得 :
由(8 1) 式可以看出 ,
S奋= A ‘ + B 一lo gW O R
(8 0 )
(8 1)
地层平均含水饱和度与水油比成半对数线性关系。
6
. 油田含水率与累积产油皿的关系式 已知油田含水率与水油比有如下关系式 :
f, =
W O R
l + w o R I +
l
1
、V O R
(8 2 )
7启 石 油 学 报 第 6 卷
对 (4 2) 式求导数后得 :
W O R = Q
,
/Q
。
= 2
.
3 0 3 B : W
P
再将 (4 2) 式改为指数形式 :
w
p = 10 (A
l + B xN
,
)
代 (5 4 )式入 (5 3 )式得 :
W o R = 2
.
so 3 B
一20 (A 一 + B 一N P)
再代 (8 5 )式入 (5 2 )式得 :
(8 3 )
(8 4 )
(8 5 )
l
1 小 1
(8 6 )
2
.
3 0 3 B 一10 (A : + B 一叹, )
7
. 测算可采储t 和采收率的关系式 将 (83 )式分别代人 (42 )式和 (45 )式得 :
W O R
2
.
3 0 3B -
= A l + B IN
,
(8 7 )
W O R
2
.
3 o 3 B -
= A : + p : R 。 (8 8 )
侣g0O1孟,
.占
根据合理经济界限给出最大水油比 (w o R )二 . : 之后 , 从 (8 7) 和 (8 8) 式可以得到确定可 采
储量和采收率的关系式为 :
10 9
(W O R )
. 。 二 一 (A : + 0 . 3 6 2 2 )
N
: 二 - -一一一一一瓦一一一一一一 (8 9 )
_ 1。。一理黔竺 一 、‘A 二+ 0 . 3‘, 2 ,_ - -一一一百厂一一一- 一 一 (9 0 )
二 、 结 论
1
. 本文根据目前水驱油的主要理论和方法 〔4~ 幻 , 除对童宪章所命名的甲、 乙和丙型水 驱
曲线关系式进行了推证外 , 并且还得到了预侧油水相对渗透率比、 地层乎均含水饱和度、 油
田含水率和采收率的关系式 。 这些关系式对于预侧油田的动态都有一定的实际意义。
2
. 在文献 (1, 2〕中 , 童宪章通过大量资料的统计研究工作 , 得到水驱油田的地质储量与甲
型水驱曲线直线斜率的倒数 (B : = 1 / B : )成正比 , 并由下式表示 :
N o = 7
.
SB r (9 1 )
由本文的 (4 0 )式、 (5 1 )式和 (6 5 )式得知 :
B : = B : 二 B一 = 3 m s
o :
4
.
6 0 6 N
. 一 B r
(9 2 )
由 (9 2) 式可以看出 , N 。与B : 成正比 , 即为 (9 1) 式的求证。 同时 , 由 (9 1) 和 (9 2) 式的对比
而得 到 : 3 m s 。 , / 4 . 6 0 6 “ 7 . 5 , 或 m s 。, == 1 1 . 5 1 5 。 而s 。一般 为0 . 7 ~ 0 . 8 , 故 m = 14 . 3 9 ‘一
1 6
.
4 5 0 。
绍2 期 水驱曲线关系式的推导
3
.
(9 2) 式指出 , 水驱曲线直线斜率的大小 , 即直线的陡 、 缓主要取决于油田地质储量的
大小 。 储量愈大则直线斜率愈小即愈缓 。 而由(3 9) 和 (5 0) 式看出 , 水驱曲线直线 的 截 距 主
要取决于 , 地层油水粘度比 、 地层束缚水和残余油饱和度的大小。 三者愈大则直线的截距愈
大 。
符 号 注 释
F—含油面积 (平方公里) ,
h
, 中—油 层有效厚度和孔隙度 (写) ;
B
, —地层水体积系数 ;丫。 , 丫, —地面原油和地面水比重 ,林。 , “,—地层原油和地层水粘度 (厘泊 ) ,
so
:—残余油饱和度 (% ) ,
z—可流动油饱和度 (% ) ;乙 , zl— 出 口端和油水前缘可流动油饱和度(% ) ,
L
,
X—油水井之间距离及驱动前缘距离 (米 ) ;
A—渗滤截面积 (米名) ,‘ , ‘ .—含水率及出 口端含水率 (% ) ,
K—绝对渗透率 (达西) ,
W
.—累积注水量 (万吨 ) ,
A .
,
Bl —直线的截距和斜率 (立二 l , 2 , 3 , “⋯ ) ,
B :一水驱曲线直线斜率的 倒 数 (B : 二翻 ;一 三 ‘ . ’~ ~ 一~ 一甲” ”‘ ~ ~ ’ 一 ‘ B t ‘ ’
日:和氏为 (45 )和 (5 5) 式所示水驱曲线直线的斜率 , R , 和Ro 为采水程度和采油程 度 , 无因
次t , C , D , E , m 和n为不同的常数。
(本文收到日期1 0 . 召年 i 月 2 日)
, 考 文 献
〔门 宜宪章: “天然水驭和人工注水油藏的统计规律探讨 , , 石油勘探与开发 , 1 9 7 8年第 6 期 p . 38
〔2 〕宜宪幸 : 油井产伏和油改动态分析, 第四章 , p . 3 , ~ 60 , 石油工业出版社 , 1 98 1
〔8 〕陈元千 . “水驭油田矿场经脸分析式的推导及应用 . , 石油勘探与开发 , 1 9 81 年第 2 期p . 59
〔4 〕B . c kle 了, 5 . E . a o d L . v . r e tt , M . c . : “M e e ha n ls m o f F lu ld D is p la e e m e n t . in S a n d二 , T r a n s . ,
A IM E (1 9 心2 )1 4 6 , 1 0 7- 1 16
〔6 〕W o lg e , H . J一 “A Slm Pllflo d M e th o d fo r C o m Pu t ln g 0 11 R e e o v e r y b y G a s o r W a te r D rl-
v 。, , T r. n : , A IM E (1 9 5 2 )1 95 , 9卜 9 8
〔O〕 3中p o c , 双. A二 “双二盆e a a e B o go- H e中T , a o自 e从 e c 皿 B e a e 了eM e e 皿. a 粗 . 妞 , , T P . B H H H , 一 n . ,
1 2
.
1 , 5 8
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, 白 石 油 学 报 第 6 卷
D E R I V A T I O N O F R E L A T I O N SH IPS O F W A T E R D R I V E
C U R V E S
C h e n Y u a n q ia n
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i e t io n s o f t h e Pe r fo rm a n e e a n d u lt i m a t e r e e o v e r y fae t o r o f a n 0 11 fi e ld tha t h a s
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