（油气田开发工程专业论文）低渗透油藏CO2混相驱油机理研究.pdf

中图分类号：t e 3 4 8单位代码：1 0 4 2 5 学号：s 0 7 0 2 0 3 2 6 寸阂石浊六学 硕士学位论文 c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u mm a s t e rd e g r e et h e s i s 低渗透油藏c 0 2 混相驱油机理研究 m e c h a n i s ms t u d yo fc 0 2m i s c i b l ed i s p l a c e m e n ti nl o w p e r m e a b i l i t yr e s e r v o i r s 学科专业：油气田开发工程 研究方向：油气渗流理论与应用 作者姓名：侯艳红 指导教师：苏玉亮教授 二。一。年五月 1 =_；h0j_； 门 m e c h a n i s ms t u d yo fc 0 2m i s c i b l ed i s p l a c e m e n ti nl o w p e r me a b i l i t yr e s e r v o i r s l 一一 at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e - h o uy a n h o n g s u p e r v i s o r - p r o f s uy u l i a n g c o l l e g eo fp e t r o l c u me n g i n e e r i n g c h i n a u n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s tc h i n a ) 3洲8 6 7 mm7，7叭川1咖y ：+。罨。嘈ili0、， g，d氍荸蠹心-臀 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：鱼垂塑坠日期：沙，d 年莎月1日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保既学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：伉抱红 指导教师签名： 日期：2 d 7 d 年6 月f 日 日期：) 罗；年乡月1 日 透油田，对缓解我国石油后备储量紧张，保证石油事业持续稳定的发展具有重要意义。 但是低渗透油田的物性差，比如孔隙度和渗透率都比较小，因此，低渗透油田开发时单 井产量低，开发难度大。利用二氧化碳开发低渗透油田可以有效提高原油采收率。 本文建立了考虑原油粘度修正的二氧化碳混相驱油数学模型，利用低孔隙度来表征 低渗透油藏的特点，驱油机理主要体现在二氧化碳降低原油的粘度，二氧化碳在原油中 的扩散传质作用。分别利用显式的中心差分格式和b a r a k a t - c l a r k 有限差分格式分别求解 了不考虑吸附作用和考虑吸附作用时的低渗透油藏混相驱数学模型，研究了p e c l e t 数、 注入速度、注入压力、孔隙度，原油粘度大小等因素对二氧化碳浓度分布以及二氧化碳 降粘效果的影响；分析了不同差分格式对模型求解结果的影响；利用t a y l o r 公式以及通 过线性算子对一阶导数和二阶导数近似差商；利用t a y l o r 公式、多元函数微分等知识求 解了显式的中心差分格式和b a r a k a t - c l a r k 有限差分格式的截断误差；根据g e r s c h g o r i n 圆盘定理，求解了系数矩阵的特征值。 研究结果表明：随着p e c l e t 数的减小，二氧化碳在油藏中的扩散速度变大；随着注 入速度的增大，二氧化碳在油藏中的驱替速度以及扩散速度变大；随着注入压力的增大， 二氧化碳的初始浓度以及驱替动力增大，流体可以有效地克服阻力向前流动；随着孔隙 度的增大，岩石比面变小，二氧化碳吸附到岩石上的量变小，同时较大的孔隙度意味着 油藏的渗透率较大，油藏的流通性比较好：模型采用不同的差分格式时，其求解结果变 化比较大。较小的p e c l e t 数，较大的注入速度、注入压力、孔隙度可以导致二氧化碳突 破流出端越早，原油粘度改变的越早，原油粘度越大时，二氧化碳的降粘效果越明显j 显式的中心差分格式和b a r a k a t - c l a r k 有限差分格式的截断误差的阶相同并且两种差分 格式在步长比r = 0 8 时均稳定。研究结果对利用二氧化碳驱合理开发低渗透油藏具有重 要的理论指导意义。 关键词：低渗透油藏；二氧化碳；混相驱；吸附 j 一 m e c h a n i s ms t u d yo fc 0 2m i s c i b l ed i s p l a c e m e n ti nl o w p e r m e a b i l i t yr e s e r v o i r s h o u y a n h o n g ( d e v e l o p m e n te n g i n e e r i n go fo i l & g a sf i e l d ) d i r e c t e db yp r o f s uy u l i a n g a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f e x p l o r a t i o na n dt e c h n o l o g ya tt h ec u r r e n tt i m e ，l o w - p e r m e a b i l i t y o i lr e s e r v e sa c c o u n tf o ra l li n c r e a s i n gp r o p o r t i o n r a t i o n a ld e v e l o p m e n to fl o wp e r m e a b i l i t yo i lf i e l d si so f g r e a ts i g n i f i c a n c e ，w h i c ha l l e v i a t e st e n s i o ni nc h i n a so i lr e s e r v es t o c k sa n de n s u r e ss u s t a i n a b l ea n ds t a b l e d e v e l o p m e n to f t h eo i lb u s i n e s s h o w e v e r , l o wp e r m e a b i l i t yr e s e r v o i rp r o p e r t i e s ，s u c ha sp o r o s i t y a n dp e r m e a b i l i t ya r er e l a t i v e l yp o o r , i nc a g et h a t ，t h ep r o d u c t i o np e rw e l li sl o w , d e v e l o p m e n t i sd i f f i c u l t w i t ht h ef u l lu s eo fc a r b o nd i o x i d ec a ne n h a n c eo i lr e c o v e r ya tl o wp e r m e a b i l i t y o i lf i e l d s c o n s i d e r i n gt h ea m e n d m e n to fc r u d eo i lv i s c o s i t y , c 0 2m i s c i b l ed i s p l a c e m e n tm o d e li s b u i l t t h ec h a r a c t e r i s t i c so fl o wp e r m e a b i l i t yr e s e r v o i ri sd e s c r i b e db yl o wp o r o s i t y t h e m i s c i b l ed i s p l a c e m e n tm o d e la tl o wp e r m e a b i l i t yr e s e r v o i r , w h e r eg a sa d s o p t i o ni st a k e ni n t o a c c o u n t ，i ss o l v e dn o to n l yb yb a r a k a t c l a r kf i n i t ed i f f e r e n c es c h e m e ，w h i c hi sa l s ou s e db y t h em i s c i b l ed i s p l a c e m e n tm o d e la tl o wp e r m e a b i l i t yr e s e r v o i r , w h e r eg a sa d s o p t i o ni s n t t a k e ni n t oa c c o u n t ，b u ta l s ob yt h ed i s p l a yo ft h ec e n t r a ld i f f e r e n c es c h e m e t h ee f f e c t so f v a r i o u sp r o p e r t i e sa n dp r o c e s sp a r a m e t e r ss u c ha sp e c l e tn u m b e r , i n j e c t i o ng a sp r e s s u r e ， i n j e c t i o nv e l o c i t y ，p o r o s i t ya n dc r u d eo i lv i s c o s i t yo ng a sa d s o r p t i o n ，c 0 2b r e a k t h r o u g ha n d t h ee f f e c to fr e d u c i n go i lv i s c o s i t ya r ei n v e s t i g a t e da n dd i s c u s s e d t h ee f f e c t so fd i f f e r e n t k i n d so fd i f f e r e n c es c h e m eo nt h em o d e lr e s u l t sa r ea l s oa n a l y s e d s t a b i l i t yo fd i f f e r e n c e s c h e m e si sv e r i f i e da c c o r d i n gt og e r s c h g o r i nd i s kt h e o r e m t h ef i r s td e r i v a t i v ea n ds e c o n d d e r i v a t i v ea p p r o x i m a t i o nd i f f e r e n c ea r eo b t a i n e db yt a y l o rf o r m u l aa n db yu s i n gl i n e a r o p e r a t o r ；t r u n c a t i o ne r r o ro fc e n t r a ld i f f e r e n c es c h e m ea n dt h eb a r a k a t c l a r kf i n i t ed i f f e r e n c e i ss o l v e db yu s i n gt a y l o rf o r m u l a , m u l t i f u n c t i o nd i f f e r e n t i a l ；t h ec o e f f i c i e n tm a t r i x e i g e n v a l u ei ss o l v e da c c o r d i n gt og e r s c h g o r i nd i s kt h e o r e m t h er e s u l t ss h o wt h a t ，s m a l l e rp e c l e tn u m b e rc a nc a u s el a r g eg a sd i f f u s i o nv e l o c i t y , ， i h i g h e ri n j e c t i o nv e l o c i t yc a l lc a u s el a r g ed i s p l a c e m e n tv e l o c i t ya n dc 0 2 l a r g ea d s o r p t i o na n d s w e l l i n ga tt h ef r o n te n do ft h ec o r e ；h i g h e ri n l e tp r e s s u r ec a nc a u s el a r g ed i s p l a c e m e n t v e l o c i t ya n dc 0 2l a r g ea d s o r p t i o n ，a n da l s oo v e r c o m et h er e s i s t a n c ee f f i c i e n t ；h i g h e rp o r o s i t y n o to n l yc a nm a k er o c ks u r f a c es m a l l e r , w h i c hc a l lc a u s es m a l l e ra d s o r p t i o nq u a n t i t y , b u ta l s o m e a n st h a tr e s e r v o i rp e r m e a b i l i t yi sh i g h e ra n df l u i df l o wi s b e t t e r t h ee f f e c t so ft h ed i f f e r e n t k i n d so fd i f f e r e n c es c h e m e so nt h er e s u l t so ft h em o d e l sa r eg r e a t e r t h es m a l l e rp e c l e t ， n u m b e ra n dt h eh i g h e ri n j e c t i o nv e l o c i t y ，i n j e c t i o np r e s s u r ea n dp o r o s i t yc a nm a k et i m eo f c 0 2s w e l l i n ga tt h ef r o n te n do ft h ec o r ee a r l i e r w h e nc r u d eo i lv i s c o s i t yi sg r e a t e r , t h e m i x t u r ev i s c o s i t yi s c h a n g e dg r e a t e r t h eo r d e ro ft h ec e n t r a ld i f f e r e n c es c h e m ea n dt h e b a r a k a t c l a r kf i n i t ed i f f e r e n c ei st h es a m e ；w h e nri se q u a lt o0 8 ，t w ok i n d so fd i f f e r e n c e s c h e m ea l es t a b l e t h er e s e a r c hh a st h e o r yd i r e c t i o nf o rt h er e a s o n a b l ed e v e l o p m e n to fl o w p e r m e a b i l i t yr e s e r v o i r k e y w o r d s ：l o wp e r m e a b i l i t yr e s e r v o i r ；c 0 2 ；m i s c i b l ed i s p l a c e m e n t ；a d s o r p t i o n 目录 1 3 课题的创新性及难点2 第二章低渗透油藏二氧化碳驱油简介3 2 1 低渗透油藏简介3 2 2 二氧化碳基本性质。4 2 3 低渗透油藏二氧化碳混相驱油方式、内容及研究进展6 2 4 国内外二氧化碳混相驱数学模型进展7 2 5 本章小结9 第三章低渗透油藏二氧化碳混相驱模型建立l o 3 1 本章研究的目的、内容及方法1 0 3 2 不考虑吸附作用建立考虑原油粘度修正的低渗透油藏混相驱数学模型1 0 3 3 考虑吸附作用建立考虑原油粘度修正的低渗透油藏混相驱数学模型2 0 3 3 1 吸附公式的引入2 0 3 3 2 建立考虑吸附作用的混相驱数学模型：j ：2 1 3 3 3 利用b a r a k a t c l a r k 有限差分方法求解模型2 2 3 3 4 利用显式的中心差分求解模型3 0 3 3 本章小结3 2 第四章差分格式的稳定性和收敛性的分析3 3 4 1 截断误差的求取3 3 4 1 1 显式的中心差分格式的截断误差3 4 4 1 2b a r a k a t c l a r k 有限差分格式的截断误差3 5 4 2 差分格式的稳定性分析：3 7 4 2 1 显式的中心差分格式的稳定性分析3 7 4 2 2b a r a k a t - c l a r k 有限差分格式的稳定性分析一4 1 4 3 本章小结4 4 结论4 5 参考文献| 4 7 致谢5 0 一 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 课题研究的目的和意义 第一章前言 我国陆地上的大多数主力油田进入了中后期开发阶段，呈现出可采储量的动用程度 高、自然递减率高、综合递减率高、综合含水率高等特点。目前随着勘探开发技术的提 高，低渗透油田储量占的比例越来越大。因此在石油后备储量比较紧张的形势下，动用 好和开发好低渗透油田，对我国石油事业持续稳定的发展具有重大意义。但是低渗透油 田由于其物性差，比如孔隙度和渗透率都比较小，因此，单井产量低，开发难度大。利 用二氧化碳开发低渗透油田可以有效提高原油采收率。 自上个世纪五十年代，国际上许多国家就开始把二氧化碳作为一种驱替溶剂进行现 场和实验研究。由于二氧化碳能溶解于原油，降低界面张力，降低原油粘度，在一定的 条件下还能与原油混相，进行混相驱油，从而提高原油的采收率。二氧化碳驱油特别是 二氧化碳混相驱油已经成为现在低渗透油藏开发的主要方式之一。因此，低渗透油藏条 件下研究二氧化碳混相驱油机理以及相关渗流规律的研究成为重中之重，二氧化混相驱 油的数学模型也期待解决。 1 2 课题的研究内容 本文在国内外二氧化碳混相驱油的基础上，研究了二氧化碳混相驱油的数学模型， 并对驱油过程中的相关影响参数进行了分析。此外还进行了稳定性和收敛性的分析。具 体步骤如下： ( 1 ) 对二氧化碳驱油机理特别是混相驱油机理进行调研，了解国内外相关方程的研 究进展； ( 2 ) 结合低渗透油藏的特点以及二氧化碳的特点，建立低渗透油藏条件下考虑原油 粘度修正的二氧化碳混相驱油数学模型，即建立考虑原油粘度修正的低渗透油藏非吸附 混相驱数学模型以及考虑粘度修正的低渗透油藏吸附混相驱数学模型； ( 3 ) 对不考虑吸附作用的混相驱数学模型采用b a r a k a tc l a r k 有限差分格式进行数 值求解；对考虑吸附作用的混相驱数学模型采用b a r a k a tc l a r k 有限差分格式以及显式 的中心差分格式进行数值求解，并对其影响因素进行分析。 ( 4 ) 对b a r a k a tc l a r k 有限差分格式以及显式的中心差分格式进行稳定性和收敛性 ， 第一章前言 的分析。 1 3 课题的创新性及难点 ( 1 ) 低渗透油藏条件下考虑原油粘度修正建立c 0 2 混相驱数学模型并对影响参数进 行分析；用低孔隙度来表征低渗透油藏的特点；低渗透油藏c 0 2 混相驱油机理体现在 c 0 2 能降低原油的粘度以及c 0 2 在原油中的传质扩散现象上； ( 2 ) 关于导数的近似差商表达式，采用了t a y l o r 公式展开和通过线性算子作为推到 工具得到。利用t a y l o r 公式、多元函数微分等知识求解了显式的中心差分格式和 b a r a k a t - c l a r k 有限差分格式的截断误差；对b a r a k a t - c l a r k 有限差分格式以及显式的中心 差分格式进行稳定性和收敛性的分析，根据g e r s c h g o r i n 圆盘定理，求解了系数矩阵的 特征值，以此验证两种差分格式稳定性和收敛性。 2 国把渗透率大于 算作低渗透储层 层，他的划分基 石油资源状况以 特征和开发特征 我国低渗透储层的成因主要与储层的沉积相以及成岩作用两个因素有关【4 】。与物源 和沉积环境密切相关的岩石颗粒的成分、大小、排列、组合，以及胶结物的成分、含量、 胶结物的胶结类型等均会影响岩石储层的渗透率。一般低渗透储层是由近源沉积和远源 沉积两种沉积相形成的。近源沉积时颗粒分选性差，粒度不均匀，造成储层的总孔隙度 以及有效孔隙度大幅度减小。比如冲积扇相沉积就属于近源沉积。冲积扇相沉积是山地 的河流一出山口时，由于坡度变缓、宽度变大，加上地层的滤失作用，水量减少，流速 变小，河水携带的碎屑快速沉淀堆积而形成的。远源沉积时形成粒度小，孔隙半径小， 泥质含量比较高的低渗透储层。我国的榆树林油田、大庆朝阳沟油田等等都是通过远源 沉积而形成的。以大庆的榆树林油田扶扬油层为例。该油层为远源河流一浅湖相。其砂 体分布特征为：纵向上砂岩分布比较的少，平面上砂岩的厚度变化幅度比较的大。呈现 主力油层不稳定，非主力油层分布更加零星的特点。此外，岩石颗粒在沉积后还需要经 过成岩作用以及后生作用。储层在经过一系列的压实、胶结等作用下，储层的孔隙度、 渗透率等物性参数也会发生改变。比如陕甘宁盆地，广泛分布着三叠系延长组、侏罗系 延安组地渗透层。这块盆地储层物性差的原因主要就是由于成岩作用剧烈。 由于其地质特征，低渗透油层表现出低渗透储层的孔喉细小，结构更加复杂，渗流 阻力大等特点。与高渗透层相比，低渗透层在相渗曲线上主要表现为：束缚水饱和度高， 一般大于4 0 ，原始含油饱和度比较的低；两相流动的范围比较窄；残余油饱和度比较 高；油相渗透率下降比较快，水相渗透率上升的比较慢等特点。 同时由于低渗透油层的渗透率比较小，因此油藏会存在启动压力梯度。启动压力梯 3 ， 第二章低渗透油藏下二氧化碳驱油简介 度随着渗透率的减小而增大，在流体流动过程中会出现非达西渗流。由于物性差，造成 了油井的产量比较低。黄延章网推导a lt a 达西渗流条件下即存在启动压力梯度时的单 井产量公式： 妒谢 1 1 1 i2i l 一匿型 一己 ( 2 - i ) 这里q 为油井的产量，c m 3 s ；h 为油层的厚度，c m ；为孔隙度；匕为供油半径，c m ； 为井眼半径，8 m ；为供油的边缘压力，0 1 m p a ；乞为井底的流压，0 1 m p a ；f o 为极 限剪切力，c 矗m p a 。 此外，低渗透油田进行注水开发时哆，注水井存在吸水能力低，启动压力和注水压 。力等比较高的奇怪现象。生产井存在见效时间也比较晚，而且见水后j 产液指数会急剧 下降，产量剧减，稳产难度很大。从而造成“注水难、采油难 ，甚至会出现“注不进、 采不出”的现象。 由于低渗透油藏不适合注水开发，国内外许多国家提出了许多措施，比如：确定合 理的井网密度，采用高效射孔技术，对裂缝性砂岩油田要特别注意做好井网部署，搞好 深抽工艺技术，采用二氧化碳混相驱油方法等等。其中，混相溶剂可以大幅度的提高原 油的采收率，因此国际上许多国家自二十世纪五十年代初 7 1 便在寻找适合开发低渗透油 藏的溶剂。由起初的烃溶剂，。醇溶剂一直到现在的二氧化碳溶剂。据报道【8 1 ，目前全世 界正在进行的注气采油项目共1 3 8 个，其中利用二氧化碳进行的项目占6 8 ，二氧化碳 混相驱项目又占二氧化碳采油项目的9 1 5 ；渗透率小于1 0 个毫达西的注气项目4 5 个，小于5 0 个毫达西的注气项目7 6 个，占5 5 ，混相驱项目1 2 6 个，占9 1 3 ，低 渗透油藏比较适应进行利用注气进行混相驱采油。因此，研究二氧化碳的性质对进行低 渗透油藏开发具有十分重要的意义。 2 2 二氧化碳基本性质 二氧化碳网的临界温度为3 1 20 c ，临界压力为7 2 8 m p a 。油藏的压力、温度对二氧 化碳的相态影响显著。但是油藏温度超过临界温度时，二氧化碳在任何压力下均呈现气 态。 下面介绍一下二氧化碳的一些性质。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ( 1 ) 二氧化碳在油、水相中的溶解度 与烃类在水中的溶解性质相比，二氧化碳在水中的溶解度比较大。y i h b o rc h a n g ， a n db k c o a t s 1 川中关于二氧化碳饱和水的性质做了一些研究。二氧化碳在水中的溶解度 可以作为温度、压力和矿化度的函数。二氧化碳在淡水中的溶解度可估计为： 驷杪 1 - b s i n ( z 2 - 箫”? 叫 2 ， 墨驯= 尽二+ 朋( p - p o ) p p o ( 2 3 ) 4 a ；y q 1 0 吲t ( 2 - 4 ) - j 4 b ：y 反1 0 。3 t l , 0 b 1 j _ 一 4 c = 1 0 。3 q 1 0 叫t 。 p ：三 堕篁2 2 c 【1 一号幽。1 ( 6 2 ) 碟= 口p o ( 1 - b 3 ) ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) m 刮陋n c 争岳卅考高等c o s 磅寿，9 ， w 是二氧化碳在每储罐桶水中的标准立方英尺中的溶解度，t 是温度下，p 是压力 ( p s i a ) ，系数可以求出。 二氧化碳在地层水中的溶解度。在地层水中的溶解度通过在稀水溶液中计算的溶解 度进行校正：， l o g ( = _ 0 0 2 8 - ct 吨1 2 ( 2 一1 0 ) r s w 是二氧化碳在每储罐桶盐溶液中所存储的标准立方英尺中的溶解度，c 是盐类物 质的质量分数，t 为温度( 下) 。二氧化碳在水中的溶解度作为温度、压力、矿化度的函数。 当地层的压力升高时，二氧化碳的溶解度增大；当地层的温度增加时，二氧化碳的溶解 度降低；当地层水中含有的矿化度增加时，二氧化碳的溶解度降低。将二氧化碳在地层 5 它 ( 4 ) 二氧化碳可以吸附到孔隙介质表面 孔隙介质的比面是非常大的，二氧化碳在多孔介质中流动时，必然会被吸附。二氧 化碳吸附到孔隙介质表面上后，会引起油藏的渗透率变小，流动阻力变大，低渗透油藏 条件下气动压力梯度会变大【l l 】。 此外，二氧化碳还可以溶解近井地带的沥青质、蜡，起到解堵的作用。 由于二氧化碳的特性，因此研究低渗透油藏进行二氧化碳驱替特别是二氧化碳混相 驱替是非常有意义的。 2 3 低渗透油藏二氧化碳混相驱油方式、内容及研究进展 一 混相驱采油【1 2 】是提高石油采收率的重要方法之一。根据原油系统的性质，二氧化碳 驱替原油时，可以形成一次接触混相( f c m ) 、多级接触混相( m c m ) 和非混相( i m m ) 等方式。一次接触混相是注入的溶剂能与地层原油完全混合，所有的混合物为单相。多 级接触混相是注入的溶剂与地层原油有一个组分传质过程，在溶剂与原油接触的地方形 成一个过渡带，这个过渡带的成分由原油组成向溶剂的组成过度，经过重复接触而形成 的过程，也叫动态混相。多级接触混相根据接触方式的不同可以分为向前接触和向后接 触两种混相过程。向前接触混相过程是注入的流体不断地蒸发或者抽提油藏原油的前缘 部分。向后接触混相过程是注入的新鲜流体不断与原油后端的流体接触进行物质的传质 过程。向前接触和向后接触两种混相过程是在驱替过程中同时进行的，只是所在的位置 不同而已。多级接触混相根据传质扩散的不同方式可以分为凝析气驱和汽化气驱。其中 前者又叫富气驱，后者又叫贫气驱、蒸发气驱或者高压干气驱。凝析气驱和汽化气驱混 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 相过程中，中间组分富化的对象不同，凝析气驱时富化的是油藏原油，汽化气驱时富化 的是注入气，但两者有个共同的特点，那就是都是通过传质作用来实现的。 进行二氧化碳混相驱油时，最小混相压力是油藏注二氧化碳时的一个重要参数，混 相压力的大小直接决定了二氧化碳在驱油过程中是否能达到最佳驱替效果。目前确定混 相压力的方法主要有实验法、经验公式法和状态方程法。就最小混相压力的经验公式法， c r o n g u i s t 1 3 】就油藏注氮气问题，于1 9 7 8 年最早提出了最小混相压力的经验公式，从这 一时刻开始，国外对二氧化碳驱油进入了比较成熟的研究阶段。j o h n s o n 和p o l l i n 1 4 1 就8 0 。f , - v 2 8 0 。f 的油层于1 9 8 1 年提出了计算二氧化碳最小混相压力的经验公式； o r r s i l v a 1 5 j 在1 9 8 7 年提出了一种求二氧化碳最小混相压力的方法，不论二氧化碳的浓 度是否纯，这种方法都能适用。o r r 和j e n s e n 利用外推法来估算油藏温度低于1 2 0 华氏 下的最小混相压力。y e l l i g 和m e t c a l f e 1 6 】提出了二氧化碳最小混相压力只跟温度有关 的经验公式。孙业恒，吕广忠等【1 7 】室内实验基础上，结合状态方程和相平衡理论，利用 混相函数，提出了用改进的状态方程来确定二氧化碳最小混相压力。目前又提出了一种 预测最小混相压力的新方法：系线解析法【1 8 】。这种方法能准确确定油藏的最小混相压力， 同时使用起来省时省力，而且还能直观地表示混相驱替机理。此方法可以适用于任意组 分的流体系统。当流体系统超过三个组分数但组分数不是很多时，交叉系线最早达到混 相，交叉系线控制着最小混相压力。当流体系统的组分数过多时，通过组合拟组分将组 分数变少，然后利用系线解析法，求解最小混相压力。 2 4 国内外二氧化碳混相驱数学模型进展 张烈辉，张红梅等【1 9 】在1 9 9 9 年研究了拟四组分模型，这个模型可以模拟混相驱的 动态。该模型是在三相黑油模型基础上发展起来的四组分模型，它兼有黑油模型和多组 分模型的某些优点，如：黑油模型的稳定性好和计算速度，组分模型的可模拟凝析气藏 和混相驱等。施文，桓冠仁等【2 0 】研究了一维三相全组分混相驱模型。该模型的优点是计 算速度比较快，能够保证临界点附近闪蒸计算的收敛性，同时这个模型也考虑了组分的 分配、相态变化过程，但是方程所需要的参数比较多，该方法使用起来不是很方便。中 国石油大学( 华东) 的侯健【2 1 l 在2 0 0 4 年研究了一种基于流线方法的二氧化碳混相驱数 序模型。该模型考虑了油、气( 二氧化碳气体) 、水三组分，利用改进的黑油模型的思 路，建立二氧化碳混相驱模型，并假定完全混相时，存在水相和非水湿相( 混合相) 两相。 该方法的优点是可以求解任意形状的包含定压、定流量或混合边界在内的组合边界的问 7 第二章低渗透油藏下二氧化碳驱油简介 题。而且所需要的参数不是很多，但是需要对相对渗透率曲线和有效粘度进行相关的处 理。 国外对二氧化碳的研究要比中国早，下面列举一些国外的进展情况瞄之9 1 。w s f o n g 和s l s a n d l e r 等于1 9 9 6 年建立了可以预测组分模型中原油溶解二氧化碳后的流体粘 度的预测公式。s h i h h s i e nc h a n g 和r e i db g r i g g 于1 9 9 6 年用m a s t e r 视混相模拟器 跟u t c o m p 状态方程组分模拟器成功模拟了二氧化碳泡沫驱油。y i h - b o rc h a n g 和 j s n o l e n 在1 9 9 8 年建立了三维三相组分模型，该模型考虑了二氧化碳在水中的溶解 度。2 0 0 3 年0 c i c e k 关于天然裂缝油藏体系就单孔单渗和双孔双渗问题提出了二氧化碳 的三维四相的非等温组分模型。b b e n n i o n 和s b a c h u 在2 0 0 6 年研究了硅酸盐岩和碳酸 盐岩的物性参数比如孔隙度、毛管力、界面张力等对相对渗透率的影响，他们指出孔隙 越大，油藏的渗透率会越大，油藏越深，油层的温度和压力也会越大，而温度的增加使 得二氧化碳与地层水之间的界面张力变大。压力对二氧化碳一地层水系统的影响与温度 相反，同时还指出了压力比温度对该系统的敏感。末端点的相对渗透率会随着界面张力 的增加而减小。在k o v a l 、t o d d 和l o n g s t a f f 等人的研究成果基础上建立起来的改进的 黑油模型只需要写出油、水、溶解气和溶剂的守恒方程，并且不必分析流动的精细结构， 用考虑弥散效应的经验混合规则来考虑油与溶剂的部分混合。t a r ac a t h e r i n el a f o r c e 等人通过假定忽略重力、吸附现象、定孔隙度，油藏岩石不同压缩建立一维三相等温渗 流近混相数学模型，该模型考虑了扩散现象但是在驱替过程中却忽略了二氧化碳以及原 油性质的变化。b a r r yr u b i n 等人在不考虑重力、毛管力以及扩散的情况下建立了考虑 粘性指进的组分模型。 国内外对二氧化碳驱油数学模型都进行了研究，但是国内的研究工作要晚一些。目 前，二氧化碳的研究还处于发展中，这是因为二氧化碳在油藏中驱油时影响因素很多， 驱油机理非常复杂。就前面所述，国内外对二氧化碳驱油的模型概括起来主要包括组分 模型、传质扩散模型、改进的黑油模型。 组分模型能够较好模拟各个组分的变化，能够考虑相态、多次接触混相等对采收率 的影响，但是当利用该模型考虑二氧化碳驱油时，由于抽提等作用，各个组分随时都变 化着。在计算机中要想模拟各个组分的变化，计算工作量很特别大。此外组分模拟器不 能考虑粘性指进问题。传质扩散模型考虑的比较简单，但是在求解过程中，它忽略了流 体性质的变化。改进的黑油模型计算起来工作量小，稳定性好，能够比较准备的模拟混 相过程，但是该模型不能体现扩散现象。总之这三个模型各有自己的优缺点，在实际的 r 厂 以 ( 5 ) 介绍了二氧化碳驱油时，国内外数学模型进展，通过文献调研，对比分析了国 内外关于二氧化碳驱油的组分模型、传质扩散模型和改进的黑油模型等混相驱数值模 型，并归纳了各模型的优缺点。 9 第三章低渗透油藏二氧化碳混相驱模型建立 低渗透油藏二氧化碳混相驱模型建立 的、内容及方法 分油田已经进入了中后期发展阶段，目前勘探开发的油藏中低渗 越大。由于低渗透油藏自身的原因，注水方式已经不能适应于此 世纪五十年代开始，人们开始致力于对低渗透油藏开发的研究， 为提高低渗透油藏采收率的重要方式之一。本章通过建立二氧化 氧化碳驱油特性。对油藏开发具有理论指导意义。 透率是有关系的【3 0 】。李道品认为小孔道体积占总孔隙体积的比例 越大，油层的渗透率越小。黄延章认为比面积跟油层的渗透率有关。越小的孔隙度会造 成越大的岩石比面积，从而渗透率越小，流动阻力越大，启动压力梯度越大。因此，本 章采用低孔隙度来表征低渗透油藏的特点。由于油藏中孔隙介质结构的复杂性，因此低 渗透油层的孑l 隙度的大小差异也是很大的。本章选取孔隙度的值在0 0 1 - 0 1 5 之间，该 范围符合低渗透油藏的特点。 本章在考虑原油粘度修正的情况下，主要研究二氧化碳驱油过程中混相驱数学模型 以及敏感性参数p e c l e t 数、孔隙度、注入压力、注入速度等对流出端浓度分布，二氧化 碳降粘效果等的影响。 对不考虑吸附作用的混相驱数学模型采用b a r a k a t c l a r k 有限差分格式进行数值求 解；对考虑吸附作用的混相驱数学模型采用b a r a k a t - c l a r k 有限差分格式和显式的中心差 分格式进行数值求解。对影响二氧化碳吸附或者二氧化碳突破的敏感性参数，比如孔隙 度、p e c l e t 数、注入速度、注入压力进行分析和讨论。 对比了考虑吸附作用跟不考虑吸附作用时的两种混相驱模型，研究吸附现象在二氧 化碳驱替原油过程中发挥的作用。针对考虑吸附项但采用不同差分格式的混相驱数学模 型，分析了不同差分格式对模型求解结果的影响，并为后面稳定性和收敛性的分析奠定 了基础。 3 2 不考虑吸附作用建立考虑原油粘度修正的低渗透油藏混相驱数学模型 基本假设： ( 1 ) 孔隙介质均质且定横截面积； 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 和流体的压缩性； 温条件下以恒定速度流动； 只考虑沿纵向方向的扩散； 扩散现象并且扩散系数不依赖注入流体的浓度； 入流体跟油藏原油和岩石的化学反应； 入流体在岩石和多孔介质表面的吸附作用； 建立不考虑吸附作用的混相驱方程： 坠：d 磐一导坠( 3 - 1 ) a t , a z , 2么矽a z , 扩散系数。表示为。= 旯( 与 = 舢。 这里九是弥散参数，e m ；c ，为驱替流体二氧化碳的浓度，g c m 3 ；q 为注入流体的 流量，e m 3 s ；巾为孔隙度，小数；v 为流体的真实速度，c m s ；a 为渗流的横截面积， c m ? ；t r ，注入时i b - j ，总的注入时1 4 为t m 舣，s 。 初始条件： j c ( z ，o ) - g 划眍l - - - i ；( 3 - 2 ) 【g ，( z ，0 ) = q ，= 0 0 乙三 边界条件： 一 入1 2 1 端： 一 d 坠 a z ， d o c t 8 z 0 l t l ( 3 3 ) a ，p e = 2 8 5 ，v b = lo m p a 暑 一母= o 1 墨p o = 2 0 幡a ，i e = 2 8 5 ju o = 2 0 m p a = 母。一每= 0 0 8 , p o = 2 0 h p a , p e = 2 8 5 u o = 2 0 m p a 5 02468 t 图3 2 9c 0 2 降粘情况对比 f i g 3 - 2 9c o n t r a s to fm i x t u r ev i s c o s i t yu n d e rf a c t o r s 2 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 从图中看出，在注入压力、扩散速度、原油粘度不变的情况下，孔隙介质的孔隙度 越大时，二氧化碳的降粘效果越明显。由前面知，注入压力、扩散速度越大( 即p e 越 小) 、原油粘度越大时，二氧化碳的降粘效果越明显。因此，在考虑吸附作用的混相驱 数学模型中，孔隙度、扩散速度、注入压力、原油初始粘度越大时，二氧化碳的降粘效 果越明显，混合物的粘度改变的幅度越大。 综上可知，当孔隙介质的孔隙度、注入压力、扩散速度等因素越大时，二氧化碳突 破流出端的时间越早，二氧化碳的降粘效果越明显。如果二氧化碳与原油的粘度差越大，