（油气田开发工程专业论文）多种聚合物驱数值模拟研究.pdf

寸阂石油六学 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 多种聚合物驱数值模拟研究 n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fr e s e r v o i r f l o o d i n g b ym u l t i - p o l y m e t 学科专业： 研究方向： 作者姓名： 指导教师： 油气田开发工程 油气渗流理论与应用 曹肖萌 姜瑞忠 二。一。年六月 “f撅荽飘饥畛妒。聃喀nrl ， 0 ，一庭，0囊搿惦麓 n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fr e s e r v o i rf l o o d i n g b ym u l t i p o l y m e r at h e s i ss u b m i t t e df o r t h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：c a ox i a o m e n g s u p e r v i s o r ：j i a n gr u i z h o n g c o l l e g eo f p e t r o l e 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 t c h i n a ) 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。 一 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 一 一 学位论文作者签名： 嵩有葫 日期：) - o l o 年6 月弓日 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：保留学位论文，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 指导教师签名： 日期：2 0 l o 年b 月多日 ，、 日期：叫啤b 月j 日 ! j 摘要 近年来多种分子量聚合物分质分注技术已被广泛应用于聚合物驱油生产实践中，但 是现有的聚合物驱数值模拟模型只能够模拟单一分子量聚合物驱油过程，对于多种分子 量聚合物驱油的过程无能为力，使之无法利用数值模拟方法进行油田的可行性研究、方 案优化和效果预测。 一 本文以经典的聚合物驱三维三相( 油，气，水三相) 六组分( 油，气，水，聚合物， 二价阳离子，一价阳离子) 的数学模型为基础，并结合前人所提出的多种分子量聚合物 混合驱机理的数学描述，建立了能够模拟多种分子量聚合物驱的数学模型，并编制了多 种聚合物驱油数值模拟软件，该模拟器不但可以进行水驱，常规聚合物驱的模拟运算， 还可以进行多种聚合物驱的运算。 在多种分子量聚合物溶液混合驱油机理数学模型中，油藏中有多种分子量聚合物溶 液同时存在时，每一种分子量聚合物的流动满足各自独立的物质传输规律，对每一种聚 合物在油藏中的流动利用独立的组分浓度方程求解，在驱油机理上表现为多种分子量聚 合物溶液浓度之和的总浓度总体驱油过程，驱油机理数学模型中的参数表示为各种分子 量聚合物相应参数浓度加权平均的形式。 利用多种聚合物驱模拟器对一系列聚合物驱过程中的敏感性参数的验算，结果符合 聚合物驱油的实际规律，利用该模拟器成功对渤海辽东湾某油田进行多种聚合物驱数值 模拟研究，得出最佳聚合物驱油方案。实际应用结果表明，该模型具有较强的实用性， 可用于多种聚合物驱油的机理研究、油田方案优选和开发效果预测。 关键词：多种聚合物驱，数值模拟，多分子量驱油机理，敏感性参数，方案优化 一 一 - n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fr e s e r v o i rf l o o d i n gb ym u l t i p o l y m e r c a ox i a o m e n g ( o i l & g a sf i e l dd e v e l o p m e n te n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rj i a n gr u i z h o n g a b s t r a c t r e c e n t l y ，m u l t im o l e c u l a rw e i g h tp o l y m e rs e p a r a t ei n j e c t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l y a p p l i e di np o l y m e rf l o o d i n gp r o d u c t i o np r a c t i c e ，h o w e v e r , a st h ee x i s t i n gp o l y m e rf l o o d i n g s i m u l a t i o nm o d e lc a l lo n l ys i m u l a t es o l em o l e c u l a rw e i g h tp o l y m e rf l o o d i n g ，i tc a r ld o n o t h i n gt od e a lw i t hm u l t im o l e c u l a rw e i g h tp o l y m e rf l o o d i n g ，w h i c hm a k e si tu n a b l et o s i m u l a t ef e a s i b i l i t ys t u d y , s t r a t e g yo p t i m i z a t i o na n dr e s u l tp r e d i c t i o n b a s e do nt h ec l a s s i c a lp o l y m e rf l o o d i n g3p h a s e s ( o i l ，g a s ，w a t e r ) 6c o m p o n e n t s ( o i l ，g a s ， w a t e r , p o l y m e r , c a t i o n ，a n i o n ) m a t h e m a t i c a lm o d e l ，c o m b i n e d 谢mm a t h e m a t i c a ld e s c r i p t i o n o fm u l t im o l e c u l a rw e i g h tp o l y m e rf l o o d i n gm e c h a n i s ms u g g e s t e db yo t h e r s ，t h i sp a p e rh a s b u i l tam a t h e m a t i c a lm o d e lw h i c hc a ns i m u l a t em u l t im o l e c u l a rw e i g h tp o l y m e rf l o o d i n ga n d h a sw o r k e do u tm u l t im o l e c u l a rw e i g h tp o l y m e rf l o o d i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r e t h i s s o f t w a r ec a ns i m u l a t en o to n l yw a t e rf l o o d i n g ，c o m m o np o l y m e rf l o o d i n gb u ta l s om u l t i p o l y m e rf l o o d i n g i nm u l t im o l e c u l a rw e i g h tp o l y m e rf l o o d i n gm a t h e m a t i c a lm o d e l ，t h e r ea r es e v e r a lm u l t i m o l e c u l a rw e i g h tp o l y m e rs o l u t i o n si nt h er e s e r v o i r ，f l o wo fe a c hm o l e c u l a rw e i g h tp o l y m e r m e e t si t so w ni n d e p e n d e n tm a t e r i a lt r a n s i t i o nl a w , w eh a v es o l v e dt h ef l o wo fe a c hp o l y m e r i nt h er e s e r v o i r 淅t hi n d e p e n d e n tc o m p o n e n t s - c o n c e n t r a t i o ne q u a t i o n ，w h i c ha p p e a r sa st h e f l o o d i n gp r o c e s so ft o t a l c o n c e n t r a t i o no fd i f f e r e n tm u l t im o l e c u l a rw e i g h tp o l y m e r c o n c e n t r a t i o n so nf l o o d i n gm e c h a n i s m ，t h e p a r a m e t e r s i nt h e f l o o d i n g m e c h a n i s m m a t h e m a t i c a lm o d e lr e p r e s e n tw e i g h t e dm e a no fc o r r e s p o n d i n gp a r a m e t e r so fd i f f e r e n t p o l y m e r s w eh a v ec h e c k e dc a l c u l a t i o no fs e n s i t i v ep a r a m e t e r si nas e r i a lo fp o l y m e rf l o o d i n g p r o c e s sw i t hm u l t ip o l y m e rs i m u l a t o r , t h er e s u l t sc o n s i s t e n t 、加t l lp r a c t i c a lr u l e t h es i m u l a t o r h a sm a d em u l t ip o l y m e rf l o o d i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni na no i l f i e l di nl i a o d o n gb a y , b o h a i s e as u c c e s s f u l l y , w ec a m eo u tw i t l la no p t i m u mp o l y m e rf l o o d i n gp l a n p r a c t i c a la p p l i c a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h i sm o d e lh a ss t r o n gp r a c t i c a l i t ya n dc a nb eu s e di nm e c h a n i c a lr e s e a r c ho f 1 1 1 m u l t ip o l y m e rf l o o d i n g ，p l a no p t i m i z a t i o na n dd e v e l o p m e n te f f e c tp r e d i c t i o n k e y w o r d s ：m u l t ip o l y m e rf l o o d i n g ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，f l o o d i n gm e c h a n i s mo fm u l t i m o l e c u l a rw e i g h tp o l y m e r , s e n s i t i v ep a r a m e t e r sa n a l y s i s ，d e s i g no p t i m u mp l a n 一 产 f 目录 第一章前言1 1 1 研究的目的及意义1 1 2 聚合物驱技术发展概况。2 10 2 1 聚合物驱发展概况。2 10 2 2 聚合物驱油数值模拟技术发展概况3 1 3 研究内容7 1 4 技术路线8 第二章聚合物驱油机理研究9 2 1 聚合物驱油原理9 2 1 1 扩大波及系数1o 2 1 2 提高驱油效率1 1 2 1 3 完善注采井网，提高井网效率1 1 2 1 4 渗透率变异系数12 2 0 ! 5 阻力系数和残余阻力系数1 3 2 0 1 6 不可及孔隙体积13 2 1 7 聚合物段塞14 0 1 8 注入速度、采液速度1 5 2 2 聚合物驱油机理19 2 2 1 聚合物的滞留2 0 2 2 2 聚合物防窜机理2 1 2 2 3 聚合物弹性驱油机理2 1 2 3 本章小结2 2 第兰章数学模型的建立：2 3 3 1基本假设2 3 3 2 基本微分方程2 4 3 2 1 运动方程2 4 3 2 2 质量守恒方程2 4 3 2 3 辅助方程2 5 3 2 4 定解条件2 5 3 3 聚合物驱物化机理数学描述2 6 3 3 1 聚合物的吸附2 6 v 3 3 2 聚合物溶液粘度2 7 3 3 3 渗透率下降系数2 8 3 3 4 不可及孔隙体积系数2 8 3 4 多种分子量聚合物混合驱机理数学描述一2 9 3 5 本章小结3 0 四章数值模型的建立3 1 4 1 运动差分方程的建立31 4 2 各组分差分方程的建立3 2 4 2 1 油组分差分方程；。3 2 4 2 2 水组分差分方程35 4 2 3 气组分差分方程3 5 4 2 4 水相中各组分差分方程3 5 4 3 压力、饱和度差分方程的建立3 6 4 4 本章小结3 9 五章多种聚合物驱数值模拟软件验证4 0 5 1 地质模型4 0 5 2 水驱结果验证4 1 5 3 聚合物驱结果验证4 2 5 4 本章小结。4 3 第六章多种聚合物驱数值模拟敏感性参数分析4 4 0 1 地质模型和主要物化参数4 4 6 2 储层物性参数影响分析一4 6 6 2 1 油藏平面非均质性。：4 6 6 2 2 油藏纵向非均质性5 4 6 2 3 正韵律油层多种聚合物驱油机理研究6 2 6 2 4 反韵律油层多种聚合物驱油机理研究6 4 6 2 5 油层垂向渗透率对驱油效果的影响6 6 6 2 6 原油粘度对驱油效果的影响6 7 6 2 7 油层厚度对驱油效果的影响6 9 6 3 聚合物参数影响分析7 1 6 3 1 聚合物用量对驱油效果的影响7 1 6 3 2 聚合物可及孑l 隙体积7 2 7 3 2 注入浓度8 4 7 3 3 多种聚合物用量8 6 7 3 4 注入速度。8 7 7 3 5 推荐方案8 9 结论与建议9 0 参考文献9 1 致谢9 5 ， 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章前言 1 1 研究的目的及意义 我国的大多数油田都采用早期注水以保持油藏的压力来进行油田开发。目前各个主 力油田均已进入开发后期，含水率迅速上升。从全国2 5 个主力油田的研究资料看，平 均最终水驱波及系数为0 6 9 3 ，驱油效率0 5 3 1 ，预测全国油田水驱最终采收率仅3 4 2 ， 剩余石油储量有百亿吨。目前这些已投入开发的老油田，大都已经进入高含水期，因此， 迫切需要发展一些新的石油开采技术，来接替水驱油田的开采，使未动用的储量得到较 为有效的开发，从而能够大幅度提高老油田的采收率和己探明油气资源的棚率，来满 足国民经济发展和石油安全的需求。 聚合物驱油技术在我国经过了近4 0 年的发展，在室内物理模拟实验，聚合物高分 子物理化学分析，驱油过程的数学物理描述与模拟等基础研究方面取得了重大进展，形 成了较为完善的油藏工程、采油工艺、地面工程、聚合物研制生产等系列配套的技术。 同时在工业化推广应用过程中通过实践，进一步发展和完善了聚合物驱油技术，保证了 聚合物驱油现场应用取得良好效果【2 】。 注聚合物可以改善流度比、提高注入水的波及系数，改善非均质油田的开发效果， 已经由先导性试验步入大面积推广应用阶段。自2 0 世纪7 0 年代初，我国在大庆油田率 先开始聚合物驱油试验，通过国家“十五”、“十一五”重点科技攻关，取得了聚合物驱认 识的重大突破，建立了评价聚合物驱油藏工程的方法和聚合物驱矿场应用技术，形成了 聚合物驱综合研究能力和矿场聚合物驱油配套技术系列，对聚合物的驱油机理、段塞组 合优选、聚合物驱油数值模拟等研究也取得了较大进展。 大庆、大港、河南、胜利油i t l t 4 巧1 均进行了聚合物驱的矿场应用，取得了比较好的 增油效果。这十几年以来，聚合物驱油技术在我国取得了非常大的发展。我国已经成为 世界上应用聚合物驱油技术规模最大，大面积增产效果最显著的国家，聚合物驱油技术 已经成为我国保持稳产增产的一项较为重要的技术措施。 近年来提出了利用聚合物的黏弹性提高驱油效率的理论。多种分子量聚合物分质分 注、高浓度聚合物溶液弹性驱油技术已被广泛应用于聚合物驱油生产实践中。这些新技 术的应用须利用数值模拟方法进行可行性研究、方案优化和效果预测。但是目前该方面 现有的数值模拟模型只能够模拟普通单一分子量聚合物驱油过程，不具备分质分注和聚 合物弹性提高微观驱油效率模拟功能。本文建立了多种分子量聚合物溶液混合驱油模拟 第一章前言 功能的数学模型，以满足聚合物驱油实验和生产实际应用。 1 2 聚合物驱技术发展概况 1 2 1 聚合物驱发展概况 现代石油工程与技术发展趋势是要求最大限度提高油藏的原油采收率。目前世界范 围内的石油采收率普遍不高，较先进的国家利用水驱油也不过能采出原始地质储量的 3 0 5 0 1 1 】。地层中剩余的原油或者被毛管力束缚而不能流动，或者是由于驱替相和 被驱替相之间的不利流度比使得注入溶液的波及体积小而无法驱动地下的大部原油。这 就促使石油工作者为提高采收率而研究新的采油方法，从而在二次采油的基础上出现了 三次采油如热力驱、混相驱和化学驱等【1 2 1 3 1 。 聚合物驱( p o l y m e rf l o o d i n g ) 是一种改良的水驱方法【1 4 】。它是通过在注入水中加入水 溶性高分子聚合物，增加水相粘度，降低水相渗透率，改善流度比来提高原油采收率的 方法，它是化学驱的一种。聚合物驱是在原来水驱的基础上添加了一定量的聚合物，所 以它又被称为改性水驱( m o d i f i e dw a t e rf l o o d i n g ) 。聚合物驱的机理是所有提高采收率方 法中最简单的一种，即降低水相流度，改善流度比，提高波及系数。 聚合物驱在注水早期，当可动油饱和度高时应用最有效【1 5 1 。该方法已经有效地应用 于注水后期的油藏。资料表明，该方法能够驱替油藏渗透率2 0 r o d 以上、油层温度高到 1 0 9 4 0 c 、油藏粘度高到1 2 6 m p a j 的原油。一般来说矿化度越高、二价阳离子浓度越 高，要达到相同效果，就需要使用更多的聚合物。油层中粘土的含量越高，聚合物损耗 也越大。 在我国，聚合物驱得到了充分的发展【1 3 6 1 。自1 9 7 2 年在大庆油田开展小井距的聚 合物驱试验以来，特别在“八五”、“九五”期间，在聚合物驱室内研究、数值模拟技术、 注入工艺以及动态监测技术等方面进行了大量研究和试验，为聚合物驱在中国进入工业 化应用阶段奠定了坚实的基础。1 9 8 7 1 9 9 3 年，大庆油田在非均质河流三角洲储层成功 地进行了两次聚合物驱先导性试验。 聚合物驱在国外的发展，始于2 0 世纪的五、六十年代的美国，1 9 6 4 年进行了矿场 试验。在1 9 6 4 - - 一1 9 6 9 年间，共进行了6 1 个聚合物驱项目，j e w e n t 和s c h u n z 描述了1 9 6 4 一- 1 9 6 9 年间实施聚合物驱油藏的基本参数、试验条件以及实施评价。2 0 世纪7 0 年代到 1 9 8 5 年左右，美国进行了聚合物矿场试验1 8 0 多次，试验区原油粘度的变化范围从 o 3 m p a j 到1 6 0 m p a j ，评价表明聚合物驱普遍取得了经济效益。1 9 9 6 年，美国共有 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 2 个化学驱油项目，其中1 1 个是聚合物驱油项目。但从发展趋势来看，1 9 8 6 年以来， 美国的聚合物驱油项目日趋减少，这表明9 0 年代美国聚合物驱油技术的应用规模呈逐 年减小的趋势。除美国外，前苏联的奥尔良油田、阿尔兰油田、加拿大的h o r d s e n vl a k e 油田、法国的c h a t e a r e m r d 油田以及德国、罗马尼亚和阿曼等国都进行了聚合物驱工业 化试验，取得了一定效果。2 0 世纪6 0 年代至今，全世界有2 0 0 多个油田或区块进行了 聚合物驱油实验【1 7 五o l 。目前为止，人们对聚合物驱油进行了大量的矿场试验及室内实验， 从而使聚合物驱油方法成为诸多化学驱方法中应用较广的一种三次采油方法，国外对聚 合物驱油的研究主要集中在以下方面： ( 1 ) 聚合物类型的研究。目前驱油用的主要聚合物产品是合成聚合物( 聚丙烯酰胺) 与生物聚合物( 黄胞胶) 。近些年来，英国联合胶体公司和法国石油研究院开发了聚丙烯 酰胺的乳状液，使现场配置工艺及测定分析都更加简单，黄胞胶不但具有很强的抗盐能 力，而且还能改善注入能力，现已在罗马尼亚投入使用，但是成本比较高，使其在油田 的大范围推广受限； ( 2 ) 多种化学剂复合配方驱油研究。由于复合驱中各种驱油成分的协同效应使得复 合驱动比单一的聚合物驱替具有更高的驱油效率； ( 3 ) 聚合物在多孔介质中的渗流机理研究。聚合物溶液在多孔介质渗流过程中，普 遍存在与岩石矿物之间的吸附、扩散、传质、对流和溶解之类的现象，国外的学者通过 建立数学模型，对聚合物驱油机理和各种影响因素进行数学描述，对聚合物在渗流过程 中的流动特征、流变特性、非混相的液液相在多孔介质中的界面效应、吸附性以及在 驱替过程中油墙的形成、扩散、以及油水运动中饱和度剖面与提高采收率之间的关系等 做了大量研究，对于聚合物驱的最终采收率的预测和现场实验都具有一定的意义； ( 4 ) 聚合物驱先导试验研究； ( 5 ) 数值模拟研究。开发了化学驱软件，如美国得克萨斯大学提高油气采收率研究 中心研制的u t c h e m 模拟器、兰德马克公司的v i p 、斯伦贝谢的e c l i p s e 、以及加拿 大研制的c m g 等油藏模拟软件。 1 2 2 聚合物驱油数值模拟技术发展概况 现代意义上的油藏数值模拟软件已逐渐演化为一个集成化的软件系统。除考虑驱油 机理和物化现象的描述外，模拟器的算法与用户界面也是相当重要的；此外，多维图形 可视化显示以及处理、网格处理技术曲线( 曲面) 网格、局部网格加密、有限元方法、随 3 第一章前言 机的网格结构、并行化解法、参数估算算法( p a r a m e t e re s t i m a t i o na l g o r i t h m s ) 、通用数据 库、网络、虚拟现实、流线模型等新技术也越来越受到重视。传统上与数值模拟模型严 格分开的地质建模软件，目前也有和数值模拟模型集成到同一个共用平台的趋势。集成 化的效果是为了优化整个油田的管理工作，有利于地球物理学家、地学科学家、地质科 学家和油藏工程师协调有序的工作，建立一个比较统一，一致的油藏模型。这些领域的 成就以及集成化的应用改变了传统数值模拟器的概念，并且对数值模拟研究工作起到了 重要影响。 油藏研究最重要的目的就是预测一个油藏的未来动态特征，并且找出提高采收率的 方法。而油藏数值模拟是油藏研究中一种很重要的方法。数值模拟软件又是它的主要研 究工具。而油藏数值模拟软件都是基于数学模型，而这些数学模型通常比较复杂，固不 能用解析方法求解，所以人们就把复杂的数学物理方程处理成用数值方法求解的数值模 型，再用计算机语言编写成能够求解这些数值方程的计算机程序，这就是油藏数值模拟 软件。在计算机上应用这些软件，在地质模型上求解基本流动方程，来模拟地下油，气， 水的运动，研究解决油藏开发中的实际生产，这个过程就叫做油藏数值模拟。 随着计算机技术和油田开发中多种采油技术的发展，油藏数值模拟技术也在不断的 发展完善，能够模拟更为复杂的采油方法的软件不断涌现。除了广泛应用于水驱，气驱 的黑油模型，还有描述稠油热采的热采模型，描述二氧化碳混相驱油的混相驱模型，描 述聚合物驱油，表面活性剂驱油，碱驱等化学方法驱油的化学驱模型等。19 6 8 年z e i t o 确首次提出了聚合物驱油的三维数值模拟模型【2 1 1 ， 目前比较具有代表性的聚合物驱数值模拟器有v i p ( l a n d m a r k ) ， e c l i p s e ( s c h l u m b e r g e r ) 、s t a r ( c m g ) ，a s p ( r i p e d ) ，a u s t i n 大学化学驱模u t c h e m e 2 2 】 也包含有聚合物驱模型。此外，还有很多石油公司和研究机构拥有自己研制的模拟器， 而且其中相当一部分模拟器已具备很高的水平。 d e s k t o p - v i p l a n d m a r kg r a p h i c sc o r p o r a t i o n 产品，是目前商品化和一体化最先进的模拟器之一。 该模拟器可称为油藏模拟器系统( 平台) ，集成了众多模块，包括黑油、组分、双重介质、 热采、p v t 、聚合物( 包括调剖功能) 等，这些模块能互相组合。集成的地质建模油藏描 述及前后处理模块主要有g e o l i n k ，g r i d g e n r ，2 d v i e w ，3 d v i e w 和s t r a t a m o d e l 。除此 以外，还可应用在o p e n w o r k s 环境下，与地震、地质、测井、并设计、经济分析、地 面设计等模块一同工作。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ( 1 ) p o l y m e r 模块是扩展的聚合物驱油组分黑油模型，三维、三相( 油、气、水) 六 组分，不是真正意义上的组分模型，它考虑了聚合物导致的粘度增加，吸附导致的水相 相对渗透率下降，剪切变稀、离子交换等，实用价值很大。 ( 2 ) 修正的全隐式、c b l i t z 线性方程组解法。 e c l i p s e g e o q u e s t 产品，s c h l u m b e g e r o i l f i e l ds e r v i c e s ，包括e c l i p s e l 0 0 ，2 0 0 ，3 0 0 ， 4 0 0 ，5 0 0 和o p e ne c l i p s e 。与d e s k t o i p 一起是目前较为公认的商品化和一体化最 为先进的两个模拟系统( 平台) 。 g e o q u e s t 系列模拟器提供i m p e s 和全隐式的解法，e c l i p s e 3 0 0 又额外提供了 自适应隐式方法a i m 和i m p s a t 。根据复杂油藏地质特征，用户可以选择角点网格或 者块中心网格用来提高运算精度，并且非结构化的径向和卡笛儿块中心网格可用于一 维、二维和三维的模拟。 e c l i p s e l 0 0 提供聚合物驱、溶剂驱、表面活性剂驱、泡沫驱等4 个提高原油采收 率模型。 聚合物模型选项使用一个全隐式、五组分模型( 油、水、气、聚合物、盐离子) 来研 究聚合物驱替过程中所涉及的各种驱油机理。该模型认为：聚合物溶液使水相粘度增加； 在较高的剪切速率下，水相粘度会因非牛顿流体的剪切作用而下降；聚合物的吸附仅发 生在岩石表面；聚合物吸附的结果是水相相对渗透率的下降。 s m c o m p m e rm o d e l l i n gg r o u p 产品。s t a r 是一个较为综合的数值模拟器，能够模拟 蒸汽，热采和三采的过程。其主要特点有： ( 1 ) 综合的数值模拟器，它能够模拟组分、蒸汽、地应力( 压裂、压实j 岩石裂缝) j 分散组分( 聚合物、凝胶、碎屑、乳状液、泡沫) 和火烧油层的过程。 ( 2 ) t i 够模拟区块、先导试验区、试验室研究的过程，包括：乳状液、泡沫在地下 的产生和流动过程；蜡和沥青在地下的沉淀；化学剂注入过程中的井眼处理；提高采收 率过程( 包括聚合物、泡沫、乳状液、凝胶) 。 ( 3 ) 自适应隐式方程系统解法，特别适合流速和压力梯度变化很大的近井网格和特 别薄的层。 ( 4 ) 先进的矩阵求解算法，a i m s o l 适合求解多变量的大规模矩阵，该算法集成了 不完全消元法作为g m r e s 加速前的预处理，解决自适应隐式建立的j a c o b i a n 矩阵最为 5 第一章前言 理想。 u t c h e m u t c h e m 为美国得州大学奥斯汀分校拥有版权的多组分化学驱数值模拟软件，是 一个三维、多相、多组分、可变温度、有限差分方法的数值模拟器。 由于u t c h e m 的项目来源比较广，以及u t c h e m 作为一个教学和研究的数值模 拟器的原因，导致u t c h e m 考虑因素非常繁冗，模拟参数太多，操作较为麻烦。目前 虽然有了较大改进，增加了前后处理模块和并行处理功能，井且矫正了计算上与油田现 场矛盾的一些缺点，但从商业和油田应用的角度来看，u t c h e m 依然不如e c l i p s e 和 d e s k t o p p 。它的优点( 也是主要的缺点) 是考虑物化因素全面，特别适合进行各种 化学驱的机理研究工作。为此中国引进u t c h e m 的几家油田先后对u t c h e m 进行了 大的改动，使它更适合油田现场的要求。 除上面所提的聚合物驱模拟器外，国内外较知名的聚合物驱数值摸拟软件还有： a e at e c h n o l o g y 公司的s c o r p i o 、i f p f r a n i ，a b ( 法国石油研究院子公司) 、 s c o r e ( a t h o s ) ，g r a n d 公司的f a p m s 聚合物驱软件，s s i 公司的n h a n c e 软件石 油大学的u p c h e m c l 交联聚合物驱软件，朱维耀的化学驱聚合物驱软件，中国 石油勘探开发研究院采收率所的p o i ，- - g e l 、大庆油田的d 畔o l y m e r 。这些软件 具备比较强大的应用性能，并已具备一定的应用基础。 从以上这些具有代表性的聚合物驱数值模拟软件，可以看出如下特点： ( 1 ) 聚合物驱增加了组分，对模型离散化和方程组求解等技术产生了更高要求。目 前为止，所有聚合物驱的数模软件在计算聚合物驱时要比计算水驱时慢得多，在大规模 的网格计算时，会产生不收敛或者发散现象。由此导致聚合物驱的运算规模受到非常大 的限制。 ( 2 ) 在聚合物驱模型中增加的组分数目不多的时侯，可以采用全隐式或修正的全隐 式技术来处理，能够卓为有效地增加模拟的稳定性。当组分比较多时，以上处理难度较 大。因此上述软件一般在稳定性和机理描述的合理性方面进行取舍。 ( 3 ) 粘弹性的数值模拟理论已经提出，但在主流的聚合物驱软件中基本没有实现。 主要困难在于如何将微观的粘弹性理论融入相对宏观的网格概念，简单地考虑降低残余 油饱和度缺乏理论依据。 ( 4 ) 主流的聚合物驱数值模型均未考虑非等温的聚合物降解问题，主要难点在聚合 物降解参数的取值及非等温水驱模型自身开发上的困难。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ( 5 ) 目前聚合物驱的主要模型仍然是改进的黑油模型。因为它简单易用，计算时间 相对较少，需要的存储空间少；缺点是由相间交换引起的多组分质量变化及由此引起的 流体性质、流动状态的变化不能得到很好的表达。 ( 6 ) 组分模型可表达由组成变化引起的各种重要物理化学现象，描述很精确，但存 储和计算量比较大，软件的实现具有很大难度。 ( 7 ) 流管模型比较简易，存储和计算量比较小。但不能模拟重力、管间横向交换等。 ( 8 ) 有限元模型：可减弱不利流度比的影响和网格的方向效应，网格节点比较少， 存储和计算量不大。但产生的基本函数繁冗、耗时，矿场应用难以实现。 大庆，胜利油田聚合物驱软件的研制，应用技术及研究成果都已经达到国际同期先 进水平，为聚合物驱油技术的推广，应用做出了重大的贡献。这些软件主要应用于聚合 物驱油机理、驱油效果影响因素、驱油条件的优化选择、驱油方案设计及动态研究、效 果预测评价等计算研究中。 1 3 研究内容 在现今的聚合物驱数值模拟研究中对于聚合物的物化机理研究不够详细和明确，不 能够较为准确的描述聚合物流动体系的反应过程及其在地层中的渗流规律，一些聚合物 驱模型假设很多理想条件，并不能真实反映实际的情况。 聚合物的粘弹性提高驱油效率是从弹性降低残余油饱和度方面来实现的【6 】- 【8 】，近年 来有关学者提出了利用聚合物溶液粘弹性来提高驱油效率的理论【9 】。多种分子量的聚合 物分质分注，高浓度聚合物溶液弹性驱油技术已经被应用于聚合物的生产实践。而新技 术的应用需要数值模拟方法来进行可行性研究，方案优化及效果预测。但目前被最广泛 使用的数值模拟模型只能模拟普通单一分子量聚合物驱油，不具备分质分注和聚合物弹 性提高微观驱油效率的模拟功能【3 】。 邵振波、陈国、孙刚于2 0 0 8 年5 月提出的多种分子量聚合物驱数学模型，在多种 分子量聚合物溶液混合驱油机理数学模型中，每一种分子量聚合物在油藏中流动满足各 自独立的物质传输规律，在驱油机理上表现为多种分子量聚合物溶液浓度之和的总浓度 总体驱油过程，驱油机理数学模型中的参数表示为各种分子量聚合物相应参数浓度加权 平均的形式 3 1 ，使得模型能够很好的模拟多种分子量聚合物驱油的过程。 针对目前国内外有关多种分子量聚合物驱油的研究现状及在开展多种聚合物驱油 过程中实际存在的问题，结合前人所做的多种聚合物驱油的研究成果和聚合物驱油田现 7 第一章前言 资料，本论文以经典的聚合物驱数学模型为基础，并结合邵振波等人所提出的多种分 量聚合物驱的数学模型，建立了能够模拟多种分子量聚合物驱的数学模型，并编制了 种聚合物驱数值模拟软件，本文拟研究的主要内容如图1 1 所示： 多种聚合物驱物化机理研究 建立数学模型 建立数值模型 数值模型方程组解法研究 编制数值模拟软件 模型验证 软件算例应用 1 4 技术路线 总结近年聚合物驱物化机理 的研究成果，建立更符合实际 的多种聚合物驱渗流模型 多种聚合物驱运动方程、状态 方程、连续性方程、辅助方程 等 以非线性渗流为特点的方程 解法研究，把数学模型转化为 易于计算机实现的数值模型 采用何种数值计算方法对数 值模型矩阵进行求解 将各种数值模型的计算方法 编制成计算机程序 评价聚合物驱模型的计算结 果的精度和准确性 与聚合物驱矿场实际相结合， 指导聚合物驱油田的开发 图1 - 1 主要研究内容 f i g1 - 1m a i nr e s e a r c hc o n t e n t s 论文的技术路线：多种分子量聚合物驱物化机理的研究与引入组分模型，三维三相 多组分数学模型的建立，差分方程数值模型建立，组分模型解法的研究，计算机模型的 编制。 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章聚合物驱油机理研究 2 1 聚合物驱油原理 聚合物虽然不能很大幅度的降低水已波及区的剩余油饱和度，但由于它增加了油层 波及效率，因而它的采出程度要比水驱高。聚合物驱在中等非均质、中等原油粘度以及 存在不利于水、油流度比的油藏中最具潜力。在驱替粘度大的原油时，由于驱动水穿过 油区而发生指进现象，所以波及系数不高【2 3 1 。通过在水中添加聚合物来增加水的粘度以 及降低侵入区油层渗透率，使驱替稳定，并增加波及体积。在裂缝油藏或渗透率严重非 均质( 常常是层阿不均匀) 的油藏中，问题之一是油井见水早，甚至在油的粘度不高时， 也会出现不良的水驱状况。应先用粘度比较大的段塞堵塞高渗层，段塞粘度与盐水粘度 比大致应等于高渗层渗透率与油层其它部分渗透率的比值。通过逐个进行分层控制，可 以使不良的水驱状况得以较好的改善，增加垂向或“侵入 波及系数来提高采收率。 聚合物驱是一种向油藏中注入高相对分子质量的水溶性聚合物溶液的驱油方法。同 水驱开发油田不同在