二氧化碳驱油过程数值模拟研究

1、中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：113031二氧化碳驱油过程数值模拟研究赵阳 1，王志国1,2，杨文哲2，宋永臣2（1.东北石油大学土木建筑工程学院，大庆 163318；2.大连理工大学能源与动力学院，大连 116024） (telemail：)摘 要：随着油田开采进入中后期，油气采出率越来越低，且采出成本逐年增加，这就要求研究更加有效的方法以提高油气采出率和降低采出成本。在众多的提高油气采收率的方法中，二氧化碳驱油以其成本低廉、成效显著、可回收重复利用、无毒环保、与原油有较好的混溶性等，近年来得到

2、了广泛关注。本文应用cmggem软件对二氧化碳驱油过程进行了数值模拟，分析了储层、流体性质等因素对co2驱油效果的影响，并对计算结果进行综合分析，得出了co2驱油效果的影响因素及其规律，为实际应用提供技术依据。关键词：二氧化碳；提高采收率；驱油机理；数值模拟1 引言目前，我国的大部分油田开采进入中后期，油气采出率逐年降低，油田的开发越来越难，油气采出成本随之逐年增加。因此，提高原油采收率的研究，成为当今油气开采的主要探索和解决的问题之一 1。在众多提高采收率的介质中，二氧化碳以成本低廉，成效显著，可回收重复利用，无毒环保，与原油有较好的混溶性首选入列。它能有效降低原油粘度，减少残余油的饱和度，

3、溶解储层中胶质，提高渗透率。特别是二氧化碳在与原油混相状态下，可置换出原油中某些轻烃或中间组分的烃类物质，这种作用称为二氧化碳对原油的抽提2,3。其驱油机理清楚，但驱油效果主要取决于混相状态的形成。国外对co2驱油的理论研究和矿场实验工作在上个世纪中期就已经开始，主要在美国、前苏联、加拿大、英国、匈牙利、土耳其等国家进行，其中美国是混相、非混相驱项目开展最多的国家，而且现在仍然保持着连续增长的势头，大部分的驱油实验主要是在三次采油上，即注水采油后期进行，也有二次采油上进行的4。国内co2驱在上世纪60年代初就开始进行，1963年首先在大庆油田进行研究和小规模的矿场实验，先导性实验证明可提高采收

4、率。但由于受到co2资源的限制，70年代停止了此项工作。同时期胜利油田也在室内进行了一些最低混相压力的测定和混相机理的研究。从我国目前研究开发和采用的一些提高原油采收率技术（包括二氧化碳驱油技术）来看，或因驱油机理研究不够深入，或因油藏实施过程难于控制，或因地质结构复杂，或因成本过高等，尚难以大规模应用。利用二氧化碳提高采收率发展有两个原因：（1）二氧化碳减排的迫切需求，以避免基金项目：国家自然科学基金重点资助项目(no.50736001).和改变气候变暖；（2）能源供应安全要求能源开采效率最大化。本文分析了二氧化碳驱油机理，应用cmggem软件对二氧化碳驱油过程进行了数值模拟，分析了储层、流

5、体性质等因素对co2驱油效果的影响，并对计算结果进行综合分析，得出了co2驱油效果的影响因素及其规律，为实际应用提供技术依据。2 二氧化碳提高采收率的机理分析2.1 co2驱油提的机理主高采收率要有以下几点4-6：1使原油体积膨胀co2注入油藏后，可在原油中充分溶解，一般可使体积增加10%100%。其结果不但增加地层的弹性能量，还大大减少了原油流动过程中的阻力，从而提高驱油效率。2降低原油黏度co2溶于原油后，一般可降低到原黏度的0.10.01。原油初始黏度越高，黏度降低幅度越大。黏度降低，有利于原油流动能力，提高产油量。3改善油水流度比co2溶于原油和水，其黏度增加20%30%，流度降低；原

6、油碳酸化后，其黏度降低30%80%，流度增加。其综合作用的结果，使油水流度比趋于接近，水驱波及体积扩大，有利于原油采出。4降低界面张力co2极易溶解于原油，其结果大大降低了油水界面张力，有利于原油流动，从而提高了原油采收率。co2与原油混相后其界面张力降为0，理论上可使采收率达到100%。5萃取原油中轻烃co2注入油藏后，部分未溶解于油水中的co2能萃取原油中的轻烃，使原油相对密度降低，黏度降低，从而提高原油流动性能，有利于开采。6溶解气驱作用随着油井生产井附近的地层压力下降，地层原油中溶解的co2逸出，逸出的co2气体驱动原油流入井筒，形成内部溶解气驱。2.2 三次采油油藏多孔介质特点在二次

7、采油结束时，由于毛细作用，不少原油残留在岩石裂缝中，而不能流向生产井，不论用水或烃类气体驱油都是一种非均相驱，油与水（或气体）均不能相容形成一相，而是在两项之间形成界面，必须具有足够大的驱动力才能将原油从岩石缝隙间挤出，否则一部分原油就停留下来，如果能注入一种同油相混容的物质，即与原油形成均匀的相，孔隙中滞留油的毛细作用力就会降低和消失，原油就能被驱向生产井。设法提高原油采收率的关键是找到一种能与原油完全相溶的合适的溶液，从50年代开始进行这方面的探索和研究，曾经使用丙烷等轻组分烃类化合物，它可以与原油完全混溶，但成本较高。油田现场生产的天然气也可作为混相驱，但经济上也不合算，后来又对非烃类物

8、质进行研究，其中之一是co2，他能通过逐级提取原油中的轻组分与原油达到完全互溶。3 co2地下封存驱油过程数值模拟及研究3.1 co2混相驱油过程数值模拟本文使用一个充分考虑油藏流体组成的油层动态数值模拟模型cmg-gem软件。该软件由cmg公司（加拿大计算机软件模拟集团公司）依靠在数模软件研究开发提供的7。试验区模型共划分35358个网格。初始参数设置为：地层渗透率10md，孔隙度17.67%，纵横向渗透率比值kv/kh=0.1，地层原油粘度5.88mpas，地层原油密度852.36kg/m3，通过调节不同的参数，计算出co2驱油的采收率大小，对其敏感性进行分析。图1 cmg-gem模拟co

9、2驱扩散过程3.2 co2驱油影响因素分析影响co2驱油效果的因素很多，主要分为储层参数地层流体性质以及注气方式三大类8。其中，储层参数主要包括油藏的非均质性、油层厚度、渗透率性等，流体性质主要包括原油粘度及原油密度等。本文通过数值模拟分析，确定各因素对提高采收率的影响作用。（1）渗透率影响在建立的初始模型的基础上，调整储层渗透率分别为：0.5md、5md、10md和100md，计算不同渗透率下的原油采收率（图2），从图中可以看出随渗透率的增大，采收率减小。图2 不同渗透率下的储层采收率因为低渗透率可提供充分的混相条件，减少重力分离，渗透率太高容易导致早期气窜，从而造成较低的驱油效率。（2）垂

10、向横向渗透率比值kv/kh的影响控制生产井和注气井井底压力一定，改变平面渗透率的大小使得kv/kh值分别为0.01、0.05、0.1、0.5和1，其co2驱油采收率结果见图3，从图中可以看出，随着kv/kh的增大，采收率有所下降。随着纵横向渗透率比值的增大，浮力的作用加剧，层间矛盾更加突出。图3 不同垂向横向渗透率比值下的储层采收率（3）扩散作用在初始模型中，将横向扩散系数分别设为0、0.1、0.5、1和1.2，其采收率计算结果见图4。图4 横向扩散系数对才采收率的影响由图4分析得到，随着横向扩散系数的增大，其采收率也在增大，变大的主要原因为考虑了扩散的影响，co2气体分子扩散作用、对流弥散作

11、用延迟co2的突破时间。使co2向周围迁移，减缓了co2向生产井的推进，提高了波及系数，因而可获得较高的采收率；在不考虑分子扩散作用情况下，co2向生产井推进较快，波及效率较低，从而使co2较早突破，生产井co2的含量很快上升，所获得的采收率偏低。4 结论在本文中，我们介绍了二氧化碳的驱油机理，并使用加拿大计算机软件模拟集团公司提供的gmg-gem软件对co2的驱油过程进行了模拟研究。并通过数值模拟对影响co2驱油的相关因素，主要包括储层渗透率、垂向横向渗透率比值和扩散作用进行了综合研究，其影响规律总结如下：（1）在控制相同注采速度下，随着渗透率的增大，采收率降低；（2）随着纵横向渗透率比值k

12、v/kh的增大，油藏的采收率变小；（3）分子扩散作用、对流弥散作用使co2向周围迁移，有助于延迟co2的突破时间，提高了驱油效率，增大了波及面积，提高采收率。参考文献1 李士伦, 郭平. 发展注气提高采收率技术j. 西南石油学院学报, 2000, 22 (3): 41-45.2 杨承志, 岳清山, 沈平平. 混相驱提高石油采收率m. 北京: 石油工业出版社, 1991, 3.3 d.beliveau,; d.a.payne. analysis of a tertiary co2 flood pilot in a naturally fractured reservoirj. spe annual technical conference and exhibition (society of petroleum engineers), 1991, 12 (6-9): 615-626.4 刘一江,刘积松,黄忠桥,等.聚合物和二氧化碳驱油技术m. 中国石化出版社,2001.2:94-106.5 郭万奎,廖广志.注气提高采收率技术m. 北京:石油工业出版社,2003:53-57.6 钱伯章,朱建芳.世界封存co2驱油的现状与前景j. 能源环境保护,2008,22(1):1-4.7 butler