化学驱数值模拟课件.ppt

1、-1-2006年年4月月13日日 李建芳李建芳 油藏数值模拟原理油藏数值模拟原理化学驱数值模拟-2-=化学驱发展概况、技术进展和发展前景化学驱发展概况、技术进展和发展前景=复合化学驱驱油机理和物化现象复合化学驱驱油机理和物化现象=数学模型及模拟软件数学模型及模拟软件=化学驱模型与黑油模型的比较化学驱模型与黑油模型的比较=主要物化现象及物化参数描述主要物化现象及物化参数描述三、化学驱模型三、化学驱模型-3-发展概况、技术进展和发展前景发展概况、技术进展和发展前景=我国陆上各油区大都处于我国陆上各油区大都处于高含水期开采阶段高含水期开采阶段，稳产，稳产难度越来越大。难度越来越大。=后备资源不足，储

2、采矛盾逐年加大后备资源不足，储采矛盾逐年加大 :当年增加的可采储量当年增加的可采储量始终小于当年的产油量，后备资源量不断下降，储采矛盾逐年加大始终小于当年的产油量，后备资源量不断下降，储采矛盾逐年加大 =综合含水逐年升高综合含水逐年升高，主力油区已进入注水开发后期，依靠现有，主力油区已进入注水开发后期，依靠现有生产技术已很难保持稳产生产技术已很难保持稳产 =新探明储量的动用程度不高，开发难度大新探明储量的动用程度不高，开发难度大=急需发展和应用提高采收率方法急需发展和应用提高采收率方法 油田开发现状和问题：油田开发现状和问题：-4-19991999年完成的全国年完成的全国1717个油区进行潜力

3、评价工作，评价结果表明，我个油区进行潜力评价工作，评价结果表明，我国油田国油田提高采收率的潜力很大提高采收率的潜力很大。在现有技术条件下，可增加可采储。在现有技术条件下，可增加可采储量量11.811.810108 8 t t，相当于可提高采收率，相当于可提高采收率11%11%以上以上 发展概况、技术进展和发展前景发展概况、技术进展和发展前景=提高采收率方法提高采收率方法是保持各油区产量稳定的是保持各油区产量稳定的重要措重要措施施=聚合物驱已在我国工业化应用，可提高采收率聚合物驱已在我国工业化应用，可提高采收率10%10%，年产油达，年产油达10001000万吨万吨=复合化学驱复合化学驱，做为一

4、种高效率的提高采收率方法，做为一种高效率的提高采收率方法，在一定的油藏条件下，能够大幅度地提高原油，在一定的油藏条件下，能够大幅度地提高原油采收率，室内和矿场试验提高采收率采收率，室内和矿场试验提高采收率20%20%以上。以上。=复合化学驱研究和应用取得了重大突破，成为我复合化学驱研究和应用取得了重大突破，成为我国最为重要的国最为重要的潜在的三采技术储备潜在的三采技术储备。-5-引言引言降低界面张力驱油机理驱油机理流度控制作用降低昂贵化学剂的吸附损失（A）碱碱 +原油中酸性物原油中酸性物表面活性物质表面活性物质A+S+PA+S+P 多元化学剂复合协同效应多元化学剂复合协同效应碱对酸性原油的多次

5、萃取碱对酸性原油的多次萃取聚合物降低驱替液的流度聚合物降低驱替液的流度含盐量降低聚合物的粘度含盐量降低聚合物的粘度碱引起聚合物的进一步水解碱引起聚合物的进一步水解乳化夹带、乳化捕集、乳化聚并乳化夹带、乳化捕集、乳化聚并-6-质量传递（对流、扩散、液质量传递（对流、扩散、液-液、固液、固-液、液、化学反应化学反应）复合协同效应复合协同效应及界面张力的降低及界面张力的降低各种化学剂的损耗：各种化学剂的损耗：碱耗、化学剂吸附滞留等碱耗、化学剂吸附滞留等残余饱和度的降低残余饱和度的降低多相相对渗透率多相相对渗透率化学剂的扩散和稀释化学剂的扩散和稀释聚合物溶液特性聚合物溶液特性离子交换离子交换含盐量及其

6、变化的影响等含盐量及其变化的影响等乳状液的形成及流动特性乳状液的形成及流动特性沉淀、结垢沉淀、结垢引言引言-7-数学模型及模拟软件数学模型及模拟软件以黑油模型为基础的化学驱数学模型：以黑油模型为基础的化学驱数学模型：NHANCE -NHANCE -美国美国SSI:SSI:简化机理简化机理ISLAM -ISLAM -加拿大提高采收率研究所：简化机理加拿大提高采收率研究所：简化机理VIP-POLYMER-VIP-POLYMER-美国：聚合物驱模型美国：聚合物驱模型以组份模型为基础的化学驱数学模型：以组份模型为基础的化学驱数学模型：UTCHEM -UTCHEM -TEXASTEXAS大学大学:考虑复

7、杂机理，教学模型考虑复杂机理，教学模型SCORPIO-SCORPIO-英国原子能研究所：聚合物驱模型英国原子能研究所：聚合物驱模型ASP -ASP -中国石油勘探开发研究院：复合驱模型中国石油勘探开发研究院：复合驱模型-8-ASPASP软件的数学模型软件的数学模型()iiiiAFDBt1,inc1,inc1()npijijjjYFVjijYjV()rjjjjjjKp KVg1,jnp11()npnciijijjjjkSY DD1()npji ijiijAZSq 对流项j相密度 相浓度，表示i组份在j相中的浓度 达西速度 扩散项累积项产量项BQRiii 累积项包括流体组分在孔隙中的质量聚集和由吸

8、附/滞留等引起的在岩石中的质量损失 源汇项包括注入/产出和化学反应等引起的质量增加或减少 1()()piijjinrjjijjjjjjijijijjjZSqkyPSyBt KgD-9-计算流程计算流程A S PI N P U T:参 数 输 入I N I T:初 始 化P A R A M E T E R S:物 化 参 数 计 算R E S O L V E P:求 解 压 力 化V E L O C I T Y:流 速 计 算M A T R I C E系 数 矩 阵G A U S S:高 斯 解 法P C G:预 处 理 共 轭 梯 度L S O R:线 松 弛C O M P Z I:总 组 份

9、 浓 度 计 算T H E R M O、:饱 和 度 相 浓 度 计 算P H A S E:相 平 衡 计 算B M A S S:质 量 守 恒 计 算R E C O V E:采 收 率 计 算O U T P U T:结 果 输 出E N D T I M E:时 间 步 判 断A L O S S:硷 耗A D S O R:化 学 剂 吸 附D E N S I T Y:密 度V I S C O S I T Y:粘 度R R F:残 余 阻 力 系 数S I G M:界 面 张 力L N N C:毛 管 数S R E S I D:残 余 饱 和 度P E R M J:相 对 渗 透 率C P C:

10、毛 管 压 力M O B I L I T Y:流 度D I S P E R:扩 散 系 数E X T R A C:碱 萃 取H Y D R O:水 解P O L:聚 合 物 影 响A S C A L E:碱 垢E M U L S I O N：乳 状 液-10-化学驱模型与黑油模型的比较化学驱模型与黑油模型的比较现象现象黑油模型黑油模型化学驱模型化学驱模型相相油、水、气油、水、气油、水（或化学相）油、水（或化学相）组份组份有多少个相就有多少个组份有多少个相就有多少个组份53相态相态PVT大量复杂的计算大量复杂的计算吸附吸附不考虑不考虑表活剂与聚合物的吸附表活剂与聚合物的吸附界面张力计算界面张力计

11、算为常数为常数大量复杂的计算大量复杂的计算毛管数的变化毛管数的变化不考虑不考虑10-7考虑考虑10-7101粘度粘度水相粘度为常数，油与气的水相粘度为常数，油与气的粘度随压力而改变粘度随压力而改变流变性、含盐量、交联调剖流变性、含盐量、交联调剖离子交换离子交换不考虑不考虑表活剂、粘土与钠及钙离子交换表活剂、粘土与钠及钙离子交换 生成表活剂生成表活剂不考虑不考虑考虑考虑求解方法求解方法全隐全隐IMPES方法方法-11-主要物化现象及物化参数描述主要物化现象及物化参数描述 界面张力随化学剂浓度的变化：界面张力随化学剂浓度的变化：为了真正体现多种化学剂的复合协同效应，为了真正体现多种化学剂的复合协同

12、效应，采用实测的采用实测的界面张力等值图界面张力等值图进行描述，对于给进行描述，对于给定的原油和配置水矿化度，界面张力主要随碱定的原油和配置水矿化度，界面张力主要随碱、表面活性剂、聚合物浓度变化：、表面活性剂、聚合物浓度变化：通过各化学剂浓度可获得对应的界面张力通过各化学剂浓度可获得对应的界面张力),psOHCCC（-12-物化现象及参数描述物化现象及参数描述 碱多次萃取引起的界面张力变化碱多次萃取引起的界面张力变化 ),mCfa（=主要考虑碱对酸性原油多次萃取引起的界面张力的进主要考虑碱对酸性原油多次萃取引起的界面张力的进一步降低，一步降低，其降低幅度与碱浓度、与新原油接触萃取次其降低幅度与

13、碱浓度、与新原油接触萃取次数有关，通常主要发生在驱替前缘与新鲜原油接触的区数有关，通常主要发生在驱替前缘与新鲜原油接触的区带。带。根据实验结果，该降低幅度可达根据实验结果，该降低幅度可达1 1各数量级以上（各数量级以上（该现象是有利于驱油的因素）。该现象是有利于驱油的因素）。=模型中模型中可根据实验资料考虑此现象引起的界面张力的可根据实验资料考虑此现象引起的界面张力的降低，也可降低，也可进行如下简化考虑进行如下简化考虑：即在驱替前缘某一碱浓即在驱替前缘某一碱浓度范围内，由于碱多次萃取，使得该范围内的界面张力度范围内，由于碱多次萃取，使得该范围内的界面张力比正常计算值低（其幅度由实验确定）。比正

14、常计算值低（其幅度由实验确定）。-13-物化现象及参数描述物化现象及参数描述 聚合物的加入引起的界面张力变化聚合物的加入引起的界面张力变化 ),ppoCCf（=主要考虑聚合物的加入引起的主要考虑聚合物的加入引起的ASPASP体系与原体系与原油间的界面张力升高情况。通常聚合物浓度越油间的界面张力升高情况。通常聚合物浓度越高，越易发生该现象（该现象是不利于驱油的高，越易发生该现象（该现象是不利于驱油的因素）。因素）。=可根据实验结果进行如下改进：在聚合物浓可根据实验结果进行如下改进：在聚合物浓度大于某值后，使正常计算出的度大于某值后，使正常计算出的ASAS体系界面张体系界面张力随聚合物浓度的增加而

15、增加，幅度由实验资力随聚合物浓度的增加而增加，幅度由实验资料确定：料确定：-14-物化现象及参数描述物化现象及参数描述残余饱和度和相对渗透率残余饱和度和相对渗透率 残余饱和度残余饱和度 各相残余饱和度与毛管数有各相残余饱和度与毛管数有关，毛管数定义关，毛管数定义:)(crjrjjjjcNSSVN)()(1000cjjcrjrjjrjrjjnjenjrjrjNeeNKKSSSSSKKj通过实验可测得不同通过实验可测得不同Nc下下的残余饱和度值的残余饱和度值 各相相对渗透率各相相对渗透率 -15-物化现象及参数描述物化现象及参数描述物化现象及参数描述物化现象及参数描述 碱碱 耗耗 影响因素较多，且

16、较复影响因素较多，且较复杂，模型用一些简化处理，杂，模型用一些简化处理，通过化学反应项给予描述。通过化学反应项给予描述。),(21nwOHrrrtSR溶液中与岩石表面的的离子交换引起溶液中与岩石表面的的离子交换引起的快速碱耗的快速碱耗 r r1 1CaCarr110111。系数，由实验资料确定，由实验资料确定；该现象引起的最大碱耗的浓度；101arOHC原油中酸性物质引起的碱耗原油中酸性物质引起的碱耗r r2 2),(222221CHArrOHAOHHAHAHAwwKo实验给出不同酸、碱浓度下的碱耗曲线 岩石溶解引起的长期碱耗岩石溶解引起的长期碱耗r3该碱耗可用一级表观动力学方程描述该碱耗可用

17、一级表观动力学方程描述 tCKr313式中K31由实验确定 水相中水相中CO2引起的碱耗引起的碱耗r r4 4HCOOHCOCOCOKwKo4241222可根据化学反应折算出CO2引起的碱耗 Ca+、Mg+离子引起的碱耗离子引起的碱耗r r5 532325251)(2CaCOCOCaOHCaOHCaKK可根据K51，K52溶度积折算出碱耗r5-16-物化现象及参数描述物化现象及参数描述表面活性剂吸附表面活性剂吸附 ssssssCaCaqq101式中：qs0,as与阳离子强度E有关，由实验资料确定。CCEC+,C+分别为一价和二价阳离子浓度，为加权因子。)771(max1PHPHbqqsss当碱

18、存在时，表面活当碱存在时，表面活性剂的吸附滞留量将性剂的吸附滞留量将随随PHPH的升高而降低的升高而降低 为系数。值；为注入碱浓度的时的吸附滞留量；为ssbPHPHPHqmax17-17-物化现象及参数描述物化现象及参数描述碱对粘度的影响碱对粘度的影响 碱对溶液粘度的影响碱对溶液粘度的影响 )(Cafp碱的加入将引起溶液碱的加入将引起溶液含含盐量盐量环境的变化，环境的变化，阳离阳离子浓度的大大增加子浓度的大大增加将引将引起聚合物溶液的起聚合物溶液的粘度大粘度大大降低，大降低，这也是碱加入这也是碱加入带来的最重要的不利因带来的最重要的不利因素之一。素之一。碱引起的聚合物进一步水解碱引起的聚合物进

19、一步水解 ),(tdCafp在一定范围内，碱加入引起的在一定范围内，碱加入引起的聚合物聚合物长期水解长期水解，导致聚合物导致聚合物溶液粘度的增加，与碱浓度，溶液粘度的增加，与碱浓度，聚合物水解度及时间有关。聚合物水解度及时间有关。可可根据实验资料考虑该现象引起根据实验资料考虑该现象引起的粘度增加（该现象是有利于的粘度增加（该现象是有利于驱油的因素）。驱油的因素）。-18-物化现象及参数描述物化现象及参数描述聚合物溶液的粘度聚合物溶液的粘度 静止粘度静止粘度 运动粘度运动粘度 .)1(332210pppwpCaCaCa聚合物溶液的静止粘度（零剪切聚合物溶液的静止粘度（零剪切速率下的粘度）是聚合物

20、溶液浓速率下的粘度）是聚合物溶液浓度和含盐度的函数度和含盐度的函数 式中：式中：a1、a2、是与含盐度有是与含盐度有关的常数，由实验资料确定。关的常数，由实验资料确定。12101nrpp剪切导致聚合物溶液的粘度降剪切导致聚合物溶液的粘度降低，可以通过低，可以通过MeterMeter方程描述方程描述 为剪切速率，为剪切速率，1/21/2为（为（p p0 0+w w）/2/2粘度时的剪切速率。粘度时的剪切速率。nrnr表示流体非表示流体非牛顿性的幂律指数，牛顿性的幂律指数，1.01.0 nr 1.81.8，NewtonNewton流体的流体的nr=1.0nr=1.0。-19-物化现象及参数描述物化

21、现象及参数描述聚合物吸附量聚合物吸附量 ppppCbCaqq11max1对于近似遵循对于近似遵循Langmuir等温吸附理论的静态吸附等温吸附理论的静态吸附 式中：qpmax不同盐度下，聚合物在岩石表面上的最大吸附量a1,b1平衡吸附常数，其值由实验室测定对于不符合对于不符合LangmuirLangmuir吸附规律的情况，可采用实验室给定的吸附规律的情况，可采用实验室给定的不同含盐量下的不同含盐量下的聚合物吸附聚合物吸附曲线插值计算吸附量。曲线插值计算吸附量。-20-物化现象及参数描述物化现象及参数描述maxmax)1(1ppkkpqqRR 聚合物的水相渗透率降低系数聚合物的水相渗透率降低系数

22、 由聚合物的吸附滞留所引起由聚合物的吸附滞留所引起 qp,Rkp不同含盐量下，聚合物吸附滞留量和水相渗透率下降不同含盐量下，聚合物吸附滞留量和水相渗透率下降系数系数qpmax,Rkpmax不同含盐量下，聚合物饱和吸附滞留量和最大水不同含盐量下，聚合物饱和吸附滞留量和最大水相渗透率下降系数。相渗透率下降系数。亦可直接给定不同含盐量下的亦可直接给定不同含盐量下的Rkp qp(Cp)表格插值计算表格插值计算 -21-物化现象及参数描述物化现象及参数描述owwcowcSPP)(PCNnaPCwcowSKCSP1)(复合体系毛管压力可描述复合体系毛管压力可描述成油水毛管压力和界面张成油水毛管压力和界面张

23、力的函数力的函数 Cpc,Npc为常数（由实验资料确定），为常数（由实验资料确定），Sn为湿相饱和度为湿相饱和度 0000/1)(expiiijjjjjjjYPP各相密度取决于各相压力和组成各相密度取决于各相压力和组成 P0,0分别为参考压力和该压力分别为参考压力和该压力下的密度。下的密度。j j为压缩系数。为压缩系数。毛管压力、毛管压力、流体流体各相密度各相密度-22-物化现象及参数描述物化现象及参数描述离子交换、聚合物可及孔隙体积离子交换、聚合物可及孔隙体积 vcvQCCCCQCC22)()(离子交换离子交换水相中水相中一价阳离子一价阳离子与岩石表面与岩石表面的的二价阳离子二价阳离子的离子

24、交换，使的离子交换，使得溶液中阳离子强度增加得溶液中阳离子强度增加，影影响了聚合物的响了聚合物的粘度和吸附粘度和吸附 Q QV V离子交换能力离子交换能力 c c离子交换系数离子交换系数 VVppVVVVggrr,聚合物可及孔隙体积聚合物可及孔隙体积grp、为聚合物、交联剂、为聚合物、交联剂、凝胶的可及孔隙体积，可通过凝胶的可及孔隙体积，可通过实验测定实验测定 -23-新增物化现象描述新增物化现象描述碱垢碱垢物化物化现象的描述现象的描述碱与矿物反应产生垢，碱垢对地层产生了不同碱与矿物反应产生垢，碱垢对地层产生了不同程度的堵塞，从而影响地层的渗透性，使流体程度的堵塞，从而影响地层的渗透性，使流体

25、的流动能力降低，驱动压差上升。可以采取简的流动能力降低，驱动压差上升。可以采取简化的描述方式：化的描述方式：（1 1）计算碱与矿物反应形成的碱垢量，碱垢量）计算碱与矿物反应形成的碱垢量，碱垢量随碱浓度变化。实验给出碱垢量与地层渗透率下随碱浓度变化。实验给出碱垢量与地层渗透率下降系数的关系。降系数的关系。（2 2）在给定的油藏条件下，实验直接给出地层）在给定的油藏条件下，实验直接给出地层渗透率下降系数随碱浓度的变化曲线。渗透率下降系数随碱浓度的变化曲线。主要创新点主要创新点-24-新增物化现象描述新增物化现象描述碱垢反应是受多重机理控制的碱垢反应是受多重机理控制的,影响反应机理影响反应机理的条件

26、为的条件为碱型、碱浓度、反应温度碱型、碱浓度、反应温度、岩石中具、岩石中具有较高反应活性的有较高反应活性的矿物种类及含量矿物种类及含量等。等。在数学描述中我们只考虑碱浓度，其它变量可在数学描述中我们只考虑碱浓度，其它变量可以通过实验间接给出（例如对某特定碱型、特以通过实验间接给出（例如对某特定碱型、特定温度和特定岩石中矿物种类进行实验），形定温度和特定岩石中矿物种类进行实验），形成碱垢后主要是成碱垢后主要是影响渗透性影响渗透性，这种影响对水相，这种影响对水相和油相都起作用和油相都起作用碱垢碱垢物化物化现象软件模块的研制现象软件模块的研制主要创新点主要创新点-25-新增物化现象描述新增物化现象描

27、述碱垢碱垢物化物化现象软件模块的研制现象软件模块的研制我们引入碱垢引起的我们引入碱垢引起的渗透率降低系数渗透率降低系数，在给，在给定的油藏条件下，定的油藏条件下，实验直接给出渗透率降低实验直接给出渗透率降低系数随碱浓度的变化曲线。系数随碱浓度的变化曲线。由每个网格块碱浓度通过碱垢引起的渗透率由每个网格块碱浓度通过碱垢引起的渗透率降低系数曲线查到每个网格块的降低系数，降低系数曲线查到每个网格块的降低系数，分别对分别对水相和油相的流度进行修正水相和油相的流度进行修正 主要创新点主要创新点-26-新增物化现象描述新增物化现象描述乳状液乳状液物化物化现象的描述现象的描述应用应用EinsteinEinstein公式公式（分散相（分散相的体积分数的体积分数小于小于0.020.02）计）计算粘度：算粘度：0 0(1(12.5)2.5)式中式中和和0 0分别代表乳状分别代表乳状液和分散介质的粘度。液和分散介质的粘度。10113h较稀的乳状液较稀的乳状液浓的乳状液浓的乳状液 应用改进的应用改进的HatscheHatsche公公式式计算粘度计算粘度 式中h为校正系数，称为因子体积；h值接近1.3 -27-