二氧化碳驅(qū)油過程數(shù)值模擬研究

1、中國工程熱物理學(xué)會 傳熱傳質(zhì)學(xué) 學(xué)術(shù)會議論文 編號：113031二氧化碳驅(qū)油過程數(shù)值模擬研究趙陽 1，王志國1,2，楊文哲2，宋永臣2（1.東北石油大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，大慶 163318；2.大連理工大學(xué)能源與動力學(xué)院，大連 116024） (telemail：)摘 要：隨著油田開采進(jìn)入中后期，油氣采出率越來越低，且采出成本逐年增加，這就要求研究更加有效的方法以提高油氣采出率和降低采出成本。在眾多的提高油氣采收率的方法中，二氧化碳驅(qū)油以其成本低廉、成效顯著、可回收重復(fù)利用、無毒環(huán)保、與原油有較好的混溶性等，近年來得到

2、了廣泛關(guān)注。本文應(yīng)用cmggem軟件對二氧化碳驅(qū)油過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了儲層、流體性質(zhì)等因素對co2驅(qū)油效果的影響，并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行綜合分析，得出了co2驅(qū)油效果的影響因素及其規(guī)律，為實(shí)際應(yīng)用提供技術(shù)依據(jù)。關(guān)鍵詞：二氧化碳；提高采收率；驅(qū)油機(jī)理；數(shù)值模擬1 引言目前，我國的大部分油田開采進(jìn)入中后期，油氣采出率逐年降低，油田的開發(fā)越來越難，油氣采出成本隨之逐年增加。因此，提高原油采收率的研究，成為當(dāng)今油氣開采的主要探索和解決的問題之一 1。在眾多提高采收率的介質(zhì)中，二氧化碳以成本低廉，成效顯著，可回收重復(fù)利用，無毒環(huán)保，與原油有較好的混溶性首選入列。它能有效降低原油粘度，減少殘余油的飽和度，

3、溶解儲層中膠質(zhì)，提高滲透率。特別是二氧化碳在與原油混相狀態(tài)下，可置換出原油中某些輕烴或中間組分的烴類物質(zhì)，這種作用稱為二氧化碳對原油的抽提2,3。其驅(qū)油機(jī)理清楚，但驅(qū)油效果主要取決于混相狀態(tài)的形成。國外對co2驅(qū)油的理論研究和礦場實(shí)驗(yàn)工作在上個(gè)世紀(jì)中期就已經(jīng)開始，主要在美國、前蘇聯(lián)、加拿大、英國、匈牙利、土耳其等國家進(jìn)行，其中美國是混相、非混相驅(qū)項(xiàng)目開展最多的國家，而且現(xiàn)在仍然保持著連續(xù)增長的勢頭，大部分的驅(qū)油實(shí)驗(yàn)主要是在三次采油上，即注水采油后期進(jìn)行，也有二次采油上進(jìn)行的4。國內(nèi)co2驅(qū)在上世紀(jì)60年代初就開始進(jìn)行，1963年首先在大慶油田進(jìn)行研究和小規(guī)模的礦場實(shí)驗(yàn)，先導(dǎo)性實(shí)驗(yàn)證明可提高采收

4、率。但由于受到co2資源的限制，70年代停止了此項(xiàng)工作。同時(shí)期勝利油田也在室內(nèi)進(jìn)行了一些最低混相壓力的測定和混相機(jī)理的研究。從我國目前研究開發(fā)和采用的一些提高原油采收率技術(shù)（包括二氧化碳驅(qū)油技術(shù)）來看，或因驅(qū)油機(jī)理研究不夠深入，或因油藏實(shí)施過程難于控制，或因地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，或因成本過高等，尚難以大規(guī)模應(yīng)用。利用二氧化碳提高采收率發(fā)展有兩個(gè)原因：（1）二氧化碳減排的迫切需求，以避免基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(no.50736001).和改變氣候變暖；（2）能源供應(yīng)安全要求能源開采效率最大化。本文分析了二氧化碳驅(qū)油機(jī)理，應(yīng)用cmggem軟件對二氧化碳驅(qū)油過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了儲層、流

5、體性質(zhì)等因素對co2驅(qū)油效果的影響，并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行綜合分析，得出了co2驅(qū)油效果的影響因素及其規(guī)律，為實(shí)際應(yīng)用提供技術(shù)依據(jù)。2 二氧化碳提高采收率的機(jī)理分析2.1 co2驅(qū)油提的機(jī)理主高采收率要有以下幾點(diǎn)4-6：1使原油體積膨脹co2注入油藏后，可在原油中充分溶解，一般可使體積增加10%100%。其結(jié)果不但增加地層的彈性能量，還大大減少了原油流動過程中的阻力，從而提高驅(qū)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，有利于原油流動能力，提高產(chǎn)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。其綜合作用的結(jié)果，使油水流度比趨于接近，水驅(qū)波及體積擴(kuò)大，有利于原油采出。4降低界面張力co2極易溶解于原油，其結(jié)果大大降低了油水界面張力，有利于原油流動，從而提高了原油采收率。co2與原油混相后其界面張力降為0，理論上可使采收率達(dá)到100%。5萃取原油中輕烴co2注入油藏后，部分未溶解于油水中的co2能萃取原油中的輕烴，使原油相對密度降低，黏度降低，從而提高原油流動性能，有利于開采。6溶解氣驅(qū)作用隨著油井生產(chǎn)井附近的地層壓力下降，地層原油中溶解的co2逸出，逸出的co2氣體驅(qū)動原油流入井筒，形成內(nèi)部溶解氣驅(qū)。2.2 三次采油油藏多孔介質(zhì)特點(diǎn)在二次

7、采油結(jié)束時(shí)，由于毛細(xì)作用，不少原油殘留在巖石裂縫中，而不能流向生產(chǎn)井，不論用水或烴類氣體驅(qū)油都是一種非均相驅(qū)，油與水（或氣體）均不能相容形成一相，而是在兩項(xiàng)之間形成界面，必須具有足夠大的驅(qū)動力才能將原油從巖石縫隙間擠出，否則一部分原油就停留下來，如果能注入一種同油相混容的物質(zhì)，即與原油形成均勻的相，孔隙中滯留油的毛細(xì)作用力就會降低和消失，原油就能被驅(qū)向生產(chǎn)井。設(shè)法提高原油采收率的關(guān)鍵是找到一種能與原油完全相溶的合適的溶液，從50年代開始進(jìn)行這方面的探索和研究，曾經(jīng)使用丙烷等輕組分烴類化合物，它可以與原油完全混溶，但成本較高。油田現(xiàn)場生產(chǎn)的天然氣也可作為混相驅(qū)，但經(jīng)濟(jì)上也不合算，后來又對非烴類物

8、質(zhì)進(jìn)行研究，其中之一是co2，他能通過逐級提取原油中的輕組分與原油達(dá)到完全互溶。3 co2地下封存驅(qū)油過程數(shù)值模擬及研究3.1 co2混相驅(qū)油過程數(shù)值模擬本文使用一個(gè)充分考慮油藏流體組成的油層動態(tài)數(shù)值模擬模型cmg-gem軟件。該軟件由cmg公司（加拿大計(jì)算機(jī)軟件模擬集團(tuán)公司）依靠在數(shù)模軟件研究開發(fā)提供的7。試驗(yàn)區(qū)模型共劃分35358個(gè)網(wǎng)格。初始參數(shù)設(shè)置為：地層滲透率10md，孔隙度17.67%，縱橫向滲透率比值kv/kh=0.1，地層原油粘度5.88mpas，地層原油密度852.36kg/m3，通過調(diào)節(jié)不同的參數(shù)，計(jì)算出co2驅(qū)油的采收率大小，對其敏感性進(jìn)行分析。圖1 cmg-gem模擬co

9、2驅(qū)擴(kuò)散過程3.2 co2驅(qū)油影響因素分析影響co2驅(qū)油效果的因素很多，主要分為儲層參數(shù)地層流體性質(zhì)以及注氣方式三大類8。其中，儲層參數(shù)主要包括油藏的非均質(zhì)性、油層厚度、滲透率性等，流體性質(zhì)主要包括原油粘度及原油密度等。本文通過數(shù)值模擬分析，確定各因素對提高采收率的影響作用。（1）滲透率影響在建立的初始模型的基礎(chǔ)上，調(diào)整儲層滲透率分別為：0.5md、5md、10md和100md，計(jì)算不同滲透率下的原油采收率（圖2），從圖中可以看出隨滲透率的增大，采收率減小。圖2 不同滲透率下的儲層采收率因?yàn)榈蜐B透率可提供充分的混相條件，減少重力分離，滲透率太高容易導(dǎo)致早期氣竄，從而造成較低的驅(qū)油效率。（2）垂

10、向橫向滲透率比值kv/kh的影響控制生產(chǎn)井和注氣井井底壓力一定，改變平面滲透率的大小使得kv/kh值分別為0.01、0.05、0.1、0.5和1，其co2驅(qū)油采收率結(jié)果見圖3，從圖中可以看出，隨著kv/kh的增大，采收率有所下降。隨著縱橫向滲透率比值的增大，浮力的作用加劇，層間矛盾更加突出。圖3 不同垂向橫向滲透率比值下的儲層采收率（3）擴(kuò)散作用在初始模型中，將橫向擴(kuò)散系數(shù)分別設(shè)為0、0.1、0.5、1和1.2，其采收率計(jì)算結(jié)果見圖4。圖4 橫向擴(kuò)散系數(shù)對才采收率的影響由圖4分析得到，隨著橫向擴(kuò)散系數(shù)的增大，其采收率也在增大，變大的主要原因?yàn)榭紤]了擴(kuò)散的影響，co2氣體分子擴(kuò)散作用、對流彌散作

11、用延遲co2的突破時(shí)間。使co2向周圍遷移，減緩了co2向生產(chǎn)井的推進(jìn)，提高了波及系數(shù)，因而可獲得較高的采收率；在不考慮分子擴(kuò)散作用情況下，co2向生產(chǎn)井推進(jìn)較快，波及效率較低，從而使co2較早突破，生產(chǎn)井co2的含量很快上升，所獲得的采收率偏低。4 結(jié)論在本文中，我們介紹了二氧化碳的驅(qū)油機(jī)理，并使用加拿大計(jì)算機(jī)軟件模擬集團(tuán)公司提供的gmg-gem軟件對co2的驅(qū)油過程進(jìn)行了模擬研究。并通過數(shù)值模擬對影響co2驅(qū)油的相關(guān)因素，主要包括儲層滲透率、垂向橫向滲透率比值和擴(kuò)散作用進(jìn)行了綜合研究，其影響規(guī)律總結(jié)如下：（1）在控制相同注采速度下，隨著滲透率的增大，采收率降低；（2）隨著縱橫向滲透率比值k

12、v/kh的增大，油藏的采收率變??；（3）分子擴(kuò)散作用、對流彌散作用使co2向周圍遷移，有助于延遲co2的突破時(shí)間，提高了驅(qū)油效率，增大了波及面積，提高采收率。參考文獻(xiàn)1 李士倫, 郭平. 發(fā)展注氣提高采收率技術(shù)j. 西南石油學(xué)院學(xué)報(bào), 2000, 22 (3): 41-45.2 楊承志, 岳清山, 沈平平. 混相驅(qū)提高石油采收率m. 北京: 石油工業(yè)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 劉一江,劉積松,黃忠橋,等.聚合物和二氧化碳驅(qū)油技術(shù)m. 中國石化出版社,2001.2:94-106.5 郭萬奎,廖廣志.注氣提高采收率技術(shù)m. 北京:石油工業(yè)出版社,2003:53-57.6 錢伯章,朱建芳.世界封存co2驅(qū)油的現(xiàn)狀與前景j. 能源環(huán)境保護(hù),2008,22(1):1-4.7 butler