化学驱数值模拟课件

2006年4月13日李建芳油藏数值模拟原理化学驱数值模拟12006年4月13日李建芳油藏数值模拟原理化化学驱发展概况、技术进展和发展前景复合化学驱驱油机理和物化现象数学模型及模拟软件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三、化学驱模型2化学驱发展概况、技术进展和发展前景三、化学驱模型2发展概况、技术进展和发展前景我国陆上各油区大都处于高含水期开采阶段，稳产难度越来越大。后备资源不足，储采矛盾逐年加大: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，开发难度大急需发展和应用提高采收率方法

油田开发现状和问题：3发展概况、技术进展和发展前景我国陆上各油区大都处于高含水期开1999年完成的全国17个油区进行潜力评价工作，评价结果表明，我国油田提高采收率的潜力很大。在现有技术条件下，可增加可采储量11.8×108t，相当于可提高采收率11%以上

发展概况、技术进展和发展前景提高采收率方法是保持各油区产量稳定的重要措施聚合物驱已在我国工业化应用，可提高采收率10%，年产油达1000万吨复合化学驱，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采收率，室内和矿场试验提高采收率20%以上。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潜在的三采技术储备。41999年完成的全国17个油区进行潜力评价工作，评价结果表明引言复合化学驱驱油机理和物化现象降低界面张力驱油机理流度控制作用降低昂贵化学剂的吸附损失（A）碱+原油中酸性物表面活性物质A+S+P

多元化学剂复合协同效应碱对酸性原油的多次萃取聚合物降低驱替液的流度含盐量降低聚合物的粘度碱引起聚合物的进一步水解乳化夹带、乳化捕集、乳化聚并5引言复合化学驱驱油机理和物化现象降低界面张力驱油机理流度控制质量传递（对流、扩散、液-液、固-液、化学反应）复合协同效应及界面张力的降低各种化学剂的损耗：碱耗、化学剂吸附滞留等残余饱和度的降低多相相对渗透率化学剂的扩散和稀释聚合物溶液特性离子交换含盐量及其变化的影响等乳状液的形成及流动特性沉淀、结垢复合化学驱驱油机理和物化现象引言6质量传递（对流、扩散、液-液、固-液、化学反应）复合化学驱驱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：NHANCE-- 美国SSI:简化机理ISLAM-- 加拿大提高采收率研究所：简化机理VIP-POLYMER-- 美国：聚合物驱模型以组份模型为基础的化学驱数学模型：UTCHEM-- TEXAS大学:考虑复杂机理，教学模型SCORPIO-- 英国原子能研究所：聚合物驱模型ASP-- 中国石油勘探开发研究院：复合驱模型7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：7ASP软件的数学模型

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

累积项包括流体组分在孔隙中的质量聚集和由吸附/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8ASP软件的数学模型对流项——j相密度——相浓计算流程9计算流程9化学驱模型与黑油模型的比较现象黑油模型化学驱模型相油、水、气油、水（或化学相）组份有多少个相就有多少个组份5~3０相态PVT大量复杂的计算吸附不考虑表活剂与聚合物的吸附界面张力计算为常数大量复杂的计算毛管数的变化不考虑10-7考虑10-7~101粘度水相粘度为常数，油与气的粘度随压力而改变流变性、含盐量、交联调剖离子交换不考虑表活剂、粘土与钠及钙离子交换生成表活剂不考虑考虑求解方法全隐IMPES方法10化学驱模型与黑油模型的比较现象黑油模型化学驱模型相油、水、气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：

为了真正体现多种化学剂的复合协同效应，采用实测的界面张力等值图进行描述，对于给定的原油和配置水矿化度，界面张力主要随碱、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11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：通过物化现象及参数描述

碱多次萃取引起的界面张力变化

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，其降低幅度与碱浓度、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带。根据实验结果，该降低幅度可达1各数量级以上（该现象是有利于驱油的因素）。模型中可根据实验资料考虑此现象引起的界面张力的降低，也可进行如下简化考虑：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比正常计算值低（其幅度由实验确定）。

12物化现象及参数描述碱多次萃取引起的界面张力变化主要考虑碱物化现象及参数描述

聚合物的加入引起的界面张力变化

主要考虑聚合物的加入引起的ASP体系与原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因素）。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AS体系界面张力随聚合物浓度的增加而增加，幅度由实验资料确定：

13物化现象及参数描述聚合物的加入引起的界面张力变化主要考虑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

各相残余饱和度与毛管数有关，毛管数定义:

通过实验可测得不同Nc下的残余饱和度值

各相相对渗透率

14物化现象及参数描述残余饱和度和相对渗透率残余物化现象及参数描述物化现象及参数描述

碱耗

影响因素较多，且较复杂，模型用一些简化处理，通过化学反应项给予描述。溶液中与岩石表面的的离子交换引起的快速碱耗

r1原油中酸性物质引起的碱耗r2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r3该碱耗可用一级表观动力学方程描述

式中K31由实验确定

水相中CO2引起的碱耗r4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r5可根据K51，K52溶度积折算出碱耗r515物化现象及参数描述物化现象及参数描述碱耗物化现象及参数描述表面活性剂吸附

式中：qs0,as与阳离子强度E有关，由实验资料确定。

C+,C++分别为一价和二价阳离子浓度，β为加权因子。

当碱存在时，表面活性剂的吸附滞留量将随PH的升高而降低

16物化现象及参数描述表面活性剂吸附式中：qs0,as与阳离子物化现象及参数描述碱对粘度的影响

碱对溶液粘度的影响

碱的加入将引起溶液含盐量环境的变化，阳离子浓度的大大增加将引起聚合物溶液的粘度大大降低，这也是碱加入带来的最重要的不利因素之一。

碱引起的聚合物进一步水解

在一定范围内，碱加入引起的聚合物长期水解，导致聚合物溶液粘度的增加，与碱浓度，聚合物水解度及时间有关。可根据实验资料考虑该现象引起的粘度增加（该现象是有利于驱油的因素）。

17物化现象及参数描述碱对粘度的影响碱对溶液粘度的影响碱的加物化现象及参数描述聚合物溶液的粘度静止粘度

运动粘度

聚合物溶液的静止粘度（零剪切速率下的粘度）是聚合物溶液浓度和含盐度的函数

式中：a1、a2、…是与含盐度有关的常数，由实验资料确定。剪切导致聚合物溶液的粘度降低，可以通过Meter方程描述为剪切速率，1/2为（p0+w）/2粘度时的剪切速率。nr表示流体非牛顿性的幂律指数，1.0nr1.8，Newton流体的nr=1.0。

18物化现象及参数描述聚合物溶液的粘度静止粘度运动粘度聚合物化现象及参数描述聚合物吸附量

对于近似遵循Langmuir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Langmuir吸附规律的情况，可采用实验室给定的不同含盐量下的聚合物吸附曲线插值计算吸附量。19物化现象及参数描述聚合物吸附量对于近似遵循Langmuir物化现象及参数描述

聚合物的水相渗透率降低系数

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系数qpmax,Rkpmax——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。亦可直接给定不同含盐量下的Rkp

～qp(Cp)表格插值计算

20物化现象及参数描述聚合物的水相渗透率降低系数由聚合物的吸物化现象及参数描述复合体系毛管压力可描述成油水毛管压力和界面张力的函数Cpc,Npc为常数（由实验资料确定），Sn为湿相饱和度

各相密度取决于各相压力和组成

P0,ρ0分别为参考压力和该压力下的密度。j为压缩系数。

毛管压力、流体各相密度21物化现象及参数描述复合体系毛管压力可描述成油水毛管压力和界面物化现象及参数描述离子交换、聚合物可及孔隙体积

离子交换水相中一价阳离子与岩石表面的二价阳离子的离子交换，使得溶液中阳离子强度增加，影响了聚合物的粘度和吸附

QV——离子交换能力c——离子交换系数

聚合物可及孔隙体积为聚合物、交联剂、凝胶的可及孔隙体积，可通过实验测定

22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水相新增物化现象描述碱垢物化现象的描述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，使流体的流动能力降低，驱动压差上升。可以采取简化的描述方式：

（1）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降系数的关系。（2）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。

主要创新点23新增物化现象描述碱垢物化现象的描述碱与矿物反应产生垢，碱垢新增物化现象描述碱垢反应是受多重机理控制的,影响反应机理的条件为碱型、碱浓度、反应温度、岩石中具有较高反应活性的矿物种类及含量等。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），形成碱垢后主要是影响渗透性，这种影响对水相和油相都起作用碱垢物化现象软件模块的研制主要创新点24新增物化现象描述碱垢反应是受多重机理控制的,影响反应机理的新增物化现象描述碱垢物化现象软件模块的研制我们引入碱垢引起的渗透率降低系数，在给定的油藏条件下，实验直接给出渗透率降低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降低系数曲线查到每个网格块的降低系数，分别对水相和油相的流度进行修正主要创新点25新增物化现象描述碱垢物化现象软件模块的研制我们引入碱垢引起新增物化现象描述乳状液物化现象的描述应用Einstein公式（分散相的体积分数Φ小于0.02）计算粘度：

η＝η0(1＋2.5Φ)式中η和η0分别代表乳状液和分散介质的粘度。较稀的乳状液浓的乳状液

应用改进的Hatsche公式计算粘度

式中h为校正系数，称为因子体积；

h值接近1.3

26新增物化现象描述乳状液物化现象的描述应用Einstein公谢谢大家！27谢谢大家！27

2006年4月13日李建芳油藏数值模拟原理化学驱数值模拟282006年4月13日李建芳油藏数值模拟原理化化学驱发展概况、技术进展和发展前景复合化学驱驱油机理和物化现象数学模型及模拟软件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三、化学驱模型29化学驱发展概况、技术进展和发展前景三、化学驱模型2发展概况、技术进展和发展前景我国陆上各油区大都处于高含水期开采阶段，稳产难度越来越大。后备资源不足，储采矛盾逐年加大: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，开发难度大急需发展和应用提高采收率方法

油田开发现状和问题：30发展概况、技术进展和发展前景我国陆上各油区大都处于高含水期开1999年完成的全国17个油区进行潜力评价工作，评价结果表明，我国油田提高采收率的潜力很大。在现有技术条件下，可增加可采储量11.8×108t，相当于可提高采收率11%以上

发展概况、技术进展和发展前景提高采收率方法是保持各油区产量稳定的重要措施聚合物驱已在我国工业化应用，可提高采收率10%，年产油达1000万吨复合化学驱，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采收率，室内和矿场试验提高采收率20%以上。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潜在的三采技术储备。311999年完成的全国17个油区进行潜力评价工作，评价结果表明引言复合化学驱驱油机理和物化现象降低界面张力驱油机理流度控制作用降低昂贵化学剂的吸附损失（A）碱+原油中酸性物表面活性物质A+S+P

多元化学剂复合协同效应碱对酸性原油的多次萃取聚合物降低驱替液的流度含盐量降低聚合物的粘度碱引起聚合物的进一步水解乳化夹带、乳化捕集、乳化聚并32引言复合化学驱驱油机理和物化现象降低界面张力驱油机理流度控制质量传递（对流、扩散、液-液、固-液、化学反应）复合协同效应及界面张力的降低各种化学剂的损耗：碱耗、化学剂吸附滞留等残余饱和度的降低多相相对渗透率化学剂的扩散和稀释聚合物溶液特性离子交换含盐量及其变化的影响等乳状液的形成及流动特性沉淀、结垢复合化学驱驱油机理和物化现象引言33质量传递（对流、扩散、液-液、固-液、化学反应）复合化学驱驱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：NHANCE-- 美国SSI:简化机理ISLAM-- 加拿大提高采收率研究所：简化机理VIP-POLYMER-- 美国：聚合物驱模型以组份模型为基础的化学驱数学模型：UTCHEM-- TEXAS大学:考虑复杂机理，教学模型SCORPIO-- 英国原子能研究所：聚合物驱模型ASP-- 中国石油勘探开发研究院：复合驱模型34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：7ASP软件的数学模型

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

累积项包括流体组分在孔隙中的质量聚集和由吸附/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35ASP软件的数学模型对流项——j相密度——相浓计算流程36计算流程9化学驱模型与黑油模型的比较现象黑油模型化学驱模型相油、水、气油、水（或化学相）组份有多少个相就有多少个组份5~3０相态PVT大量复杂的计算吸附不考虑表活剂与聚合物的吸附界面张力计算为常数大量复杂的计算毛管数的变化不考虑10-7考虑10-7~101粘度水相粘度为常数，油与气的粘度随压力而改变流变性、含盐量、交联调剖离子交换不考虑表活剂、粘土与钠及钙离子交换生成表活剂不考虑考虑求解方法全隐IMPES方法37化学驱模型与黑油模型的比较现象黑油模型化学驱模型相油、水、气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：

为了真正体现多种化学剂的复合协同效应，采用实测的界面张力等值图进行描述，对于给定的原油和配置水矿化度，界面张力主要随碱、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38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：通过物化现象及参数描述

碱多次萃取引起的界面张力变化

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，其降低幅度与碱浓度、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带。根据实验结果，该降低幅度可达1各数量级以上（该现象是有利于驱油的因素）。模型中可根据实验资料考虑此现象引起的界面张力的降低，也可进行如下简化考虑：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比正常计算值低（其幅度由实验确定）。

39物化现象及参数描述碱多次萃取引起的界面张力变化主要考虑碱物化现象及参数描述

聚合物的加入引起的界面张力变化

主要考虑聚合物的加入引起的ASP体系与原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因素）。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AS体系界面张力随聚合物浓度的增加而增加，幅度由实验资料确定：

40物化现象及参数描述聚合物的加入引起的界面张力变化主要考虑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

各相残余饱和度与毛管数有关，毛管数定义:

通过实验可测得不同Nc下的残余饱和度值

各相相对渗透率

41物化现象及参数描述残余饱和度和相对渗透率残余物化现象及参数描述物化现象及参数描述

碱耗

影响因素较多，且较复杂，模型用一些简化处理，通过化学反应项给予描述。溶液中与岩石表面的的离子交换引起的快速碱耗

r1原油中酸性物质引起的碱耗r2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r3该碱耗可用一级表观动力学方程描述

式中K31由实验确定

水相中CO2引起的碱耗r4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r5可根据K51，K52溶度积折算出碱耗r542物化现象及参数描述物化现象及参数描述碱耗物化现象及参数描述表面活性剂吸附

式中：qs0,as与阳离子强度E有关，由实验资料确定。

C+,C++分别为一价和二价阳离子浓度，β为加权因子。

当碱存在时，表面活性剂的吸附滞留量将随PH的升高而降低

43物化现象及参数描述表面活性剂吸附式中：qs0,as与阳离子物化现象及参数描述碱对粘度的影响

碱对溶液粘度的影响

碱的加入将引起溶液含盐量环境的变化，阳离子浓度的大大增加将引起聚合物溶液的粘度大大降低，这也是碱加入带来的最重要的不利因素之一。

碱引起的聚合物进一步水解

在一定范围内，碱加入引起的聚合物长期水解，导致聚合物溶液粘度的增加，与碱浓度，聚合物水解度及时间有关。可根据实验资料考虑该现象引起的粘度增加（该现象是有利于驱油的因素）。

44物化现象及参数描述碱对粘度的影响碱对溶液粘度的影响碱的加物化现象及参数描述聚合物溶液的粘度静止粘度

运动粘度

聚合物溶液的静止粘度（零剪切速率下的粘度）是聚合物溶液浓度和含盐度的函数

式中：a1、a2、…是与含盐度有关的常数，由实验资料确定。剪切导致聚合物溶液的粘度降低，可以通过Meter方程描述为剪切速率，1/2为（p0+w）/2粘度时的剪切速率。nr表示流体非牛顿性的幂律指数，1.0nr1.8，Newton流体的nr=1.0。

45物化现象及参数描述聚合物溶液的粘度静止粘度运动粘度聚合物化现象及参数描述聚合物吸附量

对于近似遵循Langmuir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Langmuir吸附规律的情况，可采用实验室给定的不同含盐量下的聚合物吸附曲线插值计算吸附量。46物化现象及参数描述聚合物吸附量对于近似遵循Langmuir物化现象及参数描述

聚合物的水相渗透率降低系数

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系数qpmax,Rkpmax——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。亦可直接给定不同含盐量下的Rkp

～qp(Cp)表格插值计算

47物化现象及参数描述聚合物的水相渗透率降低系数由聚合物的吸物化现象及参数描述复合体系毛管压力可描述成油水毛管压力和界面张力的函数Cpc,Npc为常数（由实验资料确定），Sn为湿相饱和度

各相密度取决于各相压力和组成

P0,ρ0分别为参考压力和该压力下的密度。j为压缩系数。

毛管压力、流体各相密度48物化现象及参数描述复合体系毛管压力可描述成油水毛管压力和界