烟气驱油过程数值模拟研究(本科毕业论文)

烟气驱油过程数值模拟研究(本科毕业论文)内容摘要：

21 温度 t [oC] 密度 ρ [kg/m3] 定压比热容 Cp [kJ/(kg K)] 动力粘度 μ 106 [Pa s] 运动粘度 ν 106 [m2/s] 600 700 800 900 1000 1100 1200 53 221 烟气 的化学成分 并 非 固定，其性质 由 其主要组成物的性质和比例 决定。 烟气 驱提高采收率基本理论 烟气 驱油属于三次采油技术，即利用化学物质来改善油、气、水及岩石相互之间的作用，以开采出更多石油的方法，又称提高采收率 (EOR)方法。 烟气 注入方式有多种，但大多采用 烟气 蒸汽 混注法 和 蒸汽 烟气 化学剂复合驱 法。 因 为 烟气 主要是由 N2 与 CO2组成的混合气体，因此 烟气 驱兼备 N2 驱和 CO2 驱的特点。 在油藏开采之后，油层中的原油由两部分组成：剩余油和残余油。 剩余油是指驱替剂没有波及到的油藏内所含有的原油；残余油是指在驱替剂接触的区域中未被采出的那部分原油。 为了研究剩余油与残余油的开采效率，引入波及效率和驱油效率两个概念：波及效率是驱替剂接触到的油藏体积与油藏总体积之比，驱油效率是驱替剂接触到的油藏内采出的原油总量与接触油层空间原油总储量的比值。 波及效率和驱油效率是描述原油开采效果的重要参数，提高采收率，就是要提高这两个效率。 烟气 作为驱替剂的作用 （ 1）增溶作用 在同一压力条件下溶 解度由 高 到低排列依次是 CO2烟气 N2， 且提高 CO2 组分比例 可以略微提高 烟气 的溶解度。 烟气 溶于原油 后 具有 膨胀 作用 ，从而 使原油获得额外的弹性能。 其作用 效果与 烟气 在原油中的溶解度 大小 有关， 两者成正相关，也就是说，更第 2 章 烟气驱基本理论 7 高溶解度的 烟气 可以使原油 获得的 更高的 弹性能。 单纯的蒸汽 溶解度 较 差 ，而 烟气 的溶解 效果 有利于原油的采出。 （ 2） 降粘作用 以洼 38 块原油为例，在 50oC 下 加入 烟气 可使原油粘度降低 75%[21]。 烟气 与原油混溶后，由于 CO2 的羧化作用 （即 CO2 以羧基的形式整合到原油中的有机物中 ） ，使原油粘度降低 ；同时 CO2/油的界面张力较小， 从而提高了原油的 流度比，有利于 重质原油的采出。 （ 3） 强化蒸馏效应 在注蒸汽过程中 ， 原油和水的汽化压力 与温度成正相关 ，当 其达到油层当前压力时， 原油中的轻 组分 开始汽化并 产生蒸汽蒸馏 效应。 如果进行 烟气 蒸汽 混注 ，则混注汽化压力将会降低，而且由于 烟气 导热性差的 特性而增强了蒸汽的携热能力，从而 降低套管热损 、 维持 蒸汽温度、 减缓 蒸汽干度的 下降速率 ， 从而 强化了对 轻 组分的蒸馏效应。 （ 4） 增强 油层 的渗流能力 烟气 中的 CO2 溶于地层水中 后 会 产生 酸化作用 ， 能够溶解 油层 中一些矿物成分， 增大 矿物颗粒间 的 孔隙 ， 从而改善 了 驱油的渗透条件，增加油井吸收能力，提高稠油采收率。 烟气 驱 的分类 按 烟气 操作方式可分为 烟气 驱技术、 烟气 水交替驱技术 ， 烟气 蒸汽 混注 吞吐 驱技术、 烟气 蒸汽 化学剂复合驱技术等。 其中，前两种方法 是 国外早期（上世纪 90 年代及以前）发展 烟气 驱应用的技术 ，经济效益不如后两种，国内 主要采用的是后两种方法。 烟气 蒸汽 混注吞吐驱 是 将 高压蒸汽 和 烟气 分别从油管及油管与套管间环隙 同时注入 井下，在井底相混 进入油层 ， 这适用于稠油井。 注入的 烟气 在高渗透油层 对 注入的蒸汽 封堵使其 进入中低渗透 油层向 原油 传热。 烟气 蒸汽 化学剂复合驱就是在前者的基础上同时注入耐高温表明活性剂，产生泡沫以改善注入 蒸汽 剖面，以稳定 蒸汽 在地层中的推进。 烟气 作为一种非凝析气，可以提高地层压力，加强 蒸汽 的传热效应，以提高 油藏 采收率。 烟气 驱的 基本 条件 根据大量的矿场试验，总结出适宜 烟气 的基本条件如下： 第 2 章 烟气驱基本理论 8 油层性质 （ 1） 渗透率 注气工艺要求的 油藏一般为低渗透油藏 （渗透率约为 10md 左右） ，因为低渗透油藏可提供较好的混相条件。 对于高渗透性 油藏，应用重力驱时油藏应具备较高垂直渗透率。 （ 2）油层非均质和裂缝非均质性 油层非均质性 和裂缝非均执性 是影响注入气波及系数和垂向驱油效率的关键因素。 选择非均质性较小的油层注气较为适宜。 （ 3）孔隙度 要求油层孔隙度比较均匀，驱油效果较为理想。 （ 4）油层深度 烟气 驱的混相驱替压力要求比氮气小，适合较浅油层，而深油层有利于达到混相压力。 （ 5）油层温度 在非混相压力下，温度 对于提高采收率 影响 较小；而在混相压力下采收率与温度成正相关。 注气量 愈 高所需温度越低。 （ 6） 油层压力 在压力达到最低混相压力的情况下才能进行注气混相驱替。 如果油层压力降低到饱和压力以下，注入气体将发生相变。 （ 7）饱和压力 如 果饱和压力大于最小混相压力， 注气压力应与饱和压力相等；如果要维持油藏压力，注气压力应高于饱和压力。 （ 8）原生水 原生水的含盐量和组分影响 烟气 驱效果，因为 烟气 与水中的某些成分会反应造成油藏堵塞。 （ 9） 含水饱和度 较低的 含水饱和度 对采收率的提高有利。 但对于一定的注气体积，原始含水饱和度有利于提高采收率。 （ 10）含油饱和度 第 2 章 烟气驱基本理论 9 热残余油饱和度应大于 20%~25%。 原油性质 （ 1）原油重度 烟气 对于 API 值较高的原油有较强的溶解性 ，因此 烟气 驱适宜稠油油藏。 （ 2）原油溶解度 实验表明，含有一定溶解气的油藏适宜进行 烟气 驱。 （ 3） 原油粘度 由于 CO2 的羧化作用，可以使原油粘度降低，有利于重质原油（比重 10~15oAPI，粘度为 100cp）的采出。 小结 本章 从 烟气 的基本理论出发，总结了 烟气 的性质、作用及 烟气 驱的分类，同时给出了油藏采用 烟气 驱的基本条件。 为建立 烟气 驱工程模型及 烟气 驱数值模拟提供理论基础。 第 3 章 烟气 驱工程模型 10 第 3 章 烟气 驱工程模型 油藏数值模拟技术概述 油 藏模拟是一种研究油藏的有效手段，它把油藏在 3D 空间里划分为许多离散的单元，并且模拟油层中 流体 随 空 间及时间 的发展变化。 与物质平衡方法一样的是，系统遵循物质守恒原理。 油藏模拟技术有以下三个优点： （ 1） 可重复进行“多次开发”； （ 2） 可以在短时间内进行开发以减少成本； （ 3） 可以模拟非均质地层的复杂性。 要进行 油藏 数值 模拟， 必须进行基本数学模型的建立。 一般需要如下数学模型： （ 1）状态方程； （ 2）质量守恒方程； （ 3）运动方程（达西定律）； （ 4）能量守恒方程； （ 5）辅助方程（如饱和度方程，毛管力方程等）。 这些数学模型也是 CMG 之类的数值模拟软件基于的重要原理。 油藏模拟一般遵循以下步骤： 图 31 油藏模拟的一般步骤 基本物性参数 相对渗透率 油 藏岩石允许 某种单一流 体在其 内部通过的能力称为油 藏岩石的绝对渗透率 ， 岩石对 多相流体 中某一相流体的通过 能力 称为油藏岩石的 有效渗透率。 而相对渗透率就是 后者与前者 的比值 ，如式 （ 31） 所示。 影响相对渗透率的因素是流体的饱和历史和顺序及润湿性的变化 ，其中最主要的还是前者，故可将相对渗透率 近似 处理作饱和度的函数。 =有 效 渗 透 率相 对 渗 透 率 绝 对 渗 透 率 （ 31） 选择模型 资料输入 灵敏度试验 历史拟合 动态预测 第 3 章 烟气 驱工程模型 11 Stone 分别在 1970 年和 1973 年提出两种计算三相系统相对渗透率的模型 [22]： （ 1） 定义油、气、水的规范化饱和度为： * ,1 o oro o orw r orSSS S SSS （ 32） * ,1 w wrw w wrwr orSSS S SSS （ 33） * ,1 gg g g rw r o rSS S SSS （ 34） 且 * * * 1o w gS S S   （ 35） 其中， o， w， g 分别代表油、水、气三相（下同）， S 代表饱和度， Sr 表示残余饱和度。 由此，三相系统中油的 相对 渗透率为： *ro o w gKS （ 36） 为求得 w 及 g ，可通过两相流动实验测得，即分别令 * 0ggSS （没有气相，仅有油水两相流动）或 * 0wS  （没有水相，仅有油气两相流动），可分别得到 w 、 g的计算式： *1 roww wK S   （ 37） *1rogggKS   （ 38） 其中 rowK 、 rogK 分别表示油水两相流动和油气两相流动条件下油的相对渗透率。 （ 2） 该模型可以免去测三相系统中残余油饱和度 owS 的麻烦： ( ) ( ) ( )r o r o w r w r o g r g r w r gK K K K K K K     （ 39） 其适用条件是 0roK 。 第 3 章 烟气 驱工程模型 12 毛管压力 岩石毛管压力是指将岩石中的孔隙比拟成许多管径不同的毛细管，在其内部两相流体接触面两侧非润湿相和润湿相的压力差。 利用该参数可以分析原始饱和度的分布情况，以确定油藏初始条件。 毛管压力也主要是 流体饱和度的 函数 ，其计算式为： 油水两相： ()cw o o w wp p p f S   （ 310） 油气两相： ()c w g g o gp p p f S   （ 311） 通过以上两式联立也可以求得三相系统的岩石毛管压力。 在实际油藏中，毛管压力还和渗透率、孔隙度等参数有关， 等人为此提出了 J 函数的近似公式： coscp KJ    （ 312） 其中，  指润湿相和非润湿相间的表面张力， cos 指润湿接触角。 利用 J 函数可以将不同油藏的毛管压力曲线进行合并，有利于进一步的模拟计算。 地层体积系数 油、气、水的地层体积系数 一般是其各自压力的单值函数。 （ 1） 地层 原油 体积系数 地层原油体积系数是指溶有天然气的原油体积和该原油在地面脱气后的体积之比。 其计算式为： og o gdo os osV V VB VV （ 313） 其中 ， ogV 、 oV 、 gdV 分别代表 地层条件下溶有天然气的原油 、脱气油、油中溶解气体积， osV 代表 地面脱气油的体积。 原油地层体积系数一般可通过高压物性实验求得。 （ 2） 地层天然气 体积系数 第 3 章 烟气 驱工程模型 13 地层天然气的体积系数指天然气在地层条件下和标准状况下的体积之比。 其计算式为： 273273g sosgs s g gV ZTp tB Z pV T p p   （ 314） 其中， gV 、 gsV —— 地层条件及标准条件下天然气的体积； gp 、 sp —— 地层内气相压力和大气压力； T 、 sT —— 地层条件及标准条件下的绝对温度； t —— 地层温度， oC； Z —— 天然气压缩因子。 （ 3）地层水 体积系数 地层水的体积系数指地层条件下和标准条件下水体积的比值，其定义式为： ww wsVB V （ 315） 由于天然气在水中的溶解度很小，所以一般的油藏模拟计算中不考虑水的溶解气 量对地层水物性的影响。 粘度 流体粘度也是重要的物性参数之一，与流体的温度、压力及组成成分有关。 天然气及水的粘度可以直接通过实验测得，而原油粘度因为影响因素很多， 测量工作 相对比较复杂。 首先因进行地层原油的实际测定以确定具体的变化规律或函数关系，以便输入到计算机中进行模拟测定。 等人曾给出有关 脱气原油、饱和气原油及地层原油的 粘度 计算关系式 ，因 其较为复杂 本文不再 详 述。 压缩系数 （ 1）岩石 压缩系数 岩石压缩系数指由于压力变化岩石空隙体积产生的变化率。 其 定义 式为： 1R dC dp （ 316） 其中 p 表示 压力，  表示 孔隙度。 可以通过将上式进行积分求得 RC。 第 3 章 烟气 驱工程模型 14 （ 2） 原油 压缩系数 原油压缩系数指单位体积的原油在压力改变 1Mpa 时体积的变化率，其定义式为： 1 ()ooTo VC Vp  （ 317） 因为质量一定的原油。