低滲透油藏CO2驅(qū)微觀波及特征

李南，田冀，譚先紅，劉新光

（中海油研究總院，北京100028）

合理開(kāi)發(fā)低滲透儲(chǔ)層，已經(jīng)成為當(dāng)前以及今后緩解石油緊缺矛盾的重要手段，也對(duì)我國(guó)石油行業(yè)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展具有重要意義［1-3］。由于針對(duì)我國(guó)低滲透儲(chǔ)層特征進(jìn)行的CO2驅(qū)相關(guān)研究還處在初級(jí)階段，因此加強(qiáng)低滲透儲(chǔ)層CO2驅(qū)油波及特征的研究，顯得尤為重要［4-7］。低滲透儲(chǔ)層孔隙喉道細(xì)小，采用常規(guī)顯微鏡等識(shí)別較為復(fù)雜困難，應(yīng)用有限元算法和兩相滲流理論，結(jié)合低滲透油藏CO2滲流的擴(kuò)散機(jī)理，可以有效地進(jìn)行孔隙喉道的仿真模擬計(jì)算，從而精確得到微觀CO2驅(qū)的波及特征，為認(rèn)識(shí)低滲透油藏CO2滲流機(jī)理奠定了基礎(chǔ)。

1 考慮擴(kuò)散微觀兩相滲流模型的建立

在考慮擴(kuò)散的前提下，將CO2驅(qū)油簡(jiǎn)化為油氣兩相流，著重研究不同的孔隙喉道、對(duì)流擴(kuò)散系數(shù)下的微觀驅(qū)油特征及波及體積。

1）連續(xù)性方程：

式中：ρ 為流體密度，kg/m3；v 為流體滲流速度，m/s；p為地層壓力，MPa；g 為重力加速度，N/kg；t 為時(shí)間，s；μ流體黏度，mPa·s；下標(biāo)o，g 分別表示油、氣相。

2）擴(kuò)散方程：

式中：cg為氣相濃度，mol/m3；Dc為氣相的對(duì)流擴(kuò)散系數(shù)，m2/s。

3）黏度、密度矯正方程：

式中：S 為流體飽和度。

4）飽和度約束條件：

2 CO2 微觀波及體積的影響因素

前人在研究CO2驅(qū)時(shí)，多是宏觀分析對(duì)流擴(kuò)散對(duì)產(chǎn)能的影響［8-18］，但沒(méi)有詳細(xì)研究對(duì)流擴(kuò)散對(duì)微觀滲流的影響。本文通過(guò)微觀有限元模擬，以精確了解對(duì)流擴(kuò)散對(duì)CO2驅(qū)微觀波及體積的影響程度。

2.1 對(duì)流擴(kuò)散

2.1.1 簡(jiǎn)單孔喉模型

基于有限元算法可以更為精確地計(jì)算復(fù)雜邊界條件下流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，因此，建立考慮擴(kuò)散微觀兩相滲流有限元數(shù)學(xué)模型，采用有限元三角形網(wǎng)格剖分方法，選用大規(guī)模稀疏矩陣PARDISO 進(jìn)行求解。

CO2驅(qū)微觀流動(dòng)模型采用考慮擴(kuò)散的微觀兩相滲流模型，模擬CO2與原油沒(méi)有混相時(shí)的微觀流動(dòng)，著重考慮不同對(duì)流擴(kuò)散系數(shù)情況下對(duì)CO2波及體積的影響。模型參數(shù)如下：CO2地下黏度0.04 mPa·s，原油地下黏度2.70 mPa·s，地層壓力22 MPa，喉道半徑2 μm，CO2地下密度500 kg/m3，原油密度900 kg/m3，混相流體濃度3.5 mol/m3，模型尺寸20 μm×14 μm。模型示意見(jiàn)圖1。

對(duì)流擴(kuò)散系數(shù)很小時(shí)（可以忽略不計(jì)），在孔喉的末端存在濃度滯后現(xiàn)象；當(dāng)考慮CO2與原油的對(duì)流擴(kuò)散系數(shù)時(shí)，濃度滯后現(xiàn)象幾乎不存在了。這說(shuō)明CO2混相后擴(kuò)散現(xiàn)象會(huì)使流體濃度分布更均勻，同時(shí)能達(dá)到提高CO2波及體積及混相效果的目的（見(jiàn)圖1，色譜柱以下同）。

圖1 不同擴(kuò)散系數(shù)CO2 濃度分布

2.1.2 復(fù)雜孔喉模型

為了研究在復(fù)雜孔喉中對(duì)流擴(kuò)散作用對(duì)CO2微觀滲流的影響，在二維簡(jiǎn)單孔喉模型基礎(chǔ)上，建立了CO2驅(qū)微觀復(fù)雜孔喉流動(dòng)模型。按3 種方案分別進(jìn)行CO2驅(qū)油的微觀波及特征分析：方案1，均勻孔喉，不考慮對(duì)流擴(kuò)散；方案2，非均勻孔喉，不考慮對(duì)流擴(kuò)散；方案3，非均勻孔喉，考慮對(duì)流擴(kuò)散。網(wǎng)格劃分采用自由剖分的三角形網(wǎng)格，采用瞬態(tài)計(jì)算，得到不同時(shí)間的各種參數(shù)場(chǎng)圖（見(jiàn)圖2）。

圖2 不同方案參考點(diǎn)CO2 濃度分布

由于氣液的黏度差，在多孔介質(zhì)中存在CO2突進(jìn)的現(xiàn)象。方案2 與方案1 相比，由于孔隙喉道的非均勻性，CO2的波及效果明顯變差；方案3 中，當(dāng)考慮對(duì)流擴(kuò)散后，從相同時(shí)間下CO2濃度的分布可以看出，對(duì)流擴(kuò)散作用明顯提高了CO2的波及體積，即對(duì)流擴(kuò)散作用降低了平面各向異性的影響。

2.2 潤(rùn)濕性

針對(duì)低滲透儲(chǔ)層提高CO2波及體積困難的問(wèn)題，本文采用微尺度仿真孔喉模型，在上述模擬的基礎(chǔ)上，同時(shí)考慮微觀擴(kuò)散作用和潤(rùn)濕性，分析微觀波及特征和模式，研究低滲透油藏提高CO2微觀波及體積的方法。模型參數(shù)：擴(kuò)散系數(shù)1×10-8m2/s，模型尺寸32 μm×22 μm，界面張力1.7 mN/m，接觸角分別為30，90，120°，喉道半徑3 μm，含油飽和度大于0.3。

結(jié)合油藏實(shí)際的薄片實(shí)驗(yàn)，在考慮邊界潤(rùn)濕性的條件下，可以明顯發(fā)現(xiàn)，孔隙喉道內(nèi)部剩余油的微觀分布模式主要分為3 種： 在孔隙喉道較窄的區(qū)域出現(xiàn)柱狀剩余油、 在孔隙喉道突出的區(qū)域出現(xiàn)楔形剩余油和在孔隙喉道邊界層出現(xiàn)膜狀剩余油（見(jiàn)圖3）。

圖3 微觀剩余油模式

在相同的時(shí)間、不同邊界潤(rùn)濕性的條件下，模型中的微觀波及體積明顯不同。通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)：當(dāng)接觸角為30°時(shí)，CO2微觀波及體積62%；當(dāng)接觸角為90°時(shí)，CO2微觀波及體積53%；當(dāng)接觸角為120°時(shí)，CO2微觀波及體積46%（見(jiàn)圖4）。因此，在低滲透儲(chǔ)層孔喉的末端或狹窄的區(qū)域，可以通過(guò)轉(zhuǎn)變儲(chǔ)層的潤(rùn)濕性提高CO2微觀波及體積。

圖4 微觀CO2 濃度分布

3 結(jié)論

1）分別建立了考慮擴(kuò)散的低滲透簡(jiǎn)單、復(fù)雜的孔喉微觀模型。通過(guò)微觀有限元模擬認(rèn)為，對(duì)流擴(kuò)散提高了低滲透油藏CO2驅(qū)的微觀波及體積。

2）通過(guò)對(duì)仿真孔隙喉道的模擬驅(qū)油發(fā)現(xiàn)，其內(nèi)部剩余油的微觀分布模式主要有柱狀、楔形、膜狀。

3）考慮不同潤(rùn)濕性邊界時(shí)，隨著潤(rùn)濕角的增加，CO2微觀波及體積明顯降低。

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