一種確定CO2驅泡沫流油組分的方法以及CO2驅的模擬方法與流程
2023-05-09 13:21:17 1
本發明涉及油氣勘探開發技術領域，具體地說，涉及一種確定CO2驅泡沫流油組分的方法以及CO2驅的模擬方法。
背景技術：
我國大部分油田屬陸相沉積，其非均質嚴重、原油粘度較高。對於這類油田，水驅採收率只能達33％左右，因此採收率具有較大的提高潛力。在現有的提高採收率技術中，注氣驅是繼水驅、聚合物驅、蒸汽驅之後提高石油採收率的又一重要途徑。CO2驅以成本低廉、成效顯著、可回收重複利用、無毒環保以及與原油有較好的混溶性等優點而被列為提高採收率的首選。
CO2驅「泡沫油流」是CO2驅替含瀝青質原油的一種特殊現象。這種現象是在向高含瀝青質原油注入CO2過程中，CO2與原油互溶混合非混相區域形成的特殊現象。在驅替過程中，在驅替前緣，連續流動的氣體受瀝青質吸附作用影響，形成類似稠油開採過程中「泡沫油流」的氣泡，這樣能夠延緩CO2錐進，提高了油藏採收率。
目前國內外開展了大量的注CO2提高油藏採收率研究，其中主要涉及CO2混相、非混相驅替相態及滲流機理分析，也涉及到了含瀝青質原油中瀝青質沉澱沉積的研究，但目前的模型研究難於模擬CO2驅替過程中氣泡的形成以及「泡沫油流」的流動特徵。
技術實現要素：
為解決上述問題，本發明提供了一種應用滲流模擬確定CO2驅泡沫流油組分含量的方法，所述方法包括：
參數確定步驟，確定泡沫流油的熱力學參數、相對滲透率以及各組分以及氣泡的摩爾百分數；
組分確定步驟，根據所述參數確定步驟中得到的參數，基於預設組分模型， 確定各個組分以及氣泡的含量。
根據本發明的一個實施例，所述預設組分模型包括：
烴組分方程、水流動方程、總烴方程、逸度方程、動力學方程和體積約束方程。
根據本發明的一個實施例，對於所述預設組分模型，採用自適應隱式的方式來確定各個組分和氣泡的含量。
根據本發明的一個實施例，
所述烴組分方程表示為：
所述水流動方程表示為：
所述總烴方程表示為：
所述逸度方程表示為：
lnfig＝lnfio i＝1,2,...,nc
所述動力學方程表示為：
反應1：CO2+輕烴組分→氣泡
反應速度x1:x1＝F1×[CO2]+F2×[輕烴組分]
反應2：氣泡→CO2+輕烴組分
反應速度x2：x2＝F3×[氣泡]
所述體積約束方程表示為：
其中，Tg、To、Tw和Tb分別表示氣相、油相、水相和氣泡的傳導率，變量m等於n或n+1，yoi、ygi和ybi分別表示第i組分在油相、氣相和氣泡中的摩爾分數，Φg、Φo、Φw和Φb分別表示氣相、油相、水相和氣泡的壓力勢，V表示摩爾體積，Ni表示第i組分的摩爾數，Ng、No、Nw和Nb分別表示氣相、油相、水相 和氣泡的摩爾數，F1、F2和F3表示頻率係數，[A]為物質A的摩爾分數，ρ表示摩爾密度，fig和fio分別表示第i組分在氣相和油相中的逸度，φ表示孔隙度，nc表示組分的總數，w表示水相，o表示油相，g表示氣相，b表示氣泡，t表示總烴，q表示產量，n和n+1分別表示前時間步和新時間步。
根據本發明的一個實施例，採用自適應隱式的方式來對於所述預設組分模型進行求解的過程包括：
將所述預設組分模型中的方程進行差分化，將所得到的差分方程展開為迭代餘量的形式，得到餘項向量；
根據所述餘項向量、雅克比矩陣，確定各個組分的含量。
根據本發明的一個實施例，所述餘項向量包括：
R＝[R1,R2,...R2nc+3]-1
其中，
根據本發明的一個實施例，根據如下表達式確定各個組分的含量：
Jδx＝-R
其中，J表示雅克比矩陣，p表示壓力，Ni表示第i組分的摩爾數，Nig表示氣相中第i組分的摩爾數，Nw表示水相的摩爾數，i∈[1,nc]，nc表示組分的總數，R表示餘項向量。
根據本發明的一個實施例，根據水相的相對滲透率、油相的相對滲透率、氣泡的相對滲透率和氣相的相對滲透率，確定傳導率。
根據本發明的一個實施例，確定所述氣泡的相對滲透率的步驟包括：
根據臨界飽和度，確定氣泡的初始流動特徵；
測定氣泡最高相對滲透率；
基於氣相的相對滲透率，根據所述氣泡的初始流動特徵和氣泡最高相對滲透率確定所述氣泡的相對滲透率。
根據本發明的一個實施例，確定所述水相的相對滲透率、油相的相對滲透率和氣相的相對滲透率的步驟包括：
根據兩相油-水體系，確定所述水相的相對滲透率；
通過臨界飽和度標定歸一化確定所述氣相的相對滲透率；
基於三相相對滲透率模式，根據所述水相的相對滲透率和氣相的相對滲透率，確定所述油相的相對滲透率。
本發明還提供了一種CO2驅的模擬方法，所述方法包括：
根據油藏地質特徵，建立地質模型，並對所述地質模型進行網格劃分；
利用如上所述的方法確定各個網格中泡沫流油中各個組分以及氣泡的含量；
根據所述各個網格中泡沫流油的各個組分以及氣泡的含量，確定所述油藏在進行CO2驅過程中，泡沫流油的動態特徵。
本發明提供了一種模擬注氣過程中「泡沫油流」分布特徵及對提高採收率的影響的方法，屬於注氣提高採收率模擬方法領域。本發明所提供的方法以組分模型為基礎，結合「平衡模型」及「動力模型」的優點，將「泡沫油流」的流動特性看作是一個時間和引入流動條件的函數。處理的關鍵在於通過建立動力模型描述「泡沫油流」流動特性與時間的變化關係，考慮「泡沫油流」中氣泡的流動是不同於連續氣相的流動，也與原油的流動速度不一致，通過插值並歸一化的方法處理了泡沫油中「氣泡」的流動，通過求取氣泡和氣相相滲平均值反算油相相滲。模型通過自適應隱式方法求解。本發明發展了注CO2含瀝青質原油提高採收率數值模擬理論和方法，首次提出了注CO2過程「泡沫油流」的數學模型，科學實現了注氣過程中「泡沫油流」分布及動態特徵的模擬。
本發明的其它特徵和優點將在隨後的說明書中闡述，並且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發明而了解。本發明的目的和其他優點可通過在說明書、權利要求書以及附圖中所特別指出的結構來實現和獲得。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要的附圖做簡單的介紹：
圖1是根據本發明一個實施例的CO2驅的模擬方法的流程圖；
圖2是根據本發明一個實施例的待分析原油的氣泡對滲透率與氣相相對滲透率的比較圖；
圖3是根據本發明一個實施例的平均氣體相對滲透率的曲線圖；
圖4是根據本發明一個實施例的注CO2過程中含瀝青質油藏CO2及「泡沫油流」的氣泡的分布特徵示意圖；
圖5是根據本發明一個實施例的使用注CO2考慮泡沫油流模型以及使用注CO2不考慮泡沫油流模型計算得的原油累積產量的對比圖；
圖6是根據本發明一個實施例的使用注CO2考慮泡沫油流模型以及使用注CO2不考慮泡沫油流模型計算得的氣油比的對比圖。
具體實施方式
以下將結合附圖及實施例來詳細說明本發明的實施方式，藉此對本發明如何應用技術手段來解決技術問題，並達成技術效果的實現過程能充分理解並據以實施。需要說明的是，只要不構成衝突，本發明中的各個實施例以及各實施例中的各個特徵可以相互結合，所形成的技術方案均在本發明的保護範圍之內。
同時，在以下說明中，出於解釋的目的而闡述了許多具體細節，以提供對本發明實施例的徹底理解。然而，對本領域的技術人員來說顯而易見的是，本發明可以不用這裡的具體細節或者所描述的特定方式來實施。
另外，在附圖的流程圖示出的步驟可以在諸如一組計算機可執行指令的計算機系統中執行，並且，雖然在流程圖中示出了邏輯順序，但是在某些情況下，可以以不同於此處的順序執行所示出或描述的步驟。
圖1示出了本實施例所提供的CO2驅的模擬方法的流程圖。
如圖1所示，本實施例所提供的CO2驅的模擬方法在步驟S101中根據待分析油藏地質特徵，建立待分析油藏的地質模型，並對地質模型進行網格劃分。本實施例中，在對地質模型進行網格劃分時，還進行了粗化處理。
在步驟S102中，根據待分析油藏的流體參數，利用預設組分模型，確定各個網格內泡沫流油的組分。具體地，本實施例中，通過攝譜儀來確定待分析油藏流體井流物組成，並應用瀝青質沉澱實驗確定出原油中膠質瀝青質含量。通過測 試確定出含瀝青質原油的瀝青質析出點和析出量，並根據氣-液-固三相相平衡模型模擬得到瀝青質析出壓力和計算瀝青質析出量。
本實施例中，預設組分模型包括烴組分方程、水流動方程、總烴方程、逸度方程、動力學方程和體積約束方程。具體地，烴組分方程可以表示為：
水流動方程可以表示為：
總烴方程可以表示為：
逸度方程可以表示為：
lnfig＝ln fio i＝1,2,...,nc (4)
動力學方程可以表示為：
反應1：CO2+輕烴組分→氣泡 (5)
反應速度x1:x1＝F1×[CO2]+F2×[輕烴組分] (6)
反應2：氣泡→CO2+輕烴組分 (7)
反應速度x2：x2＝F3×[氣泡] (8)
體積約束方程可以表示為：
其中，Tg、To、Tw和Tb分別表示氣相、油相、水相和氣泡的傳導率，變量m等於n或n+1，yoi、ygi和ybi分別表示第i組分在油相、氣相和氣泡中的摩爾分數，Φg、Φo、Φw和Φb分別表示氣相、油相、水相和氣泡的壓力勢，V表示摩爾體積，Ni表示第i組分的摩爾數，Ng、No、Nw和Nb分別表示氣相、油相、水相和氣泡的摩爾數，F1、F2和F3表示頻率係數，[A]為物質A的摩爾分數，ρ表示摩爾密度，fig和fio分別表示第i組分在氣相和油相中的逸度，φ表示孔隙度，nc表示組分的總數，w表示水相，o表示油相，g表示氣相，b表示氣泡，t表示總烴，q表示產量，n和n+1分別表示前時間步和新時間步。
當利用CO2來驅替原油時，CO2、溶解氣和游離氣之間存在的不平衡轉化 過程，這會致油相中溶解氣明顯超飽和，從而推遲溶解氣的排放，並形成比真正熱動泡點低的透明泡點。
上述不平衡過程受到氣泡成核動力學因素和氣體擴散性因素的影響，氣泡所以成核作用依賴於成核時間的長短。因此，僅僅依靠狀態方程來求解氣泡的熱力學性質是無法滿足要求的。
通過分析，發現氣泡的形成還受到了瀝青質膠質的黏附作用。而這一作用更近似於化學反應的過程。因此，本發明通過動力學模型對氣泡的熱力學性質進行分析。
具體地，本實施例中，假定泡沫油流中的氣泡主要由三部分構成的，即：輕烴組分、氣泡和CO2，它們之間的轉換可以通過動力學方程聯立起來：
本實施例中，對CO2與原油進行閃蒸計算，從而獲得閃蒸計算後氣相的組成、分子量、壓縮係數、臨界壓力及臨界溫度等熱力學參數以及氣泡摩爾百分數yb。
本實施例中，由於將氣泡作為擬組分單獨處理，而氣泡在形成自由氣體之前是流動的，氣泡流動不同於連續氣相，因此氣泡的相對滲透率需單獨處理。此外，氣泡的臨界飽和度比其它氣體組分的臨界飽和度要低。因此，本實施例中，將氣泡的相對滲透率滲曲線的臨界飽和度單獨定義。
具體地，本實施例中，通過定義臨界飽和度，來確定氣泡的初始流動特徵。由於氣泡主要與原油一起流動，因此將氣泡的臨界飽和度確定為油的臨界飽和度。此外，氣泡對滲透率比氣體小，因此，本實施例中，通過測定氣泡最高相對滲透率，在兩相流動區間按比例規一化處理來確定氣泡的相對滲透率曲線，從而得到氣泡的相對滲透率。具體地，本實施例中，待分析原油的氣泡對滲透率與氣相相對滲透率的比較圖如圖2所示。
在氣油水三相體系中，水相的相對滲透率可以通過兩相油-水體系來確定，水相的相對滲透率是水相飽和度的函數。但氣相由兩部分構成，因此為了求解油相的相對滲透率，確定氣相平均滲透率是關鍵。本實施例所提供的方法將平均氣相相對滲透率確定為氣泡對滲透率以及氣相相對滲透率的摩爾百分數的加權平均。具體地，本實施例中，待分析原油的平均氣相相對滲透率krg如圖3所示。最後，通過三相相對滲透率模型便可以確定出整個體系油相的相對滲透率。
需要說明的是，在本發明的其他實施例中，還可以採用其他合理方式來確定 泡沫流油中各相的相對滲透率，本發明不限於此。
本實施例中，利用自適應全隱式方法來對上述預設組分模型進行求解，以得到各組分的摩爾數。
具體地，本實施例中，對預設組分模型中所包含的2n+3個方程進行差分，並將得到的2n+3個差分展開，並以迭代餘量的形式做好排序，從而得到餘項向量R。本實施例中，餘項向量R中包含2n+3個元素，即餘項向量R可以表示為：
其中，本實施例中，餘項向量R中第1至第nc個元素為根據逸度方程得到的冗餘值，第nc+1個元素為根據動力學方程得到的冗餘值，第nc+2至第2nc個元素為根據組分流度方程得到的冗餘值，第2nc+1個元素為根據總烴方程得到的冗餘值，第2nc+2個元素為根據水流動方程得到的冗餘值，第2nc+3個元素為根據體積約束方程得到的冗餘值。
即，當z＝1,2,...,nc時，存在：
Rz＝ln fzg-lnfzo (11)
當z＝nc+1時，存在：
當z＝nc+2,...,2nc時，存在：
當z＝2nc+1時，存在：
當z＝2nc+2時，存在：
當z＝2nc+3時，存在：
這樣，上述表達式(11)～(16)中共有2nc+3個未知變量，即預設組分模型的解。本實施例中，預設組分模型的解向量δx可以表示為：
利用雅克比矩陣J，根據如下表達式便可以確定出解向量δx：
Jδx＝-R (18)
本實施例中，雅克比矩陣J可以表示為：
本實施例中，井的約束條件和流動井底壓力也包含在了餘項向量R和解向量δx，同時，上述整個體系可以通過牛頓法求解。
再次如圖1所示，本實施例所提供的模擬方法在步驟S103中根據各個網格內泡沫流油的組分，便可以確定出油藏在進行CO2驅的過程中泡沫流動動態特徵。
本實施例所提供方法解決了注入CO2過程中高含瀝青質原油形成泡沫油流難以模擬計算的問題，通過該方法能計算泡沫油流及CO2的流動特徵及注入CO2後原油的採收率。
圖4為通過以上方法計算注CO2過程中含瀝青質油藏CO2及「泡沫油流」的氣泡的分布特徵示意圖。從圖3中可以看出，在CO2注入初期，氣泡主要集中在CO2驅替的前緣，這也就說明類似泡沫油流的氣泡起到了穩定注氣前緣的作用。
圖5示出了使用注CO2考慮泡沫油流模型以及使用注CO2不考慮泡沫油流模型計算得的原油累積產量的對比圖。從圖5中可以看出，與不考慮泡沫油流的分析結果相比，考慮油流模型的驅替效率明顯提高，並且主要是在注入初期，即是在驅替前緣存在大量氣泡的時候，產油量明顯高於不存在氣泡的時候。
圖6示出了使用注CO2考慮泡沫油流模型以及使用注CO2不考慮泡沫油流模型計算得的氣油比的對比圖。從圖6中可以看出，考慮泡沫油流模型的氣油比明顯比不考慮泡沫油流低。這說明CO2驅替前緣出現泡沫油流穩定了驅替前緣，同時，減少了氣體的突破速度，從而使CO2與原油混相更充分，進而提高了驅替效率。
本實施例提供的方法能夠確定出含瀝青質原油注CO2泡沫油流及CO2的分布特徵，利用該方法還能夠計算得到不同方案原油產量、氣液比。通過數值模擬研究表明，與利用現有方法分析得到的計算原油累積產油量相比，使用本方法分 析得到的原油累積產油量更高，這也就表明驅替效率非常顯著地提高。同時，利用本方法得到的氣油比明顯比利用現有方法所得到的氣油比要低，這說明CO2驅替前緣泡沫油流的出現穩定了驅替前緣，同時，減少了氣體的突破速度，使CO2與原油混相更充分，從而提高了驅替效率。
本發明提供了一種模擬注氣過程中「泡沫油流」分布特徵及對提高採收率的影響的方法，屬於注氣提高採收率模擬方法領域。本發明以組分模型為基礎，結合「平衡模型」及「動力模型」的優點，將「泡沫油流」的流動特性看作是一個時間和引入流動條件的函數。處理的關鍵在於通過建立動力模型描述「泡沫油流」流動特性與時間的變化關係，考慮「泡沫油流」中氣泡的流動是不同於連續氣相的流動，也與原油的流動速度不一致，通過插值並歸一化的方法處理了泡沫油中「氣泡」的流動，通過求取氣泡和氣相相滲平均值反算油相相滲。模型通過自適應隱式方法求解。
本發明發展了注CO2含瀝青質原油提高採收率數值模擬理論和方法，首次提出了注CO2過程「泡沫油流」的數學模型，科學實現了注氣過程中「泡沫油流」分布及動態特徵的模擬。
應該理解的是，本發明所公開的實施例不限於這裡所公開的特定結構、處理步驟或材料，而應當延伸到相關領域的普通技術人員所理解的這些特徵的等同替代。還應當理解的是，在此使用的術語僅用於描述特定實施例的目的，而並不意味著限制。
說明書中提到的「一個實施例」或「實施例」意指結合實施例描述的特定特徵、結構或特性包括在本發明的至少一個實施例中。因此，說明書通篇各個地方出現的短語「一個實施例」或「實施例」並不一定均指同一個實施例。
為了方便，在此使用的多個可出現在共同列表中。然而，這些列表應解釋為該列表中的每個元素分別識別為單獨唯一的成員。因此，在沒有反面說明的情況下，該列表中沒有一個成員可僅基於它們出現在共同列表中便被解釋為相同列表的任何其它成員的實際等同物。另外，在此還可以連同針對各元件的替代一起來參照本發明的各種實施例和示例。應當理解的是，這些實施例、示例和替代並不解釋為彼此的等同物，而被認為是本發明的單獨自主的代表。
雖然上述示例用於說明本發明在一個或多個應用中的原理，但對於本領域的技術人員來說，在不背離本發明的原理和思想的情況下，明顯可以在形式上、用 法及實施的細節上作各種修改而不用付出創造性勞動。因此，本發明由所附的權利要求書來限定。