一种确定CO2驱泡沫流油组分的方法以及CO2驱的模拟方法与流程

本发明涉及油气勘探开发技术领域，具体地说，涉及一种确定CO₂驱泡沫流油组分的方法以及CO₂驱的模拟方法。

背景技术：

我国大部分油田属陆相沉积，其非均质严重、原油粘度较高。对于这类油田，水驱采收率只能达33％左右，因此采收率具有较大的提高潜力。在现有的提高采收率技术中，注气驱是继水驱、聚合物驱、蒸汽驱之后提高石油采收率的又一重要途径。CO₂驱以成本低廉、成效显著、可回收重复利用、无毒环保以及与原油有较好的混溶性等优点而被列为提高采收率的首选。

CO₂驱“泡沫油流”是CO₂驱替含沥青质原油的一种特殊现象。这种现象是在向高含沥青质原油注入CO₂过程中，CO₂与原油互溶混合非混相区域形成的特殊现象。在驱替过程中，在驱替前缘，连续流动的气体受沥青质吸附作用影响，形成类似稠油开采过程中“泡沫油流”的气泡，这样能够延缓CO₂锥进，提高了油藏采收率。

目前国内外开展了大量的注CO₂提高油藏采收率研究，其中主要涉及CO₂混相、非混相驱替相态及渗流机理分析，也涉及到了含沥青质原油中沥青质沉淀沉积的研究，但目前的模型研究难于模拟CO₂驱替过程中气泡的形成以及“泡沫油流”的流动特征。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供了一种应用渗流模拟确定CO₂驱泡沫流油组分含量的方法，所述方法包括：

参数确定步骤，确定泡沫流油的热力学参数、相对渗透率以及各组分以及气泡的摩尔百分数；

组分确定步骤，根据所述参数确定步骤中得到的参数，基于预设组分模型， 确定各个组分以及气泡的含量。

根据本发明的一个实施例，所述预设组分模型包括：

烃组分方程、水流动方程、总烃方程、逸度方程、动力学方程和体积约束方程。

根据本发明的一个实施例，对于所述预设组分模型，采用自适应隐式的方式来确定各个组分和气泡的含量。

根据本发明的一个实施例，

所述烃组分方程表示为：

所述水流动方程表示为：

所述总烃方程表示为：

所述逸度方程表示为：

lnf_ig＝lnf_io i＝1,2,...,n_c

所述动力学方程表示为：

反应1：CO₂+轻烃组分→气泡

反应速度x1:x1＝F1×[CO₂]+F2×[轻烃组分]

反应2：气泡→CO₂+轻烃组分

反应速度x2：x2＝F3×[气泡]

所述体积约束方程表示为：

其中，T_g、T_o、T_w和T_b分别表示气相、油相、水相和气泡的传导率，变量m等于n或n+1，y_oi、y_gi和y_bi分别表示第i组分在油相、气相和气泡中的摩尔分数，Φ_g、Φ_o、Φ_w和Φ_b分别表示气相、油相、水相和气泡的压力势，V表示摩尔体积，N_i表示第i组分的摩尔数，N_g、N_o、N_w和N_b分别表示气相、油相、水相 和气泡的摩尔数，F1、F2和F3表示频率系数，[A]为物质A的摩尔分数，ρ表示摩尔密度，f_ig和f_io分别表示第i组分在气相和油相中的逸度，φ表示孔隙度，n_c表示组分的总数，w表示水相，o表示油相，g表示气相，b表示气泡，t表示总烃，q表示产量，n和n+1分别表示前时间步和新时间步。

根据本发明的一个实施例，采用自适应隐式的方式来对于所述预设组分模型进行求解的过程包括：

将所述预设组分模型中的方程进行差分化，将所得到的差分方程展开为迭代余量的形式，得到余项向量；

根据所述余项向量、雅克比矩阵，确定各个组分的含量。

根据本发明的一个实施例，所述余项向量包括：

R＝[R₁,R₂,...R_2nc+3]^-1

其中，

根据本发明的一个实施例，根据如下表达式确定各个组分的含量：

Jδx＝-R

其中，J表示雅克比矩阵，p表示压力，N_i表示第i组分的摩尔数，N_ig表示气相中第i组分的摩尔数，N_w表示水相的摩尔数，i∈[1,n_c]，n_c表示组分的总数，R表示余项向量。

根据本发明的一个实施例，根据水相的相对渗透率、油相的相对渗透率、气泡的相对渗透率和气相的相对渗透率，确定传导率。

根据本发明的一个实施例，确定所述气泡的相对渗透率的步骤包括：

根据临界饱和度，确定气泡的初始流动特征；

测定气泡最高相对渗透率；

基于气相的相对渗透率，根据所述气泡的初始流动特征和气泡最高相对渗透率确定所述气泡的相对渗透率。

根据本发明的一个实施例，确定所述水相的相对渗透率、油相的相对渗透率和气相的相对渗透率的步骤包括：

根据两相油-水体系，确定所述水相的相对渗透率；

通过临界饱和度标定归一化确定所述气相的相对渗透率；

基于三相相对渗透率模式，根据所述水相的相对渗透率和气相的相对渗透率，确定所述油相的相对渗透率。

本发明还提供了一种CO₂驱的模拟方法，所述方法包括：

根据油藏地质特征，建立地质模型，并对所述地质模型进行网格划分；

利用如上所述的方法确定各个网格中泡沫流油中各个组分以及气泡的含量；

根据所述各个网格中泡沫流油的各个组分以及气泡的含量，确定所述油藏在进行CO₂驱过程中，泡沫流油的动态特征。

本发明提供了一种模拟注气过程中“泡沫油流”分布特征及对提高采收率的影响的方法，属于注气提高采收率模拟方法领域。本发明所提供的方法以组分模型为基础，结合“平衡模型”及“动力模型”的优点，将“泡沫油流”的流动特性看作是一个时间和引入流动条件的函数。处理的关键在于通过建立动力模型描述“泡沫油流”流动特性与时间的变化关系，考虑“泡沫油流”中气泡的流动是不同于连续气相的流动，也与原油的流动速度不一致，通过插值并归一化的方法处理了泡沫油中“气泡”的流动，通过求取气泡和气相相渗平均值反算油相相渗。模型通过自适应隐式方法求解。本发明发展了注CO₂含沥青质原油提高采收率数值模拟理论和方法，首次提出了注CO₂过程“泡沫油流”的数学模型，科学实现了注气过程中“泡沫油流”分布及动态特征的模拟。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图做简单的介绍：

图1是根据本发明一个实施例的CO₂驱的模拟方法的流程图；

图2是根据本发明一个实施例的待分析原油的气泡对渗透率与气相相对渗透率的比较图；

图3是根据本发明一个实施例的平均气体相对渗透率的曲线图；

图4是根据本发明一个实施例的注CO₂过程中含沥青质油藏CO₂及“泡沫油流”的气泡的分布特征示意图；

图5是根据本发明一个实施例的使用注CO₂考虑泡沫油流模型以及使用注CO₂不考虑泡沫油流模型计算得的原油累积产量的对比图；

图6是根据本发明一个实施例的使用注CO₂考虑泡沫油流模型以及使用注CO₂不考虑泡沫油流模型计算得的气油比的对比图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本发明实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。

另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

图1示出了本实施例所提供的CO₂驱的模拟方法的流程图。

如图1所示，本实施例所提供的CO₂驱的模拟方法在步骤S101中根据待分析油藏地质特征，建立待分析油藏的地质模型，并对地质模型进行网格划分。本实施例中，在对地质模型进行网格划分时，还进行了粗化处理。

在步骤S102中，根据待分析油藏的流体参数，利用预设组分模型，确定各个网格内泡沫流油的组分。具体地，本实施例中，通过摄谱仪来确定待分析油藏流体井流物组成，并应用沥青质沉淀实验确定出原油中胶质沥青质含量。通过测 试确定出含沥青质原油的沥青质析出点和析出量，并根据气-液-固三相相平衡模型模拟得到沥青质析出压力和计算沥青质析出量。

本实施例中，预设组分模型包括烃组分方程、水流动方程、总烃方程、逸度方程、动力学方程和体积约束方程。具体地，烃组分方程可以表示为：

水流动方程可以表示为：

总烃方程可以表示为：

逸度方程可以表示为：

lnf_ig＝ln f_io i＝1,2,...,n_c (4)

动力学方程可以表示为：

反应1：CO₂+轻烃组分→气泡 (5)

反应速度x1:x1＝F1×[CO₂]+F2×[轻烃组分] (6)

反应2：气泡→CO₂+轻烃组分 (7)

反应速度x2：x2＝F3×[气泡] (8)

体积约束方程可以表示为：

其中，T_g、T_o、T_w和T_b分别表示气相、油相、水相和气泡的传导率，变量m等于n或n+1，y_oi、y_gi和y_bi分别表示第i组分在油相、气相和气泡中的摩尔分数，Φ_g、Φ_o、Φ_w和Φ_b分别表示气相、油相、水相和气泡的压力势，V表示摩尔体积，N_i表示第i组分的摩尔数，N_g、N_o、N_w和N_b分别表示气相、油相、水相和气泡的摩尔数，F1、F2和F3表示频率系数，[A]为物质A的摩尔分数，ρ表示摩尔密度，f_ig和f_io分别表示第i组分在气相和油相中的逸度，φ表示孔隙度，n_c表示组分的总数，w表示水相，o表示油相，g表示气相，b表示气泡，t表示总烃，q表示产量，n和n+1分别表示前时间步和新时间步。

当利用CO₂来驱替原油时，CO₂、溶解气和游离气之间存在的不平衡转化 过程，这会致油相中溶解气明显超饱和，从而推迟溶解气的排放，并形成比真正热动泡点低的透明泡点。

上述不平衡过程受到气泡成核动力学因素和气体扩散性因素的影响，气泡所以成核作用依赖于成核时间的长短。因此，仅仅依靠状态方程来求解气泡的热力学性质是无法满足要求的。

通过分析，发现气泡的形成还受到了沥青质胶质的黏附作用。而这一作用更近似于化学反应的过程。因此，本发明通过动力学模型对气泡的热力学性质进行分析。

具体地，本实施例中，假定泡沫油流中的气泡主要由三部分构成的，即：轻烃组分、气泡和CO₂，它们之间的转换可以通过动力学方程联立起来：

本实施例中，对CO₂与原油进行闪蒸计算，从而获得闪蒸计算后气相的组成、分子量、压缩系数、临界压力及临界温度等热力学参数以及气泡摩尔百分数y_b。

本实施例中，由于将气泡作为拟组分单独处理，而气泡在形成自由气体之前是流动的，气泡流动不同于连续气相，因此气泡的相对渗透率需单独处理。此外，气泡的临界饱和度比其它气体组分的临界饱和度要低。因此，本实施例中，将气泡的相对渗透率渗曲线的临界饱和度单独定义。

具体地，本实施例中，通过定义临界饱和度，来确定气泡的初始流动特征。由于气泡主要与原油一起流动，因此将气泡的临界饱和度确定为油的临界饱和度。此外，气泡对渗透率比气体小，因此，本实施例中，通过测定气泡最高相对渗透率，在两相流动区间按比例规一化处理来确定气泡的相对渗透率曲线，从而得到气泡的相对渗透率。具体地，本实施例中，待分析原油的气泡对渗透率与气相相对渗透率的比较图如图2所示。

在气油水三相体系中，水相的相对渗透率可以通过两相油-水体系来确定，水相的相对渗透率是水相饱和度的函数。但气相由两部分构成，因此为了求解油相的相对渗透率，确定气相平均渗透率是关键。本实施例所提供的方法将平均气相相对渗透率确定为气泡对渗透率以及气相相对渗透率的摩尔百分数的加权平均。具体地，本实施例中，待分析原油的平均气相相对渗透率k_rg如图3所示。最后，通过三相相对渗透率模型便可以确定出整个体系油相的相对渗透率。

需要说明的是，在本发明的其他实施例中，还可以采用其他合理方式来确定 泡沫流油中各相的相对渗透率，本发明不限于此。

本实施例中，利用自适应全隐式方法来对上述预设组分模型进行求解，以得到各组分的摩尔数。

具体地，本实施例中，对预设组分模型中所包含的2n+3个方程进行差分，并将得到的2n+3个差分展开，并以迭代余量的形式做好排序，从而得到余项向量R。本实施例中，余项向量R中包含2n+3个元素，即余项向量R可以表示为：

其中，本实施例中，余项向量R中第1至第n_c个元素为根据逸度方程得到的冗余值，第n_c+1个元素为根据动力学方程得到的冗余值，第n_c+2至第2n_c个元素为根据组分流度方程得到的冗余值，第2n_c+1个元素为根据总烃方程得到的冗余值，第2n_c+2个元素为根据水流动方程得到的冗余值，第2n_c+3个元素为根据体积约束方程得到的冗余值。

即，当z＝1,2,...,n_c时，存在：

R_z＝ln f_zg-lnf_zo (11)

当z＝n_c+1时，存在：

当z＝n_c+2,...,2n_c时，存在：

当z＝2n_c+1时，存在：

当z＝2n_c+2时，存在：

当z＝2n_c+3时，存在：

这样，上述表达式(11)～(16)中共有2n_c+3个未知变量，即预设组分模型的解。本实施例中，预设组分模型的解向量δx可以表示为：

利用雅克比矩阵J，根据如下表达式便可以确定出解向量δx：

Jδx＝-R (18)

本实施例中，雅克比矩阵J可以表示为：

本实施例中，井的约束条件和流动井底压力也包含在了余项向量R和解向量δx，同时，上述整个体系可以通过牛顿法求解。

再次如图1所示，本实施例所提供的模拟方法在步骤S103中根据各个网格内泡沫流油的组分，便可以确定出油藏在进行CO₂驱的过程中泡沫流动动态特征。

本实施例所提供方法解决了注入CO₂过程中高含沥青质原油形成泡沫油流难以模拟计算的问题，通过该方法能计算泡沫油流及CO₂的流动特征及注入CO₂后原油的采收率。

图4为通过以上方法计算注CO₂过程中含沥青质油藏CO₂及“泡沫油流”的气泡的分布特征示意图。从图3中可以看出，在CO₂注入初期，气泡主要集中在CO₂驱替的前缘，这也就说明类似泡沫油流的气泡起到了稳定注气前缘的作用。

图5示出了使用注CO₂考虑泡沫油流模型以及使用注CO₂不考虑泡沫油流模型计算得的原油累积产量的对比图。从图5中可以看出，与不考虑泡沫油流的分析结果相比，考虑油流模型的驱替效率明显提高，并且主要是在注入初期，即是在驱替前缘存在大量气泡的时候，产油量明显高于不存在气泡的时候。

图6示出了使用注CO₂考虑泡沫油流模型以及使用注CO₂不考虑泡沫油流模型计算得的气油比的对比图。从图6中可以看出，考虑泡沫油流模型的气油比明显比不考虑泡沫油流低。这说明CO₂驱替前缘出现泡沫油流稳定了驱替前缘，同时，减少了气体的突破速度，从而使CO₂与原油混相更充分，进而提高了驱替效率。

本实施例提供的方法能够确定出含沥青质原油注CO₂泡沫油流及CO₂的分布特征，利用该方法还能够计算得到不同方案原油产量、气液比。通过数值模拟研究表明，与利用现有方法分析得到的计算原油累积产油量相比，使用本方法分 析得到的原油累积产油量更高，这也就表明驱替效率非常显著地提高。同时，利用本方法得到的气油比明显比利用现有方法所得到的气油比要低，这说明CO₂驱替前缘泡沫油流的出现稳定了驱替前缘，同时，减少了气体的突破速度，使CO₂与原油混相更充分，从而提高了驱替效率。

本发明提供了一种模拟注气过程中“泡沫油流”分布特征及对提高采收率的影响的方法，属于注气提高采收率模拟方法领域。本发明以组分模型为基础，结合“平衡模型”及“动力模型”的优点，将“泡沫油流”的流动特性看作是一个时间和引入流动条件的函数。处理的关键在于通过建立动力模型描述“泡沫油流”流动特性与时间的变化关系，考虑“泡沫油流”中气泡的流动是不同于连续气相的流动，也与原油的流动速度不一致，通过插值并归一化的方法处理了泡沫油中“气泡”的流动，通过求取气泡和气相相渗平均值反算油相相渗。模型通过自适应隐式方法求解。

本发明发展了注CO₂含沥青质原油提高采收率数值模拟理论和方法，首次提出了注CO₂过程“泡沫油流”的数学模型，科学实现了注气过程中“泡沫油流”分布及动态特征的模拟。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

为了方便，在此使用的多个可出现在共同列表中。然而，这些列表应解释为该列表中的每个元素分别识别为单独唯一的成员。因此，在没有反面说明的情况下，该列表中没有一个成员可仅基于它们出现在共同列表中便被解释为相同列表的任何其它成员的实际等同物。另外，在此还可以连同针对各元件的替代一起来参照本发明的各种实施例和示例。应当理解的是，这些实施例、示例和替代并不解释为彼此的等同物，而被认为是本发明的单独自主的代表。

虽然上述示例用于说明本发明在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用 法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本发明由所附的权利要求书来限定。