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ECLIPSE组分模型:注气混相驱模型

□ 蔡星星

0. 前言

混相驱是为了提高洗油效率,采用使驱动介质与被驱动介质之间互相溶解,界面消失,达到混相,从而表面张力、毛管压力减少到零的驱油办法。20世纪40年代,当人们认识到水驱方法提高采收率所受到的限制后,开始了混相驱研究,最早由美国提出在油层中注入干气。50年代,全世界实施了150多个项目,在室内和现场进行了大量试验,但早期多采用液化气进行。60年代,加拿大、阿尔及利亚、智利、前苏联等相继开展烃类混相驱研究。90年代,混相驱技术日渐成熟,据1994年油气杂志统计,全世界137个商业性气体混相驱项目中,55%采用烃类气体,42%采用CO2,其它气体仅占3%。目前注气混相驱是油田提高采收率的重要方法之一[1]

1. 混相驱基本原理

通常条件下油相和气相以非混相状态存在,油气间存在明显界面,界面张力的大小决定油气的混相程度,如果界面张力为0,油气完全混相。混相与溶解的区别在于混相是指在特定条件下的全部溶解,而溶解可以是部分溶解[2]

一般认为,混相的基本条件包括组成相似、压力达到一次混相压力或者多级混相压力。在实际注气开发的时候,通常发生的是多次接触混相,一般要求注气压力高于最小混相压力,以便注入气在地层与原油通过多次接触达到混相;如果压力低于最小混相压力,气与地层油不能达到混相,注入气将以非混相驱替地层原油,这样采收率远远低于混相驱。

混相过程可以分为一次接触混相和多级接触混相。一次接触混相是指注入气与地层原油经过一次接触即可达到完全混相;而多级接触混相需要注入气与地层原油多级接触才能达到混相。多次接触混相可以细分为蒸发气驱和凝析气驱,蒸发气驱是指注入CO2、N2、CH4等贫气在与地层原油多级接触过程中不断蒸发地层原油,地层原油中的重组分不断蒸发到气相,通过多次接触最终达到混相;凝析气驱是指注入富气,在与地层原油不断接触过程中,富气的中间组分不断凝析到油相,最终达到混相[2]

2. ECLIPSE组分模型混相驱原理

ECLIPSE组分模拟器中通过油气界面张力描述混相状态,其主要参考Coats组分模型理论[5]。混相驱模型中的流动参数主要基于界面张力进行插值计算得到,例如油气相对渗透率、毛管压力等等。此外混相过程中不可被注入气波及的残余油可以利用SOR选项模拟。

2.1 油气相渗及毛管压力

混相驱模型中油气相渗主要通过一条非混相相渗曲线以及一条混相相渗曲线进行描述,通过界面张力相关的Fk因子进行插值计算得到混相流体油气相渗,毛管压力通过界面张力相关的Fp因子进行插值。

2.1.1 界面张力计算

界面张力在ECLIPSE模拟器中可以通过公式自动计算得到也可以手动输入。

1)界面张力自动计算

界面张力在ECLIPSE组分模型中主要通过Macleo-Sugden相关式计算得到:

其中

• σ为界面张力(dynes/cm),Xi和Yi分布为液相和气相摩尔分数;

• 液相和气相摩尔密度 单位为gm-M/cc;

• 等张比容Parachor 〖"[P]" 〗i由关键字PARACHOR输入;

• 单相状态下界面张力为0.

2)通过STVP输入界面张力随压力的变化

2.1.2 Fk因子和Fp因子计算

相渗内插因子Fk(σ)为界面张力相关函数,在ECLIPSE模拟器中可以通过公式自动计算得到也可以手动输入。

1)Fk因子自动计算

在ECLIPSE组分模型中默认计算方法为Coats公式[5]

其中:

• σo为参考界面张力,N为指数通过MISCEXP输入,默认值为0.25;

• 当界面张力σ趋近与0的时,相渗值趋近于混相相渗值;当界面张力σ大于或者对于参考界面张力"σ"o时,相渗值等于非混相相渗值。当网格为单相的时候等于1。

此外Fk值可以通过RPTSOL、RPTSCHED或者RPTRST下面通过FMISC输出到PRT文件或者三维场结果数据中,还可以通过SUMMARY下面的BFMISC输出某个网格的曲线,由此确定网格是否处于混相状态。

毛管压力内插Fp(σ)因子同样为界面张力相关函数:

其中:

• σ1为用于毛管压力计算的最大界面张力,默认值σ1o,但是可以通过MISCTR或者MISCTRR设置值为更大的值;

• 当界面张力σ等于0的时候Pcog=0,当界面张力σ等于参考界面张力的时候Pcog=Pcogimm;当界面张力σ大于参考界面张力的时候,毛管压力可被外插超过非混相值,内插因子允许大于1。

参考界面张力σ0可以通过多种方式得到,包括:

• 通过评估Macleo-Sugden相关式,在参考压力或网格饱和压力下的值

• 通过MISCSTRR或者MISCSTR直接定义

• 取STVP表最大值

2)通过FVST输入Fk因子随界面张力的变化

2.1.3 混相驱油气相渗

混相驱油气相渗计算如下:

2.1.4 混相驱残余油气饱和度

混相驱残余油气饱和度计算如下:

对于高界面张力Fk趋近与1,流动为非混相流动::

对于低界面张力该值趋近与0,流动为混相流动:

2.1.5 混相相渗曲线表征

ECLIPSE组分模型默认情况下混相流体的相渗曲线为直线,例如,但是也可以通过MISCNUM自定义一条混相相渗曲线,混相状态的毛管力为0。

直线混相相渗曲线在模型粗化后可能导致严重的数值弥散,使得注气前缘发生偏移,从而带来模拟误差,而且某些实验室也有证据,在非常低的界面张力的时候,可能混相流体相渗曲线不应该是一条直线[6]

2.2残余油饱和度

在组分模型混相驱模拟过程中,网格中的小孔隙可能由于非均质性或者毛管压力影响不能被注入气波及到,从而不能发生混相过程,但是由于网格尺寸影响,通常注入气与网格流体被假设完全接触,可能发生混相从而导致残余油饱和度为0[3].

为了模拟网格中不能被波及到的含油饱和度,可以通过SOR选项进行模拟混相驱中的残余油饱和度。

Tips:在ECLIPSE 2010.1版本之前通过SORM 定义网格残余油饱和度,2010.1版利用关键字SORM定义,2011.1版之后通过SOR定义,2012.1版之后SOR关键字模拟功能得到增强[4]

混相驱模型残余油饱和度定义SOR选项包含如下功能:

1)残余油饱和度定义

PROPS部分利用SOR直接定义,该残余油在模拟过程中不会发生混相;或者SOLUTION部分通过SOILR定义不同网格的残余油饱和度。

2)残余油饱和度组分定义(可选)

SOLUTION部分通过ROMF定义残余油组成。

3)残余油模拟模型定义(可选)

残余油在地下随压力变化表现有三种模型描述,通过PROPS部分关键字SOROPTS定义:

• ZERO: Constant SOR model(默认),残余油饱和度为定值

• CONSTANT: Constant compressibility model,初始残余油压缩系数被计算,并被用于模拟

• FLASH: Flash compressibility model,残余油体积取决于随压力变化的闪蒸计算

3. 总结

1) ECLIPSE组分模型混相驱基于Coat模型原理,通过界面张力计算油气相渗、临界饱和度以及毛管压力等参数;

2) 混相相渗曲线可以通过MISCNUM分区进行指定,从而更精确的模拟混相流动;

3) 由于网格化影响,网格中注入气不能波及到的残余油饱和度以及其组分可以通过SOR高级选项得到模拟。

4. 参考文献

[1] 何更生. 油层物理.石油工业出版社,1994

[2] 蔺学军. 油藏数值模拟入门指南.石油工业出版社, 2015

[3] ECLIPSE 2015.1 Technical Description,2015

[4] ECLIPSE 2015.1 Reference Manual,2015

[5] Coats, K. H. “An Equation of State Compositional Model,” paper SPE 8284, Society for Petroleum Engineers Journal (1980) 20, 363-376; also presented at the SPE 54th Annual Technical Conference and Exhibition, Las Vegas, Nevada, USA (September 23-26, 1979).

[6] Bardon, C. and Longeron, D. G. “Influence of Very Low Interfacial Tensions on Relative Permeabilities,” paper SPE 7609, Society of Petroleum Engineers Journal (1980) 20, No. 15, 391-401

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