水驱油微观孔隙内流场分析.docx

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水驱油微观孔隙内流场分析

摘要

目前大部分油田已经开始进入高含水期，关于如何提高原油采收率变得更加艰难。

运用计算机软件模拟的方法来研究水驱油过程的运移规律是一种简单可行的方法。

文章选用等温条件下广义的牛顿流体方程来建立水在微观孔隙空间内流动时的流动方程；并且运用计算流体动力学软件Polyflow对假设的模型进行计算；得到了流场的应力分布，速度分布；分析了原油粘度、流道宽度、油膜高度、压力梯度、界面张力对油膜周围应力、速度分布的影响。

并且简要分析了原油粘度、流道宽度、油膜高度、压力梯度、界面张力对油膜变形的影响。

结果表明：

压力梯度、油膜高度以及油水之间的界面张力对驱替效果起着决定性的作用，在其他条件相同的条件下，油膜高度越大时，油膜顶部速度越大，应力越大，变形也越大；压力梯度越大时，油膜顶部速度越大，应力越大，变形也越大；界面张力越小时，油膜顶部速度越大，应力越大，变形也越大。

由此可以推断，压力梯度越大，油膜高度越大，油水之间界面张力越小时，驱油效率越高。

关键词：

水驱油；计算流体力学；速度分布；应力分布；变形

Abstract

Sincemostcurrentoilfieldisintothehighwatercutperiod,itiscriticalandhardtocontinuetoimprovetherecoveryofcrudeoil.Tostudywaterfloodingmigrationthroughthecomputersoftwaresimulationisafeasiblemethod.ThisarticlechoosesgeneralizedisothermalNewtonfluidconstitutiveequationstoestablishflowsflowequationofthewaterinthemicroporespace.ThecomputationalfluiddynamicssoftwarePolyflowisusingtomodelnumericalcalculation.Thismodelisgivenfortheboundaryconditions.Wegottheflowfield,thevelocitydistributionofthestressdistribution,analyzedtheinfluenceofcrudeoilviscosity,oilfilmheight,passagewidthandinterfacialtension,pressuregradientonandspeedthestressdistribution,simplyanalyzedtheinfluenceofcrudeoilviscosity,oilfilmheight,passagewidthandinterfacialtension,pressuregradientonoilfilmdeformation.Theresultshowthat,thespeedreachmaximumintheoilfilmplace,themaximumspeedoftheimportislessthanthatofexport,thisiscausedbytheinfluenceoftheflowofoilfilmontheexport.Underthesamecondition,thegreaterthepressuregradientis,themoreobviousoilfilmdrivingeffectis.Thenarrowertheflowrunnerofoilis,themoreobvioustheeffectis.Thehigheroilfilmheightis,themoreobvioustheeffectis.Thesmallertheinterfacialtensionbetweenoilandwateris,themoreobvioustheeffectis.Thelowercrudeoilviscosityis,themoreobvioustheeffectis.Thegreaterthepressuregradientis,thegreatertheextremestressis.Thenarrowertheflowrunnerofoilis,hegreatertheextremestressis.Thehigheroilfilmheightis,hegreatertheextremestressis.Thesmallertheinterfacialtensionbetweenoilandwateris,thegreatertheextremestressis.Thelowercrudeoilviscosityis,hegreatertheextremestressis.Pressuregradient,theheightofoilfilmandtheinterfacialtensionbetweenoilandwaterhaveamajorinfluenceondeformation.

Keywords:

waterflooding;computationalfluiddynamics;distributionofspeed;distributionofstress;deformation

目录

第1章概述1

1.1水驱油微观孔隙内流场分析的目的及意义1

1.2水驱油微观孔隙内流场分析的背景1

1.3国内文献综述3

第2章计算流体动力学基础5

2.1计算流体动力学概述5

2.2Polyflow软件概述6

2.3流体动力学控制方程8

第3章两相界面理论13

3.1界面张力13

3.2弯曲液面的附加压力15

3.3润湿17

第4章数值计算及结果分析18

4.1模型的描述18

4.2速度场模拟18

4.3应力场模拟23

4.4油膜变形模拟30

结论34

参考文献35

致谢37

第1章概述

1.1水驱油微观孔隙内流场分析的目的及意义

随着经济的快速发展,中国对石油的依赖日益增长,这一趋势在这个世纪将继续下去。

不断促进对外石油贸易的同时,必须大力加强有效开采国内石油资源,以确保更多的石油生产来满足中国的重要战略目标的需要。

由于目前大多数油田已进入高含水阶段,如何进一步提高石油采收率成为至关重要的问题。

通过软件模拟方法研究水驱油的方法是一种可行的方法。

使用计算流体动力学软件,运用计算机超强的数值运算能力进行模拟,从而进一步研究石油开采运移过程中的一些规律。

因此,水驱油物理过程流场对石油工程师提高原油采收率具有重要意义。

石油开采是不可重复的,更确切的了解一个地区的地下水驱油的流场情况对石油工程师是非常重要的,同时也对石油生产具有重要的指导意义,通过研究的目的可以掌握水驱油过程的运移规律,压力分布,并通过比较不同地层条件情况,深化研究水驱油的流场情况,帮助石油工程师决策石油生产,提高生产效率,节约生产成本。

1.2水驱油微观孔隙内流场分析的背景

石油的开采过程分为自然方法采油（一次采油）、水驱油（二次采油）、增强水驱油（三次采油）。

在1940年以前，油田开发的技术水平较低，主要依靠消耗天然能量开采。

一般采收率为5%到10%，称之为一次采油。

渗流理论发展到一定程度后，达西定律逐渐地运用到了流体在多孔介质中的渗流，表明油井的产量与油井的压力梯度成正比。

这使人们意识到一次采油过程中低原油采收率的主要原因是油层能量的衰竭，并在这个基础上提出了通过注入人工能量来保持油层压力从而开发油田的二次采油法。

但是经过二次采油后仍有60%—70%剩余油残留在地下采不出来。

通过多种方法预测显示我国油田的平均采收率只有34.2%，有部分油田甚至只有20%—25%。

因此，多年来，国内外的石油工作者针对如何提高原油采收率这个问题进行了大量研究，从而提出了三次采油法。

即通过增强水驱油方法来提高原油的采收率，主要包括化学法、混相法、热力法和微生物法等。

由于作用原理不同，化学法又可进一步分为聚合物驱、碱驱、表面活性剂驱、碱一聚合物复合驱、碱一表面活性剂一聚合物复合驱以及表面活性剂一碱一聚合物复合驱。

由于所用的混相剂不同，混相法分为溶剂混相驱、烃混相驱、CO2混相驱和N2混相驱。

化学法和混相法主要用来开采轻质油，而粘度大于50mPa·S的重质油的开采主要采用热力法，热力法又可分为蒸汽吞吐、蒸汽驱和火烧油层。

泡沫驱又属于化学驱，但是通常又用于混相驱和蒸汽驱作为流度控制技术。

微生物采油法根据注入工艺又可以分为微生物单井吞吐和微生物驱。

另外，注浓硫酸工艺以及用微波、电磁波、磁场等进行井底带处理工艺等提高石油采收率方法也都在一些文献中有报道，但目前尚处于探索阶段，需要进一步研究和发展。

1.2.1碱水驱油

在石油工业中，传统的注水方式提高原油采收率的效果不明显，水的粘度较低，有效渗透率高，导致流度比偏大，水突破较早。

同时，由于水和油的化学性质不同，使得两相不混容，导致界面张力高、原油采收率低。

因此，人们上尝试了各种化学的、物理的及热采的方法，并且根据油藏和油层中流体的特性选择其中一种或几种方法结合使用。

在所用各种化学试剂中，已经考虑到将碱加入水驱的水中，用于清除孔壁中的油，使孔隙介质中机械圈闭的油滴流动。

由于操作简单，价格经济实惠，在提高原油采收率方面，碱水驱将继续受到关注。

另外，经研究，单纯的冷碱水驱只能采出大约57%的地层油，但是若使用碱蒸气驱则可以将采收率提高到80%。

但是，热碱不仅会在酸性油中产生表面活性剂，而且还导致地层原油的活度降低。

同时由于碱能够与地层岩石发生反应，导致储层损害，所以碱驱油有被淘汰的可能。

1.2.2聚合物驱油

聚合物驱是指在注入地层的水中加入水溶性的高相对分子量的聚合物，增加水相的粘度，降低水相的渗透率，改善油水粘度比，从而扩大水驱油的体积波及系数，从而提高原油的采收率。

当油水粘度比很大时，采出的液体中含水率上升速度很快，油水粘度比较小时，采出液中含水率的上升速度将逐渐缓慢。

聚合物驱油剂的一个重要特点就是它能够在石油开发的控制条件下，通过较低的聚合物浓度来保持高的粘度。

目前油田常见的聚合物是聚丙烯酞胺以及生物聚合物。

但水通常为假塑性流体，粘度随剪切速度的变化而变化，而且很有可能堵塞地层通道，所以在很多的油田并不适合使用。

1.2.3三元复合驱

三元复合驱简称ASP，是有碱、聚合物和表面活性剂组成。

各组分之间相互补充相互增效从而达到提高采收率的目的，研究表明，这种方式能够使采收率达到80%，因此成为当前研究的热点。

尽管增强水驱的方法的驱替效率较高，但是由于其成本也较高，而且由于大多数油田的开采年限较短，所以在实际的油田中，使用普通的水驱油开采方式的比较多，因此本文的模拟系统也是基于普通水驱油的基础上进行的。

据预测，在21世纪，原油需求总数量为2500到2600亿吨，按照目前油藏开发的技术和措施年均只能提供380亿吨。

因此，必须将采收率提高到65%一70%才能满足需求。

提高油气产量的途径主要有两种，即使用高效的生产技术和增加石油地质储量。

当前提高原油采收率已经成为石油工程师们面临的最重要的挑战之一。

首先较低的波及系数和洗油效率使得油藏中有2/3的地质储量采不出来。

另外随着油田开采时间增加，地层中的水形成了通路，使得驱油效率快速下降。

油田开发分析法、物理模拟实验法及数值模拟法是油田研究高含水期微观水驱剩余油分布及挖潜措施的重要方法。

油田开发分析法主要是通过研究油田的动、静态资料来掌握油田的变化规律及开发状况。

物理模拟实验方法是通过理论计算与实际资料对比，找出油田开发中的主要矛盾及开发与管理中存在的主要问题，从而有针对性地采取措施。

由于三维油藏系统的复杂性，同时同一油藏又不能从油藏原始条件下重新进行二次注水，所有的不利因素导致我们弄不清开发时各种变量所产生的影响。

运用模拟和数学方法来计算地下注水动态只能得出被大大简化了的情况的计算结果。

应用物理模拟技术，可以较客观地描述地下流体的运动和变化规律，并定量地描述剩余油饱和度。

1.3国内文献综述

杨清彦、兰玉波、贾忠伟、张洪兴应用微观仿真模型进行水驱油实验，并且通过微观驱油动态的彩色图像量化处理系统对实验的过程和结果进行分析，并且从定量和定性两个角度对水驱油过程进行了分析。

水驱油时，由于润湿性不同，注入水在微观空隙中有不同的渗流机理。

在亲油岩石的孔隙中，注入水沿着孔隙中心突入岩石；在亲水岩石孔隙中，注入水附着在岩石空隙壁上爬入。

由于储层岩石具有非均质性，剩余油在空隙中又可以分为分散型剩余油和连片状剩余油两类。

具体形式有簇状、角状、柱状、膜状和“孤岛”状等分布形态。

另外不同的化学驱替对于不同的剩余油形式的作用效果不同。

李星民，殷广明，殷茵从多孔介质孔隙分布特征与水驱油微观机理出发，针对具单峰对数正态分布特征的孔隙结构，给出了一种可以定量描述油水在原始状态下以及水驱过程中的微观分布及其变化的方法。

该方法可较真实地揭示出水驱油过程中波及系数与油水微观分布及其变化的关系，并可以推广应用到具有双峰甚至多峰分布特征的孔隙结构中[1~4]。

何顺利，李中锋，门成全，杨文新研究制作了能够真实反映出岩石微观孔隙结构的仿真模型，并且运用了图像分析技术和微观渗流物理实验模拟技术对水驱油过程及残余油的分布进行观察，模拟了不同驱替速度、孔隙结构、粘度比等环境下的水驱油过程。

建立了用分形维数定量表征残余油及空间分布的测定方法。

研究表明，驱替速度越大，形成的残余油量越少；原油粘度越大，残余油量越多[5~7]。

姜汉桥，陈民锋二人模拟储层岩心的一次驱油过程和二次驱油过程，建立了油水两相三维准静态孔隙模型；通过将试验结果与模型计算对比，验证了该模型的有效性。

利用建立的孔隙网络模型，研究岩心在亲水条件下，储层微观孔隙结构参数对水驱油驱替特征的影响。

研究表明，水驱油的驱替效果随着储层岩心的孔喉比变小而变好，随着空隙配位数和形状因子增大而变好，随着残余油饱和度越的变小而变好，因此形状因子对水驱油效率影响很大[8~11]。

第2章计算流体动力学基础

2.1计算流体动力学概述

2.1.1什么是计算流体动力学

计算流体力学或计算流体动力学，英文ComputationalFluidDynamics，简称CFD,是用电子计算机和离散化的数值方法对流体力学问题进行数值模拟和分析的一个分支。

CFD的基本原理可以概括为：

把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，如压力场和速度场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。

CFD可以认为是流动的基本方程（质量守恒方程、能量守恒方程、动量守恒方程）控制下对流动的数值模拟。

通过数值模拟，我们可以得到非常复杂问题的流场内各个位置上的基本物理量（如速度、温度、压力、浓度等）的分布，以及这些物理量随着时间变化的变化情况，确定漩涡分布特征、空化特征及脱流区等。

CFD方法与传统的理论分析方法、实验测量方法构成了研究流体流动问题的一个完整体系。

理论分析方法的优点在于其所得的结果具有普遍性，各种影响因素清晰可见，是指导实验研究和验证新的数值计算方法的理论基础。

然而，它通常需要对计算的对象进行抽象和简化，才有可能得出理论解。

对于非线性的情况，只有少数流动才能给出解析结果。

实验测量方法所得到的实验结果是真实可信的，它是理论分析方法和数值方法的基础，其重要性不容小觑。

然而，实验往往受到模型尺寸、人身安全、流场扰动和测量精度的限制，有时可能很难通过试验方法得到结果。

此外，实验还会遇到经费投入、人力和物力的巨大消耗及周期长等许多困难。

而CFD方法恰好克服了前面两种方法的弱点，在计算机上实现一个特定的计算，就好象在计算机上做一次物理实验。

例如，机翼的绕流，通过计算机并将其结果在屏幕上显示，就可以看到流场的各种细节；如激波的运动、强度，涡的生成与传播，流动的分离、表面的压力分布、受力大小及其随时间的变化等。

数值模拟可以形象地再现流动情景，与做实验没有什么区别。

2.1.2计算流体动力学的特点

CFD的长处是适应性强、应用面广。

首先，流动问题的控制方程一般是非线性的，自变量多，计算域的几何形状和边界条件复杂，很难求得解析解，而用CFD方法则有可能找出满足工程需要的数值解；其次，可利用计算机进行各种数值实验，例如，选择不同流动参数进行物理方程中各项有效性和敏感性试验，从而进行方案比较。

再者，它不受物理模型和实验模型的限制，省钱省时，有较多的灵活性，能给出详细完整的资料，很容易模拟特殊尺寸、高温、有毒等真实条件和实验中只能接近而无法达到的理想条件。

CFD也存在一定的局限性。

首先数值解法是一种离散近似的计算方法，依赖于物理上合理、数学上适用、适合于在计算机上进行计算的离散的有限的数学模型，且最终结果不能提供任何形式的解析表达式，只是有限个离散点上的数值解，并有一定的计算误差；第二，它不像物理模型实验一开始就能给出流动现象并定性描述，往往需要由原体观测或物理模型试验提供某些流动参数，并需要对建立的数学模型进行验证；第三，程序的编制及资料的收集、整理与正确利用，在很大程度上依赖于经验与技巧。

此外，因数值处理方法等原因有可能导致计算结果的不真实，例如产生数值黏性和频散等伪物理效应。

当然，某些缺点和局限性可通过某种方式克服或弥补。

另外，CFD因涉及大量的数值计算需要较高的计算机软硬件配置。

2.1.3计算流体动力学的应用领域

近年来，CFD方法有了飞速的发展，一些经典流体力学的一些近似计算法和图解法已经被替代；过去的一些典型教学试验现在完全可以借助CFD手段在计算机上实现。

所有涉及流体流动、热交换、分子输运等现象的问题，都可以通过计算流体力学的方法进行分析和模拟。

CFD不仅作为一个研究工具，而且还作为设计工具在水利工程、土木工程、环境工程、食品工程、海洋结构工程、工业制造等领域发挥作用。

典型的应用场合及相关的工程问题包括：

（1）泵、水轮机和风机等流体机械内部的流体流动；

（2）飞机和航天飞机等飞行器的设计；

（3）汽车流线外形对性能的影响；

（4）洪水波及河口潮流计算；

（5）风载荷对高层建筑物稳定性及结构性能的影响；

（6）温室及室内的空气流动及环境分析；

（7）电子元器件的冷却；

（8）换热器性能分析及换热器片形状的选取；

（9）河流中污染物的扩散；

（10）汽车尾气对街道环境的污染；

（11）食品中细菌的运移。

对这些问题的处理，过去主要借助于基本的理论分析和大量的物理模型实验，而现在大多采用CFD的方式加以分析和解决，CFD技术现已发展到完全可以分析三维黏性湍流及漩涡运动等复杂问题的程度。

2.2Polyflow软件概述

2.2.1Polyflow软件简介

POLYFLOW是基于有限元法的计算机流体动力学（CFD）软件，专用于黏弹性材料的流动模拟，1982年由比利时Louvia大学研发，1988年成立了公司，1997年被世界著名的流体分析软件公司FLUENT公司收购。

POLYFLOW具有强大的解决非牛顿流体以及非线性问题的能力，可以解决聚合物、食品、玻璃等加工过程中遇到的等温/非等温、二维/三维、稳态/非稳态的流动问题。

并且POLYFLOW软件的升级和非牛顿流体力学数值模拟技术的发展密切相关，POLYFLOW软件继承了当今最新、最完善而适当的运算法则，它的本构方程也是基于该领域最新的研究成果。

与其他CFD软件相比，POLYFLOW具有如下优点：

（1）POLYFLOW采用变形网格、接触算法、网格重叠技术，提高了计算的准确性；

（2）POLYFLOW与GAMBIT、IDEAS、PATRAN有良好的数据接口，可以使用他们生成网格，同样支持多种网格类型，比如三角形、四边形、四面体、五面体、六面体、组合网格等；

（3）POLYFLOW在模拟复杂的流变特性流体或者黏弹性流体时，主要有广义牛顿模型、屈服应力模型和黏弹性模型3种模型。

正因为如此，POLYFLOW使用与聚合物材料的挤出成型（包括直接挤压、反向挤压、混合挤压等）、吹塑成型、模压成型、热成型、涂复成型等各种成型工艺的模拟计算，还可应用在热传输、纺丝、共混、渗流、玻璃熔炉中的流动、轮胎面的制造与设计等。

2.2.2Polyflow软件的结构

POLYFLOW软件包括POLYMAT、GAMBIT、POLYSTAT、POLYDATA、FLUENT/Post（FIELVIEW）5个主要模块，它们由一个主控程序POLYMAN来执行。

其中POLYMAT模块用于创建黏弹性材料库，对实验数据根据用户指定的模型进行拟合。

GAMBIT是前处理模块，用于创建划分网格、几何模型、设定边界和子域。

POLYDATA是数据模块，用来设定物理模型、计算类型、边界条件、材料参数、求解方程和数值参数等。

POLYFLOW实际上是一个求解器，求解POLYDATA设置完成后输出的数据文件，生成后处理模块可以读取的结果文件。

FLUENT/Post是后处理模块，可以把POLYFLOW求解生的结果文件通过图像的形式显示出来，以便用户有效地观察和分析流动计算结果。

POLYSTAT模块则用于分析加工流场的共混效果。

由于Polyflow软件独有的特点，本文将采用此软件进行流场计算。

2.2.3Polyflow软件的求解过程

图2-1给出了Polyflow的计算框图，其求解过程分为以下几步：

2.3流体动力学控制方程

流体流动要受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括：

质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。

如果流动处于湍流状态，系统还要遵守附加的湍流输运方程[12~16]。

2.3.1质量守恒方程

任何流体流动都必须遵守质量守恒定律。

该定律可以表述为：

单位时间内流体微元体中质量的增加量等于同一时间间隔内流入该微元体的净质量[17~19]。

通过这个定律，可以得出质量守恒方程：

（2-1）

代入矢量符号

所以式（2-1）写成：

（2-2）

式中ρ——密度，kg/m3；

T——时间，s；

u、v、w——速度矢量u在x、y、z方向的分量，m/s。

式（2-2）为瞬态三维可压流体的质量守恒方程。

若流体不可压，密度ρ为常数，则其变为：

（2-3）

若流动处于稳态，则密度ρ不随时间变化，则式（2-3）变为：

（2-4）

2.3.2动量守恒方程

动量守恒定律也是任何流动系统都必须满足的基本定律。

该定律可表述为：

微元体中流体的动量对时间的变化率等于外界作用在这个微元体上的各种力的和。

根据这一定律，可导出x、y、z三个方向的动量守恒方程：

（2-5）

（2-6）

（2-7）

式中p——流体微元体上的压力，Pa；

τxx、τxy、τxz——因分子黏性作用而产生的作用在微元体表面