注蒸气多场耦合驱油机理的多层次描述与分析

刘 扬， 成庆林， 项新耀， 王志国， 魏立新

( 东北石油大学 石油工程学院，黑龙江 大庆 163318 )

0 引言

我国稠油资源比较丰富，约占石油资源总量的20%以上，预测资源量198亿t，其中最终可探明地质资源量为79.5亿t[1].经过近50 a的发展，热力采油已成为稠油开发的主要手段，能够有效提高油层温度，降低稠油黏度，使其流动性变好，从而易于采出.按照油层加热的方式热采可以分为两类：一是把热流体注入油层，如注热水、注蒸气等；另一类是在油层内燃烧产生热量，即火烧油层.其中注蒸气是最为有效的开采方法之一，目前世界上80%以上的稠油是通过此种方法采出的.与普通石油开采相比，稠油开采过程复杂、能耗高，仍有许多问题需要解决[2-3].深入研究注蒸气驱油过程的多场耦合机制，在保证经济效益的前提下，提高油藏的动用程度和采出效率，是亟待解决的问题之一[4-5].

1 多场耦合数学模型

一般而言，多孔介质多场耦合作用研究是在多个物理场，如温度场、应力场、渗流场和浓度场等的耦合作用下，多相流体或化学流体在孔隙裂隙中传输、固体骨架和流体中的参数分布及骨架变形与破坏规律的科学.因此，多孔介质多场耦合作用的理论体系涉及多个学科的交叉，如研究多孔介质骨架变形的应变力学，研究多相流体在孔隙裂隙中流动的渗流力学，分析固体骨架热传导和流体对流换热的传热学，以及描述溶解反应的扩散力学[6].运用这些理论体系，可以建立多孔介质多场耦合作用的数学模型，包括多孔介质及流体的变形和渗流控制方程、传热学控制方程、溶解传质控制方程以及耦合作用的物理方程.对该数学模型进行解析求解或数值计算，并定量分析各场之间的耦合影响程度，对于深入认识多孔介质中的复杂传递过程很有意义[7].

近20 a来，多孔介质多场耦合作用的数学模型经历了从部分耦合到完全耦合的发展过程.Biot最早给出饱和多孔介质热-水-力耦合固结过程的控制方程，并在等温条件下，明确耦合系数的定义及物理意义.Carter J P等[8]在进行热弹性耦合问题的有限元分析计算中考虑热-力之间的相互耦合作用，建立该耦合问题的控制方程.Booker J R等[9]在完善耦合控制方程的基础上，利用数学变换的方法对热力学和热固结耦合问题进行求解.盛金昌[10-11]给出多孔岩体介质瞬态流-固-热三场全耦合的完整数学模型，该模型包含众多耦合项的作用.白冰[7]进一步发展饱和多孔介质完全耦合条件下热-水-力控制方程的一般形式，分析各耦合项的物理意义.

人们在多孔介质多场耦合问题的数学求解方面进行研究.如井壁附近多孔介质与单相流体稳定流动条件下耦合渗流问题的解析解与半解析解[12-13].多场耦合问题的控制方程组一般极其复杂，所以普遍采用数值求解该类问题.目前热-流-固耦合渗流的数值模型大致分为3类：第一类是考虑饱和及不饱和的多孔介质及多孔介质中的动力学问题[14-15]；第二类利用混合物理论直接导出各相和混合物的质量守恒和动量平衡方程[16-17]；第三类考虑多相多组分的影响[18-19].在这3类数值模型的基础上，人们发展多种耦合模型，并给出固体变形和流体流动的不同耦合方法[20-22].

2 多场耦合驱油机理

注蒸气驱油过程属于典型高温、高压下多孔介质内的多场耦合问题.同其他资源与能源工程领域中的此类问题一样，其耦合过程的数学模型及其数值求解已得到较好地解决.关于蒸气驱油的机理，通过室内模拟实验，将其归纳为原油的升温降黏、受热膨胀与混相驱、蒸气的蒸馏与脱油、溶解气驱及乳化驱等多种作用的综合效果[23-24].这种驱油机理的多元化，根源是研究驱油过程各学科的相互交叉.虽然每门学科都可以计算一个或若干个“技术指标”，但是各门学科所获得的全部指标的集合也未必能够对研究对象作出完整、准确的描述，甚至还可能得出某些相互矛盾的结果，导致取得的驱油机理是“平行、并列、交叉”的，至于确定“多元”机理的结构组成，判别各“单元”机理的驱动权重等都无从谈起，影响注蒸气驱油实践的进一步发展[25].

实际上，动量、热量和质量等基本传递过程的相互交叉，使得不同形式能量分布之间互相影响，而不同形式能量的相互转换，最终导致多场耦合[26].常见的不可逆传递方程，如牛顿黏性定律、傅里叶导热定律及费克扩散定律等，本质上体现不可逆过程动力、阻力与传递速率之间的唯象关系，因此多场耦合也可以理解为多个势场通过改变动力与阻力的分布而对传递速率产生的影响[27-28].基于反映耦合根源的各传输过程之唯象律存在着类似性，各种场对渗流的耦合作用也有一定同一性，驱油过程还具有高度统一的特点，即其最终目的是将原油由某一区域推进到生产井，使得人们有可能用比较统一的目标，对这些耦合进行分类、评价和分析，从而为全面、深刻、清晰地认识注蒸气驱油过程的多场耦合机制，提供新的研究思路[29-31].

进而以“势场”为研究载体，以为蒸气驱油过程提供动力为统一目标，并将不可逆热力学中“流”与“力”的概念引入驱油过程，驱油域内的势场可被分为动力势场、目的势场和阻力势场[32-38].压力场、浓度场、重力场等动力势场是过程得以进行的基本条件，为驱油过程提供“力”；流速场等目的势场关联着原油在动力势场推动下由某一区域推进到生产井的物质迁移过程，是驱油过程的“流”；温度场、黏度场等阻力势场，通过连接动力势场与目的势场间的唯象关系，以产生阻力的方式对驱油效果产生影响.由此，驱油过程的多场耦合机制包括3个层次：动力势场间的耦合，各动力势场在驱动方向上耦合传递得越远，传递得越快，驱油效率和速率也会越高；动力势场与阻力势场的耦合，耦合的效果着眼于对原油宏观运移速率的作用效果；阻力势场间的耦合，找到其中对总阻力影响程度最大者，对于改善驱油效果具有重要的实际意义.

3 研究展望

尽管已在注蒸气驱油过程多场耦合的多层次描述与分析方面取得一些研究成果，但是还有较多的问题需要解决.如目前是根据油藏流体渗流公式中“推动力”的具体形式确定动力势场的，通常有压力场、重力场、毛细力场等，而浓度场等的驱动作用无法体现，因此这种判定方法不是很全面；再者，在比较动力势场的作用强弱时，是以各势场相对于环境基准而具有的理论驱动能力作为评价指标的，但理想过程总是偏离于实际过程的，这种偏离对于判别结果是否有影响，还需要进一步探讨；另外，驱油过程的唯象率能够反映动力势场和阻力势场之间的某些耦合机制，但这种“反映”仅仅是定性的，而非定量的，有必要找到它们的耦合影响因子，从而全面、深入地揭示二者的驱油耦合机制.因此，针对蒸气驱油过程中油藏多孔介质条件下多相、多组分流体的多场耦合驱油机理，有必要开展探索性研究：

(1)建立注蒸气驱油过程热—水力—力学—传质耦合的数学模型.目前油藏内耦合作用研究多限于水力—力学耦合，且假设温度场为恒定的，也没有考虑传质过程影响，偏差较大.有必要在总结已取得研究成果的基础上，协同运用热力学、渗流力学、传热学、油气开采工程、岩石力学、油藏地质学等学科理论，重点考虑“热”对质量、动量及能量传递的影响，在补充油藏热—水力、热—力学及热—传质等本构关系的基础上，提出针对油藏多孔介质条件下多相、多组分热—水力—力学—传质耦合数学模型.

(2)划分注蒸气驱油域动力势场与阻力势场的结构组成.从普通物理的角度，可以找到某些场耦合的规律，如温度场是影响范围最广的场、位移场是受到影响最多的场及相似的场之间容易发生强的耦合作用等.另外，非平衡态热力学认为：产生某种流的不一定只有它的共轭力，有时还可能有其他的力，张量特性相同的流和力可能耦合.因此，以渗流运动规律为基础，辅以非平衡态热力学的相关理论与普通物理，能够建立比较完整的驱油域势场的动力与阻力组成结构体系.

(3)构建动力势场与阻力势场形成的多层次耦合驱油的评价体系.为辨识原本平行的各“多元驱油机理”之间的主次关系，需要探讨能够反映动力势场远期驱动能力和当前驱动效果的统一指标，在对其量化的基础上可对各动力势场的重要程度进行排序，判断驱油过程的主导势场；主导势场的多个阻力势场中对总阻力影响程度最大者，是改善驱油过程的重要着眼点；当某种势场既是动力势场又是阻力势场时，这二者之间的耦合机制更为复杂，其结果也需要通过量化分析.构建完整的动力势场与阻力势场形成的多层次耦合驱油评价体系，对于清晰、深刻地认识注蒸气多场耦合的驱油机理有着极其重要的意义.

(4)实验研究、数值模拟和应用.有些基础理论研究要以实验为基础，还需进行实验测定、分析.一般所建模型解析求解比较困难，需要采用数值模拟方法进行求解并进行应用.

4 结束语

以基础理论研究为主，同时兼顾实际应用，重点研究注蒸气多场耦合驱油机理的多层次描述与分析的一些基本概念与方法.在充分利用已有基本理论和研究成果的基础上，可得到创新成果：建立针对油藏多孔介质条件下蒸气驱油过程的多相、多组分的热—水力—力学—传质耦合模型；完善反映驱油过程“流”与“力”动力学关系的唯象体系；探讨以油藏流体渗流场为核心的动力势场与阻力势场结构组成；推导评价蒸气驱油过程动力势场之间、阻力势场之间及动力势场与阻力势场之间耦合程度的参数指标；提出揭示蒸气驱多场耦合驱油机理的一般步骤和流程；采用合适的数值模拟方法求解并进行应用等.