化学驱数值模拟技术

刘皖露，马德胜，王 强，刘朝霞

（中国石油勘探开发研究院提高石油采收率国家重点实验室，北京 100083）

化学驱数值模拟技术

刘皖露，马德胜，王 强，刘朝霞

（中国石油勘探开发研究院提高石油采收率国家重点实验室，北京 100083）

随着化学驱技术在油田矿场的推广应用，现有软件的化学驱模拟功能越来越难以满足油田实际需求.通过调研化学驱数值模拟技术，阐述油藏数值模拟技术的发展现状，并将CMG、ECLIPSE、UTCHEM等8种软件分为综合型软件化学驱模块和单一化学驱软件两类，分析各软件的优缺点，对比各软件的综合性能及化学驱功能，指出化学驱数值模拟软件技术存在的主要问题及发展方向.现有软件在增强前后处理功能的同时，还需进行核心的完善.化学驱软件考虑众多物理化学因素，导致求解困难，需要在数值模拟的稳定性和机理描述的合理性之间进行适当取舍.虽然国产数值模拟软件在整体性能上弱于国外商业化软件，但是在化学驱数学模型和机理描述上具备较大优势.

数值模拟技术；化学驱；聚合物驱；数学模型；驱油机理；软件

油气藏的存在及运动形式复杂，多种提高采收率技术的应用使油藏流体的渗流更加复杂，因此认识油藏及其中流体的流动规律困难.油藏数值模拟技术始于20世纪50年代，可以认识油藏并预测油藏动态.由于计算机、油藏工程等学科的不断发展，油藏数值模拟技术也迅速发展，20世纪70年代末油藏数值模拟研究开始转向三次采油数值模拟.目前，黑油模型已相对成熟，而化学驱由于驱油机理复杂，数值模拟中涉及的物理化学参数较多，且多数难以测定，化学驱模型成熟性和可靠性较差［1－2］.随着化学驱技术在国内外推广应用，目前数值模拟软件技术越来越难以满足化学驱技术的快速发展［3］，迫切需要开展化学驱数值模拟技术的研究.

1 研究现状

化学驱是我国主要的三次采油技术之一，在一定条件下能够有效提高采收率，但其矿场应用受限，一是各种化学剂价格昂贵，化学驱矿场应用投资大；二是化学驱技术复杂，进行化学驱矿场试验风险大［4］.化学驱实验不能很好地反映矿场的实际生产状况，化学驱数值模拟是联系实验研究和矿场试验的纽带，它以化学驱驱油机理及物理化学现象的合理描述为基础，实现对化学驱驱油过程相对准确的模拟及预测，从而降低投资风险，提高化学驱经济效益.

目前化学驱数值模拟软件主要分为两类［5］：（1）通过考虑部分化学驱机理，改进黑油模型而研发的化学驱模拟器，如ECLIPSE中的强化采油选项、VIP－POLYMER等；（2）基于化学驱机理和特征而研发的化学驱模拟器，如UTCHEM.笔者依据软件的功能和应用范围，将现有化学驱软件分为两类：综合型软件化学驱模块和单一化学驱软件.

1.1 综合型软件化学驱模块

ECLIPSE、CMG、DESKTOP－VIP、SURE是一类具备部分化学驱功能的综合型油藏数值模拟软件，这些软件功能较全、一体化程度高、前后处理先进、计算快速稳定、商业化好、工业应用广泛.

1.1.1 CMG－STARS

CMG油藏数值模拟软件由加拿大CMG数值模拟研究机构研发，包括黑油模型IMEX；组分模型GEM；蒸汽驱、热采、化学驱及其他先进开采过程模型STARS；相态分析模型WinPorp；前处理模型BUILDER；后处理模型RESULTS.

STARS具有灵活的组分定义功能，反应动力学方程可以由用户自定义.化学驱模块可以模拟聚合物、表面活性剂、碱、三元复合驱、凝胶、示踪剂、泡沫、乳状液、化学剂增强气水交替驱、微生物提高采收率、VAPEX、低盐度水驱、油藏酸化等油藏工艺过程.

STARS用于聚合物驱数值模拟时，模拟的聚合物体系数目不受限制，可以模拟生物聚合物和非生物聚合物，考虑的物理化学因素包括：聚合物的吸附、脱附及吸附优先级、炮眼剪切黏度降低、阳离子交换反应、分子扩散和弥散、不可及孔隙体积、相对渗透率变化、渗透率下降、线性及非线性黏度变化、聚合物溶液的流变特征；水驱模拟功能；注入段塞任意组合；黏度计算方法；油、水、固相设计；模拟不同的水（地层水、注入水）；模拟地层原油非均质性；离子包括阴离子、二价离子.

STARS的凝胶功能可以做渗透率垂向差异调剖研究、水驱油田大孔道调剖研究等，考虑因素包括：用反应动力学和化学反应平衡方程描述凝胶生成过程；非线性相关相黏度和非线性相关密度计算模型；铬／聚、铝／聚合物体系；强、弱凝胶体系；温度相关黏度计算；聚合物吸附滞留及脱附；聚合物溶液的黏度、流变性、离子交换；渗透率下降系数；胶结物的降解；交联反应对水相黏度的影响；阻力系数、残余阻力系数的影响；交联反应物反应概率.

CMG最新研发的CMOST任务具有MOO算法，可以在CMOStStudio中独立执行，也可以应用到黑油、组分以及热采模拟中，用于敏感性分析、历史拟合、优化、不确定评估.与旧版相比，2010版CMGSTARS还增加灵活井模型、独立地质力学网格、多种子域天然裂缝模型、用户指定水—气和三相毛管压力功能等①Computer Modelling Group Ltd.User＇s Guide STARS，2010..

1.1.2 ECLIPSE系列

ECLIPSE软件是美国斯伦贝谢Geoquest公司研发的数值模拟软件，包括标准的有限差分模拟器（黑油、组分和热采）和流线模拟器FrontSim，结合ECLIPSE高级选项，涵盖从地质建模到历史拟合、开发预测、生产优化的整个开发研究流程.

黑油模拟器ECLIPSE 100是核心模拟器，用Fortran 77语言编写，为三维三相、全隐式，带有天然气、凝析油选项.组分模拟器ECLIPSE 300用于模拟凝析气藏、挥发性油藏、注气等油气藏开采过程.热采模拟器ECLIPSE 500是基于组分模型并用有限差分方法建立模拟器，能够模拟包含油、气、水三相的稠油热采过程.流线模拟器FrontSim是基于隐式压力显式饱和度和流线／前缘追踪概念的油藏模拟器，可以避免数值弥散和网格方向的影响，直接量化井组的注采关系.

ECLIPSE前后处理模块为ECLIPSE生成模拟所需的相关数据文件，简化数据准备过程，并对模拟结果进行分析与可视化展示.一体化数值模拟管理软件ECLIPSE Office可在一个界面下实现所有ECLIPSE模块的管理.

强化采油高级选项EOR Group包括聚合物驱模型、表面活性剂驱模型、泡沫驱模型、溶剂驱模型，可以进行段塞注入［6］.

（1）聚合物驱：全隐式、五组分（油、水、气、聚合物、盐离子）模型.模型考虑：a.聚合物对水相的增黏效应；b.聚合物在岩石表面的吸附及造成水相相对渗透率降低；c.高速流动时非牛顿剪切应力的降黏效应；d.地层水矿化度对聚合物溶液黏度的影响；e.不可及孔隙体积；f.非牛顿流体模拟，黏度是压力、聚合物浓度及剪切速率的函数；g.使用Herschel－Bulkley模型；h.采用新的吸附模型和碱驱模型，可以模拟ASP三元复合驱；i.引入多组分矿化度，考虑不同组分盐的运移以及与岩石表面的离子交换反应.

（2）表面活性剂驱：表面活性剂通过降低油水体系界面张力，从而降低残余油饱和度，提高采收率.模型考虑：a.通过毛管压力修正相对渗透率曲线；b.表面活性剂浓度对毛管压力及水相黏度的影响；c.表面活性剂在岩石表面的吸附；d.表面活性剂吸附对岩石润湿性的影响；e.地层水矿化度的影响；f.改进表面活性剂吸附模型；g.引入多组分矿化度，考虑不同组分盐的运移以及与岩石表面、表面活性剂的离子交换反应.

（3）泡沫驱：用于筛选各种泡沫注入的可行性方案.模型主要特点：泡沫可以视为气相中的示踪剂，降低气相流度，其效应与压力和剪切速度相关；泡沫在岩石表面的吸附是浓度的函数；泡沫衰减速度是油水饱和度的函数；气相／水相均可以作为泡沫流动的载体；气体流度降低模型既可以是表格形式也可以是函数形式.

2010版ECLIPSE在化学驱模块中扩展聚合物驱、表面活性剂驱和ASP三元复合驱模拟功能，增加灵活控制UDQ、UDA自定义参数功能等的兼容度.

1.1.3 DESKTOP－VIP

VIP数值模拟软件是哈里伯顿兰德马克公司的产品，用于黑油、组分、双重介质、热采、PVT、聚合物（包括调剖）等模型的模拟.

VIP主要包括前处理模块（GRIDGENR、DT－PVT、VDS）、后处理模块（PlotView、3DVIEW）、模拟器模块（初始化模型模拟器CORE、模拟模型模拟器EXEC）.模型模拟器包括常规黑油模拟器ENCORE、组分模拟器COMP、热采模拟器THERM、局部网格加密LGR、模拟双孔双渗、双孔单渗、存在部分裂缝的油气藏DUAL、聚合物驱模拟器POLYMER等功能模块②Landmark Grap hics Corporation.Desktop－VIP User guide，2009..

POLYMER是一个三维三相六组分扩展的黑油模型，使用修正的全隐式、CBLITZ线性方程组解法，主要考虑聚合物导致的黏度增加、吸附导致的水相渗透率下降、剪切变稀、离子交换等.目前，VIP的化学驱处理功能不是很完备，主要针对聚合物驱，也适用于近井地带的高浓度、高强度调剖［7］.

1.1.4 SURE

SURE是美国GCC集团第三代油藏数值模拟软件，包含黑油模型、扩展的黑油模型（盐模型、聚合物模型、API模型、双孔隙度／渗透率模型、试井模型）、组分模型、混合模型.在模拟过程中可以选择使用PEBI网格、开天窗、局部时间步、混合模型、自适应双连续法模拟天然裂缝等技术［8－9］.SURE软件包括主模拟器SURESim、前后处理器SUREGrid、2D曲线图形处理SUREPlot、PVT处理软件包SUREPVT、裂缝性油藏建模SUREFrac等模块.主模拟器SURESim基于通用组分方程，采用全隐式、自适应隐式和IMPES解法，用于模拟黑油、组分、聚合物驱、API、双孔双渗等过程.

1.1.5 WorkBench

WorkBench是美国科学软件公司SSI的一套集油藏描述、试井分析、生产数据分析及油藏数值模拟于一体的油藏管理系统［10］，主要油藏数值模拟模块包括：SIMBEST－2、COMP5（基于状态方程的全隐式组分模型）、WPM、PVT、THERM等.

在使用过程中，WorkBench软件在数据输入、图形表格处理、数据输出方面、数据库的稳定性等方面存在一些问题，国内一些单位对其进行修改完善，使其可以模拟化学驱油过程.

1.2 单一化学驱软件

化学驱驱油过程复杂，需要考虑的物理化学因素众多［11］.与综合型软件化学驱模块相比，单一化学驱数值模拟软件的驱油机理描述较为准确，数学模型所考虑的因素相对全面.

1.2.1 UTCHEM

UTCHEM是美国德克萨斯大学的一个三维多相多组分、可变温度的有限差分化学驱模拟器.它是教学研究类模拟器，能够模拟碱驱、聚合物驱、表面活性剂驱、生物驱、泡沫驱、各种二元复合驱、三元复合驱等过程，有多种坐标和数值弥散控制方式选择，还有双重介质选项，以支持复杂油藏的化学驱数值模拟.UTCHEM也存在问题，如模拟参数较多将导致操作繁琐，化学方程组求解方法不稳定，计算速度慢，矿场应用能力差.经过较大改进，UTCHEM增加前后处理模块和并行处理功能，矫正计算上与油田现场矛盾的缺点［12－13］.国内引进UTCHEM的油田如大庆、新疆、胜利等对其进行改进，使它更加适合油田现场需求［14－15］.

1.2.2 Grand

Grand软件共有6个系统［16］：前处理模块EVG、后处理模块CPG、聚合物软件系统FAPS、三元复合驱软件系统FACS、凝胶调驱软件系统FAPMS、凝胶复合驱软件系统ASPG.软件涉及的组分及物化参数众多，方程组求解困难，因此采用高阶差分离散格式、TVD差分格式及其他浓度方程计算格式，以提高求解精度、速度和稳定性.

EVG是水驱与化学驱的接口软件，可以从VIP、ECLIPSE水驱模拟结果的数据文件提取数据信息转换到Grand化学驱数值模拟软件中.

FAPS软件通过调整流度比、扩大波及体积提高采收率.模型考虑的物理化学现象包括：多种聚合物、多种示踪剂、聚合物吸附和脱附、聚合物吸附的优先级、阳离子交换反应、分子扩散和弥散、不可及孔隙体积、相对渗透率变化、渗透率下降、黏度变化、聚合物溶液的流变特征、示踪剂的分配、示踪剂的吸附与滞留、示踪剂放射性衰变等.

FACS软件通过提高驱油效率进而提高采收率，可以处理表面活性剂、聚合物、碱三元复合体系或任意组合［17－19］.采用克里金插值、分形几何插值、与数据点间距离幂次反比的插值方法，还使用现代数值计算TVD方法和高精度的浓度方程计算格式.模型的主要物理化学描述包括：相态特征、化学物的吸附、界面张力的变化、相对渗透率变化、阳离子交换反应、溶解与沉淀、原油的酸性组分与碱生成表面活性剂、水相化学反应、pH值变化、分子扩散与弥散、毛细管捕集、黏度变化和渗透率下降、不可及孔隙体积、捕集与滞留等.

FAPMS软件包含5种可改变渗透率的凝胶调驱软件，分别包括：铬／聚合物体系、高pH值铝酸盐［Al（OH）4］／聚合物体系、柠檬酸铝／聚合物体系、胶态分散体系CDG、复合离子堵水调剖体系.

ASPG软件包含复合驱和调剖的全部功能，解决复合驱、调剖2种软件不能接口兼容的难题.它能够模拟油、气、水三相情况，考虑含盐量、温度作用，将全部化学参数智能隐含，软件可以根据用户提供的化学剂注入信息，自动设计组分，准备需要的化学参数.

1.2.3 ASP

ASP软件由中国石油勘探开发研究院研制，是一个三维多相多组分（油、水、表面活性剂、聚合物、多种碱、一价阳离子、二价阳离子、胶联剂等）的多功能化学驱软件［20－21］，能够模拟水驱、聚合物驱、胶联、碱／聚合物驱、碱／聚合物／表面活性剂驱以及各种驱替的组合.

ASP软件考虑复合驱的主要驱油机理，降低界面张力、流度控制、化学剂吸附；考虑速度引起的质量传递，由浓度梯度引起的组分扩散，由相平衡转移引起的液—液相间的质量传递，由吸附—脱附、滞留、离子交换等引起的液固相间的转移；考虑复合驱过程中各种重要的物理化学现象，界面张力，碱耗，化学剂的吸附和滞留损失，相对渗透率的变化，组分扩散，相态变化，含盐量对吸附、黏度、界面张力、相态等的影响，聚合物溶液特性，离子交换和化学反应等；系统方程组采用高斯、SOR和预处理共轭梯度等多种解法；考虑计算精度的要求并兼顾计算量，其模拟计算采用自适应组合网格方法FAC进行动态局部网格加密.

1.2.4 其他

化学驱软件还有加拿大SURTEK公司的GCOMP、美国Texas大学的UTCOMP、AEA Technology公司的SCORPIO、法国石油研究院的SCORE等.国内化学驱数值模拟技术的发展晚于国外，现有软件在整体性能上弱于国外的商业化软件.中国石油勘探开发研究院的EOR－SIM、廊坊分院的化学驱／聚合物驱软件、中国石油大学的UPCHEM－CL交联聚合物驱软件、大庆油田的DQ－POLYMER、胜利油田的SLCHEM等，这些软件功能不是很全面，但数学模型和驱油机理描述较为准确，且与国内化学驱矿场应用的技术需求保持一致，具有一定的发展潜力.

2 软件功能模块

3个应用较多的综合型软件CMG、ECLIPSE、VIP各有优缺点：CMG软件简洁，易于操作，后处理及调参计算出色，目前STARS多用于模拟热采驱油过程［22］，其化学驱模拟功能具有较大发展潜力；ECLISPE的前后处理模块出色，综合功能强大，但化学驱功能一般，国内应用最多的是黑油模型；VIP的前后处理模块稍差，参数给定方法稍显复杂［23］.

单一的化学驱软件大多数包装很差，需要进一步改进完善（见表1）.

化学驱包括多种不同技术，现有软件多数只能对某一种或几种化学驱技术进行模拟（见表2）.有些数学模型更是简化化学驱中的很多物理化学现象，省略部分化学反应计算模块，不能很好地反映化学驱的驱油机理（见表3）.

表1 各软件功能模块

表2 各软件化学驱模块

表3 各软件化学驱模块主要考虑因素

3 存在问题

（1）化学驱油过程复杂，常伴随着对流、扩散、吸附、离子交换、相渗变化等物理化学反应；化学驱数学模型除渗流方程，还包括组分扩散方程、物理化学平衡关系式、化学反应动力学方程等.因此，化学驱数学模型需要考虑大量物理化学参数的影响，求解变量多、离散化及求解困难，开发强有力的化学驱模拟软件比黑油模型复杂得多.

（2）不同化学驱软件对某些物理化学参数作用机理的处理方法各不相同，致使计算结果出现差异.ECLIPSE、CMG和VIP考虑不可及孔隙体积对驱油效果的影响［24－25］：在ECLIPSE中，不可及孔隙完全被水占据，不可及孔隙体积最终通过含水饱和度体现；在CMG中，不可及孔隙体积是由吸附作用导致的孔隙度减小；在VIP中，不可及孔隙体积系数的作用是通过聚合物溶液的质量浓度体现的.

（3）综合型商业化软件更新较快，在设计综合软件平台及用户界面、图形显示质量、改进计算方法等方面进行研究，显著提高数值模拟工作效率.为使化学驱软件提升更高的层次，还需要在化学驱技术的基本理论和驱油机理等核心方面做进一步研究［26－27］.化学驱技术在油田的应用及发展过程中不断涌现出许多新理论，化学驱数值模拟技术应该跟踪化学驱的发展前沿，针对新出现的问题，强化理论认识，进而增强软件功能.

（4）单一化学驱软件考虑的化学驱机理及物化现象较准确，但是当化学驱数学模型中组分数较多时，模拟计算需要大量时间，且模拟的稳定性较差，而且某些物理化学参数无法从实验室或现场试验获得，从而限制软件的矿场应用.因此，化学驱软件需在模拟的稳定性和机理描述的合理性之间进行适当取舍.

（5）国内软件在化学驱机理和物化现象描述上具备较大优势，但在整体性能上弱于国外商业化软件［28－29］.为提高国产软件的工作效率，使国产软件赶上国际水平，首先需要改进数学模型的计算方法，在软件的包装、输入输出流程等方面取得更多进展；然后将其推广至油田，并在应用过程中不断更新完善.

4 发展趋势

为保证化学驱软件开发的先进性，应该及时了解国内外数值模拟软件技术的最新动向.新一代油藏模拟器Intersect和Nexus在国内还未得到广泛应用，但在国外已经开始进入油田市场.

Intersect由斯伦贝谢和雪佛龙能源技术公司联合研发，是一种采用C＋＋程序设计的新架构，输入文件采用类似于XML的描述语言，扩展性好，使用主流脚本语言.它可以模拟大型复杂油藏和高度非均质体系，生产控制系统支持复杂的油田管理，还包括海洋开发工具［30］.

Nexus是哈里伯顿公司新推出的一款基于DecisionSpace开放环境，架构在VIP基础上的数值模拟软件③Next－generation reservoir modeling available now，2006..前处理技术采用智能化网格粗化，支持多种数据体格式，方便导入目前主流地质建模软件生成的数据体；非结构化的解法器不受非相邻网格技术的限制；实现从地下到地面的一体化模拟，如模拟水平井、斜井、分支井等，可以快速进行靶点优选和井轨迹精细设计.

开发强有力的化学驱软件，需要吸取这两类软件的精华，避免其缺陷.我国化学驱技术成熟，处于世界领先水平，且我国油田实际对化学驱软件有着极大需求，从而促进化学驱软件技术的发展.化学驱模型对物理化学现象描述的准确程度是其能否真实模拟、反映实际驱油过程的关键，化学驱软件的研发首先需要对化学驱驱油机理的准确描述；其次要考虑模型中各物理化学参数选取的难易，保证模拟的稳定性.

（1）对物理化学参数的考虑要从参数的定义出发，分析各参数对驱油效果的影响，使其能更准确描述化学驱油过程，避免造成由参数作用机理处理的不合理描述而造成的计算误差；

（2）对于较复杂的化学驱模型，在保证化学驱机理描述较为正确的前提下，适当简化模型的物化现象描述过程，以减少存储量和计算时间，使模拟结果更加稳定；

（3）改进化学驱数学模型的求解方法，包括对压力方程、浓度方程、化学平衡反应方程等求解方法的优化，减少模拟时间，提高模拟速度；

（4）对于大规模、超大规模的化学驱问题，除应用大型计算机以外，可以考虑运用微机机群进行并行计算［31］.

5 结束语

虽然国产化学驱数值模拟软件在整体性能上弱于国外商业化软件，但是在化学驱机理描述和模拟功能上具备较大优势，具有重大发展潜力.此外，油藏数值模拟软件的研制过程是在推广应用中不断改进的过程，化学驱软件的开发应该根据三次采油油藏工程技术的发展要求，及时吸收国内外化学驱研究的先进理论及技术经验，并考虑其可操作性和矿场实用性，从而使油藏数值模拟技术适应我国油田开发事业的发展需要.

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Numerical simulation for chemical flooding／2012，36（3）：72－78

LIU Wan－lu，MA De－sheng，WANG Qiang，LIU Zhao－xia
（State Key Laboratory of EOR.，Research Institute of Petroleum Exploration and Development，Beijing100083，China）

Along with the popularization and application of chemical flooding technology in oilfields，itis more and more difficultfor the existing chemical flooding simulators to meetthe actual needs of oilfields.So the further research of chemical simulation technology needs to be carried outimmediately.Based on the investigation of chemical simulation technology athome and abroad，the history and presentsituation of chemical simulation technology are analyzed，CMG and other seven simulators are divided into two categories：comprehensive reservoir simulators and special chemical flooding simulators，and a detailed introduction of them is made.Then the authors summarize the advantages and disadvantages of each simulator，and make a comparison of differentsimulators in their comprehensive performance and chemical flooding function.After a lotof work，atlastthe authors pointoutthe main problems of chem－ical simulation technology，and give some advice aboutthe developmentdirection of chemical simulation technology.

numerical simulation technology；chemical flooding；polymer flooding；mathematical model；oil displacementmechanism；software

book=3,ebook=75

TE319

A

1000－1891（2012）03－0072－07

2012－02－28；编辑：任志平

中国石油天然气股份有限公司科学研究与技术开发项目（2011B－1306）

刘皖露（1987－），女，硕士研究生，主要从事油藏数值模拟及三次采油方面的研究.