低渗透油藏CO2驱微观波及特征

李南，田冀，谭先红，刘新光

（中海油研究总院，北京100028）

合理开发低渗透储层，已经成为当前以及今后缓解石油紧缺矛盾的重要手段，也对我国石油行业的持续稳定发展具有重要意义［1-3］。由于针对我国低渗透储层特征进行的CO2驱相关研究还处在初级阶段，因此加强低渗透储层CO2驱油波及特征的研究，显得尤为重要［4-7］。低渗透储层孔隙喉道细小，采用常规显微镜等识别较为复杂困难，应用有限元算法和两相渗流理论，结合低渗透油藏CO2渗流的扩散机理，可以有效地进行孔隙喉道的仿真模拟计算，从而精确得到微观CO2驱的波及特征，为认识低渗透油藏CO2渗流机理奠定了基础。

1 考虑扩散微观两相渗流模型的建立

在考虑扩散的前提下，将CO2驱油简化为油气两相流，着重研究不同的孔隙喉道、对流扩散系数下的微观驱油特征及波及体积。

1）连续性方程：

式中：ρ 为流体密度，kg/m3；v 为流体渗流速度，m/s；p为地层压力，MPa；g 为重力加速度，N/kg；t 为时间，s；μ流体黏度，mPa·s；下标o，g 分别表示油、气相。

2）扩散方程：

式中：cg为气相浓度，mol/m3；Dc为气相的对流扩散系数，m2/s。

3）黏度、密度矫正方程：

式中：S 为流体饱和度。

4）饱和度约束条件：

2 CO2 微观波及体积的影响因素

前人在研究CO2驱时，多是宏观分析对流扩散对产能的影响［8-18］，但没有详细研究对流扩散对微观渗流的影响。本文通过微观有限元模拟，以精确了解对流扩散对CO2驱微观波及体积的影响程度。

2.1 对流扩散

2.1.1 简单孔喉模型

基于有限元算法可以更为精确地计算复杂边界条件下流体的运动规律，因此，建立考虑扩散微观两相渗流有限元数学模型，采用有限元三角形网格剖分方法，选用大规模稀疏矩阵PARDISO 进行求解。

CO2驱微观流动模型采用考虑扩散的微观两相渗流模型，模拟CO2与原油没有混相时的微观流动，着重考虑不同对流扩散系数情况下对CO2波及体积的影响。模型参数如下：CO2地下黏度0.04 mPa·s，原油地下黏度2.70 mPa·s，地层压力22 MPa，喉道半径2 μm，CO2地下密度500 kg/m3，原油密度900 kg/m3，混相流体浓度3.5 mol/m3，模型尺寸20 μm×14 μm。模型示意见图1。

对流扩散系数很小时（可以忽略不计），在孔喉的末端存在浓度滞后现象；当考虑CO2与原油的对流扩散系数时，浓度滞后现象几乎不存在了。这说明CO2混相后扩散现象会使流体浓度分布更均匀，同时能达到提高CO2波及体积及混相效果的目的（见图1，色谱柱以下同）。

图1 不同扩散系数CO2 浓度分布

2.1.2 复杂孔喉模型

为了研究在复杂孔喉中对流扩散作用对CO2微观渗流的影响，在二维简单孔喉模型基础上，建立了CO2驱微观复杂孔喉流动模型。按3 种方案分别进行CO2驱油的微观波及特征分析：方案1，均匀孔喉，不考虑对流扩散；方案2，非均匀孔喉，不考虑对流扩散；方案3，非均匀孔喉，考虑对流扩散。网格划分采用自由剖分的三角形网格，采用瞬态计算，得到不同时间的各种参数场图（见图2）。

图2 不同方案参考点CO2 浓度分布

由于气液的黏度差，在多孔介质中存在CO2突进的现象。方案2 与方案1 相比，由于孔隙喉道的非均匀性，CO2的波及效果明显变差；方案3 中，当考虑对流扩散后，从相同时间下CO2浓度的分布可以看出，对流扩散作用明显提高了CO2的波及体积，即对流扩散作用降低了平面各向异性的影响。

2.2 润湿性

针对低渗透储层提高CO2波及体积困难的问题，本文采用微尺度仿真孔喉模型，在上述模拟的基础上，同时考虑微观扩散作用和润湿性，分析微观波及特征和模式，研究低渗透油藏提高CO2微观波及体积的方法。模型参数：扩散系数1×10-8m2/s，模型尺寸32 μm×22 μm，界面张力1.7 mN/m，接触角分别为30，90，120°，喉道半径3 μm，含油饱和度大于0.3。

结合油藏实际的薄片实验，在考虑边界润湿性的条件下，可以明显发现，孔隙喉道内部剩余油的微观分布模式主要分为3 种： 在孔隙喉道较窄的区域出现柱状剩余油、 在孔隙喉道突出的区域出现楔形剩余油和在孔隙喉道边界层出现膜状剩余油（见图3）。

图3 微观剩余油模式

在相同的时间、不同边界润湿性的条件下，模型中的微观波及体积明显不同。通过计算发现：当接触角为30°时，CO2微观波及体积62%；当接触角为90°时，CO2微观波及体积53%；当接触角为120°时，CO2微观波及体积46%（见图4）。因此，在低渗透储层孔喉的末端或狭窄的区域，可以通过转变储层的润湿性提高CO2微观波及体积。

图4 微观CO2 浓度分布

3 结论

1）分别建立了考虑扩散的低渗透简单、复杂的孔喉微观模型。通过微观有限元模拟认为，对流扩散提高了低渗透油藏CO2驱的微观波及体积。

2）通过对仿真孔隙喉道的模拟驱油发现，其内部剩余油的微观分布模式主要有柱状、楔形、膜状。

3）考虑不同润湿性边界时，随着润湿角的增加，CO2微观波及体积明显降低。

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