化學驅數值模擬技術

劉皖露，馬德勝，王 強，劉朝霞

（中國石油勘探開發研究院提高石油采收率國家重點實驗室，北京 100083）

化學驅數值模擬技術

劉皖露，馬德勝，王 強，劉朝霞

（中國石油勘探開發研究院提高石油采收率國家重點實驗室，北京 100083）

隨著化學驅技術在油田礦場的推廣應用，現有軟件的化學驅模擬功能越來越難以滿足油田實際需求.通過調研化學驅數值模擬技術，闡述油藏數值模擬技術的發展現狀，并將CMG、ECLIPSE、UTCHEM等8種軟件分為綜合型軟件化學驅模塊和單一化學驅軟件兩類，分析各軟件的優缺點，對比各軟件的綜合性能及化學驅功能，指出化學驅數值模擬軟件技術存在的主要問題及發展方向.現有軟件在增強前后處理功能的同時，還需進行核心的完善.化學驅軟件考慮眾多物理化學因素，導致求解困難，需要在數值模擬的穩定性和機理描述的合理性之間進行適當取舍.雖然國產數值模擬軟件在整體性能上弱于國外商業化軟件，但是在化學驅數學模型和機理描述上具備較大優勢.

數值模擬技術；化學驅；聚合物驅；數學模型；驅油機理；軟件

油氣藏的存在及運動形式復雜，多種提高采收率技術的應用使油藏流體的滲流更加復雜，因此認識油藏及其中流體的流動規律困難.油藏數值模擬技術始于20世紀50年代，可以認識油藏并預測油藏動態.由于計算機、油藏工程等學科的不斷發展，油藏數值模擬技術也迅速發展，20世紀70年代末油藏數值模擬研究開始轉向三次采油數值模擬.目前，黑油模型已相對成熟，而化學驅由于驅油機理復雜，數值模擬中涉及的物理化學參數較多，且多數難以測定，化學驅模型成熟性和可靠性較差［1－2］.隨著化學驅技術在國內外推廣應用，目前數值模擬軟件技術越來越難以滿足化學驅技術的快速發展［3］，迫切需要開展化學驅數值模擬技術的研究.

1 研究現狀

化學驅是我國主要的三次采油技術之一，在一定條件下能夠有效提高采收率，但其礦場應用受限，一是各種化學劑價格昂貴，化學驅礦場應用投資大；二是化學驅技術復雜，進行化學驅礦場試驗風險大［4］.化學驅實驗不能很好地反映礦場的實際生產狀況，化學驅數值模擬是聯系實驗研究和礦場試驗的紐帶，它以化學驅驅油機理及物理化學現象的合理描述為基礎，實現對化學驅驅油過程相對準確的模擬及預測，從而降低投資風險，提高化學驅經濟效益.

目前化學驅數值模擬軟件主要分為兩類［5］：（1）通過考慮部分化學驅機理，改進黑油模型而研發的化學驅模擬器，如ECLIPSE中的強化采油選項、VIP－POLYMER等；（2）基于化學驅機理和特征而研發的化學驅模擬器，如UTCHEM.筆者依據軟件的功能和應用范圍，將現有化學驅軟件分為兩類：綜合型軟件化學驅模塊和單一化學驅軟件.

1.1 綜合型軟件化學驅模塊

ECLIPSE、CMG、DESKTOP－VIP、SURE是一類具備部分化學驅功能的綜合型油藏數值模擬軟件，這些軟件功能較全、一體化程度高、前后處理先進、計算快速穩定、商業化好、工業應用廣泛.

1.1.1 CMG－STARS

CMG油藏數值模擬軟件由加拿大CMG數值模擬研究機構研發，包括黑油模型IMEX；組分模型GEM；蒸汽驅、熱采、化學驅及其他先進開采過程模型STARS；相態分析模型WinPorp；前處理模型BUILDER；后處理模型RESULTS.

STARS具有靈活的組分定義功能，反應動力學方程可以由用戶自定義.化學驅模塊可以模擬聚合物、表面活性劑、堿、三元復合驅、凝膠、示蹤劑、泡沫、乳狀液、化學劑增強氣水交替驅、微生物提高采收率、VAPEX、低鹽度水驅、油藏酸化等油藏工藝過程.

STARS用于聚合物驅數值模擬時，模擬的聚合物體系數目不受限制，可以模擬生物聚合物和非生物聚合物，考慮的物理化學因素包括：聚合物的吸附、脫附及吸附優先級、炮眼剪切黏度降低、陽離子交換反應、分子擴散和彌散、不可及孔隙體積、相對滲透率變化、滲透率下降、線性及非線性黏度變化、聚合物溶液的流變特征；水驅模擬功能；注入段塞任意組合；黏度計算方法；油、水、固相設計；模擬不同的水（地層水、注入水）；模擬地層原油非均質性；離子包括陰離子、二價離子.

STARS的凝膠功能可以做滲透率垂向差異調剖研究、水驅油田大孔道調剖研究等，考慮因素包括：用反應動力學和化學反應平衡方程描述凝膠生成過程；非線性相關相黏度和非線性相關密度計算模型；鉻／聚、鋁／聚合物體系；強、弱凝膠體系；溫度相關黏度計算；聚合物吸附滯留及脫附；聚合物溶液的黏度、流變性、離子交換；滲透率下降系數；膠結物的降解；交聯反應對水相黏度的影響；阻力系數、殘余阻力系數的影響；交聯反應物反應概率.

CMG最新研發的CMOST任務具有MOO算法，可以在CMOStStudio中獨立執行，也可以應用到黑油、組分以及熱采模擬中，用于敏感性分析、歷史擬合、優化、不確定評估.與舊版相比，2010版CMGSTARS還增加靈活井模型、獨立地質力學網格、多種子域天然裂縫模型、用戶指定水—氣和三相毛管壓力功能等①Computer Modelling Group Ltd.User＇s Guide STARS，2010..

1.1.2 ECLIPSE系列

ECLIPSE軟件是美國斯倫貝謝Geoquest公司研發的數值模擬軟件，包括標準的有限差分模擬器（黑油、組分和熱采）和流線模擬器FrontSim，結合ECLIPSE高級選項，涵蓋從地質建模到歷史擬合、開發預測、生產優化的整個開發研究流程.

黑油模擬器ECLIPSE 100是核心模擬器，用Fortran 77語言編寫，為三維三相、全隱式，帶有天然氣、凝析油選項.組分模擬器ECLIPSE 300用于模擬凝析氣藏、揮發性油藏、注氣等油氣藏開采過程.熱采模擬器ECLIPSE 500是基于組分模型并用有限差分方法建立模擬器，能夠模擬包含油、氣、水三相的稠油熱采過程.流線模擬器FrontSim是基于隱式壓力顯式飽和度和流線／前緣追蹤概念的油藏模擬器，可以避免數值彌散和網格方向的影響，直接量化井組的注采關系.

ECLIPSE前后處理模塊為ECLIPSE生成模擬所需的相關數據文件，簡化數據準備過程，并對模擬結果進行分析與可視化展示.一體化數值模擬管理軟件ECLIPSE Office可在一個界面下實現所有ECLIPSE模塊的管理.

強化采油高級選項EOR Group包括聚合物驅模型、表面活性劑驅模型、泡沫驅模型、溶劑驅模型，可以進行段塞注入［6］.

（1）聚合物驅：全隱式、五組分（油、水、氣、聚合物、鹽離子）模型.模型考慮：a.聚合物對水相的增黏效應；b.聚合物在巖石表面的吸附及造成水相相對滲透率降低；c.高速流動時非牛頓剪切應力的降黏效應；d.地層水礦化度對聚合物溶液黏度的影響；e.不可及孔隙體積；f.非牛頓流體模擬，黏度是壓力、聚合物濃度及剪切速率的函數；g.使用Herschel－Bulkley模型；h.采用新的吸附模型和堿驅模型，可以模擬ASP三元復合驅；i.引入多組分礦化度，考慮不同組分鹽的運移以及與巖石表面的離子交換反應.

（2）表面活性劑驅：表面活性劑通過降低油水體系界面張力，從而降低殘余油飽和度，提高采收率.模型考慮：a.通過毛管壓力修正相對滲透率曲線；b.表面活性劑濃度對毛管壓力及水相黏度的影響；c.表面活性劑在巖石表面的吸附；d.表面活性劑吸附對巖石潤濕性的影響；e.地層水礦化度的影響；f.改進表面活性劑吸附模型；g.引入多組分礦化度，考慮不同組分鹽的運移以及與巖石表面、表面活性劑的離子交換反應.

（3）泡沫驅：用于篩選各種泡沫注入的可行性方案.模型主要特點：泡沫可以視為氣相中的示蹤劑，降低氣相流度，其效應與壓力和剪切速度相關；泡沫在巖石表面的吸附是濃度的函數；泡沫衰減速度是油水飽和度的函數；氣相／水相均可以作為泡沫流動的載體；氣體流度降低模型既可以是表格形式也可以是函數形式.

2010版ECLIPSE在化學驅模塊中擴展聚合物驅、表面活性劑驅和ASP三元復合驅模擬功能，增加靈活控制UDQ、UDA自定義參數功能等的兼容度.

1.1.3 DESKTOP－VIP

VIP數值模擬軟件是哈里伯頓蘭德馬克公司的產品，用于黑油、組分、雙重介質、熱采、PVT、聚合物（包括調剖）等模型的模擬.

VIP主要包括前處理模塊（GRIDGENR、DT－PVT、VDS）、后處理模塊（PlotView、3DVIEW）、模擬器模塊（初始化模型模擬器CORE、模擬模型模擬器EXEC）.模型模擬器包括常規黑油模擬器ENCORE、組分模擬器COMP、熱采模擬器THERM、局部網格加密LGR、模擬雙孔雙滲、雙孔單滲、存在部分裂縫的油氣藏DUAL、聚合物驅模擬器POLYMER等功能模塊②Landmark Grap hics Corporation.Desktop－VIP User guide，2009..

POLYMER是一個三維三相六組分擴展的黑油模型，使用修正的全隱式、CBLITZ線性方程組解法，主要考慮聚合物導致的黏度增加、吸附導致的水相滲透率下降、剪切變稀、離子交換等.目前，VIP的化學驅處理功能不是很完備，主要針對聚合物驅，也適用于近井地帶的高濃度、高強度調剖［7］.

1.1.4 SURE

SURE是美國GCC集團第三代油藏數值模擬軟件，包含黑油模型、擴展的黑油模型（鹽模型、聚合物模型、API模型、雙孔隙度／滲透率模型、試井模型）、組分模型、混合模型.在模擬過程中可以選擇使用PEBI網格、開天窗、局部時間步、混合模型、自適應雙連續法模擬天然裂縫等技術［8－9］.SURE軟件包括主模擬器SURESim、前后處理器SUREGrid、2D曲線圖形處理SUREPlot、PVT處理軟件包SUREPVT、裂縫性油藏建模SUREFrac等模塊.主模擬器SURESim基于通用組分方程，采用全隱式、自適應隱式和IMPES解法，用于模擬黑油、組分、聚合物驅、API、雙孔雙滲等過程.

1.1.5 WorkBench

WorkBench是美國科學軟件公司SSI的一套集油藏描述、試井分析、生產數據分析及油藏數值模擬于一體的油藏管理系統［10］，主要油藏數值模擬模塊包括：SIMBEST－2、COMP5（基于狀態方程的全隱式組分模型）、WPM、PVT、THERM等.

在使用過程中，WorkBench軟件在數據輸入、圖形表格處理、數據輸出方面、數據庫的穩定性等方面存在一些問題，國內一些單位對其進行修改完善，使其可以模擬化學驅油過程.

1.2 單一化學驅軟件

化學驅驅油過程復雜，需要考慮的物理化學因素眾多［11］.與綜合型軟件化學驅模塊相比，單一化學驅數值模擬軟件的驅油機理描述較為準確，數學模型所考慮的因素相對全面.

1.2.1 UTCHEM

UTCHEM是美國德克薩斯大學的一個三維多相多組分、可變溫度的有限差分化學驅模擬器.它是教學研究類模擬器，能夠模擬堿驅、聚合物驅、表面活性劑驅、生物驅、泡沫驅、各種二元復合驅、三元復合驅等過程，有多種坐標和數值彌散控制方式選擇，還有雙重介質選項，以支持復雜油藏的化學驅數值模擬.UTCHEM也存在問題，如模擬參數較多將導致操作繁瑣，化學方程組求解方法不穩定，計算速度慢，礦場應用能力差.經過較大改進，UTCHEM增加前后處理模塊和并行處理功能，矯正計算上與油田現場矛盾的缺點［12－13］.國內引進UTCHEM的油田如大慶、新疆、勝利等對其進行改進，使它更加適合油田現場需求［14－15］.

1.2.2 Grand

Grand軟件共有6個系統［16］：前處理模塊EVG、后處理模塊CPG、聚合物軟件系統FAPS、三元復合驅軟件系統FACS、凝膠調驅軟件系統FAPMS、凝膠復合驅軟件系統ASPG.軟件涉及的組分及物化參數眾多，方程組求解困難，因此采用高階差分離散格式、TVD差分格式及其他濃度方程計算格式，以提高求解精度、速度和穩定性.

EVG是水驅與化學驅的接口軟件，可以從VIP、ECLIPSE水驅模擬結果的數據文件提取數據信息轉換到Grand化學驅數值模擬軟件中.

FAPS軟件通過調整流度比、擴大波及體積提高采收率.模型考慮的物理化學現象包括：多種聚合物、多種示蹤劑、聚合物吸附和脫附、聚合物吸附的優先級、陽離子交換反應、分子擴散和彌散、不可及孔隙體積、相對滲透率變化、滲透率下降、黏度變化、聚合物溶液的流變特征、示蹤劑的分配、示蹤劑的吸附與滯留、示蹤劑放射性衰變等.

FACS軟件通過提高驅油效率進而提高采收率，可以處理表面活性劑、聚合物、堿三元復合體系或任意組合［17－19］.采用克里金插值、分形幾何插值、與數據點間距離冪次反比的插值方法，還使用現代數值計算TVD方法和高精度的濃度方程計算格式.模型的主要物理化學描述包括：相態特征、化學物的吸附、界面張力的變化、相對滲透率變化、陽離子交換反應、溶解與沉淀、原油的酸性組分與堿生成表面活性劑、水相化學反應、pH值變化、分子擴散與彌散、毛細管捕集、黏度變化和滲透率下降、不可及孔隙體積、捕集與滯留等.

FAPMS軟件包含5種可改變滲透率的凝膠調驅軟件，分別包括：鉻／聚合物體系、高pH值鋁酸鹽［Al（OH）4］／聚合物體系、檸檬酸鋁／聚合物體系、膠態分散體系CDG、復合離子堵水調剖體系.

ASPG軟件包含復合驅和調剖的全部功能，解決復合驅、調剖2種軟件不能接口兼容的難題.它能夠模擬油、氣、水三相情況，考慮含鹽量、溫度作用，將全部化學參數智能隱含，軟件可以根據用戶提供的化學劑注入信息，自動設計組分，準備需要的化學參數.

1.2.3 ASP

ASP軟件由中國石油勘探開發研究院研制，是一個三維多相多組分（油、水、表面活性劑、聚合物、多種堿、一價陽離子、二價陽離子、膠聯劑等）的多功能化學驅軟件［20－21］，能夠模擬水驅、聚合物驅、膠聯、堿／聚合物驅、堿／聚合物／表面活性劑驅以及各種驅替的組合.

ASP軟件考慮復合驅的主要驅油機理，降低界面張力、流度控制、化學劑吸附；考慮速度引起的質量傳遞，由濃度梯度引起的組分擴散，由相平衡轉移引起的液—液相間的質量傳遞，由吸附—脫附、滯留、離子交換等引起的液固相間的轉移；考慮復合驅過程中各種重要的物理化學現象，界面張力，堿耗，化學劑的吸附和滯留損失，相對滲透率的變化，組分擴散，相態變化，含鹽量對吸附、黏度、界面張力、相態等的影響，聚合物溶液特性，離子交換和化學反應等；系統方程組采用高斯、SOR和預處理共軛梯度等多種解法；考慮計算精度的要求并兼顧計算量，其模擬計算采用自適應組合網格方法FAC進行動態局部網格加密.

1.2.4 其他

化學驅軟件還有加拿大SURTEK公司的GCOMP、美國Texas大學的UTCOMP、AEA Technology公司的SCORPIO、法國石油研究院的SCORE等.國內化學驅數值模擬技術的發展晚于國外，現有軟件在整體性能上弱于國外的商業化軟件.中國石油勘探開發研究院的EOR－SIM、廊坊分院的化學驅／聚合物驅軟件、中國石油大學的UPCHEM－CL交聯聚合物驅軟件、大慶油田的DQ－POLYMER、勝利油田的SLCHEM等，這些軟件功能不是很全面，但數學模型和驅油機理描述較為準確，且與國內化學驅礦場應用的技術需求保持一致，具有一定的發展潛力.

2 軟件功能模塊

3個應用較多的綜合型軟件CMG、ECLIPSE、VIP各有優缺點：CMG軟件簡潔，易于操作，后處理及調參計算出色，目前STARS多用于模擬熱采驅油過程［22］，其化學驅模擬功能具有較大發展潛力；ECLISPE的前后處理模塊出色，綜合功能強大，但化學驅功能一般，國內應用最多的是黑油模型；VIP的前后處理模塊稍差，參數給定方法稍顯復雜［23］.

單一的化學驅軟件大多數包裝很差，需要進一步改進完善（見表1）.

化學驅包括多種不同技術，現有軟件多數只能對某一種或幾種化學驅技術進行模擬（見表2）.有些數學模型更是簡化化學驅中的很多物理化學現象，省略部分化學反應計算模塊，不能很好地反映化學驅的驅油機理（見表3）.

表1 各軟件功能模塊

表2 各軟件化學驅模塊

表3 各軟件化學驅模塊主要考慮因素

3 存在問題

（1）化學驅油過程復雜，常伴隨著對流、擴散、吸附、離子交換、相滲變化等物理化學反應；化學驅數學模型除滲流方程，還包括組分擴散方程、物理化學平衡關系式、化學反應動力學方程等.因此，化學驅數學模型需要考慮大量物理化學參數的影響，求解變量多、離散化及求解困難，開發強有力的化學驅模擬軟件比黑油模型復雜得多.

（2）不同化學驅軟件對某些物理化學參數作用機理的處理方法各不相同，致使計算結果出現差異.ECLIPSE、CMG和VIP考慮不可及孔隙體積對驅油效果的影響［24－25］：在ECLIPSE中，不可及孔隙完全被水占據，不可及孔隙體積最終通過含水飽和度體現；在CMG中，不可及孔隙體積是由吸附作用導致的孔隙度減小；在VIP中，不可及孔隙體積系數的作用是通過聚合物溶液的質量濃度體現的.

（3）綜合型商業化軟件更新較快，在設計綜合軟件平臺及用戶界面、圖形顯示質量、改進計算方法等方面進行研究，顯著提高數值模擬工作效率.為使化學驅軟件提升更高的層次，還需要在化學驅技術的基本理論和驅油機理等核心方面做進一步研究［26－27］.化學驅技術在油田的應用及發展過程中不斷涌現出許多新理論，化學驅數值模擬技術應該跟蹤化學驅的發展前沿，針對新出現的問題，強化理論認識，進而增強軟件功能.

（4）單一化學驅軟件考慮的化學驅機理及物化現象較準確，但是當化學驅數學模型中組分數較多時，模擬計算需要大量時間，且模擬的穩定性較差，而且某些物理化學參數無法從實驗室或現場試驗獲得，從而限制軟件的礦場應用.因此，化學驅軟件需在模擬的穩定性和機理描述的合理性之間進行適當取舍.

（5）國內軟件在化學驅機理和物化現象描述上具備較大優勢，但在整體性能上弱于國外商業化軟件［28－29］.為提高國產軟件的工作效率，使國產軟件趕上國際水平，首先需要改進數學模型的計算方法，在軟件的包裝、輸入輸出流程等方面取得更多進展；然后將其推廣至油田，并在應用過程中不斷更新完善.

4 發展趨勢

為保證化學驅軟件開發的先進性，應該及時了解國內外數值模擬軟件技術的最新動向.新一代油藏模擬器Intersect和Nexus在國內還未得到廣泛應用，但在國外已經開始進入油田市場.

Intersect由斯倫貝謝和雪佛龍能源技術公司聯合研發，是一種采用C＋＋程序設計的新架構，輸入文件采用類似于XML的描述語言，擴展性好，使用主流腳本語言.它可以模擬大型復雜油藏和高度非均質體系，生產控制系統支持復雜的油田管理，還包括海洋開發工具［30］.

Nexus是哈里伯頓公司新推出的一款基于DecisionSpace開放環境，架構在VIP基礎上的數值模擬軟件③Next－generation reservoir modeling available now，2006..前處理技術采用智能化網格粗化，支持多種數據體格式，方便導入目前主流地質建模軟件生成的數據體；非結構化的解法器不受非相鄰網格技術的限制；實現從地下到地面的一體化模擬，如模擬水平井、斜井、分支井等，可以快速進行靶點優選和井軌跡精細設計.

開發強有力的化學驅軟件，需要吸取這兩類軟件的精華，避免其缺陷.我國化學驅技術成熟，處于世界領先水平，且我國油田實際對化學驅軟件有著極大需求，從而促進化學驅軟件技術的發展.化學驅模型對物理化學現象描述的準確程度是其能否真實模擬、反映實際驅油過程的關鍵，化學驅軟件的研發首先需要對化學驅驅油機理的準確描述；其次要考慮模型中各物理化學參數選取的難易，保證模擬的穩定性.

（1）對物理化學參數的考慮要從參數的定義出發，分析各參數對驅油效果的影響，使其能更準確描述化學驅油過程，避免造成由參數作用機理處理的不合理描述而造成的計算誤差；

（2）對于較復雜的化學驅模型，在保證化學驅機理描述較為正確的前提下，適當簡化模型的物化現象描述過程，以減少存儲量和計算時間，使模擬結果更加穩定；

（3）改進化學驅數學模型的求解方法，包括對壓力方程、濃度方程、化學平衡反應方程等求解方法的優化，減少模擬時間，提高模擬速度；

（4）對于大規模、超大規模的化學驅問題，除應用大型計算機以外，可以考慮運用微機機群進行并行計算［31］.

5 結束語

雖然國產化學驅數值模擬軟件在整體性能上弱于國外商業化軟件，但是在化學驅機理描述和模擬功能上具備較大優勢，具有重大發展潛力.此外，油藏數值模擬軟件的研制過程是在推廣應用中不斷改進的過程，化學驅軟件的開發應該根據三次采油油藏工程技術的發展要求，及時吸收國內外化學驅研究的先進理論及技術經驗，并考慮其可操作性和礦場實用性，從而使油藏數值模擬技術適應我國油田開發事業的發展需要.

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［31］ Ali H D，Larry S K F，Usuf M，etal.A next－generation parallel reservoir simulator for giantreservoirs［C］.SPE 119272，2009.

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；編輯：任志平

中國石油天然氣股份有限公司科學研究與技術開發項目（2011B－1306）

劉皖露（1987－），女，碩士研究生，主要從事油藏數值模擬及三次采油方面的研究.