非均質油藏深部調驅技術數值模擬研究進展

王代剛，胡永樂，孫靜靜

(1.中油勘探開發研究院，北京 100083； 2.北京大學，北京 100871；3.中國石油大學，山東 青島 266580)

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非均質油藏深部調驅技術數值模擬研究進展

王代剛1，2，胡永樂1，孫靜靜3

(1.中油勘探開發研究院，北京 100083； 2.北京大學，北京 100871；3.中國石油大學，山東 青島 266580)

深部調驅是非均質油藏改善層間動用差異、提高水驅開發效果的有效技術。中國主力老油田普遍進入高含水(特高含水)開發期后，油藏深部的非均質矛盾加劇，水驅低效問題日益嚴重，使得深部調驅技術面臨極大挑戰，尤其是對應的數值模擬方法有待于進一步發展和完善。在對大量文獻進行研究的基礎上，首先對非均質油藏深部調驅技術的數值模擬研究進展進行了總結，詳細闡述了可動凝膠調驅、預交聯凝膠顆粒調驅、泡沫調驅和其他調驅技術4個方面。通過分析數值模擬方面存在的主要問題，指出了下一步的發展方向，對中國非均質油藏深部調驅數值模擬研究具有借鑒意義。

非均質油藏；深部調驅；數值模擬；綜述

引 言

由于地層原生及次生的非均質矛盾、流體流度差異以及其他原因(如作業失敗、生產措施錯誤等)的影響，長期注水開發油藏易形成水流優勢通道，導致水錐、水竄、水指進，使一些生產井過早見水或水淹，造成水驅低效或無效循環[1-2]。隨著油田進入高含水或特高含水期，水驅問題的復雜性日益加劇，常規的堵水調剖工藝已無法滿足控水穩油的技術要求。通過選擇性封堵高滲透通道，進而擴大注入水波及體積的深部調驅技術取得了較多新的發展，大幅度改善了開發效果。通過對可動凝膠調驅、預交聯凝膠顆粒調驅、泡沫調驅和其他調驅技術4個方面的數值模擬研究進展進行概括，指出目前存在的主要問題及發展趨勢，希望對中國非均質油藏深部調驅數值模擬研究的進一步發展有所啟示和借鑒。

1 可動凝膠調驅技術

可動凝膠調驅是高含水油田改善注水開發效果的一項重要技術。可動凝膠是指在儲集層多孔介質中可以移動的凝膠。使用可動凝膠提高水驅采收率的主要機理是：①調整驅動方向，通過暫堵高滲透水流通道，擴大波及體積和提高沖洗強度；②依靠后續的注入流體有效地驅出所擴大波及范圍內的分散剩余油。可動凝膠不斷重復“暫堵—突破—再暫堵—再突破”這一過程，直至油藏的深部，從而提高水驅采收率[2]。

由于涉及到交聯反應動力學、聚合物運動黏度、聚合物的吸附與滯留、殘余阻力效應、機械剪切和不可及孔隙體積等[3]復雜的物化機理，目前可動凝膠調驅數值模擬研究仍處于起步階段，缺乏成熟的數學模型和求解方法，國外關于可動凝膠滲流理論及數值模擬方面的研究也較少。

袁士義[4]最先建立了一個二維兩相多組分的地下交聯調剖數學模型，除聚合物驅本身的物化機理外，模型還考慮了聚合物和交聯劑在地下交聯反應后，產生膠結物質封堵高滲透層所涉及的各種物化現象。在此基礎上，時富庚等[5]給出了三維兩相六組分油田化學堵水調剖模型，該模型綜合考慮了影響堵水調剖過程的多種因素，包括各組分在孔隙介質中的運移，聚合物和交聯劑的地下交聯反應，以及聚合物和凝膠的流變性、吸附滯留、不可及孔隙體積、降解等特性，模型可用于模擬單一的水驅、調剖及兩者的任意組合。朱維耀[6]通過深入分析化學劑堵水調剖滲流理論，提出了適用于多重瞬時交聯和緩交聯聚合物防竄的三維兩相七組分模型，并針對多重交聯聚合物防竄驅油油藏數值模擬問題開展了滲流數學理論研究。徐兵等[7]在組分模型的基礎上，結合黑油模型的推導方式，建立了三維三相八組分的可動凝膠調驅數學模型，模型綜合考慮了重力、毛管力、流體和巖石壓縮性等各種影響因素，并采用改進的隱式求壓力、顯式求飽和度(IMPES)方法進行求解。馮其紅等人[8-10]研究發現，基于IMPES方法求解可動凝膠調驅數學模型計算速度慢，數據彌散現象嚴重。研究過程中，以黑油模型為基礎，將各化學組分用水相中的各組分濃度表示，提出了可動凝膠深部調驅的三維油、水兩相多組分數學模型，并推導出了考慮重力和毛細管壓力的三維流線模型，采用追蹤流線的方法，將可動凝膠深部調驅三維滲流問題轉化成沿流線計算飽和度的一維問題，大大降低了求解飽和度方程組中方程的數目，提高了求解精度和速度，最終實現了可動凝膠深部調驅的快速準確模擬。吳行才等[11]、崔英懷等[12]在可動凝膠流變特性實驗、可動凝膠在多孔介質滲流特性實驗的基礎上，根據質量傳輸流體力學及化學動力學的深入研究，給出了一個可動凝膠體系驅油非線性滲流數學模型。與前人的研究結果相比，該模型系統地描述了可動凝膠體系驅油這一復雜滲流數學描述難題，完善了可動凝膠體系滲流的理論。田鑫[13]以組分模型為基礎，通過引入啟動壓力梯度，建立了三維兩相三組分的可動微凝膠調驅數學模型，并對可動微凝膠的合理注入參數和段塞組合進行了模擬優化。劉道信[14]在考慮可動凝膠聚合物強度及黏度變化的同時，考慮可流動性等重要因素，形成了三維三相十組分可動凝膠型聚合物驅數值模擬器。趙東鋒等[15]還將可動凝膠調驅數值模擬方法推廣至裂縫性油藏，利用裂縫—基質耦合滲流理論方法，建立了油水兩相三維裂縫性油藏調驅數值模型。

2 預交聯凝膠顆粒調驅技術

預交聯凝膠顆粒(PPG)調驅是近幾年發展起來的一種新型深部調驅技術，主要是針對非均質性特別嚴重、高含水、大孔道發育的儲層[16]。該技術是將交聯體系在地面交聯形成凝膠，然后經造粒、烘干、粉碎、篩分等工藝過程制備成PPG顆粒，具有一定的溶脹性。當PPG顆粒隨水注入油層后，可在多孔介質中隨流體運移，在喉道處對水流產生阻力，改變其流動方向；多個PPG顆粒同時堆積可產生滯留、封堵，使水完全繞流。PPG顆粒為軟性顆粒，封堵壓差升高到一定程度時，會發生彈性變形，進而通過喉道繼續向油藏深部運移，從而產生較好的調驅效果。該技術避免了地下交聯體系在經過油藏的吸附滯留和沖洗稀釋等作用造成的成膠概率降低，抗溫、抗鹽性能差等弊端，具有廣泛的油藏適應性。

PPG顆粒分散體系的滲流是一個十分復雜的過程。它不僅涉及到該分散體系的溶脹、運移、堵塞、變形通過等機理，還涉及到PPG顆粒與地層水、原油、巖石間的相互作用[17]。2009年，文獻[18]基于室內實驗和統計分析首先建立了一個模擬多孔介質中凝膠顆粒運移的理論數學模型。研究過程中，利用連續性模擬方法描述凝膠顆粒的運移及其對等溫油水相流動過程的影響，通過修正的達西公式表征顆粒沉積、滯留等引起的滲透率下降，并推導了對應的數值計算格式，但并未針對具體算例進行求解[18]。趙玉武等[19]根據納微米聚合物微球的對流擴散及調驅滲流特性，提出了一個三維三相三組分(油、水、納微米聚合物微球)調驅數學模型，并采用隱壓、顯飽、隱濃的差分方法求解了該模型。王國鋒[20]在趙玉武等人建立模型的基礎上，根據納微米聚合物顆粒粒徑和喉道半徑的大小關系，將其在多孔介質中的微觀機理歸納為順利通過、變形通過、破碎通過和形成堵塞4種模式，并基于堵塞壓力方程、堵塞引起的滲透率降低系數方程和沉積破碎后的濃度方程表征納微米聚合物微球在多孔介質中的滲流特性，最終建立了一個新的三維三相三組分納微米聚合物微球調驅數學模型，分析了參數敏感性，進而制訂了合理的注入方案。El-Amin等人[21-22]考慮了浮力、毛細管壓力和布朗擴散的影響，通過表征顆粒在多孔介質中的運移、沉積、捕集等機理，提出了一個模擬多孔介質兩相滲流的納微米顆粒流動模型，并分析了CO2地質埋存的懸浮顆粒運移規律。Goudarzi等人[23]基于有限差分方法，考慮PPG顆粒溶脹、運移、地下流變特性及其對黏度、滲透性的影響，編制了一個能夠模擬PPG顆粒調驅過程的三維多相多組分數值模擬器UTGEL，通過擬合驅替實驗數據驗證了模型的有效性。王敬等[24]基于物質守恒定律建立了反映PPG顆粒孔喉堵塞、堵塞顆粒變形重啟動特性的調驅數學模型，并采用IMPES方法和四階Runge-Kutta方法進行求解。研究發現，PPG顆粒體系可以在不傷害中、低滲部位前提下實現油藏深部調驅；PPG體系的注入速度和注入體積分數是影響調驅效果的重要因素；PPG粒徑與孔喉直徑的匹配性和臨界壓力是影響調驅效果的關鍵因素，粒徑與孔喉直徑之比和重啟動臨界壓力較低時無孔喉堵塞，粒徑與孔喉直徑之比和重啟動臨界壓力過高會造成儲層傷害。

3 泡沫調驅技術

泡沫驅是利用各種氣體(包括N2、CO2、天然氣或其他氣體)與泡沫劑混合形成泡沫作為驅替介質的驅替技術，具有選擇性封堵、堵水不堵油、堵高不堵低的特性[25]。考慮到泡沫所具有的生成、運移、破滅、再生等特殊物化和流動性質，國內外學者基于實驗結果，提出了經驗/半經驗模型、總量平衡模型、滲濾模型、分流模型等多種泡沫驅數值模擬方法對泡沫體系進行滲流模擬。

(1) 經驗(半經驗)模型。此類模型用經驗(半經驗)關系式將有泡沫存在時氣體的流度表達為流速、氣體分數、表面活性劑濃度和其他因素的顯函數。盡管泡沫結構控制氣體流度，表達式中并沒有直接用到表征泡沫結構或氣泡大小的參數。Marfoe等[26]最先提出了一個一維兩相泡沫驅模型，通過建立含水飽和度、表面活性劑濃度、氣體流速等因素與氣體黏度的經驗關系反映泡沫作用，但忽略了油相和非均質性的影響。Islam在Marfoe模型的基礎上，考慮孔隙介質滲透率、表面活性劑濃度、壓力和含油飽和度等因素對氣體黏度的影響，提出了一個新的模擬泡沫存在時氣體黏度的表達式。模型表明，隨著滲透率、活性劑濃度和壓力梯度的增加，氣相黏度增加，而油相的存在不利于泡沫的生成[27]。此外， Vassenden、Namdar、Abbaszadeh等學者也從不同角度提出了多種經驗/半經驗模型[28-30]。

(2) 總量平衡模型。總量平衡模型基本思想是：氣泡增量=流入量-流出量+生成量-聚并量+源匯項。建立總量平衡模型的第1步是對泡沫流度的描述，認為泡沫流度是泡沫結構、氣體相對滲透率、氣體黏度、流速度和儲層滲透率的函數。根據泡沫結構及流度計算方法不同，模型可分為全物化總量平衡模型和半總量平衡模型2類。以Zitha、于洪敏、Roostapour等[31-33]為代表提出的全物化總量平衡模型比較復雜，模擬有泡沫存在的氣體流度時除全面考慮泡沫體系的生成、破滅、聚并、運移、滯留和啟動等機理外，還考慮了泡沫對氣相相對滲透率和視黏度的影響，可用來分析靜態泡沫和流動氣泡的滲流特征。該類模型既可模擬穩態流，也可模擬瞬態流。研究中，利用有限差分、有限元等數值方法求解偏微分方程計算泡沫結構，但通過驅替實驗或礦場數據獲取模型參數存在較大困難，這在很大程度上限制了模型的應用范圍。為解決這一問題，Hatziavramidis和Alameddine[34]引入局部平衡泡沫結構理論模擬了泡沫體系的流動過程。近年來，Kovscek、Li、Chen等學者[35-37]也提出了一系列反映泡沫結構與流速度、飽和度、壓力梯度、表面活性劑濃度、巖石滲透率和孔隙度等參數相關函數關系的半總量平衡模型。半總量模型不需要通過求解偏微分方程獲取泡沫結構，大幅度提高了計算效率，但許多表征泡沫結構的函數關系均是以全物化總量平衡模型為基礎得到的。

(3) 滲濾模型。此類模型是通過孔隙網絡模擬或滲濾理論研究泡沫體系的滲流機理。Rossen和Gauglitz[38]、Laidlaw等[39]最先采用網絡模型分析泡沫體系的生成和運移過程。研究過程中，通過模型化的網絡抽象表征孔隙介質內復雜的孔隙喉道空間，結合泡沫驅微觀滲流機理的數學表征，在孔喉尺度下隨機模擬了泡沫體系的滲流規律。Kharabaf和Yortsos[40]用修正的滲濾方法建立了一個網絡模型，在給定截斷幾率的條件下模擬了泡沫流動，還將此方法用于模擬非均質孔隙介質內的泡沫滲流問題。Chen等[41]提出了考慮液膜滯后、縮頸分離及薄膜分斷3種泡沫生成機理的孔隙網絡模型。目前，最常用的網絡模型包括平行毛管束模型[42-43]、Bethe數模型[44-45]和格子模型[46]。此外，滲濾理論也被用于模擬敏感參數對多孔介質中氣體捕集機理的影響和儲層滲透性對泡沫流度的作用[47]，但基于滲濾理論的泡沫模擬計算量很大，存在較多假設，缺少一般性。

(4) 分流模型。以文獻[48]、[49]為代表在“臨界毛管力”基礎上提出的分流方法是通過Buckley-Leverett驅替理論求解泡沫驅半總量模型，而不能用于求解全物化總量模型。模型較為簡單，應用解析方法求解，可以作為實驗結果的對比分析模型，從滲流力學角度研究泡沫體系的滲流特征。模型基于以下假設：非混相不可壓縮流體滲流；忽略毛細管壓力的影響；無傳質擴散或黏性指進；瞬間達到局部平衡狀態。分流模型不能準確描述泡沫生成的動態過程，對無限定假設條件的復雜滲流問題缺少普遍意義。

以上各種泡沫驅數值模擬方法各有優缺點，經驗或半經驗模型易于實現，但并未考慮泡沫生成、聚并以及泡沫結構，其缺點是很明顯的；總量平衡模型除考慮泡沫體系的生成、破滅、聚并、運移、滯留、啟動等微觀滲流機理外，還考慮了泡沫結構對泡沫流度的影響，模型較為復雜且不易求解，另外需要擬合實驗數據獲取所需的模擬參數，如聚并常數、生成常數等；半總量平衡模型是一種折中的方法，因其獨特優勢成為國內外學者研究的熱點。滲濾模型和分流模型由于不經常采用，在此不作比較。

4 其他調驅技術

除上述的3種調驅技術之外，通過暫堵高滲透通道，擴大波及體積，進而提高原油采收率的方法還有很多。同時，陸相碎屑巖儲層由于孔隙結構復雜、非均質性嚴重，且長期注水沖刷，使得開發矛盾日益突出、油層動用程度嚴重不均衡，僅依靠單一的深部調驅技術仍難以滿足油田開發后期深度挖潛“整體高度分散、局部相對富集”剩余油的技術需求，多相協同調驅體系是下一步的發展方向。本文著重介紹非均相復合驅油體系和水平井置膠成壩深部調驅技術的相關進展。

4.1 非均相復合驅油體系

聚合物驅后油藏非均質性強，剩余油普遍分布，需要進一步擴大波及體積和提高洗油效率，而已有的驅油方法應用效果有限。為解決這一問題，崔曉紅、曹緒龍等提出了非均相復合驅油體系。該體系由黏彈性顆粒驅油劑PPG、 聚合物和低濃度表面活性劑組成，在礦場中取得了良好的應用效果。目前，非均相復合驅油體系的數值模擬研究處于起步階段。山東大學和中國石油大學通過調整商業數模軟件CMG或Eclipse中表征交聯聚合物調驅的相關反應關系，近似反映了非均相復合驅油體系的礦場增油效果。

4.2 水平井置膠成壩技術

針對正韻律厚油層水驅開發中注入水沿底部高滲層無效循環問題，劉玉章等提出了水平井置膠成壩深部調驅技術思路，即在正韻律厚油層底部的高滲透、強水洗油層部位鉆(側鉆)水平井，通過水平井注凝膠，形成“膠壩”，使注入水轉向驅替上部低滲透層，擴大水驅波及體積，提高上部低滲透層儲量的動用程度，從而起到挖潛和提高水驅采收率的作用。呂靜等根據水平井置膠成壩深部調驅的技術思路，應用 Eclipse數值模擬軟件，分別以二層二維、韻律漸變的五層二維和四注九采復雜五層井網模型為對象，深入研究了膠壩位置、高度、組合以及措施時間等敏感因素對膠壩改善水驅效果的影響。

5 數值模擬研究中存在的問題及發展趨勢

5.1 主要存在問題

已有的絕大多數可動凝膠調驅數學模型中，仍沿用了常規聚合物驅、調剖堵水、滲透率修改等數學表征方法，由于對凝膠體系的復雜滲流規律認識不準確，導致模型的應用存在很大局限性。預交聯凝膠顆粒(PPG)調驅作為一種新型的深部調驅技術，克服了地下交聯體系的內在缺陷，但研究仍主要集中在實驗樣品制備、特性評價及調驅實驗等方面，數值模擬方面的研究嚴重不足。對于泡沫調驅數學模型，盡管中外學者進行了大量研究，但已有模型均不能準確擬合各種條件下的泡沫驅替實驗數據，此外，通過擬合實驗和礦場數據獲取模型參數的方法、油相對泡沫流動的影響規律、調驅模型由室內尺度向礦場尺度的粗化也有待于進一步探討。非均相復合驅和水平井置膠成壩等技術是在水驅矛盾日益突出、單一調驅體系效果變差的基礎上提出的多相協同體系，以充分發揮各個相組分的協同增效作用，但尚處于滲流機理的探索認識階段。

5.2 未來發展趨勢

對于可動凝膠調驅體系，從實驗和理論上分析其滲流規律，明確驅替過程中的流體流變和滲流關系，尤其是視黏度、吸附、相對滲透率、阻力系數及殘余阻力系數等敏感參數的變化規律，并實現其數學表征，是下一步的研究重點。對于PPG顆粒調驅體系，通過滲流實驗、網絡模擬等技術手段研究其微觀滲流機理，以及敏感參數的影響規律，是實現PPG顆粒深部調驅精細數值模擬的關鍵。定量表征不同實驗條件下多孔介質中泡沫生成、聚并等機理是泡沫調驅數學模型下一步的研究方向。對于非均相復合驅、水平井置膠成壩技術等多相協同體系，準確認識各個體系在多孔介質中的微觀滲流機理，并采用恰當的數學方法表征體系間協同作用是數值模擬發展的核心問題。

6 結 論

非均質油藏深部調驅技術經過數十年發展，已成為高含水(或特高含水)期油田改善層間動用差異、提高開發效果的有效技術。本文著重總結了可動凝膠調驅、預交聯凝膠顆粒調驅、泡沫調驅和其他調驅技術的數值模擬研究進展，并指出了目前數值模擬方面存在的問題及發展趨勢。分析認為，對于非均質油藏深部調驅體系，能否準確合理地認識并數學表征其在多孔介質中的微觀滲流機理，以及體系間的協同作用是制約數值模擬方法快速發展的關鍵因素。建議下一步從實驗和理論上加強認識各個調驅體系在多孔介質中的復雜滲流規律，并建立恰當的數學表征方法，最終提出具有一般意義的非均質油藏深部調驅數值模擬模型，為最大限度地提高原油采收率提供基礎。

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編輯 劉兆芝

20141218；改回日期：20150321

國家“十二五”科技重大專項“高含水油田提高采收率新技術——剩余油分布綜合預測與精細注采結構調整技術”(2011ZX05010-002)

王代剛(1988-)，男，2013年畢業于中國石油大學(華東)油氣田開發工程專業，現為中國石油勘探開發研究院與北京大學聯合培養博士研究生，主要從事油氣田開發工程方面的研究工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2015.03.002

TE357.46

A

1006-6535(2015)03-0008-06