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粘弹性流体微观驱油效率的数值模拟研究

孙怀宇  
【摘要】: 本文是国家863项目“渤海油田聚合物驱提高采收率技术研究”项目中“缔合聚合物改进研究”子课题和973项目“化学驱和微生物驱提高石油采收率的基础研究”的课题“新型高效聚合物分子设计及合成”的重要内容。 聚合物驱油技术在三次采油中扮演着重要的角色,可以把水驱后的原油采收率再提高10%左右。但传统理论认为聚合物驱只能提高波及效率,不能提高驱油效率,聚合物驱提高波及效率主要由聚合物溶液的有效粘度所确定,因此这项技术进一步发展已无更多的空间和余地。现在学术界对聚合物粘弹性能否提高微观驱油效率、如何提高微观驱油效率、提高的幅度存在很大的争论。其中科研人员在实验中得出聚合物溶液粘弹性在驱替时表现出很强的“拉、拽”作用又不足以完全证明这个问题。所以聚合物溶液粘弹性如何提高微观驱油效率成为了聚合物驱能否进一步发展的关键。 本文利用数值模拟的方法系统的研究并证明了罗平亚院士提出的“变形活塞”假设:具有粘弹性结构流体在多孔介质毛细管渗流时,当流体的流变特性达到一个特定范围的时候,可以形成“柱塞流动”。当粘弹性流体的内聚力大于或等于原油的内聚力,而地层润湿性又是亲水时,可以将毛细管中的残余油全部驱替;地层润湿性如果亲油,则除了管壁的一层油膜,其余的部分能够全部驱替。在孔隙和喉道不断变化的情况下,由于聚合物溶液的粘弹性在出口膨胀,结合压力及惯性作用能够扩张到孔隙边缘并占据孔隙的空间形成一个随孔隙形状变化而变化的“变形活塞”,继续在孔隙中完成“柱塞流动”。“变形活塞”假设的成立,能够为聚合物溶液能够进一步提高驱油效率提供坚实的理论基础。但其是否成立尚需研究验证。 目前粘弹性流体的微观驱油机理研究还处于探索阶段,并未得到完全的证实。研究以微观驱替装置的室内实验研究和理论分析为主;而本文利用的计算流体力学的方法进行探索并与传统的理论分析方法、实验测量方法组成了研究微观驱油机理的完整体系。 本文首先对聚合物驱油机理、驱油用聚合物的发展进行了调研。聚合物溶液驱油的流变性能直接影响其在渗流孔道中的流动状态和驱油效率。详细介绍了CFD仿真技术的理论基础和发展方向,以及利用CFD仿真技术对聚合物溶液微观驱油机理研究的可能性及研究方法。CFD的突出优点是它本质上可以研究流体在任何条件下的运动。在CFD中采用简化数学模型的目的在于提高计算效率以及和计算机硬件水平相适应;如果计算机硬件条件允许,在求解任意复杂的流动问题时,都可以采用最适合流动物理本质的数学模型。 利用流体波及效率流变性能测试平台,以渤海油田某井地下距离井口50m位置为样本,对三种流体进行了流变参数测定,在特定剪切速率下利用流体的弹性参数对三种流体进行了关联。 采用最真实的微分粘弹模型PTT本构方程,利用polyflow软件进行计算得到了粘弹性流体的流动特征曲线图并加以分析,发现粘弹性流体的弹性对流体微观波及面积有着十分重要的影响,而且在相同条件下,弹性越高的流体所需要的压力反而越小。随着流体弹性的增加,在收缩孔道中产生了涡流,涡流的强度与弹性的大小成正比。涡流的出现说明流体有更好的驱油效果,也为聚合的粘弹性的“盲端”驱油效应提供了解释。最后对三种流体的毛细管填充效率进行了定量分析。本文建立了流体宏观流变参数与其在微观驱油表现之间联系。 通过改变聚合物溶液的弹性变量和孔-喉单元模型的孔喉比例关系,得到了如果已知油藏的孔-喉结构关系可以通过调节聚合物溶液的有效粘度、弹性系数松弛时间等,完全可使驱替液在微观多孔介质的孔-喉交替流动中形成“变形活塞”状态,完全证实了“变形活塞”的形成机理,研究了其形成条件以及其与驱替液粘弹性的关系。因此可以,通过调控聚合物溶液的形变恢复能力及过喉道膨胀能力等粘弹性参数来形成“变形活塞”以提高聚合物驱油效率。 上述研究为实现利用聚合物流变性大幅度提高微观驱油效率的机理、方法和途径,以及对聚合物的筛选评价,提供了必要的理论参考和实验依据,为解决如何进一步大幅度提高聚合物驱油效率,促进化学驱技术的发展,提供了必要的依据。


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