CN111027211A - 一种考虑孔喉受限机理的致密油藏流体模拟方法及在注气开发模拟的应用 - Google Patents

Abstract

一种考虑孔喉受限机理的致密油藏流体模拟方法，包括：建立流体相平衡简化模型：确定假设条件；状态方程修正；毛管力计算；吸附量计算；相平衡计算。还公开在注气开发模拟中的应用方法。本发明通过修正状态方程，较为精确的获得致密储层中流体在地层条件下的临界物性，如临界压力和临界温度。通过结合毛细管力及吸附行为，改进了致密储层流体闪蒸计算模型，采用牛顿迭代方法求解致密储层条件下两相流体相平衡，准确预测计算致密多孔介质中毛细管力及吸附量。模型计算结合油藏数值模拟软件，为致密油藏注气开发模拟提供了更简洁且准确的方法，为优选致密油藏有效开发模式提供便利。

Description

一种考虑孔喉受限机理的致密油藏流体模拟方法及在注气开 发模拟的应用

技术领域

本发明公开一种考虑孔喉受限机理的致密油藏流体模拟方法及在注气开发模拟的应用，属于油气田开发的技术领域。

背景技术

致密油是继页岩气之后非常规能源的勘探开发热点，被石油工业誉为“黑金”。致密油藏资源潜力巨大，已成为非常规石油中最现实的能源，已逐渐影响着世界能源供需的格局。中国存在丰富的致密油资源量，致密油可采资源量为13×10⁸～14×10⁸t，占可采储量的2/5，致密油资源的高效开发是中国油气可持续发展的重要保障。

同常规油藏地质特征相比，致密油藏储层渗透率超低，例如，覆压渗透率低于0.1mD；储层孔喉尺寸低于0.5μm，微纳孔喉的受限效应明显，致密储层中的流体物性及流动规律均不同于常规油藏，常规模拟方法难以解释致密油藏开发特征，从而无法获得致密油藏有效开发模式及参数优化。

目前据现场数据及文献资料，致密储层弹性开采采收率较低，一般低于15％，且由于致密特性，注水开发难以有效提高采收率。因此注气开发是目前致密油藏最有效的开发方式。大量的物理实验及数值模拟显示，注CO₂可提高致密油藏采收率，提高5％～20％。然而注CO₂技术也面临一些技术问题：产油量下降过快；储层压力系统难以维持等。因此准确预测致密储层流体物性参数，增加油藏开发数值模拟精度，获得致密油藏有效开发模式是亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术存在的技术问题，本发明的目的是提供一种考虑孔喉受限机理的致密油藏流体模拟方法。

本发明还公开一种利用上述模拟方法在注气开发模拟中应用的方法。

本发明所述方法及应用可准确实现致密油气组分物性模拟及闪蒸计算，并在此基础上模拟、优化最佳致密油藏开发模式，实现致密油藏的有效开发。

发明概述：

本发明基于一定的假设条件、流体状态方程、毛管力及吸附作用，推导出致密孔喉中流体相平衡计算模型。

本发明所述模型还与油藏数值模拟器CMG相结合，模拟并优化致密油藏注气的开发模式。

本发明详细的技术方案如下：

一种考虑孔喉受限机理的致密油藏流体模拟方法，其特征在于，包括：建立流体相平衡简化模型：

1)确定假设条件

在致密储层中，纳米尺度孔喉富集，纳米孔喉对储层流体物性的影响因素较为复杂，在此做以下假设：

忽略地层中水相的影响；

忽略孔喉应力变形的影响；

忽略孔喉分布的影响；

忽略化学反应过程；

2)状态方程修正

在常规体相流体状态方程SRK EOS的基础上进行修正，考虑纳米孔喉受限效应参数c，使其适用于致密储层纳米孔喉中流体的相平衡计算：

式(1)中P表示流体压力，T表示流体温度，V_m表示地层孔喉内流体体积，R表示气体常数，8.314J/(mol·K)，参数a表征流体分子间碰撞因素，参数b表征分子大小的修正项，参数c表征除吸附、毛管力因素之外的纳米孔喉受限效应参数，上述参数由下式求得：

式(2)中，r表示孔喉特征尺寸，d表示流体平均分子尺寸，ω表示交互因子，P_c表示流体临界压力，T_c表示临界温度，T_r表示对比温度；

因此，在纳米孔喉受限效应作用下，流体临界压力P_c和临界温度T_c分别为：

3)毛管力计算

4)吸附量计算

吸附量的计算由多组分Langmuir吸附模型求得：

式(7)中，n^abs表示绝对吸附量，n^max表示最大吸附量，k表示吸附平衡常数，f表示逸度；

5)相平衡计算

根据质量守恒定律得：

式(8)中，x_i，y_i，z_i分别表示组分i在液相、气相及总流体系统中的摩尔分数；F,L,V分别表示总摩尔分数、液相摩尔分数、气相摩尔分数；K_c表示组分i的相平衡常数；

其中，两相平衡状态评判标准为，各组分在气相液相中的逸度相等；

所述气液两相各组分的逸度系数由下式获得：

式(9)中，

分别表示组分i在液相和气相中的逸度系数，a_m，b_m表示混相流体状态方程参数；Z_L，Z_V分别表示液相、气相压缩系数。

根据本发明优选的，所述步骤3)毛管力的具体步骤包括：

毛管力P_cap的计算由Young-Laplace方程求得：

式(5)中，θ表示相接触角；σ表示界面张力，由Macleod-Sugden方程估算：

式(6)中，Nc表示流体组分数目，ρ_L,ρ_V表示组分i在液相、气相中的密度，[P]表示等张比容。

根据本发明优选的，致密孔喉中两相流体相平衡采用迭代方法求解。

根据本发明优选的，所述迭代方法为牛顿迭代方法：

①获得致密储层地质参数及流体参数，至少包括：地层温度T，地层压力P，原油组分Nc及其物性参数，所述物性参数至少包括交互因子、PVT测临界压力、和临界温度；

②估算相平衡常数Ki：

在此假定气液相压力相等，估算公式如式(10)所示，

③根据步骤(2)～(5)，结合状态方程(1)、质量守恒方程(8)，求解出气液相各组分含量；

④根据毛管力计算式公式(5)、(6)计算界面张力、毛管力及气相压力；

⑤根据吸附量计算式公式(7)，计算获得孔喉壁面流体吸附量；

⑥根据公式(9)，计算各组分在气液相中逸度系数，并根据评判标准，即逸度是否相等，判断是否达到相平衡：

如果达到平衡状态，即可结束计算；如若尚未达到平衡状态，更新气液相组分，重复步骤③～⑤；

⑦根据计算结果，获得流体各组分物性及两相性质，至少包括临界压力、临界温度、毛细管力和吸附量。

一种利用上述模拟方法在注气开发模拟中的应用方法，其特征在于，包括：

将步骤1)-步骤5)所述建立流体相平衡简化模型的计算结果与CMG油藏数值模拟器相结合，模拟致密储层开发过程。

根据本发明优选的，所述模拟致密储层开发过程，其特征在于，包括：

6)采用牛顿迭代算法，求解获得致密储层中流体的临界物性参数、吸附量以及毛细管力；所述临界物性参数由公式(3)、公式(4)对应求解得到计算结果，所述吸附量由公式(7)对应求解得到计算结果，所述毛管力由公式(5)、公式(6)对应求解得到模拟计算结果；

7)将所述模型计算结果与CMG油藏数值模拟软件相结合，将计算获得的储层流体物性导入到物性模块，扩散系数及吸附量输入到相应模块，模拟致密储层注气开发过程。

本发明的技术优势在于：

本发明通过修正状态方程(步骤(2))，较为精确的获得致密储层中流体在地层条件下的临界物性，如临界压力和临界温度。通过结合毛细管力(步骤(3))及吸附行为(步骤(4))，改进了致密储层流体闪蒸计算模型(步骤(5))，如图1所示采用牛顿迭代方法求解致密储层条件下两相流体相平衡，准确预测计算致密多孔介质中毛细管力及吸附量。模型计算结合油藏数值模拟软件，为致密油藏注气开发模拟提供了更简洁且准确的方法，为优选致密油藏有效开发模式提供便利。

附图说明

图1为本发明采用牛顿迭代方法考虑受限效应的致密储层流体相平衡计算流程图；

图2为本发明采用CMG构建致密储层地质概念模型图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步说明，但不限于此。

实施例1、

一种考虑孔喉受限机理的致密油藏流体模拟方法，包括：建立流体相平衡简化模型：

1)确定假设条件

在致密储层中，纳米尺度孔喉富集，纳米孔喉对储层流体物性的影响因素较为复杂，在此做以下假设：

忽略地层中水相的影响；

忽略孔喉应力变形的影响；

忽略孔喉分布的影响；

忽略化学反应过程；

2)状态方程修正

在常规体相流体状态方程SRK EOS的基础上进行修正，考虑纳米孔喉受限效应参数c，使其适用于致密储层纳米孔喉中流体的相平衡计算：

式(1)中P表示流体压力，T表示流体温度，V_m表示地层孔喉内流体体积，R表示气体常数，8.314J/(mol·K)，参数a表征流体分子间碰撞因素，参数b表征分子大小的修正项，参数c表征除吸附、毛管力因素之外的纳米孔喉受限效应参数，上述参数由下式求得：

式(2)中，r表示孔喉特征尺寸，d表示流体平均分子尺寸，ω表示交互因子，P_c表示流体临界压力，T_c表示临界温度，T_r表示对比温度；

因此，在纳米孔喉受限效应作用下，流体临界压力P_c和临界温度T_c分别为：

3)毛管力计算

4)吸附量计算

吸附量的计算由多组分Langmuir吸附模型求得：

式(7)中，n^abs表示绝对吸附量，n^max表示最大吸附量，k表示吸附平衡常数，f表示逸度；

5)相平衡计算

根据质量守恒定律得：

式(8)中，x_i，y_i，z_i分别表示组分i在液相、气相及总流体系统中的摩尔分数；F,L,V分别表示总摩尔分数、液相摩尔分数、气相摩尔分数；K_c表示组分i的相平衡常数；

其中，两相平衡状态评判标准为，各组分在气相液相中的逸度相等；

所述气液两相各组分的逸度系数由下式获得：

式(9)中，

分别表示组分i在液相和气相中的逸度系数，a_m，b_m表示混相流体状态方程参数；Z_L，Z_V分别表示液相、气相压缩系数。

根据本发明优选的，所述步骤3)毛管力的具体步骤包括：

毛管力P_cap的计算由Young-Laplace方程求得：

式(5)中，θ表示相接触角；σ表示界面张力，由Macleod-Sugden方程估算：

式(6)中，Nc表示流体组分数目，ρ_L,ρ_V表示组分i在液相、气相中的密度，[P]表示等张比容。

致密孔喉中两相流体相平衡采用迭代方法求解。

所述迭代方法为牛顿迭代方法：

①获得致密储层地质参数及流体参数，至少包括：地层温度T，地层压力P，原油组分Nc及其物性参数，所述物性参数至少包括交互因子、PVT测临界压力、和临界温度；

②估算相平衡常数Ki：

在此假定气液相压力相等，估算公式如式(10)所示，

③根据步骤(2)～(5)，结合状态方程(1)、质量守恒方程(8)，求解出气液相各组分含量；

④根据毛管力计算式公式(5)、(6)计算界面张力、毛管力及气相压力；

⑤根据吸附量计算式公式(7)，计算获得孔喉壁面流体吸附量；

⑥根据公式(9)，计算各组分在气液相中逸度系数，并根据评判标准，即逸度是否相等，判断是否达到相平衡：

如果达到平衡状态，即可结束计算；如若尚未达到平衡状态，更新气液相组分，重复步骤③～⑤；

⑦根据计算结果，获得流体各组分物性及两相性质，至少包括临界压力、临界温度、毛细管力和吸附量。

实施例2、

一种利用如实施例1所述模拟方法在注气开发模拟中的应用方法，包括：

将步骤1)-步骤5)所述建立流体相平衡简化模型的计算结果与CMG油藏数值模拟器相结合，模拟致密储层开发过程。

所述模拟致密储层开发过程，其特征在于，包括：

6)采用牛顿迭代算法，求解获得致密储层中流体的临界物性参数、吸附量以及毛细管力；所述临界物性参数由公式(3)、公式(4)对应求解得到计算结果，所述吸附量由公式(7)对应求解得到计算结果，所述毛管力由公式(5)、公式(6)对应求解得到模拟计算结果；

7)将所述模型计算结果与CMG油藏数值模拟软件相结合，将计算获得的储层流体物性导入到物性模块，扩散系数及吸附量输入到相应模块，模拟致密储层注气开发过程。

应用例：

以某油田某致密油区块为例，测得的储层流体物性如表1所示。

表1致密油组分组成及物性参数

根据本发明提出的模型，根据图1所示计算流程，求得在油藏开发模拟过程中不同孔喉尺寸条件下地层流体临界物性，如表2所示：

表2体相流体与受限流体临界物性

根据致密储层条件，建立油藏地质模型(对应本发明应用方法的步骤6)-7)得到的模型)，如图2所示，其中横坐标为油藏地质模型横向长度，纵坐标为模型纵向长度。对比色条的物理意义是表明地质储层渗透率。基质渗透率为0.01mD(对应孔喉平均特征尺寸为50nm)，孔隙度为7％。在进行油藏流体描述时，流体物性采用模型计算结果，如表2所示。

初始油藏压力为50MPa，油藏温度为115℃。采用加密网格的方法设置储层裂缝：裂缝长度为128m，宽度为24m，裂缝渗透率为50mD。

其中，注CO₂-N₂段塞吞吐开采致密油的方法，包括步骤如下：

(1)二氧化碳段塞注入：通过地面设备将二氧化碳气体提高至所需注入压力，通过注气井将二氧化碳注入目标储层，总注入体积为0.05～0.2PV。

(2)氮气段塞注入：通过地面设备将氮气提到至所需注入压力，通过注气井将氮气注入目标储层中，总注入体积为0.1～0.4PV。二氧化碳与氮气的注入体积比例为1:1～2。

(3)焖井扩散：将二氧化碳-氮气段塞注入致密油储层中，关闭注入井和生产井并进行焖井。焖井时间为3个月。焖井过程中，氮气因在原油中很小的溶解度而一直以气相状态存在，氮气抽提出溶于原油中的部分二氧化碳，并携带至储层深处，同时氮气可有效维持储层压力系统。

(4)开井生产：焖井结束后开井生产，在地层渗流过程中，混合气体驱替原油从地层流动至井筒，最终采至地面。

(5)多轮次吞吐：待一个轮次的CO₂-N₂段塞注入吞吐结束后，重复步骤(1)～步骤(4)，进行3～5轮次吞吐，提高多轮次CO₂-N₂段塞吞吐后油井的采油量。

采用上述步骤，模拟对比注CO₂、注混合气(CO₂-N₂)、注CO₂-N₂段塞以及注N₂-CO₂段塞，对比结果表明，注CO₂-N₂段塞吞吐是最佳注入方式。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (6)

1.一种考虑孔喉受限机理的致密油藏流体模拟方法，其特征在于，包括：建立流体相平衡简化模型：

1)确定假设条件

忽略地层中水相的影响；

忽略孔喉应力变形的影响；

忽略孔喉分布的影响；

忽略化学反应过程；

2)状态方程修正

在常规体相流体状态方程SRK EOS的基础上进行修正，考虑纳米孔喉受限效应参数c，使其适用于致密储层纳米孔喉中流体的相平衡计算：

式(1)中P表示流体压力，T表示流体温度，V_m表示地层孔喉内流体体积，R表示气体常数，8.314J/(mol·K)，参数a表征流体分子间碰撞因素，参数b表征分子大小的修正项，参数c表征除吸附、毛管力因素之外的纳米孔喉受限效应参数，上述参数由下式求得：

式(2)中，r表示孔喉特征尺寸，d表示流体平均分子尺寸，ω表示交互因子，P_c表示流体临界压力，T_c表示临界温度，T_r表示对比温度；

因此，在纳米孔喉受限效应作用下，流体临界压力P_c和临界温度T_c分别为：

3)毛管力计算

4)吸附量计算

吸附量的计算由多组分Langmuir吸附模型求得：

式(7)中，n^abs表示绝对吸附量，n^max表示最大吸附量，k表示吸附平衡常数，f表示逸度；

5)相平衡计算

根据质量守恒定律得：

式(8)中，x_i，y_i，z_i分别表示组分i在液相、气相及总流体系统中的摩尔分数；F,L,V分别表示总摩尔分数、液相摩尔分数、气相摩尔分数；K_c表示组分i的相平衡常数；

其中，两相平衡状态评判标准为，各组分在气相液相中的逸度相等；

所述气液两相各组分的逸度系数由下式获得：

式(9)中，

分别表示组分i在液相和气相中的逸度系数，a_m，b_m表示混相流体状态方程参数；Z_L，Z_V分别表示液相、气相压缩系数。

2.根据权利要求1所述的一种考虑孔喉受限机理的致密油藏流体模拟方法，其特征在于，所述步骤3)毛管力的具体步骤包括：

毛管力P_cap的计算由Young-Laplace方程求得：

式(5)中，θ表示相接触角；σ表示界面张力，由Macleod-Sugden方程估算：

式(6)中，Nc表示流体组分数目，ρ_L,ρ_V表示组分i在液相、气相中的密度，[P]表示等张比容。

3.根据权利要求1所述的一种考虑孔喉受限机理的致密油藏流体模拟方法，其特征在于，致密孔喉中两相流体相平衡采用迭代方法求解。

4.根据权利要求3所述的一种考虑孔喉受限机理的致密油藏流体模拟方法，其特征在于，所述迭代方法为牛顿迭代方法：

①获得致密储层地质参数及流体参数，至少包括：地层温度T，地层压力P，原油组分Nc及其物性参数，所述物性参数至少包括交互因子、PVT测临界压力、和临界温度；

②估算相平衡常数Ki：

在此假定气液相压力相等，估算公式如式(10)所示，

③根据步骤(2)～(5)，结合状态方程(1)、质量守恒方程(8)，求解出气液相各组分含量；

④根据毛管力计算式公式(5)、(6)计算界面张力、毛管力及气相压力；

⑤根据吸附量计算式公式(7)，计算获得孔喉壁面流体吸附量；

⑥根据公式(9)，计算各组分在气液相中逸度系数，并根据评判标准，即逸度是否相等，判断是否达到相平衡：

如果达到平衡状态，即可结束计算；如若尚未达到平衡状态，更新气液相组分，重复步骤③～⑤；

⑦根据计算结果，获得流体各组分物性及两相性质，至少包括临界压力、临界温度、毛细管力和吸附量。

5.一种利用如权利要求1-4任意一项所述模拟方法在注气开发模拟中的应用方法，其特征在于，包括：

将步骤1)-步骤5)所述建立流体相平衡简化模型的计算结果与CMG油藏数值模拟器相结合，模拟致密储层开发过程。

6.如权利要求5所述模拟方法在注气开发模拟中的应用方法，其特征在于，所述模拟致密储层开发过程，其特征在于，包括：

6)采用牛顿迭代算法，求解获得致密储层中流体的临界物性参数、吸附量以及毛细管力；所述临界物性参数由公式(3)、公式(4)对应求解得到计算结果，所述吸附量由公式(7)对应求解得到计算结果，所述毛管力由公式(5)、公式(6)对应求解得到模拟计算结果；

7)将所述模型计算结果与CMG油藏数值模拟软件相结合，将计算获得的储层流体物性导入到物性模块，扩散系数及吸附量输入到相应模块，模拟致密储层注气开发过程。

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