CN117153276A - 利用分子动力学预测二氧化碳埋存后地层压力变化的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及利用分子动力学预测二氧化碳埋存后地层压力变化的方法，通过分子动力学模拟，得到不同地层压力条件下原油体系模型的MSD曲线；通过MSD曲线，得到不同地层压力条件下的原油扩散系数；建立原油扩散系数与地层压力之间的指数函数关系曲线，进而得到指数函数的第二系数；通过指数函数的第二系数计算二氧化碳埋存后的地层压力；本发明针对二氧化碳埋存之后地层压力不清楚的问题，提出一种利用二氧化碳埋存之后原油粘度变化反推出地层压力变化的方法，不仅可以定量识别地层压力变化，还可预测地层压力随原油粘度的连续变化。

Description

利用分子动力学预测二氧化碳埋存后地层压力变化的方法
技术领域
本发明涉及二氧化碳驱油开发领域，具体地涉及一种利用分子动力学预测二氧化碳埋存后地层压力变化的方法。
背景技术
碳捕集、利用与封存(CCUS)技术是指将二氧化碳从工业、能源生产等排放源或大气中捕集分离，并输送到适宜的场地加以利用或封存，以实现二氧化碳减排的过程。CCUS技术应用在油气藏开发领域，主要体现在二氧化碳注入地层之后溶解在原油中，通过降低原油黏度从而最终实现采收率的提高。在二氧化碳驱油与埋存实际应用上，明确二氧化碳在原油中的溶解扩散规律，对于原油流动性与二氧化碳埋存能力研究来说意义重大，且对后续开发方案制定和产能预测具有重要的指导意义。
相比于常规的室内岩心驱替实验无法表征微观驱油状态及作用机理的局限性，分子动力学模拟是基于经典牛顿力学的基础理论，在分子层面上解决问题的非量子力学方法，该方法针对分子间作用力、分子结构形态等微观性质的变化方面具有一定优势，分子动力学模拟得到的地层压力随原油扩散系数的变化为离散曲线，无法直接预测地层压力随原油粘度的连续变化，为此利用分子动力学，建立一种能够预测二氧化碳埋存后地层压力变化的方法，具有重要意义。
发明内容
本发明旨在针对上述问题，提出一种利用分子动力学预测二氧化碳埋存后地层压力变化的方法。
本发明的技术方案在于：
一种利用分子动力学预测二氧化碳埋存后地层压力变化的方法，方法如下。
1.通过分子动力学模拟，得到不同地层压力p条件下原油体系模型的MSD曲线；
通过分子动力学模拟，设定模拟温度等于储层温度T，模拟初始地层压力等于原始地层压力p i，进而设置不同地层压力p，地层压力p取10~50MPa；得到不同地层压力p条件下原油体系模型的MSD曲线。
2.通过MSD曲线，得到不同地层压力p条件下的原油扩散系数D(T,p)；
采用拟合曲线对MSD曲线进行拟合，得到拟合曲线的斜率；
将斜率代入下式，计算得到原油扩散系数D(T,p)：
(1)
式中：p为地层压力，MPa；T为储层温度，K；
D(T,p)为储层温度T、地层压力p时的原油扩散系数，10-8m2·s-1；
为储层温度T、地层压力p时拟合曲线的斜率，10-8m2·s-1。
3.建立原油扩散系数D(T,p)与地层压力p之间的指数函数关系曲线，得到指数函数的第二系数n(T)；
分子动力学模拟结果显示，当模拟温度等于储层温度T时，原油扩散系数D(T,p)与地层压力p之间呈现很好的指数相关性，表示如下：
D(T,p)=m(T)e n(T)p (2)
式中：m(T)为指数函数的第一系数，无量纲；n(T)为指数函数的第二系数，无量纲；
进而得到指数函数的第一系数m(T)和指数函数的第二系数n(T)；
当地层压力p等于原始地层压力p i时，此时的原油扩散系数D(T,p i)为：
(3)
式中：D(T,p i)为储层温度T、原始地层压力p i时的原油扩散系数，10-8m2·s-1；
p i为原始地层压力，MPa；
当模拟温度等于储层温度T时，指数函数的第一系数m(T)和指数函数的第二系数n(T)不变，(2)式和(3)式相除，得到：
(4)
公式(4)即为D(T,p)与n(T)之间的函数关系式。
4.通过指数函数的第二系数n(T)计算二氧化碳埋存后的地层压力p；
根据Stokes-Einstein公式，当原油中溶解二氧化碳后，原油粘度μ(T,p)与原油扩散系数D(T,p)之间呈现出反比关系，表示为：
(5)
式中：μ(T,p)为储层温度T、地层压力p时的原油粘度，Pa·s；
k为玻尔兹曼常数，取值1.38×10-23J/K；
α为二氧化碳的分子半径，取值1.65×10-10m；
D(T,p)为储层温度T、地层压力p时的原油扩散系数，10-8m2·s-1；
当地层压力p等于原始地层压力p i时，此时的原油粘度μ(T,p i)为：
(6)
式中：k为玻尔兹曼常数，取值1.38×10-23J/K；
α为二氧化碳的分子半径，取值1.65×10-10m；
μ(T,p i)为储层温度T、原始地层压力p i时的原油粘度，Pa·s；
(5)式和(6)式中，k、π、α均为常数，故原油粘度μ(T,p)是储层温度T和原油扩散系数D(T,p)的函数，分子动力学模拟过程中，假设储层温度T不发生改变，即T(p)=T(p i)，(5)式和(6)式相除，得到：
(7)
(7)式中，μ(T,p i)通常为已知，D(T,p i)、D(T,p)通过分子动力学模拟得到，通过设置不同的地层压力p，得到不同地层压力p条件下的MSD曲线，此时的MSD曲线是离散的，而对于实际的二氧化碳埋存过程中，原油粘度μ(T,p)是连续函数，为此不能直接通过设置不同地层压力p得到MSD曲线进而再得到原油粘度μ(T,p)；
将(4)式代入(7)式，推导得到：
(8)
通过(8)式，仅需代入不同阶段的原油粘度μ(T,p)即可计算埋存二氧化碳后的地层压力p。
本发明的技术效果在于：
本发明针对二氧化碳埋存之后地层压力不清楚的问题，提出一种利用二氧化碳埋存之后原油粘度变化反推出地层压力变化的方法，不仅可以定量识别地层压力变化，还可预测地层压力随原油粘度的连续变化。
附图说明
图1为353K温度下不同地层压力p条件下MSD曲线图。
图2为353K条件下扩散系数D(T,p)与地层压力p的关系曲线图。
图3为353K条件下地层压力p随原油粘度μ(T,p)的变化规律。
图4为393K温度下不同地层压力p条件下MSD曲线图。
图5为393K条件下扩散系数D(T,p)与地层压力p的关系曲线图。
图6为393K条件下地层压力p随原油粘度μ(T,p)的变化规律。
具体实施方式
具体实施例1--储层温度T为353K、原始地层压力p i为10MPa。
利用分子动力学预测二氧化碳埋存后地层压力变化的方法，方法如下。
1.通过分子动力学模拟，得到不同地层压力p条件下原油体系模型的MSD曲线；
采用分子动力学模拟，设定模拟温度=储层温度T=353K，模拟初始地层压力=原始地层压力p i=10MPa，进而设置地层压力p取10~50MPa，得到不同地层压力p条件下原油体系模型的MSD曲线，见图1。
2.通过MSD曲线，得到不同地层压力p条件下的原油扩散系数D(T,p)；
采用拟合曲线对MSD曲线进行拟合，得到拟合曲线的斜率；
将斜率代入(1)式，计算得到表1；
表1 353K不同地层压力p条件下的原油扩散系数D(T,p)
3.建立原油扩散系数D(T,p)与地层压力p之间的指数函数关系曲线，得到指数函数的第二系数n(T)；
建立原油扩散系数D(T,p)与地层压力p之间的指数函数关系曲线，见图2；进而得到指数函数的第二系数n(T)=﹣0.007。
4.通过(8)式计算二氧化碳埋存后的地层压力p；计算结果见图3；图3展示了353K条件下地层压力p随原油粘度μ(T,p)的变化规律；其中，离散的点为通过分子动力学模拟得到的地层压力，曲线为通过本发明提出的方法计算的地层压力，对比发现本发明的预测结果与分子动力学模拟结果几乎重合，呈现出很高精度，实现了地层压力p随原油粘度μ(T,p)的连续计算。
具体实施例2--储层温度T为393K、原始地层压力p i为10MPa。
利用分子动力学预测二氧化碳埋存后地层压力变化的方法，方法如下。
1.通过分子动力学模拟，得到不同地层压力p条件下原油体系模型的MSD曲线；
采用分子动力学模拟，设定模拟温度=储层温度T=393K，模拟初始地层压力=原始地层压力p i=10MPa，进而设置地层压力p取10~50MPa，得到不同地层压力p条件下原油体系模型的MSD曲线，见图4。
2.通过MSD曲线，得到不同地层压力p条件下的原油扩散系数D(T,p)；
采用拟合曲线对MSD曲线进行拟合，得到拟合曲线的斜率；
将斜率代入(1)式，计算得到表2；
表2 393K不同地层压力p条件下的原油扩散系数D(T,p)
3.建立原油扩散系数D(T,p)与地层压力p之间的指数函数关系曲线，得到指数函数的第二系数n(T)；
建立原油扩散系数D(T,p)与地层压力p之间的指数函数关系曲线，见图5；进而得到指数函数的第二系数n(T)=﹣0.0063。
4.通过(8)式计算二氧化碳埋存后的地层压力p；计算结果见图6；图6展示了393K条件下地层压力p随原油粘度μ(T,p)的变化规律；其中，离散的点为通过分子动力学模拟得到的地层压力，曲线为通过本发明提出的方法计算的地层压力，对比发现本发明的预测结果与分子动力学模拟结果几乎重合，呈现出很高精度，实现了地层压力p随原油粘度μ(T,p)的连续计算。
图3及图6中，为示图直观方便，将横坐标原油粘度μ(T,p)的单位改为毫帕秒（mPa·S）展示。

Claims (6)

1.利用分子动力学预测二氧化碳埋存后地层压力变化的方法，方法如下：
步骤1：通过分子动力学模拟，得到不同地层压力p条件下原油体系模型的MSD曲线；
步骤2：通过MSD曲线，得到不同地层压力p条件下的原油扩散系数D(T,p)；
其特征在于：还包括：
步骤3：建立原油扩散系数D(T,p)与地层压力p之间的指数函数关系曲线，其关系式为：
D(T,p)=m(T)e n(T)p
式中：p为地层压力，MPa；T为储层温度，K；
D(T,p)为储层温度T、地层压力p时的原油扩散系数，10-8 m2·s-1；
m(T)为指数函数的第一系数，无量纲；n(T)为指数函数的第二系数，无量纲；
进而得到指数函数的第二系数n(T)；
步骤4：通过指数函数的第二系数n(T)计算二氧化碳埋存后的地层压力p：
式中：p i为原始地层压力，MPa；
μ(T, p i)为储层温度T、原始地层压力p i时的原油粘度，Pa·s；
μ(T, p) 为储层温度T、地层压力p时的原油粘度，Pa·s。
2.根据权利要求1所述利用分子动力学预测二氧化碳埋存后地层压力变化的方法，其特征在于：所述步骤1的具体实施过程为：通过分子动力学模拟，设定模拟温度等于储层温度T，模拟初始地层压力等于原始地层压力p i，进而设置不同地层压力p，得到不同地层压力p条件下原油体系模型的MSD曲线。
3.根据权利要求2所述利用分子动力学预测二氧化碳埋存后地层压力变化的方法，其特征在于：所述步骤2的具体实施过程为：采用拟合曲线对MSD曲线进行拟合，得到拟合曲线的斜率/>；
将斜率代入下式，计算得到原油扩散系数D(T,p)：
式中：为储层温度T、地层压力p时拟合曲线的斜率，10-8 m2·s-1。
4.根据权利要求3所述利用分子动力学预测二氧化碳埋存后地层压力变化的方法，其特征在于：所述储层温度T、地层压力p时的原油粘度μ(T, p)的计算过程为：
式中：k为玻尔兹曼常数，取值1.38×10-23 J/K；
D(T,p)为储层温度T、地层压力p时的原油扩散系数，10-8 m2·s-1；
α为二氧化碳的分子半径，取值1.65×10-10 m。
5.根据权利要求4所述利用分子动力学预测二氧化碳埋存后地层压力变化的方法，其特征在于：所述储层温度T、原始地层压力p i时的原油粘度μ(T, p i)的计算过程为：
式中：D(T,p i)为储层温度T、原始地层压力p i时的原油扩散系数，10-8 m2·s-1；
k为玻尔兹曼常数，取值1.38×10-23 J/K；
α为二氧化碳的分子半径，取值1.65×10-10 m。
6.根据权利要求5所述利用分子动力学预测二氧化碳埋存后地层压力变化的方法，其特征在于：所述地层压力p取10~50MPa。
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