畢業設計-考慮傳質擴散作用的co2驅油數學模型及其影響因素研究(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 體中有效成分的損失，例如活性劑的損失、聚合物的損失等等，使注入劑 早遭受損失，降低經濟效益，而由于巖石吸附的結果會使底層有效滲透率降低。由于吸附的結果，在固體表面上形成一層穩定的吸附層，此吸附層上的濃度可以在達到一個極限吸附濃度，這一極限濃度與溶液中該組分的濃度成平衡。 二氧化碳驅油中主要的吸附機理及作用力 吸附現象是所有三次采油方法中存在的普遍現象，在二氧化碳注水中具體指濃度 c 的二氧化碳物質在空隙介質固體表面上的分子吸附過程。 二氧化碳水溶液在驅替過程中與巨大的吸附表面（空隙介質固體表面）相接觸，因而發生廣泛的吸附作用，這將導致兩個波（ s波和 c波）前 緣，并且波遠遠滯后于水驅前緣，從而不僅大大降低了二氧化碳直接驅油的機會和效率，而且造成二氧化碳的巨大浪費。吸附過程主要指溶液中的“溶質” 在巖石固體表面上分子吸附，該固體表面（壁）在能量關系方面對分子而言國內外二氧化碳驅油開發概況 11 是“劃出來的表面”，一般溶液中分子只與溶劑分子相互作用，但這時靠近壁表面的分子開始與“劃出來的表面”發生作用，使這部分表面呈現足夠活性。例如，該壁具有極性基團和結晶缺陷，結果壁上就出現一定數量使用于溶質分子與其連接的位置，這個位置也叫“吸附中心”。溶質分子滯留在吸附中心上形成吸附現象。 主要的吸附作 用力： （ 1）靜電力吸附 在驅油過程中，若荷電粘土礦物和電荷相反表面活性劑離子接觸，則它們間的靜電作用所引起的吸附起支配作用。即吸附質離子主要是通過靜電力吸附于具有相反電荷的未被離子占據的固體表面。 （ 2）氫鍵吸附 許多含有羥基、酚基、羧基或氨基的體系，吸附物分子或離子與固體表面極性基團之間常常通過氫鍵而發生吸附。 （ 3）色散力吸附 這是一種由瞬時偶極矩之間的相互作用力而引起的吸附。色散力吸附在任何場合皆可發生，可作為其它吸附作用的補充。 （ 4）疏水力吸附 在水介質中某些疏水基團與固體表面上的親油部位相互作用，原來親水粘土礦物表面由于某些組分的吸附而具有親油性，也可與表面活性劑或聚合物的非極性部分通過疏水作用相互連接，從而導致固體表面的潤濕性轉化。疏水力也是一種范德華力，它主要取決于所研究物質的極性程度。此類吸附量往往隨吸附質分子尺寸地增大而增加。 （ 5）化學鍵力吸附 通過形成化學鍵發生的吸附稱為化學鍵吸附。該化學吸附主要是由于離子交換所致。在交換過程中，帶負電的表面活性劑離子代替等量的晶格離子，形成堿土金屬油酸鹽表面層。實際上，固 液界面上的吸附 機理是復雜的，某些吸附過程中可能同時存在幾種作用力。 國內外二氧化碳驅油開發概況 12 二氧化碳驅替注入方式 [2] 連續注二氧化碳氣體 直接向已枯竭的地層中連續注入二氧化碳氣體，特點為： （ 1）見效快，但二氧化碳消耗量大，一般為地層孔隙體積的幾倍； （ 2）由于不利的流度比，容易發生早期氣竄，產氣量上升快，二氧化碳利用率低； （ 3）不適于壓力過低的油藏，因為這類油藏一方面需要大量的二氧化碳氣體，另一方面，過低的壓力下二氧化碳氣體與原油混相困難，造成只有少量輕質烴采出，大量重質烴留在地下。 注碳酸水 利用二氧化碳溶于水的性 質，將水 二氧化碳溶液注入到地層后，水中的二氧化碳在分子擴散作用下與原油接觸并驅油。 （ 1） 改善流度比 由于水中二氧化碳更容易溶解在原油中，因此注水前緣后面地層中的二 氧化碳會轉移到殘余油相中，降低原油粘度，提高油相滲透率，同時碳酸化水中的二氧化碳對水具有增粘作用，可以改善流度比，并使油水相界面處毛管力下降和巖石水潤視角減小。原來水不能波及到的地方，由于水中溶有二氧化碳而能被波及到，一般碳酸化波及系數要比普通的高出幾倍。 （ 2） 提高洗油效率 由于原油與二氧化碳要比水與二氧化碳在化學上有更深的“親緣”關系，因此在 碳酸化水與石油接觸時，二氧化碳的分子發生擴散，從而使附在巖石骨架表面上的重質油膜“疏松”化，最終使這些油膜移動，提高了洗油效率。 （ 3） 吸附現象 由于二氧化碳也像其他溶劑一樣存在吸附作用，因而通常二氧化碳濃度前緣要遠遠落后于水驅前緣，相差 17 倍，但這種吸附與聚合物不同，不論在原油處吸附，還是巖石表面吸附，對原油開發均有利。 水、二氧化碳氣體段賽交替注入 將二氧化碳和水以較小的段賽尺寸（一般小于 5%HCPV）交替注入到油層中驅油。雖然注入的水可能造成水屏蔽和二氧化碳繞流原油，且存在潛力的重力分層作用 ，同時還可能造成注入能力下降等缺點。但由于改善了二國內外二氧化碳驅油開發概況 13 氧化碳的流度，提高了二氧化碳的體積波及系數和利用率，因此，交替注入方式是經濟有效的提高采收率的工藝方法。 二氧化碳和水同時注入 二氧化碳和水同時注入是利用雙注系統同時將水和二氧化碳注入油層的方法。可以看做 WAG 發的一種極端情況。此種注入方法的不利因素就是：當高壓注入二氧化碳和水的混合物時，注入井腐蝕嚴重；當兩相同時注入時，注入能力會降低。 小結 這一 章主要 通過調研國 內外文獻，綜合國內油田開發現狀， 結合實際 和經濟效益前景分析來看，得出利用二氧化碳 驅油的必要性和緊迫性。介紹了二氧化碳驅油的開發現狀、二氧化碳驅油的油藏條件 、驅油機理 、驅替 注入方式 、 擴散 吸附 現象、吸附機理和 主要的 吸附 作用力 等。進一步了解二氧化碳驅油的相關內容， 對于之后 在不同的原油粘度、擴散吸附作用下 建立 二氧化碳驅油 數學模型，研究不同的原油粘度 、 擴散 吸附作用 對開發指標的影響 ，都有緊密的聯系。 二氧化碳驅油數學模型研究現狀 14 第三章 二氧化碳驅油數學模型研究現狀 數值模擬的基礎是數學模型，在本文中對國內外已經研究出的關于二氧化碳驅油及相關的數學模型進行了總結羅列，并最終得出了關于二氧化碳驅油三種模型：包括組分模型， 改進的黑油模型和傳輸擴散模型。 國外關于二氧化碳模型的研究現狀 對于二氧化碳驅油過程中所發生傳質擴散現象，國外已經有所研究，但 是已經進行的無論是試驗還是數值模擬，都為數很少，所留下的數據也不多。在 1963 年， 和 就討論了孔隙介質中的擴散和對流現象。然而， Lindenberg 和 WesselBerg 最先指出了自然對流現象對二氧化碳在水中的隔離有著重要的作用， Yang 和 Gu做實驗使得二氧化碳氣柱與水在高壓下相接觸。然而，他們的研究是有限的，對于一些早期的和 長期的情況來說都不夠精確。 Farajzadeh ，結果表明在早期會增強傳質作用，之后會長期由擴散控制。但是，他們都沒有給出對實驗現象的基本解釋。只有 Ngiem ，實驗顯示了自然對流作用在隔離二氧化碳過程中起到了重要作用。 利用納維 斯托克斯方程，對溫度驅動自然對流作用進行了理論上的描述，這些能夠從流體力學類的經典書籍中找到。 Guceri 和 Farouk 針對在各種各樣幾何形態中產生對流的穩定自然狀態（湍流），利用限定容積法建立了一種數學模型。通過考慮 幾何形態的對稱性，他們使用了流函數 渦旋法，對這些幾何形態通過一些精確的觀察點進行兩維的描述。 Patankar 提出了一種也能用于解決（不穩定的）三維問題的半隱式的數學模型，利用他的理論，Bairi 研究出了在兩維垂直圓柱體中的瞬間自然對流作用 [11]。依據前人的經驗成果， 等人建立出了以下方程： （ 1）連續性方程 039。r )39。v39。r(39。z )39。v39。r( rz ?????? （ 3— 1） （ 2） r 方向的動量守恒方程 二氧化碳驅油數學模型研究現狀 15 ?????????????????? ???????????????? 2 r2rrzrrr 39。z 39。v)39。v39。r(39。r39。r139。rv39。rp139。z 39。v39。v39。r 39。v39。vt 39。v （ 3— 2） （ 3） z 方向的動量守恒方程 ??????????????? ???? ?????? ???????????????????? 2 z2ziczzzrz 39。z 39。v39。r 39。v39。r39。r39。r1v39。zp1)39。c39。c(g39。z 39。v39。v39。r 39。v39。vt 39。v （ 3— 3） （ 4）濃度方程 ????????????? ???????????????? 22zr 39。z 39。c39。r 39。c39。r39。r39。r1D39。z 39。c39。v39。r 39。c39。vt 39。c （ 3— 4） 式中 c39。 —— 濃度， M； D —— 擴散系數， s/m2 。 上述四個方程中包含了四個未知數：兩個速度分量，壓力和濃度。此處不考慮壓力變化，動量方程經過交叉微分和減法運算之后，剩余的三個公式可以寫成流函數 渦旋法的形式。 將 R 定義為無因次量，作為特征長度，則有： ,39。vR,39。vR1,39。c39。c 39。c39。cc,tR v,R 39。zz,R 39。rr 2io i2 ????????????? ,G r ScRa,DvSc,v cRgGr 2 3c ????? 其中： .39。r 39。v39。z 39。v39。,39。z 39。39。r139。v,39。z 39。39。r139。v zrzr ???????????????? 式中 39。? —— 流量， s/m3 ； 39。z —— 到試管底部的距離， m； 39。? —— 速度， m/s；