CO2驱油数值模拟研究现状与发展趋势

注气驱油数值模拟方法研究现状与发展趋

势

姬泽敏，秦积舜，李实，廉黎明

（提高石油采收率国家重点实验室—中国石油勘探开发研究院，北京市 100083）

摘要：注气驱油技术是提高石油采收率的重要方法之一，应用和发展前景广阔。气驱油过程伴随着油气体系间的组分传质和系统压力变化，进而引起油气体系的相态转化，使得注气驱油过程的物理化学现象的表征和数学描述变得十分复杂，至今尚未形成统一和精确的油气体系相态表征和描述方法。通过考察国内外已有的相关数学模型和计算模拟方法，本文较为系统的梳理了注气驱油数值模拟方法的发展历程，评价了现有方法的优缺点，并结合我国油藏储层及流体特征，提出了适合中国油藏特点的注气驱油数值模拟方法的发展方向。

关键词：注气驱油技术；油气体系；数值模拟；组分传质；相态

Research Status of Gas Flooding Numerical

Simulation and Its Development Trend

Ji Zemin1，Qin Jishun，Li Shi，Lian Liming

(The State Key Laboratory of Enhanced Oil Recovery—RIPED, Beijing 100083,China)

Abstract: Gas flooding technology is one of the pivotal EOR methods, which has a broad prospect of application and development. However, mass transfer and change of system pressure during the process of gas flooding lead to the change of phase behavior, which draws great difficulties to the mathematical description and characterization of physical and chemical phenomenon during the process, so far there has not been a set of uniform and accurate methods to describe and characterize the phase behavior of oil and gas system. According to the mentioned above, based on the investigation of several gas flooding numerical simulation methods at home and abroad, this paper hackled the development process of the gas flooding numerical simulation methods, evaluated the advantages and disadvantages of these methods. Finally, combined with the characters of reservoirs and fluid, development direction of gas flooding numerical simulation with Chinese characteristics was proposed.

Key words：gas flooding，oil-gas system，numerical simulation，compositional transfer，phase 1收稿日期：

第一作者简介：姬泽敏（1985—），男，博士研究生，主要从事注气提高采收率技术及数值模拟研究。

基金项目:国家973项目04课题“孔隙介质中相态实验与理论研究”(No. 2011CB707304)，国家科技重大专项(No. 2011ZX05016-001)。

behavior

注气驱油技术（以下简称气驱技术）是指将适合作为驱油剂的气体注入油藏，在地层压力的作用下，注入气与地层油之间发生组分传质，形成混相或非混相驱油，从而达到提高石油采收率目的的一项技术。最初，注入气主要是液化石油气。之后，由于降低成本、安全环保等方面的要求，逐渐采用甲烷气、CO2、氮气、空气等。据2012年美国油气杂志发布的数据，世界范围正在实施的提高石油采收率项目的总数约330个，其中气驱项目总数超过177个，包括CO2混相驱项目120个、烃类气驱项目36个、CO2非混相驱16个、N2非混相驱4个、酸性气体混相驱项目1个。气驱技术已经成为世界提高石油采收率领域的主要技术[1]。

经过近50年的发展，气驱技术已相对成熟，并在国外（尤其是美国）得到了较为广泛的应用。气驱技术的快速发展主要有几个方面的原因，一是气源变得越来越广泛[2-4]；二是气驱机理的认识不断深化,地质及油藏工程方法日趋成熟；三是气驱技术的工程配套技术不断完善。

气驱技术是地质工程、油藏工程、注采工程和地面工程等技术的集成，其中油藏工程技术起着关键的作用。就具体的气驱开发项目来说，油藏工程技术贯穿始终，包括开发方案设计与优化、效果跟踪与评价、动态监测与调整等技术环节；除去油藏工程师的知识和经验之外，数值模拟技术是油藏工程师认识油藏、了解动态、优化设计的主要技术手段，其进步对于推动气驱技术的发展和应用起到了重要的作用。

与水驱不同，气驱过程中受压力和温度的控制，气液体系存在着复杂的物理化学作用[5]，例如气液组分间的抽提、溶解、蒸发、凝析等，使得气液体系的相态复杂多变。究其原因，既与气液体系的组分组成有关，也与气液体系所处的温压环境有关。基于天然气藏、凝析气藏、挥发油藏等的开发需求，20世纪30年代至70年代间，美国石油工程师学会（API）等针对烃类混合物的理化性质进行了系统的研究，形成了一系列描述和表征气液系统的相态参数的计算方法，奠定了油气田开发工程中获取油气体系物理化学性质参数的基础，进而成为数值模拟技术中气液相态计算的理论方法基础[6-8]。黑油模型中的相态计算方法就是典型的应用实例。

数十年来，伴随着计算机技术的高速发展和计算方法的创新，油藏数值模拟技术有了长足的进步。针对气驱油过程的特点，研究者先后提出了修正的黑油模型、半隐式组分模型、全隐式组分模型、有限组分模型、基于流线方法的组分模型、基于高阶有限元方法的组分模型，这些方法基本实现了气驱油过程中地层流体流动的数值模拟。但在气液相态计算方面，由于世界范围内原油的多样性及其组分组成的复杂性，现有的模型和计算方法尚不能满足数值模拟技术应用的需求。同时，在质量守恒方程求解方面，由于方程的非线性较强，为了减少数值弥散，提高计算的收敛速度，需要