一种基于凝胶泡沫的数值模拟方法

摘要

本发明公开了一种基于凝胶泡沫的数值模拟方法，本方法包括：构建3相9组分形式的数学模型；求解水相、油相、气相压力方程；计算气相流速和凝胶泡沫液膜张力；比较气相流速与临界流速的大小，在比较结果为气相流速大于临界流速时执行泡沫生成反应；比较凝胶泡沫液膜张力与临界压力的大小，并在比较结果为凝胶泡沫液膜张力大于临界压力时执行泡沫破灭反应；求解各组分浓度和各组分的粘度；修正凝胶泡沫的粘度和普通泡沫的粘度，修正气油相对渗透率曲线。本方法在引入凝胶泡沫的基础上建立了用于调驱分析的数学模型，提出了有效表征凝胶泡沫调驱的数值模拟方法，为油藏进一步提高采收率的数值模拟提供了有效手段。

说明书

技术领域

本发明涉及油藏数值模拟技术应用领域，尤其涉及一种基于凝胶泡沫的 数值模拟方法。

背景技术

泡沫(例如空气泡沫、氮气泡沫、二氧化碳泡沫等)调驱作为一种提高 采收率的方法在众多油田都得到了广泛的应用。但是在实际应用过程中，相 关人员发现：普通泡沫封堵能力有限，当遇到渗透率较大的窜流通道时，普 通泡沫并不能有效封堵。另外，可以在封堵渗透率较大的窜流通道上使用主 要堵剂类型为冻胶类，冻胶虽然具备较好的封堵能力，但是注入能力较差且 经济成本较高。凝胶泡沫作为介于普通泡沫与冻胶之间的堵剂类型，兼具了 普通泡沫注入性能优异经济成本较低和冻胶封堵能力强的双重特点，但现有 技术中没有基于凝胶泡沫的数值模拟方式，无法为凝胶泡沫作为堵剂的实际 应用提供支持。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于凝胶泡沫的数值模拟方法，以解决现有技 术中没有基于凝胶泡沫的数值模拟方式，以致于无法为凝胶泡沫作为堵剂的 实际应用提供支持的问题。

本发有中一种基于凝胶泡沫的数值模拟方法包括：

步骤1，构建油田或模拟油田实验装置的数学模型，将所述数学模型设 置为3相9组分形式，所述3相包括水相、油相和气相；所述9组分包括水、 油、氮气、起泡剂、普通泡沫、聚合物、交联剂、凝胶、凝胶泡沫；为各组 分浓度设置初始值，为所述数学模型中的压力设置初始值，为各组分粘度设 置初始值，设置凝胶泡沫生成反应的反应速率和凝胶泡沫破灭反应的反应速 率，设置普通泡沫生成反应的反应速率和普通泡沫破灭反应的反应速率，设 置油水相对渗透率曲线以及气油相对渗透率曲线；设置时间步长和时间步 数，以所述时间步长和所述时间步数循环执行步骤2至步骤5：

步骤2，求解水相压力方程，油相压力方程，气相压力方程；

步骤3，计算气相流速和凝胶泡沫液膜张力；其中，凝胶泡沫液膜张力 为凝胶泡沫内的气相压力与凝胶泡沫外壁的水相压力的差；

步骤4，比较所述气相流速与临界流速的大小，在比较结果为所述气相 流速大于所述临界流速时执行泡沫生成反应；并且，比较凝胶泡沫液膜张力 与临界压力的大小，并在比较结果为所述凝胶泡沫液膜张力大于所述临界压 力时执行泡沫破灭反应；其中，所述泡沫生成反应包括普通泡沫生成反应和 凝胶泡沫生成反应；将所述普通泡沫生成反应设置为以下方式：由水、氮气、 起泡剂生成普通泡沫；将所述凝胶泡沫生成反应设置为以下方式：由水、氮 气、起泡剂、交联剂、聚合物生成普通泡沫；所述泡沫破灭反应包括普通泡 沫破灭反应和凝胶泡沫破灭反应；将所述普通破灭生成反应设置为以下方式： 由普通泡沫分解为氮气、水、起泡剂；将所述凝胶泡沫生成反应设置为以下 方式：由凝胶泡沫分解为水、氮气、起泡剂、凝胶；

步骤5，求解各组分浓度和各组分的粘度；修正凝胶泡沫的粘度和普通 泡沫的粘度，修正所述气油相对渗透率曲线。

进一步地，本方法还可以具有以下特点：

所述凝胶泡沫生成反应的反应速率的设置方法为：根据不同时间步的凝 胶泡沫的粘度的变化，设置凝胶泡沫的反应速率，具体为：根据实验数据获 得相邻时间间隔相同的N个时间点上的N个凝胶泡沫粘度，根据所述N个 时间点与所述N个凝胶泡沫粘度，确定所述凝胶泡沫生成反应的反应速率的 值，使所述反应速率作为拟合函数的一参数使所述拟合函数在时间点与凝胶 泡沫粘度此两个坐标轴上能够拟合所述N个凝胶泡沫粘度，所述N为大于1 的整数。

进一步地，本方法还可以具有以下特点：

所述步骤1中设置气油相对渗透率曲线的过程中包括：将气相相对渗透 率设置为原始气相相对渗透率；

所述步骤5中还包括：通过气相相对渗透率修正系数R对气相相对渗透 率数值进行修正，所述步骤5中还包括：判断普通泡沫或凝胶泡沫破灭时， 将气相相对渗透率设置为原始气相相对渗透率。

进一步地，本方法还可以具有以下特点：

获取所述气相相对渗透率修正系数R的方法包括：通过室内实验测试得 到不同渗透率的凝胶泡沫残余阻力系数，根据所述凝胶泡沫残余阻力系数通 过历史拟合方法确定所述气相相对渗透率修正系数R。

进一步地，本方法还可以具有以下特点：

根据下述方法对所述气相相对渗透率进行修正：

满足或C_ws≥C_ws lim时，根据下述公式修正： $k_{\mathrm{rg}}=\frac{k_{\mathrm{rg}}^0}{1+\frac{(R-1)(S_w-S_w^{*}+ϵ)}{2ϵ}}$

满足或C_ws≥C_ws lim时，根据下述公式进行修正：

$k_{\mathrm{rg}}=\frac{k_{\mathrm{rg}}^0}{R}$

式中，为修正前的气相相对渗透率，k_rg为修正后的气相相对渗透率，为临界含水饱和度，C_ws lim为存在泡膜的最低起泡剂浓度，ε为饱和度小范围 变化量，S_w为含水饱和度也称为水相饱和度，C_ws为起泡性剂浓度。

进一步地，本方法还可以具有以下特点：

所述气相相对渗透率修正系数R是80至106范围内的一个值。

进一步地，本方法还可以具有以下特点：

所述气相相对渗透率修正系数R的值为86。

进一步地，本方法还可以具有以下特点：

通过实验方法获得所述普通泡沫破灭反应的反应速率和所述凝胶泡沫破 灭反应的反应速率，具体包括：

打开循环水浴锅并加热到80至100摄氏度之间，连接循环水浴锅和起泡 仪；

配制起泡剂溶液10-30毫升；

向起泡仪注入所述起泡液；

按照10至30毫升每分钟的速度注入氮气，气液比为1∶1至2：1之间， 观察普通泡沫和凝胶泡沫的起泡情况，记录普通泡沫和凝胶泡沫的起泡体积 及半衰期，重复测量多次，取测量到的多个半衰期取平均值，得到普通泡沫 的半衰期和凝胶泡沫的半衰期，根据所述普通泡沫的半衰期计算得到所述普 通泡沫破灭反应的反应速度，根据所述凝胶泡沫的半衰期计算得到所述泡沫 破灭反应的反应速度。

进一步地，本方法还可以具有以下特点：

设置所述普通泡沫破灭反应的反应速率的值位于0.01至0.012范围内，

设置所述凝胶泡沫破灭反应的反应速率的值位于0.001至0.003范围内。

进一步地，本方法还可以具有以下特点：

设置所述普通泡沫破灭反应的反应速率的值为0.011，

设置所述凝胶泡沫破灭反应的反应速率的值为0.002。

本发明的基于凝胶泡沫的数值模拟方法，在引入凝胶泡沫的基础上建立 了用于调驱分析的数学模型，提出了有效表征凝胶泡沫调驱的数值模拟方法， 为油藏进一步提高采收率的数值模拟提供了有效的方法和途径。

附图说明

图1是本发明中基于凝胶泡沫的数值模拟方法的流程图。

具体实施例

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发 明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述， 显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获 得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突 的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

本方法包括：

步骤1，构建油田或模拟油田实验装置的数学模型，将此数学模型设置 为3相9组分形式，其中3相包括水相、油相和气相；9组分包括水、油、 氮气、起泡剂、普通泡沫、聚合物、交联剂、凝胶、凝胶泡沫。为各组分浓 度设置初始值，为所述数学模型中的压力设置初始值，为各组分粘度设置初 始值，设置凝胶泡沫生成反应的反应速率和凝胶泡沫破灭反应的反应速率， 设置普通泡沫生成反应的反应速率和普通泡沫破灭反应的反应速率；设置油 水相对渗透率曲线以及气油相对渗透率曲线；设置时间步长和时间步数，以 上述时间步长循环执行步骤2至步骤5，执行次数与上述时间步数相同。例 如，可以设置时间步长为1小时，时间步数为100步。

步骤2，求解水相压力方程，油相压力方程，气相压力方程。

步骤3，计算气相流速和凝胶泡沫液膜张力；其中，凝胶泡沫液膜张力 为凝胶泡沫内的气相压力与凝胶泡沫外壁的水相压力的差。

步骤4，比较气相流速与临界流速的大小，在比较结果为气相流速大于 临界流速时执行泡沫生成反应；并且，比较凝胶泡沫液膜张力与临界压力的 大小，并在比较结果为凝胶泡沫液膜张力大于临界压力时执行泡沫破灭反应。

本步骤4中，泡沫生成反应包括普通泡沫生成反应和凝胶泡沫生成反应； 将普通泡沫生成反应设置为以下方式：由水、氮气、起泡剂生成普通泡沫， 即水+氮气+起泡剂＝普通泡沫。

将凝胶泡沫生成反应设置为以下方式：由水、氮气、起泡剂、交联剂、 聚合物生成普通泡沫，即水+氮气+起泡剂+交联剂+聚合物＝凝胶泡沫。

泡沫破灭反应包括普通泡沫破灭反应和凝胶泡沫破灭反应。凝胶泡沫和 普通泡沫的破灭速度受控于泡沫的动态半衰期。

将普通破灭生成反应设置为以下方式：由普通泡沫分解为氮气、水、起 泡剂，即普通泡沫＝氮气+水+起泡剂。

将凝胶泡沫生成反应设置为以下方式：由凝胶泡沫分解为水、氮气、起 泡剂、凝胶，即凝胶泡沫＝水+氮气+起泡剂+凝胶。

本步骤4中，根据步骤1中设置的普通泡沫生成反应的反应速率执行普 通泡沫生成反应，根据步骤1中设置的凝胶泡沫生成反应的反应速率执行凝 胶泡沫生成反应，根据步骤1中设置的普通泡沫破灭反应的反应速率执行普 通泡沫破灭反应，根据步骤1中设置的凝胶泡沫破灭反应的反应速率执行凝 胶泡沫破灭反应。

步骤5，求解各组分浓度和各组分的粘度；修正凝胶泡沫的粘度和普通 泡沫的粘度,修正气油相对渗透率曲线。

下面详细说明本方法。

步骤1中构建的数学模型满足以下条件：

(1)模型设置为3相9组分，具体组分设置与相平衡见表1

表1模型组分设置

(2)驱替过程为等温过程，化学反应无热量消耗和释放。

(3)注入流体和油藏流体满足达西定律。

(4)瞬间达到相间平衡。

(5)组分弥散规律遵循Fick定律。

(6)满足理想状态的混合规则，即混合时体积变化为零。

步骤2中求解水相压力方程，油相压力方程，气相压力方程的方法为已 知技术，此处不再赘述。

普通泡沫生成后，普通泡沫壁面的聚合物与交联剂发生化学反应，生成 凝胶泡沫，不同的化学反应时间生成的凝胶泡沫粘度不同，凝胶泡沫生成后， 在不破灭的情况下，其粘度不变。本发明的步骤1中根据不同时间步的凝胶 泡沫的粘度的变化设置凝胶泡沫的反应速率，使模型能够准确模拟凝胶泡沫 的粘度变化。具体的，凝胶泡沫生成反应的反应速率的设置方法为：根据不 同时间步的凝胶泡沫的粘度的变化，设置凝胶泡沫的反应速率，具体为：根 据实验数据获得相邻时间间隔相同的N个时间点上的N个凝胶泡沫粘度，根 据N个时间点与N个凝胶泡沫粘度，确定凝胶泡沫生成反应的反应速率的值， 使反应速率作为拟合函数的一参数使拟合函数在时间点与凝胶泡沫粘度此两 个坐标轴上能够拟合N个凝胶泡沫粘度，N为大于1的整数。

例如：根据室内实验，得到实验参数，如表2所示：

表2凝胶泡沫粘度设置参数

根据实验数据获得相邻时间间隔相同的3个时间点上的3个凝胶泡沫粘 度，根据此3个时间点与3个凝胶泡沫粘度，确定凝胶泡沫生成反应的反应 速率的值，使反应速率作为拟合函数的一参数使拟合函数在时间点与凝胶泡 沫粘度此两个坐标轴上能够拟合上述3个凝胶泡沫粘度。

步骤1中设置气油相对渗透率曲线的过程中包括：将气相相对渗透率设 置为原始气相相对渗透率。步骤5中还包括：判断普通泡沫或凝胶泡沫破灭 时，将气相相对渗透率设置为原始气相相对渗透率。

凝胶泡沫的封堵机理主要有两个，第一是增加气相粘度，第二是降低气 相相对渗透率，在泡沫气相相对渗透率的修正中同样需要考虑泡沫生成、聚 井、破灭对泡沫体系的影响。泡沫的破灭与凝胶泡沫液膜张力有关，进而与 含水饱和度有关。当有泡沫存在时，只有一部分气相在流动，泡沫的有效渗 透率受到体系渗透率降低程度的影响。所以步骤5中还包括：通过气相相对 渗透率修正系数R对气相相对渗透率数值进行修正。具体的，根据下述方法 对所述气相相对渗透率进行修正：

$k_{\mathrm{rg}}=\frac{k_{\mathrm{rg}}^0}{1+\frac{(R-1)(S_w-S_w^{*}+ϵ)}{2ϵ}}$当$(S_w^{*}-ϵ)<S_w<(S_w^{*}+ϵ)$或C_ws≥C_ws lim

$k_{\mathrm{rg}}=\frac{k_{\mathrm{rg}}^0}{R}$当$S_w>(S_w^{*}+ϵ)$或C_ws≥C_ws lim

式中，为修正前的气相相对渗透率，k_rg为修正后的气相相对渗透率，为临界含水饱和度，C_ws lim为存在泡膜的最低起泡剂浓度，ε为饱和度小范围 变化量，S_w为含水饱和度也称为水相饱和度，C_ws为起泡性剂浓度。

在此修正方法中，获取气相相对渗透率修正系数R的方法包括两种：

第一种：通过室内实验测试得到不同渗透率的凝胶泡沫残余阻力系数， 举例如下：

通过室内实验测试得到不同渗透率的凝胶泡沫残余阻力系数，如表3所 示：

表3不同渗透率对应的凝胶泡沫残余阻力系数

然后，根据凝胶泡沫残余阻力系数通过历史拟合方法确定气相相对渗透 率修正系数R。

第二种：采用优选范围(此优先范围通过多次实验确定出)，气相相对 渗透率修正系数R的优选范围为80至106，优选的采用86。

步骤1中获得普通泡沫破灭反应的反应速率和凝胶泡沫破灭反应的反应 速率的方法有两种：

第一种，通过实验方法获得。

泡沫破灭的反应速率取决于泡沫的半衰期。实验方法具体方法包括：

打开循环水浴锅并加热到80至100摄氏度之间，连接循环水浴锅和起泡 仪；

配制起泡剂溶液10-30毫升；

向起泡仪注入起泡液；

按照10至30毫升每分钟的速度注入氮气，气液比为1∶1至1.5：1之 间，观察普通泡沫和凝胶泡沫的起泡情况，记录普通泡沫和凝胶泡沫的起泡 体积及半衰期，重复测量多次，取测量到的多个半衰期取平均值，得到普通 泡沫的半衰期和凝胶泡沫的半衰期，根据普通泡沫的半衰期计算得到普通泡 沫破灭反应的反应速度，根据凝胶泡沫的半衰期计算得到泡沫破灭反应的反 应速度。

使用上述方法产生的泡沫比较细小致密，这种结构有利于泡沫的稳定性， 大而松散的气泡排液速度快，液膜变薄处来不及修复，容易破灭。在实验中 观察到，在0.05％～0.4％的较宽浓度范围内，起泡剂的起泡体积随浓度增加呈 现一个上升再到略有下降的平缓趋势，这是由于在低于临界胶束浓度时，随 着浓度的增加，注入一定氮气后，表面活性剂分子在氮气/水界面上的吸附量 增大，界面张力降低，产生的泡沫体系自由能降低，能形成更多的气液界面， 产生更多的气泡，使泡沫体积增加，在临界胶束浓度时达到最高值，但是在 达到临界胶束浓度后，起泡性能不再提高，这主要是因为溶液表面张力不再 减小，体系的表面能趋于不变，另外形成的胶束在一定程度会增加液相的粘 度，会使起泡体积受到一定影响。

第二种，采用优选范围(此优先范围通过多次实验确定出)，普通泡沫 破灭反应的反应速率的值的优选范围为0.01至0.012，优选采用0.011。凝胶 泡沫破灭反应的反应速率的值的优选范围为0.001至0.003，优先采用0.002。

本发明的基于凝胶泡沫的数值模拟方法，在引入凝胶泡沫的基础上建立 了用于调驱分析的数学模型，提出了有效表征凝胶泡沫调驱的数值模拟方法， 对油藏进一步提高采收率的数值模拟提供了有效的方法和途径。

上面描述的内容可以单独地或者以各种方式组合起来实施，而这些变型 方式都在本发明的保护范围之内。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意 在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括 那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品 或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定 的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，仅仅参照较佳实施 例对本发明进行了详细说明。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发 明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范 围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。