化學(xué)驅(qū)數(shù)值模擬技術(shù)

劉皖露，馬德勝，王 強(qiáng)，劉朝霞

（中國石油勘探開發(fā)研究院提高石油采收率國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

化學(xué)驅(qū)數(shù)值模擬技術(shù)

劉皖露，馬德勝，王 強(qiáng)，劉朝霞

（中國石油勘探開發(fā)研究院提高石油采收率國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

隨著化學(xué)驅(qū)技術(shù)在油田礦場的推廣應(yīng)用，現(xiàn)有軟件的化學(xué)驅(qū)模擬功能越來越難以滿足油田實(shí)際需求.通過調(diào)研化學(xué)驅(qū)數(shù)值模擬技術(shù)，闡述油藏?cái)?shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，并將CMG、ECLIPSE、UTCHEM等8種軟件分為綜合型軟件化學(xué)驅(qū)模塊和單一化學(xué)驅(qū)軟件兩類，分析各軟件的優(yōu)缺點(diǎn)，對比各軟件的綜合性能及化學(xué)驅(qū)功能，指出化學(xué)驅(qū)數(shù)值模擬軟件技術(shù)存在的主要問題及發(fā)展方向.現(xiàn)有軟件在增強(qiáng)前后處理功能的同時(shí)，還需進(jìn)行核心的完善.化學(xué)驅(qū)軟件考慮眾多物理化學(xué)因素，導(dǎo)致求解困難，需要在數(shù)值模擬的穩(wěn)定性和機(jī)理描述的合理性之間進(jìn)行適當(dāng)取舍.雖然國產(chǎn)數(shù)值模擬軟件在整體性能上弱于國外商業(yè)化軟件，但是在化學(xué)驅(qū)數(shù)學(xué)模型和機(jī)理描述上具備較大優(yōu)勢.

數(shù)值模擬技術(shù)；化學(xué)驅(qū)；聚合物驅(qū)；數(shù)學(xué)模型；驅(qū)油機(jī)理；軟件

油氣藏的存在及運(yùn)動(dòng)形式復(fù)雜，多種提高采收率技術(shù)的應(yīng)用使油藏流體的滲流更加復(fù)雜，因此認(rèn)識油藏及其中流體的流動(dòng)規(guī)律困難.油藏?cái)?shù)值模擬技術(shù)始于20世紀(jì)50年代，可以認(rèn)識油藏并預(yù)測油藏動(dòng)態(tài).由于計(jì)算機(jī)、油藏工程等學(xué)科的不斷發(fā)展，油藏?cái)?shù)值模擬技術(shù)也迅速發(fā)展，20世紀(jì)70年代末油藏?cái)?shù)值模擬研究開始轉(zhuǎn)向三次采油數(shù)值模擬.目前，黑油模型已相對成熟，而化學(xué)驅(qū)由于驅(qū)油機(jī)理復(fù)雜，數(shù)值模擬中涉及的物理化學(xué)參數(shù)較多，且多數(shù)難以測定，化學(xué)驅(qū)模型成熟性和可靠性較差［1－2］.隨著化學(xué)驅(qū)技術(shù)在國內(nèi)外推廣應(yīng)用，目前數(shù)值模擬軟件技術(shù)越來越難以滿足化學(xué)驅(qū)技術(shù)的快速發(fā)展［3］，迫切需要開展化學(xué)驅(qū)數(shù)值模擬技術(shù)的研究.

1 研究現(xiàn)狀

化學(xué)驅(qū)是我國主要的三次采油技術(shù)之一，在一定條件下能夠有效提高采收率，但其礦場應(yīng)用受限，一是各種化學(xué)劑價(jià)格昂貴，化學(xué)驅(qū)礦場應(yīng)用投資大；二是化學(xué)驅(qū)技術(shù)復(fù)雜，進(jìn)行化學(xué)驅(qū)礦場試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)大［4］.化學(xué)驅(qū)實(shí)驗(yàn)不能很好地反映礦場的實(shí)際生產(chǎn)狀況，化學(xué)驅(qū)數(shù)值模擬是聯(lián)系實(shí)驗(yàn)研究和礦場試驗(yàn)的紐帶，它以化學(xué)驅(qū)驅(qū)油機(jī)理及物理化學(xué)現(xiàn)象的合理描述為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對化學(xué)驅(qū)驅(qū)油過程相對準(zhǔn)確的模擬及預(yù)測，從而降低投資風(fēng)險(xiǎn)，提高化學(xué)驅(qū)經(jīng)濟(jì)效益.

目前化學(xué)驅(qū)數(shù)值模擬軟件主要分為兩類［5］：（1）通過考慮部分化學(xué)驅(qū)機(jī)理，改進(jìn)黑油模型而研發(fā)的化學(xué)驅(qū)模擬器，如ECLIPSE中的強(qiáng)化采油選項(xiàng)、VIP－POLYMER等；（2）基于化學(xué)驅(qū)機(jī)理和特征而研發(fā)的化學(xué)驅(qū)模擬器，如UTCHEM.筆者依據(jù)軟件的功能和應(yīng)用范圍，將現(xiàn)有化學(xué)驅(qū)軟件分為兩類：綜合型軟件化學(xué)驅(qū)模塊和單一化學(xué)驅(qū)軟件.

1.1 綜合型軟件化學(xué)驅(qū)模塊

ECLIPSE、CMG、DESKTOP－VIP、SURE是一類具備部分化學(xué)驅(qū)功能的綜合型油藏?cái)?shù)值模擬軟件，這些軟件功能較全、一體化程度高、前后處理先進(jìn)、計(jì)算快速穩(wěn)定、商業(yè)化好、工業(yè)應(yīng)用廣泛.

1.1.1 CMG－STARS

CMG油藏?cái)?shù)值模擬軟件由加拿大CMG數(shù)值模擬研究機(jī)構(gòu)研發(fā)，包括黑油模型IMEX；組分模型GEM；蒸汽驅(qū)、熱采、化學(xué)驅(qū)及其他先進(jìn)開采過程模型STARS；相態(tài)分析模型WinPorp；前處理模型BUILDER；后處理模型RESULTS.

STARS具有靈活的組分定義功能，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程可以由用戶自定義.化學(xué)驅(qū)模塊可以模擬聚合物、表面活性劑、堿、三元復(fù)合驅(qū)、凝膠、示蹤劑、泡沫、乳狀液、化學(xué)劑增強(qiáng)氣水交替驅(qū)、微生物提高采收率、VAPEX、低鹽度水驅(qū)、油藏酸化等油藏工藝過程.

STARS用于聚合物驅(qū)數(shù)值模擬時(shí)，模擬的聚合物體系數(shù)目不受限制，可以模擬生物聚合物和非生物聚合物，考慮的物理化學(xué)因素包括：聚合物的吸附、脫附及吸附優(yōu)先級、炮眼剪切黏度降低、陽離子交換反應(yīng)、分子擴(kuò)散和彌散、不可及孔隙體積、相對滲透率變化、滲透率下降、線性及非線性黏度變化、聚合物溶液的流變特征；水驅(qū)模擬功能；注入段塞任意組合；黏度計(jì)算方法；油、水、固相設(shè)計(jì)；模擬不同的水（地層水、注入水）；模擬地層原油非均質(zhì)性；離子包括陰離子、二價(jià)離子.

STARS的凝膠功能可以做滲透率垂向差異調(diào)剖研究、水驅(qū)油田大孔道調(diào)剖研究等，考慮因素包括：用反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和化學(xué)反應(yīng)平衡方程描述凝膠生成過程；非線性相關(guān)相黏度和非線性相關(guān)密度計(jì)算模型；鉻／聚、鋁／聚合物體系；強(qiáng)、弱凝膠體系；溫度相關(guān)黏度計(jì)算；聚合物吸附滯留及脫附；聚合物溶液的黏度、流變性、離子交換；滲透率下降系數(shù)；膠結(jié)物的降解；交聯(lián)反應(yīng)對水相黏度的影響；阻力系數(shù)、殘余阻力系數(shù)的影響；交聯(lián)反應(yīng)物反應(yīng)概率.

CMG最新研發(fā)的CMOST任務(wù)具有MOO算法，可以在CMOStStudio中獨(dú)立執(zhí)行，也可以應(yīng)用到黑油、組分以及熱采模擬中，用于敏感性分析、歷史擬合、優(yōu)化、不確定評估.與舊版相比，2010版CMGSTARS還增加靈活井模型、獨(dú)立地質(zhì)力學(xué)網(wǎng)格、多種子域天然裂縫模型、用戶指定水—?dú)夂腿嗝軌毫δ艿娶貱omputer Modelling Group Ltd.User＇s Guide STARS，2010..

1.1.2 ECLIPSE系列

ECLIPSE軟件是美國斯倫貝謝Geoquest公司研發(fā)的數(shù)值模擬軟件，包括標(biāo)準(zhǔn)的有限差分模擬器（黑油、組分和熱采）和流線模擬器FrontSim，結(jié)合ECLIPSE高級選項(xiàng)，涵蓋從地質(zhì)建模到歷史擬合、開發(fā)預(yù)測、生產(chǎn)優(yōu)化的整個(gè)開發(fā)研究流程.

黑油模擬器ECLIPSE 100是核心模擬器，用Fortran 77語言編寫，為三維三相、全隱式，帶有天然氣、凝析油選項(xiàng).組分模擬器ECLIPSE 300用于模擬凝析氣藏、揮發(fā)性油藏、注氣等油氣藏開采過程.熱采模擬器ECLIPSE 500是基于組分模型并用有限差分方法建立模擬器，能夠模擬包含油、氣、水三相的稠油熱采過程.流線模擬器FrontSim是基于隱式壓力顯式飽和度和流線／前緣追蹤概念的油藏模擬器，可以避免數(shù)值彌散和網(wǎng)格方向的影響，直接量化井組的注采關(guān)系.

ECLIPSE前后處理模塊為ECLIPSE生成模擬所需的相關(guān)數(shù)據(jù)文件，簡化數(shù)據(jù)準(zhǔn)備過程，并對模擬結(jié)果進(jìn)行分析與可視化展示.一體化數(shù)值模擬管理軟件ECLIPSE Office可在一個(gè)界面下實(shí)現(xiàn)所有ECLIPSE模塊的管理.

強(qiáng)化采油高級選項(xiàng)EOR Group包括聚合物驅(qū)模型、表面活性劑驅(qū)模型、泡沫驅(qū)模型、溶劑驅(qū)模型，可以進(jìn)行段塞注入［6］.

（1）聚合物驅(qū)：全隱式、五組分（油、水、氣、聚合物、鹽離子）模型.模型考慮：a.聚合物對水相的增黏效應(yīng)；b.聚合物在巖石表面的吸附及造成水相相對滲透率降低；c.高速流動(dòng)時(shí)非牛頓剪切應(yīng)力的降黏效應(yīng)；d.地層水礦化度對聚合物溶液黏度的影響；e.不可及孔隙體積；f.非牛頓流體模擬，黏度是壓力、聚合物濃度及剪切速率的函數(shù)；g.使用Herschel－Bulkley模型；h.采用新的吸附模型和堿驅(qū)模型，可以模擬ASP三元復(fù)合驅(qū)；i.引入多組分礦化度，考慮不同組分鹽的運(yùn)移以及與巖石表面的離子交換反應(yīng).

（2）表面活性劑驅(qū)：表面活性劑通過降低油水體系界面張力，從而降低殘余油飽和度，提高采收率.模型考慮：a.通過毛管壓力修正相對滲透率曲線；b.表面活性劑濃度對毛管壓力及水相黏度的影響；c.表面活性劑在巖石表面的吸附；d.表面活性劑吸附對巖石潤濕性的影響；e.地層水礦化度的影響；f.改進(jìn)表面活性劑吸附模型；g.引入多組分礦化度，考慮不同組分鹽的運(yùn)移以及與巖石表面、表面活性劑的離子交換反應(yīng).

（3）泡沫驅(qū)：用于篩選各種泡沫注入的可行性方案.模型主要特點(diǎn)：泡沫可以視為氣相中的示蹤劑，降低氣相流度，其效應(yīng)與壓力和剪切速度相關(guān)；泡沫在巖石表面的吸附是濃度的函數(shù)；泡沫衰減速度是油水飽和度的函數(shù)；氣相／水相均可以作為泡沫流動(dòng)的載體；氣體流度降低模型既可以是表格形式也可以是函數(shù)形式.

2010版ECLIPSE在化學(xué)驅(qū)模塊中擴(kuò)展聚合物驅(qū)、表面活性劑驅(qū)和ASP三元復(fù)合驅(qū)模擬功能，增加靈活控制UDQ、UDA自定義參數(shù)功能等的兼容度.

1.1.3 DESKTOP－VIP

VIP數(shù)值模擬軟件是哈里伯頓蘭德馬克公司的產(chǎn)品，用于黑油、組分、雙重介質(zhì)、熱采、PVT、聚合物（包括調(diào)剖）等模型的模擬.

VIP主要包括前處理模塊（GRIDGENR、DT－PVT、VDS）、后處理模塊（PlotView、3DVIEW）、模擬器模塊（初始化模型模擬器CORE、模擬模型模擬器EXEC）.模型模擬器包括常規(guī)黑油模擬器ENCORE、組分模擬器COMP、熱采模擬器THERM、局部網(wǎng)格加密LGR、模擬雙孔雙滲、雙孔單滲、存在部分裂縫的油氣藏DUAL、聚合物驅(qū)模擬器POLYMER等功能模塊②Landmark Grap hics Corporation.Desktop－VIP User guide，2009..

POLYMER是一個(gè)三維三相六組分?jǐn)U展的黑油模型，使用修正的全隱式、CBLITZ線性方程組解法，主要考慮聚合物導(dǎo)致的黏度增加、吸附導(dǎo)致的水相滲透率下降、剪切變稀、離子交換等.目前，VIP的化學(xué)驅(qū)處理功能不是很完備，主要針對聚合物驅(qū)，也適用于近井地帶的高濃度、高強(qiáng)度調(diào)剖［7］.

1.1.4 SURE

SURE是美國GCC集團(tuán)第三代油藏?cái)?shù)值模擬軟件，包含黑油模型、擴(kuò)展的黑油模型（鹽模型、聚合物模型、API模型、雙孔隙度／滲透率模型、試井模型）、組分模型、混合模型.在模擬過程中可以選擇使用PEBI網(wǎng)格、開天窗、局部時(shí)間步、混合模型、自適應(yīng)雙連續(xù)法模擬天然裂縫等技術(shù)［8－9］.SURE軟件包括主模擬器SURESim、前后處理器SUREGrid、2D曲線圖形處理SUREPlot、PVT處理軟件包SUREPVT、裂縫性油藏建模SUREFrac等模塊.主模擬器SURESim基于通用組分方程，采用全隱式、自適應(yīng)隱式和IMPES解法，用于模擬黑油、組分、聚合物驅(qū)、API、雙孔雙滲等過程.

1.1.5 WorkBench

WorkBench是美國科學(xué)軟件公司SSI的一套集油藏描述、試井分析、生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析及油藏?cái)?shù)值模擬于一體的油藏管理系統(tǒng)［10］，主要油藏?cái)?shù)值模擬模塊包括：SIMBEST－2、COMP5（基于狀態(tài)方程的全隱式組分模型）、WPM、PVT、THERM等.

在使用過程中，WorkBench軟件在數(shù)據(jù)輸入、圖形表格處理、數(shù)據(jù)輸出方面、數(shù)據(jù)庫的穩(wěn)定性等方面存在一些問題，國內(nèi)一些單位對其進(jìn)行修改完善，使其可以模擬化學(xué)驅(qū)油過程.

1.2 單一化學(xué)驅(qū)軟件

化學(xué)驅(qū)驅(qū)油過程復(fù)雜，需要考慮的物理化學(xué)因素眾多［11］.與綜合型軟件化學(xué)驅(qū)模塊相比，單一化學(xué)驅(qū)數(shù)值模擬軟件的驅(qū)油機(jī)理描述較為準(zhǔn)確，數(shù)學(xué)模型所考慮的因素相對全面.

1.2.1 UTCHEM

UTCHEM是美國德克薩斯大學(xué)的一個(gè)三維多相多組分、可變溫度的有限差分化學(xué)驅(qū)模擬器.它是教學(xué)研究類模擬器，能夠模擬堿驅(qū)、聚合物驅(qū)、表面活性劑驅(qū)、生物驅(qū)、泡沫驅(qū)、各種二元復(fù)合驅(qū)、三元復(fù)合驅(qū)等過程，有多種坐標(biāo)和數(shù)值彌散控制方式選擇，還有雙重介質(zhì)選項(xiàng)，以支持復(fù)雜油藏的化學(xué)驅(qū)數(shù)值模擬.UTCHEM也存在問題，如模擬參數(shù)較多將導(dǎo)致操作繁瑣，化學(xué)方程組求解方法不穩(wěn)定，計(jì)算速度慢，礦場應(yīng)用能力差.經(jīng)過較大改進(jìn)，UTCHEM增加前后處理模塊和并行處理功能，矯正計(jì)算上與油田現(xiàn)場矛盾的缺點(diǎn)［12－13］.國內(nèi)引進(jìn)UTCHEM的油田如大慶、新疆、勝利等對其進(jìn)行改進(jìn)，使它更加適合油田現(xiàn)場需求［14－15］.

1.2.2 Grand

Grand軟件共有6個(gè)系統(tǒng)［16］：前處理模塊EVG、后處理模塊CPG、聚合物軟件系統(tǒng)FAPS、三元復(fù)合驅(qū)軟件系統(tǒng)FACS、凝膠調(diào)驅(qū)軟件系統(tǒng)FAPMS、凝膠復(fù)合驅(qū)軟件系統(tǒng)ASPG.軟件涉及的組分及物化參數(shù)眾多，方程組求解困難，因此采用高階差分離散格式、TVD差分格式及其他濃度方程計(jì)算格式，以提高求解精度、速度和穩(wěn)定性.

EVG是水驅(qū)與化學(xué)驅(qū)的接口軟件，可以從VIP、ECLIPSE水驅(qū)模擬結(jié)果的數(shù)據(jù)文件提取數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換到Grand化學(xué)驅(qū)數(shù)值模擬軟件中.

FAPS軟件通過調(diào)整流度比、擴(kuò)大波及體積提高采收率.模型考慮的物理化學(xué)現(xiàn)象包括：多種聚合物、多種示蹤劑、聚合物吸附和脫附、聚合物吸附的優(yōu)先級、陽離子交換反應(yīng)、分子擴(kuò)散和彌散、不可及孔隙體積、相對滲透率變化、滲透率下降、黏度變化、聚合物溶液的流變特征、示蹤劑的分配、示蹤劑的吸附與滯留、示蹤劑放射性衰變等.

FACS軟件通過提高驅(qū)油效率進(jìn)而提高采收率，可以處理表面活性劑、聚合物、堿三元復(fù)合體系或任意組合［17－19］.采用克里金插值、分形幾何插值、與數(shù)據(jù)點(diǎn)間距離冪次反比的插值方法，還使用現(xiàn)代數(shù)值計(jì)算TVD方法和高精度的濃度方程計(jì)算格式.模型的主要物理化學(xué)描述包括：相態(tài)特征、化學(xué)物的吸附、界面張力的變化、相對滲透率變化、陽離子交換反應(yīng)、溶解與沉淀、原油的酸性組分與堿生成表面活性劑、水相化學(xué)反應(yīng)、pH值變化、分子擴(kuò)散與彌散、毛細(xì)管捕集、黏度變化和滲透率下降、不可及孔隙體積、捕集與滯留等.

FAPMS軟件包含5種可改變滲透率的凝膠調(diào)驅(qū)軟件，分別包括：鉻／聚合物體系、高pH值鋁酸鹽［Al（OH）4］／聚合物體系、檸檬酸鋁／聚合物體系、膠態(tài)分散體系CDG、復(fù)合離子堵水調(diào)剖體系.

ASPG軟件包含復(fù)合驅(qū)和調(diào)剖的全部功能，解決復(fù)合驅(qū)、調(diào)剖2種軟件不能接口兼容的難題.它能夠模擬油、氣、水三相情況，考慮含鹽量、溫度作用，將全部化學(xué)參數(shù)智能隱含，軟件可以根據(jù)用戶提供的化學(xué)劑注入信息，自動(dòng)設(shè)計(jì)組分，準(zhǔn)備需要的化學(xué)參數(shù).

1.2.3 ASP

ASP軟件由中國石油勘探開發(fā)研究院研制，是一個(gè)三維多相多組分（油、水、表面活性劑、聚合物、多種堿、一價(jià)陽離子、二價(jià)陽離子、膠聯(lián)劑等）的多功能化學(xué)驅(qū)軟件［20－21］，能夠模擬水驅(qū)、聚合物驅(qū)、膠聯(lián)、堿／聚合物驅(qū)、堿／聚合物／表面活性劑驅(qū)以及各種驅(qū)替的組合.

ASP軟件考慮復(fù)合驅(qū)的主要驅(qū)油機(jī)理，降低界面張力、流度控制、化學(xué)劑吸附；考慮速度引起的質(zhì)量傳遞，由濃度梯度引起的組分?jǐn)U散，由相平衡轉(zhuǎn)移引起的液—液相間的質(zhì)量傳遞，由吸附—脫附、滯留、離子交換等引起的液固相間的轉(zhuǎn)移；考慮復(fù)合驅(qū)過程中各種重要的物理化學(xué)現(xiàn)象，界面張力，堿耗，化學(xué)劑的吸附和滯留損失，相對滲透率的變化，組分?jǐn)U散，相態(tài)變化，含鹽量對吸附、黏度、界面張力、相態(tài)等的影響，聚合物溶液特性，離子交換和化學(xué)反應(yīng)等；系統(tǒng)方程組采用高斯、SOR和預(yù)處理共軛梯度等多種解法；考慮計(jì)算精度的要求并兼顧計(jì)算量，其模擬計(jì)算采用自適應(yīng)組合網(wǎng)格方法FAC進(jìn)行動(dòng)態(tài)局部網(wǎng)格加密.

1.2.4 其他

化學(xué)驅(qū)軟件還有加拿大SURTEK公司的GCOMP、美國Texas大學(xué)的UTCOMP、AEA Technology公司的SCORPIO、法國石油研究院的SCORE等.國內(nèi)化學(xué)驅(qū)數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展晚于國外，現(xiàn)有軟件在整體性能上弱于國外的商業(yè)化軟件.中國石油勘探開發(fā)研究院的EOR－SIM、廊坊分院的化學(xué)驅(qū)／聚合物驅(qū)軟件、中國石油大學(xué)的UPCHEM－CL交聯(lián)聚合物驅(qū)軟件、大慶油田的DQ－POLYMER、勝利油田的SLCHEM等，這些軟件功能不是很全面，但數(shù)學(xué)模型和驅(qū)油機(jī)理描述較為準(zhǔn)確，且與國內(nèi)化學(xué)驅(qū)礦場應(yīng)用的技術(shù)需求保持一致，具有一定的發(fā)展?jié)摿?

2 軟件功能模塊

3個(gè)應(yīng)用較多的綜合型軟件CMG、ECLIPSE、VIP各有優(yōu)缺點(diǎn)：CMG軟件簡潔，易于操作，后處理及調(diào)參計(jì)算出色，目前STARS多用于模擬熱采驅(qū)油過程［22］，其化學(xué)驅(qū)模擬功能具有較大發(fā)展?jié)摿?；ECLISPE的前后處理模塊出色，綜合功能強(qiáng)大，但化學(xué)驅(qū)功能一般，國內(nèi)應(yīng)用最多的是黑油模型；VIP的前后處理模塊稍差，參數(shù)給定方法稍顯復(fù)雜［23］.

單一的化學(xué)驅(qū)軟件大多數(shù)包裝很差，需要進(jìn)一步改進(jìn)完善（見表1）.

化學(xué)驅(qū)包括多種不同技術(shù)，現(xiàn)有軟件多數(shù)只能對某一種或幾種化學(xué)驅(qū)技術(shù)進(jìn)行模擬（見表2）.有些數(shù)學(xué)模型更是簡化化學(xué)驅(qū)中的很多物理化學(xué)現(xiàn)象，省略部分化學(xué)反應(yīng)計(jì)算模塊，不能很好地反映化學(xué)驅(qū)的驅(qū)油機(jī)理（見表3）.

表1 各軟件功能模塊

表2 各軟件化學(xué)驅(qū)模塊

表3 各軟件化學(xué)驅(qū)模塊主要考慮因素

3 存在問題

（1）化學(xué)驅(qū)油過程復(fù)雜，常伴隨著對流、擴(kuò)散、吸附、離子交換、相滲變化等物理化學(xué)反應(yīng)；化學(xué)驅(qū)數(shù)學(xué)模型除滲流方程，還包括組分?jǐn)U散方程、物理化學(xué)平衡關(guān)系式、化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程等.因此，化學(xué)驅(qū)數(shù)學(xué)模型需要考慮大量物理化學(xué)參數(shù)的影響，求解變量多、離散化及求解困難，開發(fā)強(qiáng)有力的化學(xué)驅(qū)模擬軟件比黑油模型復(fù)雜得多.

（2）不同化學(xué)驅(qū)軟件對某些物理化學(xué)參數(shù)作用機(jī)理的處理方法各不相同，致使計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)差異.ECLIPSE、CMG和VIP考慮不可及孔隙體積對驅(qū)油效果的影響［24－25］：在ECLIPSE中，不可及孔隙完全被水占據(jù)，不可及孔隙體積最終通過含水飽和度體現(xiàn)；在CMG中，不可及孔隙體積是由吸附作用導(dǎo)致的孔隙度減??；在VIP中，不可及孔隙體積系數(shù)的作用是通過聚合物溶液的質(zhì)量濃度體現(xiàn)的.

（3）綜合型商業(yè)化軟件更新較快，在設(shè)計(jì)綜合軟件平臺及用戶界面、圖形顯示質(zhì)量、改進(jìn)計(jì)算方法等方面進(jìn)行研究，顯著提高數(shù)值模擬工作效率.為使化學(xué)驅(qū)軟件提升更高的層次，還需要在化學(xué)驅(qū)技術(shù)的基本理論和驅(qū)油機(jī)理等核心方面做進(jìn)一步研究［26－27］.化學(xué)驅(qū)技術(shù)在油田的應(yīng)用及發(fā)展過程中不斷涌現(xiàn)出許多新理論，化學(xué)驅(qū)數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)該跟蹤化學(xué)驅(qū)的發(fā)展前沿，針對新出現(xiàn)的問題，強(qiáng)化理論認(rèn)識，進(jìn)而增強(qiáng)軟件功能.

（4）單一化學(xué)驅(qū)軟件考慮的化學(xué)驅(qū)機(jī)理及物化現(xiàn)象較準(zhǔn)確，但是當(dāng)化學(xué)驅(qū)數(shù)學(xué)模型中組分?jǐn)?shù)較多時(shí)，模擬計(jì)算需要大量時(shí)間，且模擬的穩(wěn)定性較差，而且某些物理化學(xué)參數(shù)無法從實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場試驗(yàn)獲得，從而限制軟件的礦場應(yīng)用.因此，化學(xué)驅(qū)軟件需在模擬的穩(wěn)定性和機(jī)理描述的合理性之間進(jìn)行適當(dāng)取舍.

（5）國內(nèi)軟件在化學(xué)驅(qū)機(jī)理和物化現(xiàn)象描述上具備較大優(yōu)勢，但在整體性能上弱于國外商業(yè)化軟件［28－29］.為提高國產(chǎn)軟件的工作效率，使國產(chǎn)軟件趕上國際水平，首先需要改進(jìn)數(shù)學(xué)模型的計(jì)算方法，在軟件的包裝、輸入輸出流程等方面取得更多進(jìn)展；然后將其推廣至油田，并在應(yīng)用過程中不斷更新完善.

4 發(fā)展趨勢

為保證化學(xué)驅(qū)軟件開發(fā)的先進(jìn)性，應(yīng)該及時(shí)了解國內(nèi)外數(shù)值模擬軟件技術(shù)的最新動(dòng)向.新一代油藏模擬器Intersect和Nexus在國內(nèi)還未得到廣泛應(yīng)用，但在國外已經(jīng)開始進(jìn)入油田市場.

Intersect由斯倫貝謝和雪佛龍能源技術(shù)公司聯(lián)合研發(fā)，是一種采用C＋＋程序設(shè)計(jì)的新架構(gòu)，輸入文件采用類似于XML的描述語言，擴(kuò)展性好，使用主流腳本語言.它可以模擬大型復(fù)雜油藏和高度非均質(zhì)體系，生產(chǎn)控制系統(tǒng)支持復(fù)雜的油田管理，還包括海洋開發(fā)工具［30］.

Nexus是哈里伯頓公司新推出的一款基于DecisionSpace開放環(huán)境，架構(gòu)在VIP基礎(chǔ)上的數(shù)值模擬軟件③Next－generation reservoir modeling available now，2006..前處理技術(shù)采用智能化網(wǎng)格粗化，支持多種數(shù)據(jù)體格式，方便導(dǎo)入目前主流地質(zhì)建模軟件生成的數(shù)據(jù)體；非結(jié)構(gòu)化的解法器不受非相鄰網(wǎng)格技術(shù)的限制；實(shí)現(xiàn)從地下到地面的一體化模擬，如模擬水平井、斜井、分支井等，可以快速進(jìn)行靶點(diǎn)優(yōu)選和井軌跡精細(xì)設(shè)計(jì).

開發(fā)強(qiáng)有力的化學(xué)驅(qū)軟件，需要吸取這兩類軟件的精華，避免其缺陷.我國化學(xué)驅(qū)技術(shù)成熟，處于世界領(lǐng)先水平，且我國油田實(shí)際對化學(xué)驅(qū)軟件有著極大需求，從而促進(jìn)化學(xué)驅(qū)軟件技術(shù)的發(fā)展.化學(xué)驅(qū)模型對物理化學(xué)現(xiàn)象描述的準(zhǔn)確程度是其能否真實(shí)模擬、反映實(shí)際驅(qū)油過程的關(guān)鍵，化學(xué)驅(qū)軟件的研發(fā)首先需要對化學(xué)驅(qū)驅(qū)油機(jī)理的準(zhǔn)確描述；其次要考慮模型中各物理化學(xué)參數(shù)選取的難易，保證模擬的穩(wěn)定性.

（1）對物理化學(xué)參數(shù)的考慮要從參數(shù)的定義出發(fā)，分析各參數(shù)對驅(qū)油效果的影響，使其能更準(zhǔn)確描述化學(xué)驅(qū)油過程，避免造成由參數(shù)作用機(jī)理處理的不合理描述而造成的計(jì)算誤差；

（2）對于較復(fù)雜的化學(xué)驅(qū)模型，在保證化學(xué)驅(qū)機(jī)理描述較為正確的前提下，適當(dāng)簡化模型的物化現(xiàn)象描述過程，以減少存儲量和計(jì)算時(shí)間，使模擬結(jié)果更加穩(wěn)定；

（3）改進(jìn)化學(xué)驅(qū)數(shù)學(xué)模型的求解方法，包括對壓力方程、濃度方程、化學(xué)平衡反應(yīng)方程等求解方法的優(yōu)化，減少模擬時(shí)間，提高模擬速度；

（4）對于大規(guī)模、超大規(guī)模的化學(xué)驅(qū)問題，除應(yīng)用大型計(jì)算機(jī)以外，可以考慮運(yùn)用微機(jī)機(jī)群進(jìn)行并行計(jì)算［31］.

5 結(jié)束語

雖然國產(chǎn)化學(xué)驅(qū)數(shù)值模擬軟件在整體性能上弱于國外商業(yè)化軟件，但是在化學(xué)驅(qū)機(jī)理描述和模擬功能上具備較大優(yōu)勢，具有重大發(fā)展?jié)摿?此外，油藏?cái)?shù)值模擬軟件的研制過程是在推廣應(yīng)用中不斷改進(jìn)的過程，化學(xué)驅(qū)軟件的開發(fā)應(yīng)該根據(jù)三次采油油藏工程技術(shù)的發(fā)展要求，及時(shí)吸收國內(nèi)外化學(xué)驅(qū)研究的先進(jìn)理論及技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，并考慮其可操作性和礦場實(shí)用性，從而使油藏?cái)?shù)值模擬技術(shù)適應(yīng)我國油田開發(fā)事業(yè)的發(fā)展需要.

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Numerical simulation for chemical flooding／2012，36（3）：72－78

LIU Wan－lu，MA De－sheng，WANG Qiang，LIU Zhao－xia
（State Key Laboratory of EOR.，Research Institute of Petroleum Exploration and Development，Beijing100083，China）

Along with the popularization and application of chemical flooding technology in oilfields，itis more and more difficultfor the existing chemical flooding simulators to meetthe actual needs of oilfields.So the further research of chemical simulation technology needs to be carried outimmediately.Based on the investigation of chemical simulation technology athome and abroad，the history and presentsituation of chemical simulation technology are analyzed，CMG and other seven simulators are divided into two categories：comprehensive reservoir simulators and special chemical flooding simulators，and a detailed introduction of them is made.Then the authors summarize the advantages and disadvantages of each simulator，and make a comparison of differentsimulators in their comprehensive performance and chemical flooding function.After a lotof work，atlastthe authors pointoutthe main problems of chem－ical simulation technology，and give some advice aboutthe developmentdirection of chemical simulation technology.

numerical simulation technology；chemical flooding；polymer flooding；mathematical model；oil displacementmechanism；software

book=3,ebook=75

TE319

A

1000－1891（2012）03－0072－07

2012－02－28；編輯：任志平

中國石油天然氣股份有限公司科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目（2011B－1306）

劉皖露（1987－），女，碩士研究生，主要從事油藏?cái)?shù)值模擬及三次采油方面的研究.