模擬含烴地層的方法和系統的制作方法

專利名稱：模擬含烴地層的方法和系統的制作方法
技術領域：
本發明總體上涉及模擬含烴類地層，而更具體地說，涉及在其中將流體注入地層以便置換滯留烴類的條件下，用于模擬含烴類地層的方法和系統。本發明的方法在給當注入流體流過含烴類地層時粘性指進和竄流作用建模時特別有用。
背景技術：
在從地下，含油地層或儲層中一次采油時，通常只能采出儲層中存在的原始油其中有限的部分。由于這個原因，所以采用了各種補充采收技術來改善從儲集巖中置換油。這些技術一般可以分類為以熱力為基礎的采油法(如蒸汽驅油操作)、注水法、和以氣驅為基礎的方法，這些方法可以在溶混或不溶混的條件下工作。
在溶混驅動操作中，將一種注入流體或溶劑注入儲層，以便與地層內的油形成單相溶液，因此然后可以將油作為更高流動相從儲層中取出。溶劑通常是一種輕質烴如液化石油氣(LPG)，一種含較高濃度C2-C6范圍內脂族烴類的氣態烴、氮氣、或二氧化碳。溶混采收操作通常是用一種置換手續進行，其中通過注入井將溶劑注入儲層中，以便從諸層朝生產油的生產井方向置換油。這提供了有效的置換溶劑流過的面積中的油。遺憾的是，溶劑常常不均勻地流過儲層。
由于注入儲層中的溶劑通常粘性比滯留油顯著要小，所以溶劑常常指進和竄流穿過儲層，同時留下部分儲層未波及。加到這種指進上的是高度流動的溶劑固有的傾向于優選地流過更能滲透的巖層斷面或者在儲層中重力占優勢。
溶劑與儲層油的溶混性也影響它在儲層內的置換效率。某些溶劑，如LPG，以任何比例與儲層油直接混合，并且形成的混合物都保持單相。這種溶劑說成是可在一次接觸時溶混或者“一次接觸溶混”。另一些用來溶混驅油的溶劑，如二氧化碳或氣態烴，當與儲層油直接混合時形成兩相-因此它們不是一次接觸溶混。然而，在足夠高的壓力下，儲層油和溶劑之間各組分的就地質量轉移形成一個驅替相，該驅替相具有一個各流體組成的過渡區，過渡區的范圍從油的組成到溶劑組成，并且該相過渡區內的所有組成都是接觸式溶混。通過在流動期間由油和溶劑重復接觸所形成的各組分就地質量轉移所達到的溶混性叫做“多次接觸”或動態互溶性。為達到多次接觸互溶性叫做“最小互溶壓力”。剛好在最小互溶壓力之下的溶劑叫做“近溶混”溶劑，它們可以接近驅替油及溶混的溶劑。
預測儲層中的溶混驅動性能，需要一個表示儲層特點的實際模型。儲層模型的數值模擬被石油工業廣泛使用，作為一種用計算機來預測溶混置換現象效果的方法。在大多數情況下，希望給在儲層中發生的輸送過程建模。輸送的東西通常是質量、能量、動量、或者它們的某種組合。通過用數值模擬，能夠在沒有實際實驗室實驗和野外試驗情況下，重現和觀察物理現象并確定設計參數。
儲層模擬從那個儲層數值模型的性能推斷實際含烴儲層的特性。目的是非常充分的了解在儲層中發生的復雜化學、物理、和流體流動過程，以便預測儲層的未來特性，使烴類采收率達到最大。儲層模擬常常涉及儲層內流動的流體動力學，但在更大的意義上，儲層模擬也可以涉及全體石油系統，該系統包括儲層、注入井、生產井、地面流線、和地面加工設施。
數值模擬的原理是根據數值用計算機解說明物理現象的方程。這些方程一般是常微分方程和偏微分方程。這些方程通常是用數值法如有限元法、有限差分法、有限體積法等解。在這些方法的其中每種方法中，將待建模的物理系統分成更小的網格單元或塊(一組網格單元或塊叫做網格或網)，并且在每個網格單元中連續改變的狀態變量用若干組用于每個網格單元的值表示。在有限差分法中，常微分方程用一組代數方程代替，以便表達每個網格單元內質量、能量、和/或動量守恒及各網格單元之間質量，能量轉移，和/或動量轉移的基本原理。這些方程可以數以百萬計。這種用每個網格單元的有限數目的值代替連續改變的值叫做“離散化”。為了分析按時改變的現象，必須以稱作時步的不連續時間間隔計算物理量，而不管作為時間函數連續改變的條件。輸送過程與時間關系的建模按時步的順序進行。
在典型的儲層模擬中，原始未知的溶液、典型的壓力、相飽和度和組成是在感興趣的范圍內若干特定點處尋找。這些點叫做“網格節點”或者更普遍地叫做“節點”。網格單元繞這些節點構成，并將網格定義為一群這種網格單元。一些性質如孔隙度和滲透性假定在一個網格單元內是常數。另一些變量如壓力和相飽和度在各節點處規定。兩個節點之間的連線叫做“連接”。兩個節點之間的流體流動通常建模為沿著它們之間的連接流動。
含烴類儲層的組成建模是預測過程如一次接觸溶混，多次接觸溶混，和近溶混注氣所必要的。油和氣體相用多組分混合物表示。在這種建模中，儲層非均質性及粘性指進和竄流引起在相飽和度和組成上發生變化，在標度上小至幾cm或更少。精密標度模型可以表示這些不利流度的置換特性的細節。然而，用精密標度的模型來模擬這些變化一般是不實用的，因為它們的細節精密水平受限制于計算資源。因此，通常是研制具有極少網格單元的粗標度模型用于儲層模擬。大量的研究針對研制適合在預測溶混驅動性能時使用的模型。
研制一種有效地模擬氣體置換過程的粗網格模型是特別地竄流。對組成模擬，高標度的，粗網格模型必須有效地表征相特性的變化和油置換進行時油和氣體組成的變化。現已提出了許多不同的技術。這些建議當中，大多數都用經驗模型來表示一次接觸溶混置換中的粘性指進。例如見Koval，E.J.，“用于預測烴類介質中不穩定溶混置換性能的方法”，Society of Petroleum Engineering Journal，pp.145-154，1963年6月；
Dougherty，E.L.，“不穩定溶混置換的數學模型”，Society ofPetroleum Engineering Journal，pp.155-163，1963年6月；Todd，M.R.和Longstaff，W.J，“用于預測溶混驅油性能的數值模擬裝置的研制、試驗和應用”，Journal of petroleumTechnology，pp.874-882，1972年7月；Fayers，F.J.，“用物理上可解釋的參數來表示溶混粘性指進的近似模型”，SPE Reservoir Engineering，pp.542-550，1988年5月；和Fayers，F.J.和Newley，T.M.J.，“用于具有重力作用的粘性指進經驗模型的詳細證明”，SPE Reservoir Engineering，pp.542-550，1988年5月。
在這些模型當中，Todd-Longstaff(“T-L”)混合模型是最流行的，并且它在儲層模擬裝置中廣泛使用。當適當使用時，T-L混合模型合理地提供當注入的溶劑和油是一次接觸溶混時不利流度置換的準確平均特點。然而，T-L混合模型在多次接觸溶混條件下不太準確。
已經提出了一些模型，它們用T-L模型來說明在多次接觸溶混情況下的粘性指進(例如見Todd，M.R.和chase，C.A.“用于預測化學驅動性能的數值模擬裝置”，在石油工程師協會第54屆年度秋季技術會議和展覽會上提交的論文SPE-7689，Houston，Texas，1979，有時稱之為“Todd-chase技術”)。在給多次接觸溶混置換建模時，在T-L混合模型中，除了考慮粘性指進之外，還必需考慮各相之間的溶劑和油按照相特性關系的交換。在多次接觸溶混置換中相特性和指進之間相互作用的重要性已由Gardner，J.W.和Ypma，J.G.J.，在“在CO2驅油中相特性/宏觀旁流相互作用研究”一文中公開了，見Society of PetroleumEngineering Journal，pp.508-520，1984年10月。然而，這些建議沒有有效地結合混合模型和相特性模型的使用。
另一種為考慮多次接觸溶混置換中指進和竄流特性而提出的模型，建議使溶劑和油組分的分散性依賴于粘度梯度，因而論述了粘性指進的宏觀效果(見Young，L.C.，“利用分散關系來給不利流度比溶混置換建模”在1986年SPE/DOE提高采收率采油專題討論會上提交的論文SPE/DOE14899，Tulsa，4月20-23日)。另一種模型提出用簡化的相特性預測將T-L模型擴展成多相多組分流動(見Crump，J.G.，“過程參數對不利流度比置換的影響詳細模擬”，在1988年SPE/DOE提高采收率采油專題討論會上提交的論文SPE/DOE 17337，Tulsa，4月17-20日)。還有另一種模型建議用流出大網格單元的流體組成來補償網格單元中流體分布的不均勻性(見Barker，J.W.和Fayers，F.J.，“在非均質介質中用粗網格進行組成模擬的輸送系數”，在SPE第66屆技術年會上提交的論文，SPE22591，Dallas，TX，1991年10月6-9日)。還有另一種模型提出，溶劑和油之間的不完全混合，可以通過假定熱力學平衡只在兩相之間的面際處經常發生，并且擴散過程驅動油和溶劑組成朝向這些平衡值來表示(見Nghiem，L.X.和Sammon，P.H.，“非平衡狀態方程組成模擬裝置”，在1997年SPE儲層模擬專題討論會上提交的論文，SPE37980，Dallas，TX，1997年6月8-17日)。這些模型中的網格單元沒有細分。
有些建議提出了用兩區域模型表示多次接觸溶混置換中的指進和竄流。例如見Nghiem，L.X.、Li，Y.K.和Agarwal，R.k.“在不穩定置換組成模擬中不完全混合建模的方法”，在1989年儲層模擬專題討論會上提交的論文，SPE 18439，Houston，TX，1989年2月6-8日；和Fayers，F.J.、Barker，J.W.和Newley，T.M.J.，“在提高回收率采油中非均質性對相特性的影響”，在“采油數學”一書中，P.R.King編輯，pp.115-150，Clarendon出版，Oxford，1992年。這些模型將模擬網格單元分成兩個區域，在一個區域處注入溶劑和一部分滯留油之間發生不完全混合，而在另一個區域處滯留油旁流并且不被溶劑接觸。盡管這些模型的概念上結構似乎是提供比單區域模型更好的表示多次接觸溶混置換中的不完全混合，但用來表示旁流和混合的方程物理基礎不清楚。尤其是，這些模型(1)用經驗相關來表示每個區域中的油/溶劑流度，(2)用經驗相關來表示區域之間的組分轉移，和(3)關于各區域的組成及各區域之間的組分轉移方向作出限制性的假定。提出這些模型中的經驗流度和質量轉移函數可以通過使它們擬合精密網格模擬的結果來確定。結果，在實際應用中，這些模型的校準將是耗時而費錢多的過程。此外，這些模型不太可能精確地預測在基準精密網格模擬中所測得的參數范圍之外的性能。
盡管過去提出的兩區域法具有某些優點，但仍然需要改進模擬模型，以便提供更好的在不利流度置換中旁流和混合的物理表達方式，并因此能更準確而有效的預測驅油性能(flood performance)。
發明概述提供一種方法和系統，用于模擬多組分，含烴地層其中之一或一個以上的特點，將具有至少一種組分的流體注入該地層中，以便置換地層中烴類。方法的第一步是使至少一部分地層等于大量的網格單元。然后將每個網格單元分成兩個區域，第一區域表示每個網格單元被置換流體波及的部分，而第二區域表示每個網格單元基本上未被置換流體波及的部分。每個區域中各組分的分布假定基本上是均勻的。建立模型，使它表示每個區域內的流體性質，流體用滲流理論的原理在各網格單元之間流動，及各區域之間的組分輸送。然后在模擬裝置中用該模型來模擬地層其中之一或一個以上特點。
對附圖的簡要說明本發明及其優點通過參見下面詳細說明和下面的附圖將更好理解，在這些附圖中，同樣的標號具有相同的功能。


圖1示出溶劑流過儲油層從中置換油的二維示意圖，它示出儲層中溶劑指進的例子。
圖2示出能表示圖1中儲層面積的二維精密標度網格的例子。
圖3示出包括圖1所述相同范圍的二維網格單元，同時該網格單元分成兩個區域，一個區域表示注入流體波及范圍的區域，而第二區域表示注入流體未波及范圍的區域。
圖4示出圖3所述網格單元，它示意示出網格單元兩個區域中的相分數。
圖5A示出配位數，Z，對用本發明方法模擬的多次接觸溶混驅動總采油量的影響。
圖5B示出配位數，Z，對用本發明方法模擬的多次接觸溶混驅動溶劑突破的影響。
圖6A-D示出油Damkhler值對用本發明方法模擬的多次接觸溶混驅動重質油和輕質油采油曲線的影響。
圖7用圖解法將已發表的一次接觸溶混驅動采收數據與用本發明方法得到的最佳擬合進行了比較。
圖8示出通過將本發明方法中所用模型與已發表的數據擬合為油/溶劑粘度比功能所得到的配位數。
圖9示出已發表的實驗CO2/Soltro1和CO2/Wasson原油巖心驅動采收數據和用發表的單區域模型模擬預測。
圖10示出已發表的實驗CO2/Soltro1和CO2/Wasson原油驅動采收數據和用本發明方法模擬預測。
各附圖示出實際應用本發明方法的特定實施例。這些附圖不打算從本發明的范圍排除另一些實施例，這些實施例是特定實施例的正常和預期修改的結果。
對本發明的詳細說明為了更充分理解本發明，提供了下面的介紹性的說明。為了增加以地下地層中采收烴類的量，已經研制出各種增加烴類采收的技術，因而在油田內一個或多個注入井處將流體注入地下地層，并從油田內一個或多個生產井處從地層采收烴類(以及注入的流體)。注入井通常與生產井間隔開，但一個或多個注入井稍后可以作生產井用。注入的流體可以例如是熱采法中所用的載熱介質(如蒸汽)，在不溶混驅油法中所用的任何基本上不溶混流體(如天然氣、水或鹽水)，在溶混驅油法中所用的任何溶混流體(例如，一次接觸溶混流體，如液化石油氣或多次接觸的溶混或近溶混流體如低分子量烴類、二氧化碳或氮氣)。
圖1示意示出二維儲層面積5，該二維儲層面積5是一待用本發明的方法分析的含較多油的地質層組(未示出)。在圖1中，注入流體11在本說明中假定是氣態的，它置換儲層面積5中多組分滯留油12。應該理解，本發明不限于氣態注入流體；注入流體也可以是液體或多相混合物。注入流體11在圖紙中是從左邊流到右邊。圖1示出當注入流體11置換滯留油12時出現的粘性指進。注入流體11往往會穿過油12朝生產井(圖中未示出)方向指進，造成注入流體11過早突破和其中一些滯留油12旁流。粘性指進主要是由油12和注入流體11在粘度上有很大差異引起的，同時造成注入流體與油的流度比對注入流體的面積波及效率或置換效率具有不利的影響。
通過先進的儲層表征技術，儲層面積5可以在標度上從若干厘米到幾米網格單元表示，該網格單元有時叫做精密標度網格。每個網格單元都可以提供有儲層性質，其中包括例如巖層類型、孔隙度、滲透率、初始孔隙流體飽和度，及相對滲透率和毛細管壓力等功能。
圖2示出一種二維精密標度網格10的其中一個例子，該精密標度網格10可以表示圖1的儲層面積5。圖1的儲層面積5在圖2中用84個網格單元表示。網格單元11’表示已由注入流體11波及的地質區域，而網格單元12’表示含有基本上滯留油12未被注入流體置換的地質區域。然而，儲層模擬通常不用這種精密標度網格進行。直接將精密標度網格模型用于整個油田儲層模擬一般是行不通的，因為它們的細節的精密水平受到計算資源的限制。因此，在模擬模型中通常用粗標度的網格，而同時盡可能多地保存精密標度網格的流體流動特點和相特性。粗標度網格可以例如用一個網格單元表示圖2中的84個網格單元。因此，方法必需考慮指進和竄流給流體組成和流體流動特性建模。本發明的方法提供這種能力。
本發明的方法從使待分析的儲層面積與合適的網格系統相等開始。待分析的儲層面積用許多網格單元表示，這些網格彼此靠近配置，以便在每對相鄰的網格單元之間具有一個邊界。儲層面積的這種空間離散化可以用有限差分法、有限體積法、有限元法、或類似的已知方法進行，上述這些方法是基于將待建模的物理系統分成較小的單元。本發明主要是根據用有限差分法進行說明。本領域的技術人員應該理解，本發明也可以應用于有限元法和有限體積法。當用有限差分法和有限體積法時，較小的單元通常叫做網格單元，而當用有限元法時，較小的單元通常叫做元素。這些網格單元或元素的數目可以從不到100至數百萬。在本專利中，為了簡化表述起見，采用術語網格單元，但是應該理解，如果模擬采用有限元法，則術語元素會代替如在本說明中使用的術語網格單元。
在本發明的實際應用中，網格單元可以是任何幾何形狀，如平行六面體(或立方體)、或六面體(具有4個垂直角，它們的邊長度可以改變)、或四面體、長菱形、不規則四邊形、或三角形。網格可以包括若干矩形網格單元，這些矩形網格單元以規整的結構圖形組成(如圖2所示)，或者它可以包括若干具有各種形狀的網格單元，這些網格單元以不規則的、非結構圖形展開，或者它可以包括許多結構的和非結構的圖形。可以將完全非結構的網格組裝成幾乎具有任何形狀。所有網格單元優選的是邊界對齊，因而避免具有網格單元其中之一邊接觸兩個另外網格單元的各邊。
可以在本發明的模型中使用的一類撓性網格是Voronoi網格。Voronoi網格單元定義為比靠近任何其它節點更靠近它的節點的空間區域，并且Voronoi；網格由這些網格單元構成。每個網格單元都與一個節點和一系列相鄰的網格單元有關。Voronoi網格在幾何學意義上是局部正交的；也就是說，各網格單元邊界都與每個邊界兩邊上連接節點的線垂直。由于這個原因，Voronoi網格也叫做垂直二等分(PEBI)網格。矩形網格塊(笛卡爾網格)是Voronoi網格的特殊情況。因為節點的位置可以自由選擇，所以PEBI網格具有表示廣泛改變儲層幾何形狀的靈活性。PEBI網格通過在一規定范圍內指定各節點位置產生，然后以這種方式產生網格單元邊界，以便每個網格單元含有所有比靠近任何其它節點位置更靠近它的節點的點。因為在PEBI網格中結點間的連接被網格單元邊界垂直二等分，所以這大大簡化了流動方程的解。對于PEBI網格產生的更詳細說明，見Palage，C.L.和Aziz，K.“Voronoi網格在儲層模擬中的應用”，在第66屆技術年會和展覽會上提交的論文SPE 22889，Dalas，TX(1991年10月6-9日)。
在本發明的方法中下一步是將已被注入流體侵入的每個網格單元分成兩個區域，第一區域表示由注入流體11波及的網格單元部分，而第二區域代表未被注入流體11波及的網格單元部分。假定在每個區域中各組分的分布是均勻的。還假定每個區域內的流體處于熱力學平衡。然而，網格單元的兩個區域不是處于相互平衡，結果每個區域內的組成和相體積分數通常是不同的。
圖3示出一個網格單元15的二維示意圖，該網格單元15表示由網格10的84個網格單元(圖2)所表示的相同儲層面積。盡管在圖中未示出，但應該理解，網格單元15與相鄰的網格單元共用邊界。關于網格單元15的下列說明也應用于其它網格單元，在其它網格單元的網格中，網格單元15僅是許多網格單元的其中之一。
參見圖3，網格單元15分成兩個區域16和17。區域16表示被注入流體11侵入的網格單元部分，而區域17表示未被注入流體置換的網格單元部分。區域16和17被一界面或間隔18分開，該界面或間隔18假定具有無限小的厚度。假定每個區域內的多組分流體都處于熱力學平衡，這意味著區域16和17的各流體組成和相體積可以不同，并且通常就是不同。各流體組成在網格內可以從網格單元到網格單元之間改變，并且網格單元每個區域內的流體組成可以隨時間推移而改變。因此，當注入流體11接觸網格單元15所表示的更多區域時，間隔18可以隨時間變化而運動。間隔18的運動主要取決于(1)網格單元15與相鄰網格單元之間的交換，(2)跨過間隔18的質量轉移，和(3)穿過注入井和生產井注入或抽出流體，該流體可以穿透網格單元15所表示的地質區域。
圖4示出在區域16和17中各流體的相分數的例子。蒸汽相分數，由注入流體加汽化油組成，它在區域16中用標號11a示出，而在區域17中用標號11b示出。液相分數，由滯留油加溶解的注入流體組成，它在區域16中用標號12a示出，而在區域17中用標號12b示出。水分數在區域16中用標號13a示出，而在區域17中用標號13b示出。在圖4所示的例子中，區域16主要含有高流度的注入流體11，而區域17主要含有低流度的滯留油12。箭頭20表示流體蒸汽從鄰近網格單元15的各網格單元侵入區流入區域16。箭頭21表示流體蒸汽從鄰近網格單元15的各網格單元滯留區域流入區域17。箭頭22表示流體蒸汽從區域16流出，進入鄰近網格單元15的各網格單元侵入區域。箭頭23表示流體蒸汽從區域17流出，進入鄰近網格單元15的各網格單元滯留區域。盡管各箭頭示出流體從左向右流動，但流體可以朝其它方向上流入和流出網格單元15。箭頭24表示區域16和17之間的質量轉移。各組分能跨過間隔18朝兩個方向上轉移。盡管箭頭24示出相同類型的各相之間的轉移(蒸汽-蒸汽，液態烴-液態烴，和水-水)，但各組分可以從源區域中的任何相轉入別的區域中任何相。區域16在注入流體流入網格單元15之前具有零體積。注入流體11可以建模為注入侵入區16或者滯留區17其中之一，或者注入流體11可以建模為同時注入區域16和17二者。流體可以從侵入區域16和滯留區域17二者中抽出。網格單元15也可以建模為具有從一個或多個注入井直接流入網格單元15的注入流體11，并且它可以建模為具有直接從網格單元15流出，進入一個或多個生產井的流體。盡管在各附圖中沒有示出，但如果用網格單元15所表示的儲層面積用一注入井表示的話，則注入網格單元15的注入流體11可以建模為只注入侵入區域16，而如果用網格單元15所表示的儲層面積用一生產井表示的話，則網格單元15可以建模為具有從侵入區域16和滯留區域17二者中產生的流體。
盡管各附圖沒有示出網格單元的節點，但本領域的技術人員應該理解，每個網格單元都會具有節點，在模擬操作中，假定各網格單元之間的流體流動是在各網格單元節點之間發生，或者，用另一種方式說，穿過節點相互連接發生。在實際應用本發明的方法時，將一規定網格單元的侵入區域(圖3和4中的區域16)連接到鄰近該規定區域的各網格單元侵入區域上，并將一規定網格單元的滯留區域(圖2中的區域17)連接到鄰近該規定區域的各網格單元滯留區域上。在滯留區域16和侵入區域17之間沒有相互間的節點連接。因此，發明人有時把本發明的方法叫作隔開的節點模型或PNM。
在本發明的方法中，下一步是建立一個預測模型，該模型表示每個網格單元的每個區域內流體性質，每個網格單元與其相鄰網格單元之間的流體流動，及每個網格單元的區域16和17之間的組分輸送。在一優選實施例中，模型包括一個用于每個網格單元的有限差分方程組，該方程組具有表示區域16和17中每個流體相流度的函數，表示區域16和17內相特性的函數，和表示在區域16和17之間每個組分質量轉移的函數。模型還可供選擇地包含表示區域16和17之間能量轉移的函數。可以例如希望能量轉移函數來模擬由蒸汽驅油操作所產生的熱效應。
流度函數用來說明穿過連接的流動，并且每個區域中的每一相都產生一個流度函數。離開網格單元15的蒸汽22和23的流度取決于許多因素，其中包括在侵入區域16和滯留區域17中流體的組成，侵入區域16和滯留區域17的相對尺寸(或體積分數)，網格單元的非均質性，及油-注入流體的流度比。特定的函數關系通過用滲流理論確定。滲流理論的基本原理由S.Kirkpatrick在“滲流和傳導”一文中作了說明，此文發表在Rev.Modern Physics，vol.45，pp 574-588，1973年中，此處作為參考文獻一并說明。在一優選實施例中，有效介質流度模型用一孔隙網絡表示網格單元，以便根據在一段時間范圍內網格單元中普通的條件，表征在網格單元中發生的指進和竄流效應。在網格單元每個區域中每個流體相的有效流度由本領域的技術人員利用本發明所述進行計算。由有效介質模型推導出來的相流度方程其中一些例子在下面作為方程式(18)-(20)提供。
本發明的方法假定平衡在侵入區域16內和滯留區域17內存在。作為模型的其中一部分，測定利用區域16和17內共存的各相性質進行。優選的是，利用合適的狀態方程來計算區域16和區域17的相特性。在下面所提供的例子中，一維模型利用簡化的擬三元相特性模型，該模型通過三種擬組分，即溶劑(CO2)，輕質油組分，和重質油組分，來表征油劑和油的混合物。簡化的相特性模型能夠模擬各種置換的顯著特點，這些置換包括不同程度的溶混能力，其范圍從一次接觸溶混，經過多次接觸溶混，和近溶混到不溶混。相特性性質可以由本領域的技術人員測定。
本發明的方法沒有假定網格單元的侵入區域16和滯留區域17之間的平衡。采用質量轉移函數來說明各組分跨過區域16和17之間的界面或間隔18運動的速率。這種質量轉移在圖4中用箭頭24表示。質量轉移機理包括，但不限于，分子擴散、對流分散、和毛細分散。本發明的方法假定每個組分的質量轉移速率與驅動力乘以阻力成正比。驅動力的例子包括，但不限于，兩個區域之間的組成差異和毛細壓力差異。一旦對每種流體組分產生質量轉移函數，質量轉移速率取決于許多因素，這些因素包括，但不限于，組分密度、氣體和油之間溶混能力的程度，每個區域的尺寸、網格單元的幾何形狀、氣體/油流度比、速度、非均質性，和水飽和度。這些函數性可以由該本領域的技術人員建成質量轉移模型。各質量轉移函數的例子在下面作為方程(10)和(14)-(16)提供。
在設計模型的各第一步的其中之一是選定希望表示儲層幾何形狀的空間維數。外部幾何形狀和內部幾何形狀二者都必需考慮。外部幾何形狀包括儲層或含水層(或對稱元素)及儲層或含水層(包括斷層)的頂部和底部。內部幾何形狀包括各個滲透性單元和非產油層的面積和垂直延伸，這些對解決問題和限定井的幾何形狀(井直徑、完井層段、從井中排出的液壓裂縫的存在)都是很重要的。
本發明的模型不限于特定的維數。可以建立預測性模型用于儲層的一維(1-D)、二維(2-D)、和三維(3-D)模擬。1-D模型很少用于全儲層的研究，因為它不能對面積和垂直掃描建模。預測置換效率的1-D注氣模型不能有效地表示垂直于流動方向的重力作用。然而，1-D注氣模型可以用來研究儲層動態對過程參數變化的靈敏性和整理實驗室置換試驗。
當面積流型支配儲層動態時，可以采用2-D面積流體注入模型。例如，面積模型通常用來比較可能的井網或評估面積非均質性對儲層特性的影響。當垂直斷面中的流型支配儲層動態時，可以用2-D斷面和徑向注氣模型。例如，斷面或徑向模型通常用來對重力占優勢的過程建模，如頂部注氣或注氣到具有高垂直滲透性的儲層中，和用來評估垂直非均質性對儲層特性的影響。
3-D模型對有效的表示儲層中復雜的儲層幾何形狀或復雜的流體力學可能是理想的。該模型可以例如是一種3-D模型，該3-D模型包括若干PEBI網格層，這些3-D模型在石油工業中有時叫做21/2-D。各成層的PEBI網格在平面上未建立而在垂直方向上建立(成層)。成層的3-D網格的構造由下列文獻作了說明(1)Heinemann，Z.E.等，“用不規則的網格模擬儲層幾何形狀”，SPE Reservoir Engineering，1991年5月和(2)Verma，S.等，“用于儲層模擬中撓性網格控制體積模式”，SPI37999，SPE Reservoiv Similation Symposium，Dallas，TX，1997年6月。
本發明不限于將一個網格只分成兩個區域。本發明的方法可以和具有多個間隔的網格單元一起用，這樣將網格單元分成三個或三個以上區域。例如，一個三區域網格單元可以具有一個表示被注入流體侵入的儲層區域的區域，一個表示未被注入流體侵入的儲層區域的第二區域，和一個表示儲層滯留流體和注入流體混合區域的第三區域。在另一個例子中，在注蒸汽操作中，一個區域可以表示被注入蒸汽侵入的儲層區域，第二區域可以表示被蒸汽之外氣體占據的儲層區域，和第三區域可以表示未被蒸汽或其它氣體占據的儲層區域。蒸汽之外的氣體可以是例如當儲層壓力降到低于油的起泡點時從滯留油中放出的溶解氣體，或者是一種第二氣體如富煤氣，輕質氣態烴，或CO2。
本發明的方法可以用來模擬從粘性油儲層中采油，在該粘性油儲層中，將熱能引入儲層將油加熱，因而使它的粘度降到油可以形成流動的那一點。熱能可以取各種形式，其中包括注熱水和注蒸汽。注入可以是在一個或多個注入井中進行，而油的生產可以是通過一個或多個間隔開的生產井中進行。也可以用一個井來進行注入流體和生產油。例如，在“蒸汽吞吐”法中，蒸汽穿過一個井(可以是垂直井或水平井)加入粘性烴沉積物中一定時間周期，將井封住以便蒸汽能加熱烴，并在隨后安排井生產。
一旦產生預測性模型，就可以在模擬裝置中用它來模擬地層隨時間變化的其中一個或多個特征。基本的流動模型由若干方程組成，這些方程控制流體在儲層網格網絡、井、和地面設施中的不穩定流動。該技術的技術人員可以選擇合適的數值算法來解這些基本流動方程。可以采用的數值算法的例子在“儲層模擬”一書中作了說明，該書為L.Doherty的系列專著單行本第13卷，由Mattax，C.C.和Dalton，R.L.編輯，Societyof Petroleum Engineers出版，Richardson，TX，1990年。模擬裝置是一批在計算機上實施數值計算的計算機程序。
本領域的技術人員很容易理解，本發明的實際應用在計算上是很強的。因此，用計算機，優選的是用數字計算機來實施本發明是必要的。用于建模過程各個部分的計算機程序市場上可以買到(例如，市場上可以買到軟件來研制網格單元，顯示結果，計算流體流動性質，及解模擬裝置中使用的線性方程組)。用于本發明其它部分的計算機程序可以由該技術的技術人員根據此處所述說明進行研制。
本發明的實際應用可以應用于建模的網格系統中的部分或全部網格單元。為了節約計算時間，與將網格單元分成兩個或多個區域有關的另外計算優選的是只應用于被注入流體侵入的那些網格單元模擬模型。
本發明的方法比過去使用的兩區域置換模型是一種改進。這種改進是因為下面的主要差別。首先，利用滲流理論來表征指進和竄流對有效流體流度的影響。其次，各區域之間組分轉移的速率與驅動力乘以阻力成正比。第三，各質量轉移函數說明實際混合過程如分子擴散、對流分散、和毛細分散。這些改進產生更精確和更有效的預測不利的流度置換。一維模擬實例產生本發明的一維模型并用合適的模擬裝置試驗該模型。市場上可買到的模擬裝置可以由該技術的技術人員利用本發明的說明及其中所給出的假定進行修改，以便產生與下面所給出的假定基本上相同的結果。在模型中，各組分在滯留區域和侵入區域之間的分配，由說明侵入流體和滯留流體對流的輸送方程和每個組分在各區域之間轉移的速率決定。在模擬裝置中使用4組分流體說明。4組分是溶劑(CO2)、原油的輕質分數、原油的重質分數和水。假定各流體是不可壓縮的并發生理想混合，這使壓力方程能與組分輸送方程分離，并用體積分數代替摩爾分數作為組成的變量。本領域的技術人員熟悉說明流體可壓縮性和非理想混合的技術。還假定溶劑不轉移到滯留區域中，和水飽和度在兩個區域中相同。
下面模擬實例的說明涉及一些具有大量數學符號的方程，其中許多數學符號隨著它們在全文中出現而給出定義。此外，為了完整起見，在詳細說明后面給出含有其中所用符號定義的表。
模擬裝置按照用于每種組分總量的標準輸送方程列方程式，該標準輸送方程通過用于滯留區域中每種組分量的輸送方程增加。然后用差減法得到侵入區域中每種組分的量。在這些假定條件下，用于總溶劑，重質油組分，及水的無量綱輸送方程分別是∂w1∂τ=∂∂ξ[(λivey1+λilex1+λroexrl)(βλw∂pc∂ξ-1)]λ1---(1)]]>∂w2∂τ=∂∂ξ[(λivey2+λilex2+λroexr2)(βλw∂pc∂ξ-1)]λ1---(2)]]>∂Sw∂τ=∂∂ξ[β(λwλ1-1)λw∂pc∂ξ-λwλ1]---(3)]]>總輕質組分體積分數，w3，由下式得到w3＝1-w1-w2-Sw(4)在方程(4)中，組分1是溶劑，組分2是重質油分數，和組分3是輕質油分數。
在方程式(1)-(4)中，ξ≡x/L，τ≡ut/φL，β≡k/uL，λt≡λive+λile+λroe+λw，L是巖心長度，k是滲透率，φ是孔隙度，pc是油和水之間的毛細壓力，yj是組分j在侵入區域的蒸汽部分中的體積分數，xj是組分j在侵入區域液體部分中的體積分數，和xrj是組分j在滯留區域非水部分中的體積分數。
wj≡wrj+wij是組分j的總體積分數，此處wij≡θ(Sgyj+Slxj)是組分j在侵入區域中的體積分數和Wrj＝(1-θ)(I-Sw)Xrj，是組分j在滯留區域中的體積分數。θ是侵入區域的體積分數，它定義為θ=1-wr1+wr2+wr3w1+w2+w3---(5)]]>Sg和S1分別是侵入區域中蒸汽和液體的飽和度。λroe是滯留流體的流度，λive是侵入區域中蒸汽相的流度，λile是侵入區域中液相的流度，和λw是水的流度，它們全都是用如下所述的有效介質理論計算。假定總注入速度，u是常數。
用于滯留溶劑，重質油，和輕質油的無量綱輸送方程分別是∂wr1∂τ=∂∂ξ[λroexr1(βλw∂pc∂ξ-1)λ1]-Λ1φLu----(6)]]>∂wr2∂τ=∂∂ξ[λroexr2(βλw∂pc∂ξ-1)λ1]-Λ2φLu----(7)]]>∂wr3∂τ=∂∂ξ[λroexr3(βλw∂pc∂ξ-1)λ1]-Λ3φLu----(8)]]>式中Λj是組分j從滯留區域轉移到侵入區域的速率(體積/時間)。在這些方程右邊的第一項說明在滯留區域內部每種組分的對流，而第二項說明每種組分從滯留區域到侵入區域的轉移。
用于壓力的方程是∂p∂ξ=(λw∂pc∂ξ-1β)λ1----(9)]]>在一維模擬裝置中，方程(1)-(3)和(6)-(8)是離散的，以便在ξ中產生6組有限差分方程，這些方程在時間方面用將其中一組一階常微程積分的Hamming預測-校正法(Hamming法是本領域的技術人員所熟悉的)解。假定在注入溶劑之前沒有侵入區域存在和因此假定在整個模型中θ起初為零。侵入區域的地層通過假定溶劑只在巖心的注入面處進入侵入區域來控制(triggered)。在從上述積分計算出wi，wri，和sw之后，用方程(5)校正θ，并且積分轉到下一個時步。然后通過方程(9)對ξ積分確定在每個時步下的壓力分布。質理轉移函數假定，作為一次近似法，區域之間的轉移速率與滯留區域和侵入區域中組分的體積分數之間的差值成正比Λj＝kj(xri-xij) (10)式中kj是組分j的質量轉移系數[單位時間-1]，而xrj和xij≡(Sgyj+Slxj)/(l-Sw)分別是組分j在滯留區域和侵入區域中的體積分數。在方程(10)中，體積分數差值是用于質量轉移的驅動力，而質量轉移系數表征對質量轉移的阻力。在這種假定情況下，方程(6)-(8)變成∂wr1∂τ=∂∂ξ[λroexr1(βλw∂pc∂ξ-1)λ1]-Da1(xr1-xi1)---(11)]]>∂wr2∂τ=∂∂ξ[λroexr2(βλw∂pc∂ξ-1)λ1]-Da2(xr2-xi2)----(12)]]>∂wr3∂τ=∂∂ξ[λroexr3(βλw∂pc∂ξ-1)λ1]-Da3(xr3-xi3)---(13)]]>式中Daj≡kjφL/u，通稱為Damkhler值，它是無量綱的質量轉移系數。Damkhler值的量值表示組分在侵入區域和滯留區域之間相對于巖心在流體中滯留時間的混合速率。對所有組分來說，Damkhler值為零意味著沒有混合，而高Damkhler值意味著快速混合。
這種模型與下述假定一致，即混合造成組分從高濃度區域轉移到低濃度區域，因此往往會使兩個區域之間的濃度平衡。
質量轉移系數可以是局部溶混性程度，網格單元幾何形狀，侵入的分數(θ)、流度比(m)、速度(u)、非均質性、及網格單元內部的水飽和度(Sw)的函數kj＝kj(degree of miscibility，gridblock geometry，θ，m，u，heterogeneity，Sw) (14)特殊的函數關系取決于侵入流體和滯留流體通過其混合的過程。Gardner，J.W.和Ypma，J.G.J.在“CO2驅動中相特性/宏觀旁流相互作用的研究”一文(Society of Petroleum EngineeringJournal，pp.508-520，1984年10月)中，公開了宏觀旁流對多次接觸溶混置換過程中混合的影響。發明人注意到，由Gardner和Ypma所提供的數據意思是指，質量轉移系數是與消除因橫向分散而引起的次網格(Subgrid)指進所需的時間成反比κj=C1jFθDTjd2---(15)]]>式中d是網格單元的橫向寬度，DTj是組分j的橫向分散系數，Fθ是說明侵入分數和非均質性作用的參數，和C1j是可能取決于組分j的常數。
作為一次近似法，橫向分散系數包括來自分子擴散，對流分散，和毛細分散的影響。質量轉移系數模型將這些影響合并在一起，并可以用無量綱形式寫成Daj=κjφLu=CljFθ[C2DojφLd2u+αT(d)φLd2][1+Cγ(γγmax)]]]>=DaMj[1+Cγ(γγmax)]----(16)]]>式中Doj是用于組分j的分子擴散系數，αT(d)是橫向分散度，γmax是用于不溶混置換的最大氣-油面際張力，DaMj是用于一次溶混置換的Damkhler值，及C2和Cγ是可調節常數。在第一括號中的兩項分別是由于分子擴散和對流分散而產生的無量綱質量轉移速率。分子擴散是在低的速度和小的系統寬度下占優勢，而對流分散是在高的速度和大的系統寬度下占優勢(αT(d)是d的增量函數)。在第二括號中的各項說明毛細分散作用，(注意，當Cγ為零，亦即，流體可溶混時，Daj和DaMj是同義的)。對開始試驗的場合，假定質量轉移系數不受流度比和水飽和度影響。
在多次接觸的溶混和近溶混置換中，面際張力取決于相圖的兩相區域內網格單元組成的配置；組成越接近臨界點，面積張力越低。在本模型情況下，此處面際張力是溶劑和油之間溶混能力程度的度量，如果網格單元的總含量處于平衡，則方程(16)中的面際張力是蒸汽和液體之間存在的面際張力。利用下面的等張比容(parachor)方程來計算面際張力γ=[ζ1Σj(Pjxj)-ζvΣj(Pjyj)]n---(17)]]>式中Pj是用于組分j的等張比容參數，xj和yj分別是組分j在侵入的液相和侵入的蒸汽相中的摩爾分數，ζl和ζv是液體和蒸汽的摩爾密度，和n是范圍在3.67-4內的指數。
在本例中所用的機械質量轉移的重要特點是，在溶劑和油之間溶混能力的程度對侵入區域和滯留區域之間的混合速率具有顯著影響。在現有技術中已經提出，在多孔介質中流體的不溶混分散系數可能比在同等實驗條件下的溶混分散系數要大約一個數量級。因此，在不溶混條件下混合應該比溶混條件下更快。在例子所用的模型中，通過包括面際張力關系把這種觀察加進橫向分散系數的計算中。因為面際張力取決于整個等張比容方程，方程(17)的相特性，所以在該模型情況下的相關參數是面際張力常數，Cr。
質量轉移模型將許多參數(比如，擴散系數，分散性，面際張力)加到本發明的預測模型中，該預測模型沒有在Todd-Longstaff混合模型中的相似物。盡管這些參數增加了計算的復雜性，但與Todd-Longstaff的混合模型相比，本發明模型的所有參數都具有物理意義，它們可以用比較明確的方式測量或者估計。有效介質流度函數滲流理論和有效介質近似法是用于說明無序非均質系統中臨界現象，傳導性，擴散和流動的已知技術(例如，見Kirkpatrick，S.，“無序介質中的經典運輸定標和有效介質理論”，Phys.Rev.Lett.，27(1971)；Mohanty，K.K.，Ottino，J.M.和Davis，H.T.，“在無序復合介質中的反應和運輸滲流原理引論”，Chem.Engng.Sci.，1982，37，905-924；及Sahimj，M.，Hughes，B.D.，Scriven，L.E.和Davis，H.T.，“在無序系統中的隨機運輸”，J.chem.Phys.，1983，78，6849-6864)。在非均質系統流動問題情況下，有效介質近似法用一相當的(有效的)均勻介質中的輸送來表示一隨意的非均質介質中的輸送。發明人注意到，當遠離滲濾閾時，有效介質近似法和理論結果之間的一致性十分好。
建立一個有效介質流度模型來評估流體在非均質介質中的流度。這是通過假定在一網格單元區域內溶劑和油的分布可以用兩種流體的隨意混合的網格來表示做到的。用于非水相流度的下列分析表達式，是通過假定網格是各向同性和無關聯而得到的λile=θλinv,l[1+2z(λinvλe-1)]----(18)]]>λive=θλinv,v[1+2z(λinvλe-1)]---(19)]]>λroe=(1-θ)λres,o[1+2z(λresλe-1)]---(20)]]>λw=krwμw----(21)]]>式中λe=-b+b2+8(z-2)λinvλres2(z-2)----(22)]]>b≡λinv[2-θz]+λres[2-(1-θ)z] (23)λinv＝λinv，v+λinv，l(24)λinv,l=kr,inv,lμinv,l----(25)]]>λinv,v=kr,inv,vμinv,v---(26)]]>λres=kr,res,oμres,o----(27)]]>配位數，z，是混合流體網格的“分支”。增加z導致更多的油和溶劑的分離，因此加快溶劑突破并推遲油的生產。利用流體在它的區域內的飽和度評估相對滲透率。有效介質流度模型提供用于各個相流度的近似分析表達式，這些表達式用物理學上合理的方式考慮了相關的性質(侵入分數，非均質性，流度比)。下面給出的結果表明。有效介質流度模型精確地俘獲可溶混置換中的回收分布圖(recovery profile)。相特性函數。
在本發明用于一維模型裝置的例子中，采用簡化的擬三元相特性模型。在這種模型中，溶劑和油的混合物組成利用三種擬組分CO2，輕質油組分，和重質油組分來表征。在這個相模型中的兩相包絡(envelope)用一二次方程式說明，它們的常數由邊界處包絡的褶點和兩個終點的組成確定。盡管只是近似地表示一個實際系統，但這個相模型成功地模擬了相應于不同程度可溶混性的相特性，如一次接觸溶混(FCM)，多次接觸溶混(MCM)和近溶混(NM)。
限定例1-3中所用兩相包絡的參數匯總在表1中。表1中用于MCM情況的各參數限定在2000psia(13,790kpa)和100°F(37.78℃)下CO2-Means原油系統的擬三元相說明。表1中用于FCM和NM情況的各參數限定一個擬三元相說明，該擬三元相說明可以分別在100°F(37.78℃)及高于和低于2000psia(13,790kpa)下得到。滯留油組成顯著地重，相當于重質油分數為0.8434和輕質油分數為0.1566。
表1 參見表1，下標1、2和3分別表示溶劑，重質油和輕質油。V1G和V1L表示兩相包絡的終點。V1G和V1L表示分別用于溶劑重端混合物的氣相和液相中溶劑體積分數。V1p和V3p表示在褶點處的溶劑和輕端體積分數。
限定例4(下面更詳細討論)中所用兩相包絡的各參數匯總列于表2中。例4中所用各參數限定在2000psia(13,790kPa)和100°F(37.78℃)下CO2-Wasson原油系統的擬三元相說明。數據從Gardner，J.W.、Orr，F.M.和Patel，P.D.，“相特性對CO2驅油置換效率的影響”一文，Journalof Patroleum，Technology，1981年11月，pp.2067-2081中得到。原油組成相當于重質油體積分數為0.72和輕質油體積分數為0.28。
表2
模擬結果在4個例子中所用的輸入數據模擬假定的油-鹽水相對滲透率和毛細壓力數據，該相對滲透率和毛細壓力數據是表征San Andres碳酸鹽巖層的。巖心性質是長度＝1英尺(0.3048m)，孔隙度＝0.19％，和滲透率＝160md(0.1579μm2)例1在對滲流理論的有效介質近似法中，配位數，z，表示網絡的“分支”或連通。在本發明的情況下，z表示網格單元中的指進結構，并包括各種性質如油/溶劑流度比，儲層非均質性，和巖層類型的作用。一般說來，z可以類比于Todd-Longstaff混合模型中的混合參數ω。圖5A示出增加z造成減少采油量。而圖5B示出增加z造成更早的溶劑突破。采油量曲線和溶劑突破曲線二者對z值很敏感。尤其是，在2和5之間改變z，使在所產生的1.5孔隙體積下采油量從93％降到53％，并使所產生的流體達到溶劑濃度為50％時的那一點從0.55降到0.24所產生的孔隙體積。在這個例子中使用表1中的MCM相特性說明，并假定Damkhler值是Da1＝0，Da2＝0.1，和Da3＝0.1。這個例子的模擬在水驅滯留油飽和度為0.35時開始，并且在一維模型中采用25個網格單元。
在有效介質模型中z值的增加產生與Todd-Longstaff混合模型中混合參數ω值的減少類似的作用；二者造成增加油的旁流(低采油率)和更早的溶劑突破，在本發明方法的實際應用中，配位數z可以是指定的大于或等于2的值。z＝2表示油和溶劑串聯流動，并表征一種沒有指進或竄流的活塞狀置換。z→ω表示油和溶劑并聯流動，并表征具有擴大指進或竄流的置換。根據這些結果，可以預期z在協調溶劑突破和油生產過程時是重要的參數。例2Damkhler值表示各組分在侵入區域和滯留區域之間的混合速率。圖6A-6D所示的結果表明，本發明成功地再現了正確的極限特性。在本例中采用表1中的MCM相特性說明，并假定對溶劑組分Damkhler值是Da1＝0，而對各油組分Da2＝Da3。本例的模擬在水驅替滯留油飽和度為0.35下開始，并在一維模型中使用25個網格單元。
圖6A示出當沒有混合(油的Damkhler值＝0)時，模型正確地預測在沒有各組分在各區域之間交換的情況下有純的油置換。在圖6A中，曲線30是采收的輕質油組分的分數，而曲線31(具有與曲線30完全相同的形狀)是采收的重質油組分的分數。輕質組分和重質組分的采收曲線相同，這表示油的組成沒有改變。
當有快速混合(油Damkhler值大于約5)時，兩個區域很快達到接近相同的組成。因此，在圖6D中所示的模擬結果實際上與常用單區域模型的結果相同。在圖6D中，曲線60是采收的輕質油組分的分數，而曲線61是采收的重質油組分的分數。圖6D中所示的結果還表明，隨著在MCM采收法中Damkhler值增加，有越來越多的輕質油組分分數進入氣相中。結果，輕質組分優選地隨著侵入的(高流度)溶劑將其清除而被采收，并把在重質組分中富含的滯留油留下來。
圖6B和6C示出用于中等混合速率的結果。在圖6B中，曲線40是采收的輕質油組分的分數，而曲線41是采收的重質油組分的分數。在圖6C中，曲線50是采收的輕質油組分的分數，而曲線51是采收的重質油組的分數。這些圖表明，采收的油量和組成特別取決于Damkhler值。因此，每種組分的采收計時(timing)可以通過調節Damkhler值來協調。采油中的一些小變化和協調生產的油和氣體組成可以通過改變Damkhler值為完成。例3圖7示出在Blackwell，R.J.、Rayne，J.R.和Terry，W.M.，(以后稱之為“Blackwell等人”)所著論文“影響可溶混置換效率的因素”(Petroleum Transactions，AIME(1959)216，1-8)中提出的實驗數據用于在不同的初始油/溶劑粘度比下的一次接觸溶混驅油。實驗數據表現為圖7中的各點，它們用等密度的均質沙袋(pack)和流體(以使重力分離減至最小)得到。實驗是在粘度比為5、86、150和375下進行。在實驗中沒有水存在。
另外在圖7中標繪的是一些相應于用本發明的方法由模擬得到的采油量曲線，在其中初始油/溶劑粘度比設定在實驗值處，并且調節配位數以便得到與實驗數據有可能最佳的擬合。Damkhler值估計是大約為10-4(根據DT＝0.0045英尺2/天(4.2cm2/天)，φ＝0.4，L＝6英尺(1.83m)，d＝2英尺(0.61m)，和u＝40英尺/天(12.2m/天))，并因此假定實際上為零。這樣只有一個在模擬中使用的參數-配位數，z。在一維模型中用25個網格單元。
圖7示出在Blackwell等人的數據與用本發明方法產生的結果之間極好的吻合。尤其是，本發明的方法成功地預測了在開始突破之后停止采油。此外，與用于不利粘度比置換的那些數據點的吻合特別好。因為Blackwell等人所應用的系統是一次接觸溶混并且分散可忽略不計，所以無論是相特性還是質量轉移在模擬采收中的變化時都不起作用。因此在這種情況下與實驗的吻合是本發明有效介質模型的唯一證明。
盡管上面所采用的手續可以等同于與過去情況相配的油田數據，由于本發明的方法具有預測能力，所以必需能事先預測z值。z的選擇受流度比，儲層非均質性及巖層類型影響。圖8示出一條z值曲線，用該z值曲線作為油/溶劑粘度比的函數來得到與圖7中實驗數據擬合。如圖8所示，z示出單調隨粘度比而變化。
例1和3中所給出的結果表明，配位數z，在本發明的實際應用中是一個關鍵參數，因為它可以用于匹配溶劑突破和產油過程。例2表明，仔細協調采油量及匹配生產的油氣組成，可以通過質量轉移模型完成。
若采用配位數z，和作為可調節參數的Damkhler值，及用于正在研究中系統的合適相模型，可以用本發明的預測方法來匹配任何注氣過程的主要特點(包括采油量、注入流體突破、及生產的流體組成)。
例3表明，在本發明的方法中所用的有效介質流度模型，可用來說明在溶混置換法中普遍存在的指進和竄流。例4提供例4來證明相特性和質量轉移模型的應用。由Gardner，J.W.、Orr，F.M.和Patel，P.D.(下面稱之為“Gardner等人”)在論文“相特性對CO2驅油置換效率的影響”(Journal of Technology，pp.2067-2081，1981年11月)，及Gardner，J.W.和Ypma，J.G.J.，在“CO2驅油中的相特性/宏觀旁流研究”(Society of Petroleum EngineersJournal，pp.508-520，1984年10月)中所給出的實驗數據，說明了用于溶混注氣法的相特性和置換效率(采油量)之間的關系。這些論文給出了關于下面兩種系統的巖心驅油實驗的結果(i)在一次接觸溶混(FCM)系統中用CO2置換Soltrol，和(ii)在多次接觸溶混(MCM)系統中用CO2置換Wasson原油。Soltrol是菲利浦石油公司制造的產品，而Wasson原油是來自西得克薩斯州的Wasson油田。對CO2/Soltrol系統，油/溶劑粘度比為16，而CO2/Wasson原油系統的油/溶劑粘度比為21-二者十分接近，以便使相特性成為兩個系統之間的唯一主要區別。因此，對所有實際場合，兩個系統采油量任何差異的唯一原因，可以歸因于相特性和宏觀旁流(由于相特性改變的結果)的改變。
圖9示出對CO2/Soltrol(曲線70)和CO2/Wasson(曲線71)原油系統得到的實驗采收曲線。不同的符號組表示在同樣條件下重復巖心驅油實驗中得到的數據。最后的采油效率是CO2/Wasson原油系統較低，采油速率同樣如此。
粘性指進幾乎完全對FCM CO2/Soltrol采收曲線70的形狀負責，而粘性指進和相特性二者對MCM CO2/Wasson原油采收曲線71的形狀負責。為了試驗指進對采收的影響，一維模擬首先用常用的單一區域模型進行。對于本例的模擬，將各模擬參數設定到與CO2/Soltrol和CO2/Wasson原油兩個實驗系統接近吻合。將CO2粘度設定在與Gardner等人提供的數據吻合的0.063cp(0.000063Pa/秒)處。Soltrol具有相當于C11-C14沸點范圍的標稱沸點范圍，該沸點范圍相應于約1.2cp(0.0012Pa/秒)的粘度。然而，為了準確地匹配實驗用油/溶劑粘度比16，Soltrol粘度假定為1.01cp(0.00101Pa/秒)。各個相粘度用本領域的技術人員周知的四分之一功率混合規則(quarter-power blending rule)。
在確定模擬中相對滲透率-飽和度關系時，利用實驗用氣體/油相對滲透率比。模擬用30個網格單元進行。選定網格單元數，以例接近實驗系統中的縱向分散水平。在CO2/Wasson原油模擬情況下，選定相模型與表2所示的實驗相模型相同。圖9示出由單一區域模型模擬與實驗數據(曲線70和71)一起得到的采收曲線72和73。曲線72示出CO2/Soltrol系統的模擬結果，而曲線73示出CO2/Wasson系統的模擬結果。從圖9顯然可看出，粘性指進抑制采油速率。另外很顯然，單一區域模型提供一種在CO2/Soltrol和CO2/Wasson原油系統中采油的不充分說明(在定性和定量上)。然而，單一區域模擬與泥漿管實驗(Gardner等人)十分吻合，在上述泥漿管實驗中抑制了旁流作用。
為了評價本發明的方法模擬實驗巖心驅油數據的能力，本發明的方法首先應用于FCM CO2/Soltrol系統。如此調節各參數z，Dasolvent，DaMheavy和DaMlight，以便得到與實驗數最佳可能的擬合。為簡單起見，假定DaMheavy等于DaMlight。得到最佳的擬合用于選定z＝4.5，Dasolvent＝0，DaMheavy，light＝0.5。若用相同的參數并假定Cr＝10，同時用本發明的方法對CO2/Wasson原油系統進行模擬。設定所有的模擬參數(相特性，相對滲透率-飽和度關系，及分散水平)，以便匹配實驗上測得的值(由Gardnter等人得到的數據)。改變模擬時油的粘度，以便與Wasson原油極為相似，并且油/溶劑粘度比為21。
在圖10中，再次示出圖9的曲線70和71，以便與用本發明的兩區域模型的CO2/Soltrol系統的模擬結果，曲線74，及與用本發明方法中所用的兩區域模型的CO2/Wasson原油系統的模擬結果，曲線75，進行比較。
本發明的方法做了一項極好的工作，即采用與加到FCM CO2/Soltrol原油系統相同的參數匹配CO2/Wasson。用于保持z從CO2/Soltrol模擬固定的原理是，因為Soltrol和Wasson原油實驗是在同樣的巖心(相同的非均質性程度和巖層類型)上，及在實際上相同的油/溶劑粘度比(相同的流度比)下進行，所以z值必須保持基本上不變。質量轉移系數從用于CO2/Soltrol系統最佳擬合的值增加。實際上，這轉變成質量轉移速率隨溶混能力的下降而增加(FCM至MCM)，因為溶混能力下降，毛細分散作用增加，同時造成更高的質量轉移速率。
在上述例子所給出的模擬中，假定滯留區域仍然是單相流體。然而，如果讓各溶劑組分轉移到那個區域的話，滯留區域的組成可以進入多相包絡，這可以由本領域的技術人員完成。這需要對滯留區域進行額外的快速計算，并且必需規定用于那個區域的蒸汽相和液相二者的滲透率。
在本發明的方法中所用的間隔開的節點模型供在給溶劑-注入儲層建模時特別有吸引力，因為在模型中所用的全部參數都具有物理意義，這些參數可以由本領域的技術人員測量或估算。
在有效介質模型中的配位數，Z，可以調節，以便匹配注入流體生產的定時。可以看出，Z隨著初始的油/溶劑流度比增加而增加。
在質量轉移函數中的常數，C1j，可以調節，以便匹配各個組分生產過程。分子擴散系數，Doj，可以用該技術的技術人員已知的標準校正估算。分散性，α，和擴散常數，C2取決于巖層性質，并且將確定從實驗室到現場的定標(Scaling)。在大多數應用中，面際張力參數，Cr，應近似地是一常數。
本領域的技術人員也可以考慮重力對相對流度的影響，該影響在上述各例中都未提出。例如，可以預期，在一網格單元內，低密度相往往會分離到網格單元的頂部，并且在面上的方向上具有較高的有效流度。在各例模擬中，也未考慮滲透率的各向異性。在3-D模擬中，不存在這種各向異性可能會過高估計在垂直方向上的流動。有效介質模型的各向異性公式可以由本領域的技術人員加到模型中，但這顯著增加了計算的復雜性。
在上述各例中還沒有考慮的另一個因素是在網格單元中水的存在在模擬水-氣交替(WAG)注入時，氣體只注入侵入區域，而水只注入滯留區域。這樣，侵入區域的地層將只通過注入高流度的氣體控制(triggered)而不受注入水控制。水飽和度也會對油/氣體質量轉移系數有影響-它通常加到模型中。也可以由本領域的技術人員研究用于水的轉移函數，因此水也能在侵入區域和滯留區域之間間隔開。
本發明的原理及計劃應用那個原理的最佳方式已經說明了。很顯然，對本領域的技術人員來說，如下面權利要求書所述，在不脫離本發明的精神和范圍情況下，可以對上述實施例進行各種改變。因此，可以理解，本發明不限于所示和所說明的特定細節。
符號C1j在說明組分j質量轉移系數時所用的常數C2多孔介質中表觀擴散系數與分子擴散系數之比Cγ面際張力(IFT)參數D 網格單元寬度Daheavy重質油組分的Damkhler值Daj組分j的Damkhler值(除去面際張力作用)Dalight輕質油組分的Damkhler值DaMj用于一次接觸溶混置換(除去面際張力作用)的Damkhler值Dasolvent溶劑的Damkhler值Doj用于組分j的分子擴散系數DTj用于組分j的橫向分散系數FCM 一次接觸溶混Fθ說明侵入分數和非均質性的參數K 滲透率L 巖心/網格單元長度M 流度比MCM 多次接觸溶混NM 近溶混P 壓力Pc毛細壓力Pj用于組分j的等張比容參數Q 體積注入速率Sg，Sl在侵入區域中的蒸汽和液體飽和度Sw水飽和度T 時間U 速度VIG，VIL擬三元相說明參數用于溶劑-重質終端混合物的氣相和液相中溶劑體積分數V1P擬三元相說明參數在褶點處的溶劑體積分數V3P擬三元相說明參數在褶點處的輕質終端體積分數VP孔隙體積w1，w2，w3溶劑體積分數，重質油分數和輕質油分數wi1，wi2，wr3在侵入區域中溶劑體積分數和重質油分數wr1，wr2，wr3在滯留區域中溶劑體積分數和重質油分數X 長度xij在侵入區域的非水部分中組分j的體積分數xj，yj在侵入區域的液體和蒸汽部分中組分j的體積分數xrj在滯留區域的非水部分中組分j的全積分數Z 配位數αr橫向分散性β 無量綱滲透率，＝k/uLγ 面際張力γmax用于非溶混置換的最大氣體-油面際張力ξ 無量綱長度，＝x/Lζl，ζv液體和蒸汽的摩爾密度φ 孔隙度kj組分j的質量轉移系數Λj組分j從滯留區域到侵入區域的轉移速率(體積/時間)λive，λile，λroe侵入區域中蒸汽相，侵入區域中液相，和地層流體的有效流度λ1總有效流度，＝λive+λile+λroe+λwλw水的流度θ 網格單元的侵入分數τ 無量綱時間，＝ut/φL
權利要求
1.一種模擬多組分含烴類地層中一個或多個特性的方法，其中，將一種包括至少一個組分的流體穿過至少一個井注入地層，以便置換儲層中的烴類，該方法包括以下步驟(a)使至少一維中的地層與許多網格單元相等；(b)將網格單元其中至少某些網格單元分成兩個或兩個以上區域，第一區域表示每個網格單元被置換流體波及的部分，和第二區域表示每個網格單元未被注入流體波及的部分，在每個區域中各組分的分布基本上是均勻的；(c)建立一個表示每個區域內流體性質，利用滲流理論原理在各網格單元之間流動的流體，及各區域間組分輸送速率特征的模型；和(d)用該模型模擬地層其中之一或一個以上特點。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(d)預測地層的性質，并且該地層包括隨時間而變的各種流體。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于置換流體可與地層中的烴類溶混。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于置換流體可與地層中存在的烴類多次接觸溶混。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于置換流體是二氧化碳。
6.如權利要求1所述的方法，其特征在于置換流體包括氣態烴。
7.如權利要求1所述的方法，其特征在于在步驟(c)中所建立的模型還表示各網格單元區域之間能量輸送的特點。
8.如權利要求1所述的方法，其特征在于置換流體是蒸汽，并且步驟(c)的模型還表示各網格單元區域之間能量輸送的特點。
9.如權利要求1所述的方法，其特征在于各網格單元包括無結構的網格單元。
10.如權利要求1所述的方法，其特征在于各網格單元是三維的。
11.如權利要求1所述的方法，其特征在于各網格單元是三維的。
12.如權利要求1所述的方法，其特征在于模型還考慮到每個區域內的組分擴散、分散性、及面際張力。
13.如權利要求1所述的方法，其特征在于各區域之間的組分輸送速率與驅動力乘以阻力成正比。
14.一種模擬多組分含烴類地層中一個或多個特性的方法，將一種置換流體注入該地層中，以便置換地層中存在的地層烴類，該方法包括(a)使地層其中至少一部分與許多網格單元相等；(b)將每個網格單元分成兩個區域，第一區域表示每個網格單元的溶劑波及部分，而第二區域表示每個網格單元基本上未被溶劑波及的部分，每個網格單元內的流體組成基本上是均勻的；(c)利用滲流理論原理建立一個模型，該模型包括表示每個區域中每一相流度特點的函數，表示每個區域中相特性特點的函數，及表示各區域之間每種組分質量轉移特點的函數；和(d)在模擬裝置中用模型來模擬地層的生產并確定其一個或多個特點。
15.如權利要求14所述的方法，其特征在于重復步驟(a)-(d)多個時段，并用這些結果來預測儲層的性質，并且該儲層包括隨時間而變的各種流體。
16.一種確定多組分含烴類地層中之一或多個特性的系統，將具有至少一種組分的置換流體注入地層中，上述模型用許多網格單元表示地層的特點，該系統包括(a)一種具有每個網格單元分成兩個區域的模型，第一區域表示每個網格區域其中被置換流體波及的部分，而第二區域表示每個網格單元其中基本上未被置換流體波及的部分，每個區域中各組分的分布基本上是均勻的，并且每個區域中各流體的流度根據滲流理論的原理確定；和(b)一種模擬裝置，它耦合到上述模型上，以便由該模擬裝置模擬地層來確定特點。
17.如權利要求16所述的系統，其特征在于該模型是表示每個區域內各流體性質，各網格單元之間的流體流動，及各區域之間組分輸送的特點。
18.用模擬裝置在計算機上模擬含烴類地層中多組分流體系統中至少一種組分的方法，它們的特征用一組方程式說明，該方法包括以下步驟(a)提供一種具有將每個網格分成兩個區域的模型，第一區域表示每個網格單元其中被置換流體波及的部分，而第二區域表示每個網格單元其中基本上未被置換流體波及的部分，在每個區域中各組分的分布基本上是均勻的，并且每個區域中各流體的流度根據滲流理論的原理確定；和(b)因而在模擬裝置中用模型模擬地層中組分的變化。
全文摘要
本發明是一種用于模擬多組分,含烴地層其中之一或多個特點的方法,具有至少一個組分的置換流體注入上述地層中,以便置換地層烴類(圖1,標號5)。方法的第一步是使地層其中至少一部分與許多網格單元(圖2,標號10)相等。然后將每個網格單元分成兩個區域,第一個區域表示每個網格單元被置換流體波及的部分(圖3,標號16),而第二區域表示每個網格單元基本上未被置換流體波及的部分(標號17)。假定每個區域中各組分的分布基本上是均勻的。建立一個模型,該模型代表每個區域內流體性質,流體用滲濾原理在各網格單元間流動,及各區域之間的組分輸送等的特點。然后在模擬裝置中用該模型模擬地層其中之一或多個特點。
文檔編號E21B43/16GK1378666SQ00814202
公開日2002年11月6日 申請日期2000年10月3日 優先權日1999年10月12日
發明者許椿, 加里·F·泰萊策克, 西拉姆·S·尼瓦蒂 申請人:埃克森美孚上游研究公司