專利名稱：一種微生物驅油數值模擬方法
一種微生物驅油數值模擬方法
技術領域：
本發明涉及微生物采油技術領域，尤其涉及一種微生物驅油數值模擬方法。
背景技術：
近年來，微生物采油技術以其物源廣泛、適應性強、成本低、現場操作方便、對地層無傷害和綠色環保等優勢，而得到了國內外的普遍重視。微生物采油技術主要是將微生物及其營養源注入地下油層(或者注入營養源激活油藏內已有微生物)，使微生物在油層中生長代謝，一方面利用微生物對原油的直接作用，提高原油在地層中的流動性，另一方面利用微生物在油層中生長代謝產生的氣體、生物表面活性物質、有機酸、聚合物等物質，來提高原油采收率的一項技術。油藏數值模擬技術已成為油田開發后期進行油田開發方案優化設計和開發效果預測的重要手段。因此，為了建立一套合理的微生物驅油開發方案，降低微生物采油技術現場實施的風險，就必須在深入掌握微生物運移規律和提高采收率機理的基礎上，發展微生物驅油數值模擬技術。微生物驅油數值模擬研究對微生物采油技術的礦場應用都具有重要的指導意義。圖1是現有技術中的一種傳統微生物驅油數值模擬方法的流程圖。
參見圖1，該微生物驅油數值模擬方法的過程主要包括以下步驟:步驟101，將復雜的微生物運移規律和提高采收率機理進行數學描述，建立一個三維、三相、多組分微生物驅油數學模型。這里，微生物驅油數學模型包括油氣水三相滲流方程，微生物新陳代謝方程，微生物生長動力學方程，營養液底物消耗方程，微生物代謝產物生成方程，微生物菌體、代謝產物、營養液底物運移方程，巖石孔隙度和滲透率變化方程，流體粘度和毛管力變化方程，初始條件以及邊界條件。這些方程組成一個復雜偏微分方程組。步驟102，采用有限差分法將上述復雜偏微分方程組進行時間和空間離散化，得到有限差分方程組。步驟103，將有限差分方程組的非線性系數項線性化，從而得到線性代數方程組。步驟104，設定計算時間步長和計算結束時間，輸入已有微生物參數和油藏參數，包括靜態參數和動態參數。步驟105，利用毛管力方程和飽和度歸一化方程化簡線性代數方程組，得到壓力方程，最后隱式求出壓力值。將求出的油、氣、水壓力分別代入油水滲流方程，顯式求出油、水的飽和度值飽和度，最后利用飽和度歸一化方程求出氣的飽和度值。將這些參數代入油氣水運動方程，可求得油氣水的滲流場數據。步驟106，將計算得到的壓力值、飽和度值和滲流場數據代入營養液底物消耗方程，微生物代謝產物生成方程，微生物菌體、代謝產物、營養液底物運移方程，并聯立求解，隱式求出微生物和營養液濃度。步驟107，判斷計算的壓力值、飽和度值、微生物和營養液濃度值是否收斂，若不收斂則轉至步驟105，如此進行下去，直到滿足收斂條件為止。步驟108，判斷整個模擬計算過程是否結束，若仍未結束，則轉至步驟105，并更新油藏參數和微生物參數，進行下一個時間步的計算，直到整個模擬過程計算結束。步驟109，根據油田現場條件和開發方案的總體要求，進行微生物驅油方案優化設計和開發效果預測。由以上描述可以看出，該微生物驅油數值模擬方法考慮的因素比較復雜，計算參數多，計算能力差。主要因素在于:微生物驅油過程除常規的驅油理論外，還涉及到微生物的激活、生長、代謝、擴散運移、產物和營養的擴散運移，微生物與巖石和流體的相互作用以及微生物對原油性質的改變等極其復雜的提高采收率機理，單就產物一項而言可能就有酸、酮、醇、表面活性劑、聚合物、H2, N2, CO2等，其提高采收率機理均不同。要把這些復雜問題都考慮到微生物驅油數值模擬中大大增加了問題求解的難度，致使很多解法不收斂，導致計算無法進行。美國德克薩斯大學通過在化學驅模擬軟件(簡稱:UTCHEM)中增加微生物運移模塊，提出了一種適用于微生物吞吐、微生物調剖的數值模擬方法。該微生物運移模塊建立在化學驅組分模型的基礎上，將生物降解反應的綜合處理與多相流相結合，考慮了培養基利用、微生物生長和吸附、培養基間競爭、抑制作用、好氧反應和質量傳遞。但是，一方面該方法考慮的因素比較復雜，計算參數多，計算能力差；另一方面該方法反映微生物的提高采收率機理有限，實用性較差。S.A.Holditeh & Assoeiates公司通過在三維三相黑油模擬器基礎上改進,提出了適用于微生物吞吐、微生物調驅的數值模擬方法。該方法對微生物驅油機理進行了簡化，所需的參數也較少，主要考慮了微生物存在產生的粘度一壓力變化和相對滲透率一飽和度變化關系，通過殘余油飽和度下降來體現微生物產生的界面張力和油分子結構的變化。但該方法考慮的因素過于簡單，不能充分反映微生物提高采收率機理。美國能源部在黑油模型基礎上建立了三維三相多組分微生物運移數學模型，實現了微生物吞吐和微生物調剖的數值模擬預測。該方法考慮了微生物的生長與衰亡、微生物沉積、生化作用、擴散、對流彌散、紊流傳播、營養物的消耗，著重闡述了微生物作用前后孔隙度、滲透率和滲流阻力變化。但該方法對微生物提高采收率的機理考慮不夠，且在在虛擬DOS界而下操作，沒有前后處理程序，從而未得到推廣應用。CMG(Computer Modeling Group Ltd)公司和 Schlumberger 公司等提供的幾個成熟油藏數值模擬器，據稱也具有微生物驅油數值模擬功能。該功能主要建立在化學驅組分模型的基礎上，考慮微生物對油藏的作用機理。這幾個成熟油藏數值模擬器具有強大的計算能力和快捷的前后處理程序，可快捷高效地進行數值模擬計算，但由于微生物驅油和化學驅油過程的明顯差別，該方法不能充分反映微生物提高采收率機理，因而使用性較差。以上幾種現有技術的共性還在于:無法快捷高效地實現微生物驅油數值模擬。正是由于考慮的因素過于復雜 ，計算能力差或者反映微生物的提高采收率機理有限，實用性較差，致使現有技術無法快捷高效地實現微生物驅油數值模擬。
發明內容本發明的目的就是解決現有技術無法快捷高效地實現微生物驅油數值模擬的問題，提供一種微生物驅油數值模擬方法，該方法不僅能充分反映微生物的提高采收率機理，而且能快捷高效地進行微生物驅油數值模擬，進行微生物驅油方案設計和微生物驅油效果預測，滿足油田開發工程設計的需要。一種微生物驅油數值模擬方法，該方法包括以下步驟:步驟一，開展微生物激活實驗，分析微生物的生長和營養液消耗實驗數據，定量描述微生物的生長規律和營養規律。步驟二，將微生物提高采收率機理歸納總結為降低原油粘度、改變巖石滲透率和表面潤濕性、改變油水相對流動能力和殘余油飽和度，簡化復雜的微生物提高采收率機理。步驟三，實驗和數學方法將微生物提高采收率機理提煉為定量數學關系，具體方法如下:(I)將微生物驅油過程中對原油的降解變稀作用、代謝的溶劑類、氣體類物質溶在油中使油變稀的提高采收率機理提煉為微生物對原油粘度的降低，并以室內微生物降粘實驗為依據，確定原油粘度與微生物濃度的數學關系。(2)將微生物在巖石表面的吸附和調剖堵塞的提高采收率機理提煉為巖石滲透率的變化，并以室內微生物吸附實驗為依據，確定油層滲透率與微生物濃度的數學關系。(3)將微生物代謝活性劑使巖石表面潤濕性和油水界面張力變化的提高采收率機理提煉為毛管力的變化，并以室內微生物封堵實驗為依據，確定毛管力與微生物濃度的數學關系。(4)將微生物對巖石、油和水性質改變的提高采收率機理提煉為油水相對滲流能力的改變和殘余油飽和度的變化，即油水相對滲透率曲線的變化，并以室內微生物驅油物理模擬實驗為依據，確定油水相對滲透率和殘余油飽和度變化與微生物濃度的數學關系。步驟四，建立微生物運移方程和營養液底物消耗方程。步驟五，從水驅歷史擬合后的成熟油藏數值模擬器中導出當前時間步下油藏模型的網格參數、狀態參數(孔隙度、滲透率、飽和度)及流體參數(油水相對滲透率、原油粘、毛管力)，保存為文本文件。上述步驟五中所述的成熟油藏數值模擬器是指Schlumberger公司的Eclipse油藏數值模擬器。步驟六，根據注入營養液濃度、空氣注入濃度和微生物生長規律，計算微生物的生長總量。上述步驟六中所述的空氣注入量充分足夠微生物代謝所需，不限制微生物的生長。步驟七，將步驟五和步驟六中得到的參數代入步驟四中的微生物運移方程和營養液底物消耗方程，并利用美國Math Works公司的Matlab軟件聯立求解，即可求得油藏各網格內微生物濃度分布和營養液濃度分布。步驟八，調用步驟七中油藏內微生物濃度分布，參考步驟三提煉的定量數學關系式，計算該微生物濃度分布條件下各網格內孔隙度、滲透率、油水相對滲透率、原油粘度及毛管力的數值，保存為文本文件。步驟九，Eclipse油藏數值模擬器調用步驟八中的文本文件，進行下一個時間步的計算，如此進行下去，直到所有的時間步全部計算完畢。
上述步驟五和步驟九中所述的Eclipse油藏數值模擬器具有強大的計算能力和快捷的前后處理程序，可方便快捷地導出和導入油藏模型網格參數、計算得到的油藏模型狀態參數及流體參數。
針對油藏模型網格參數、計算得到的油藏模型狀態參數及流體參數的導出和導入，微生物生長總量的計算以及微生物運移方程和營養液底物消耗方程的聯系求解等功能，采用Matlab軟件計算和自動操作。步驟十，用正交試驗設計方案，選取營養液注入濃度、空氣注入濃度和營養液注入總量三個參數在4個水平上進行正交組合，重復步驟五 步驟九，根據增油量、采收率或含水率指標從中優選最佳方案。步驟十一，在最佳方案下，用微生物驅油數值模擬進行微生物驅含水率、增油量、提高采收率預測。Eclipse油藏數值模擬器具有強大的計算能力和快捷的前后處理程序，可方便快捷地導出和導入油藏模型網格參數、計算得到的油藏模型狀態參數及流體參數，從而達到快捷高效地進行微生物驅油方案設計和微生物驅油效果預測的目的，滿足油田開發工程設計的需要。 本發明的微生物驅油數值模擬方法具有以下優點:1、對微生物驅油的數值模擬方法大大降低了微生物驅油過程的復雜性，比如，無需求解極其復雜的微生物驅油數學模型，無需通過實驗考查所有因素對微生物運移規律和提高采收率機理的影響規律等，因此，大大提高了微生物驅油數值模擬的效率，降低了計算不收斂的概率。2、將微生物提高采收率機理歸納總結為降低原油粘度、改變巖石滲透率和表面潤濕性、改變油水相對流動能力和殘余油飽和度，大大簡化了復雜的微生物提高采收率機理。這一歸納總結基本全面反映了微生物提高采收率機理，從而在本質上保證了微生物驅油過程的真實性，進而避免了因反映微生物提高采收率機理有限導致的微生物驅油數值模擬方法實用性較差的情況。3、本發明微生物驅油數值模擬方法是基于成熟油藏數值模擬器(Eclipse油藏數值模擬器)的，由于Eclipse油藏數值模擬器在算法、計算能力和前后處理程序等方面功能強大且具有固有的便捷性，比如油藏模型網格參數、狀態參數及流體參數的導出和導入，計算結果的三維可視化，結果報表的輸出等功能，能夠使得過程簡單而且快捷高效，提供給用戶多樣的數據輸出結果，信息更加豐富。
圖1為現有技術中一種傳統微生物驅油數值模擬方法的流程2為本發明一個實施例中微生物驅油數值模擬方法的流程3為本發明一個實施例中微生物生長曲線圖4為本發明一個實施例中營養液底物消耗曲線(玉米漿干粉為營養液底物)圖5為本發明一個實施例中微生物作用下原油粘度與微生物濃度的關系圖6為本發明一個實施例中微生物驅提高采收率與微生物濃度的關系圖7為本發明一個實施例中微生物作用下油水相對滲透率曲線和殘余油飽和度變化圖8為本發明一個實施例中推薦方案累產油與原始水驅累產油預測對比圖9為本發明一個實施例中推薦方案含水率預測
具體實施方式本發明所述的一種微生物驅油數值模擬方法，采用圖2所示的流程圖實現快捷高效的微生物驅油方案優化設計和效果預測。下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。參見圖2，在本發明的一個實施例中，微生物驅油數值模擬方法的過程主要包括以下步驟:步驟201，開展微生物激活實驗，分析微生物的特點和激活情況，取得微生物的生長實驗數據、營養液消耗實驗數據，用公式(I)、(2)確定微生物的生長規律、營養規律。在本發明中，使用的微生物生長動力學模型是:
權利要求
1.一種微生物驅油數值模擬方法，包括 (1)開展微生物激活實驗，分析微生物的生長和營養液消耗實驗數據，定量描述微生物的生長規律和營養規律； (2)通過實驗和數學方法建立驅油參數與微生物參數定量關系； (3)建立微生物運移方程和營養液底物消耗方程； (4)從油藏數值模擬器中導出當前時間步下油藏模型的網格參數、狀態參數及流體參數代入微生物運移方程和營養液底物消耗方程，聯立求解油藏內微生物濃度分布和營養液濃度分布； (5)參考步驟(2)中建立的驅油參數與微生物參數定量關系，調用當前時間步下油藏內微生物濃度分布，計算當前時間步下各網格內孔隙度、滲透率、油水相對滲透率、原油粘度及毛管力的值，保存為文本文件； (6)油藏數值模擬器調用步驟(5)中的文本文件，進行下一個時間步的計算，如此進行下去，直到所有的時間步全部計算完畢； (7)微生物驅油方案設計。用正交試驗設計方案，選取營養液注入濃度、空氣注入濃度和營養液注入總量三個參數在4個水平上進行正交組合，重復步驟(4廣(6)，根據增油量、采收率或含水率指標從中優選最佳方案； (8)微生物驅油效果預測。在最佳方案下，用微生物驅油數值模擬進行微生物驅油含水率、增油量、提高采收率預測； 其特征在于:通過實驗和數學方法建立的驅油參數與微生物參數定量關系包括原油粘度與微生物濃度、油層滲透率和毛細管力變化與微生物濃度以及油水相滲透曲線和殘余油飽和度與微生物濃度的定量關系。
2.如權利要求1所述的一種微生物驅油數值模擬方法，其特征在于:通過實驗和數學方法建立驅油參數與微生物參數定量關系的具體方法如下: (1)將微生物驅油過程中對原油的降解變稀作用、代謝的溶劑類、氣體類物質溶在油中使油變稀的提高采收率機理提煉為微生物對原油粘度的降低，并以室內微生物降粘實驗為依據，確定原油粘度與微生物濃度的數學關系； (2)將微生物在巖石表面的吸附和調剖堵塞的提高采收率機理提煉為巖石滲透率的變化，并以室內微生物吸附實驗為依據，確定油層滲透率與微生物濃度的數學關系； (3)將微生物代謝活性劑使巖石表面潤濕性和油水界面張力變化的提高采收率機理提煉為毛管力的變化，并以室內微生物封堵實驗為依據，確定毛管力與微生物濃度的數學關系; (4)將微生物對巖石、油和水性質改變的提高采收率機理提煉為油水相對滲流能力的改變和殘余油飽和度的變化，即油水相對滲透率曲線的變化，并以室內微生物驅油物理模擬實驗為依據，確定油水相對滲透率和殘余油飽和度變化與微生物濃度的數學關系。
3.如權利要求1所述的一種微生物驅油數值模擬方法，其特征在于:聯立求解油藏內微生物濃度分布和營養液濃度分布，通過Matlab軟件編程實現。
4.如上述任一項權利要求中所述的一種微生物驅油數值模擬方法，其特征在于:油藏數值模擬器是Schlumberger公司的Eclipse油藏數值模擬器。
全文摘要
本發明公開了一種微生物驅油數值模擬方法，本方法將復雜的微生物提高采收率機理歸納為降低原油粘度、改變巖石滲透率和表面潤濕性、改變油水相對流動能力和殘余油飽和度；采用實驗和數學方法建立驅油參數與微生物參數定量關系；通過生物場參數計算模塊與油藏數值模擬器之間的數據實時交換實現微生物驅油數值模擬計算，快捷高效地進行微生物驅油方案設計和微生物驅油效果預測，滿足油田開發工程設計的需要。該模擬方法全面反映了微生物提高采收率機理，保證了微生物驅油過程的真實性，降低了微生物驅油過程的復雜性，極大地提高了微生物驅油數值模擬的效率。
文檔編號E21B43/22GK103104238SQ20131001505
公開日2013年5月15日 申請日期2013年1月16日 優先權日2013年1月16日
發明者雷光倫, 姚傳進, 程明明 申請人:中國石油大學(華東)