注蒸氣多場耦合驅油機理的多層次描述與分析

劉 揚， 成慶林， 項新耀， 王志國， 魏立新

( 東北石油大學 石油工程學院，黑龍江 大慶 163318 )

0 引言

我國稠油資源比較豐富，約占石油資源總量的20%以上，預測資源量198億t，其中最終可探明地質資源量為79.5億t[1].經過近50 a的發展，熱力采油已成為稠油開發的主要手段，能夠有效提高油層溫度，降低稠油黏度，使其流動性變好，從而易于采出.按照油層加熱的方式熱采可以分為兩類：一是把熱流體注入油層，如注熱水、注蒸氣等；另一類是在油層內燃燒產生熱量，即火燒油層.其中注蒸氣是最為有效的開采方法之一，目前世界上80%以上的稠油是通過此種方法采出的.與普通石油開采相比，稠油開采過程復雜、能耗高，仍有許多問題需要解決[2-3].深入研究注蒸氣驅油過程的多場耦合機制，在保證經濟效益的前提下，提高油藏的動用程度和采出效率，是亟待解決的問題之一[4-5].

1 多場耦合數學模型

一般而言，多孔介質多場耦合作用研究是在多個物理場，如溫度場、應力場、滲流場和濃度場等的耦合作用下，多相流體或化學流體在孔隙裂隙中傳輸、固體骨架和流體中的參數分布及骨架變形與破壞規律的科學.因此，多孔介質多場耦合作用的理論體系涉及多個學科的交叉，如研究多孔介質骨架變形的應變力學，研究多相流體在孔隙裂隙中流動的滲流力學，分析固體骨架熱傳導和流體對流換熱的傳熱學，以及描述溶解反應的擴散力學[6].運用這些理論體系，可以建立多孔介質多場耦合作用的數學模型，包括多孔介質及流體的變形和滲流控制方程、傳熱學控制方程、溶解傳質控制方程以及耦合作用的物理方程.對該數學模型進行解析求解或數值計算，并定量分析各場之間的耦合影響程度，對于深入認識多孔介質中的復雜傳遞過程很有意義[7].

近20 a來，多孔介質多場耦合作用的數學模型經歷了從部分耦合到完全耦合的發展過程.Biot最早給出飽和多孔介質熱-水-力耦合固結過程的控制方程，并在等溫條件下，明確耦合系數的定義及物理意義.Carter J P等[8]在進行熱彈性耦合問題的有限元分析計算中考慮熱-力之間的相互耦合作用，建立該耦合問題的控制方程.Booker J R等[9]在完善耦合控制方程的基礎上，利用數學變換的方法對熱力學和熱固結耦合問題進行求解.盛金昌[10-11]給出多孔巖體介質瞬態流-固-熱三場全耦合的完整數學模型，該模型包含眾多耦合項的作用.白冰[7]進一步發展飽和多孔介質完全耦合條件下熱-水-力控制方程的一般形式，分析各耦合項的物理意義.

人們在多孔介質多場耦合問題的數學求解方面進行研究.如井壁附近多孔介質與單相流體穩定流動條件下耦合滲流問題的解析解與半解析解[12-13].多場耦合問題的控制方程組一般極其復雜，所以普遍采用數值求解該類問題.目前熱-流-固耦合滲流的數值模型大致分為3類：第一類是考慮飽和及不飽和的多孔介質及多孔介質中的動力學問題[14-15]；第二類利用混合物理論直接導出各相和混合物的質量守恒和動量平衡方程[16-17]；第三類考慮多相多組分的影響[18-19].在這3類數值模型的基礎上，人們發展多種耦合模型，并給出固體變形和流體流動的不同耦合方法[20-22].

2 多場耦合驅油機理

注蒸氣驅油過程屬于典型高溫、高壓下多孔介質內的多場耦合問題.同其他資源與能源工程領域中的此類問題一樣，其耦合過程的數學模型及其數值求解已得到較好地解決.關于蒸氣驅油的機理，通過室內模擬實驗，將其歸納為原油的升溫降黏、受熱膨脹與混相驅、蒸氣的蒸餾與脫油、溶解氣驅及乳化驅等多種作用的綜合效果[23-24].這種驅油機理的多元化，根源是研究驅油過程各學科的相互交叉.雖然每門學科都可以計算一個或若干個“技術指標”，但是各門學科所獲得的全部指標的集合也未必能夠對研究對象作出完整、準確的描述，甚至還可能得出某些相互矛盾的結果，導致取得的驅油機理是“平行、并列、交叉”的，至于確定“多元”機理的結構組成，判別各“單元”機理的驅動權重等都無從談起，影響注蒸氣驅油實踐的進一步發展[25].

實際上，動量、熱量和質量等基本傳遞過程的相互交叉，使得不同形式能量分布之間互相影響，而不同形式能量的相互轉換，最終導致多場耦合[26].常見的不可逆傳遞方程，如牛頓黏性定律、傅里葉導熱定律及費克擴散定律等，本質上體現不可逆過程動力、阻力與傳遞速率之間的唯象關系，因此多場耦合也可以理解為多個勢場通過改變動力與阻力的分布而對傳遞速率產生的影響[27-28].基于反映耦合根源的各傳輸過程之唯象律存在著類似性，各種場對滲流的耦合作用也有一定同一性，驅油過程還具有高度統一的特點，即其最終目的是將原油由某一區域推進到生產井，使得人們有可能用比較統一的目標，對這些耦合進行分類、評價和分析，從而為全面、深刻、清晰地認識注蒸氣驅油過程的多場耦合機制，提供新的研究思路[29-31].

進而以“勢場”為研究載體，以為蒸氣驅油過程提供動力為統一目標，并將不可逆熱力學中“流”與“力”的概念引入驅油過程，驅油域內的勢場可被分為動力勢場、目的勢場和阻力勢場[32-38].壓力場、濃度場、重力場等動力勢場是過程得以進行的基本條件，為驅油過程提供“力”；流速場等目的勢場關聯著原油在動力勢場推動下由某一區域推進到生產井的物質遷移過程，是驅油過程的“流”；溫度場、黏度場等阻力勢場，通過連接動力勢場與目的勢場間的唯象關系，以產生阻力的方式對驅油效果產生影響.由此，驅油過程的多場耦合機制包括3個層次：動力勢場間的耦合，各動力勢場在驅動方向上耦合傳遞得越遠，傳遞得越快，驅油效率和速率也會越高；動力勢場與阻力勢場的耦合，耦合的效果著眼于對原油宏觀運移速率的作用效果；阻力勢場間的耦合，找到其中對總阻力影響程度最大者，對于改善驅油效果具有重要的實際意義.

3 研究展望

盡管已在注蒸氣驅油過程多場耦合的多層次描述與分析方面取得一些研究成果，但是還有較多的問題需要解決.如目前是根據油藏流體滲流公式中“推動力”的具體形式確定動力勢場的，通常有壓力場、重力場、毛細力場等，而濃度場等的驅動作用無法體現，因此這種判定方法不是很全面；再者，在比較動力勢場的作用強弱時，是以各勢場相對于環境基準而具有的理論驅動能力作為評價指標的，但理想過程總是偏離于實際過程的，這種偏離對于判別結果是否有影響，還需要進一步探討；另外，驅油過程的唯象率能夠反映動力勢場和阻力勢場之間的某些耦合機制，但這種“反映”僅僅是定性的，而非定量的，有必要找到它們的耦合影響因子，從而全面、深入地揭示二者的驅油耦合機制.因此，針對蒸氣驅油過程中油藏多孔介質條件下多相、多組分流體的多場耦合驅油機理，有必要開展探索性研究：

(1)建立注蒸氣驅油過程熱—水力—力學—傳質耦合的數學模型.目前油藏內耦合作用研究多限于水力—力學耦合，且假設溫度場為恒定的，也沒有考慮傳質過程影響，偏差較大.有必要在總結已取得研究成果的基礎上，協同運用熱力學、滲流力學、傳熱學、油氣開采工程、巖石力學、油藏地質學等學科理論，重點考慮“熱”對質量、動量及能量傳遞的影響，在補充油藏熱—水力、熱—力學及熱—傳質等本構關系的基礎上，提出針對油藏多孔介質條件下多相、多組分熱—水力—力學—傳質耦合數學模型.

(2)劃分注蒸氣驅油域動力勢場與阻力勢場的結構組成.從普通物理的角度，可以找到某些場耦合的規律，如溫度場是影響范圍最廣的場、位移場是受到影響最多的場及相似的場之間容易發生強的耦合作用等.另外，非平衡態熱力學認為：產生某種流的不一定只有它的共軛力，有時還可能有其他的力，張量特性相同的流和力可能耦合.因此，以滲流運動規律為基礎，輔以非平衡態熱力學的相關理論與普通物理，能夠建立比較完整的驅油域勢場的動力與阻力組成結構體系.

(3)構建動力勢場與阻力勢場形成的多層次耦合驅油的評價體系.為辨識原本平行的各“多元驅油機理”之間的主次關系，需要探討能夠反映動力勢場遠期驅動能力和當前驅動效果的統一指標，在對其量化的基礎上可對各動力勢場的重要程度進行排序，判斷驅油過程的主導勢場；主導勢場的多個阻力勢場中對總阻力影響程度最大者，是改善驅油過程的重要著眼點；當某種勢場既是動力勢場又是阻力勢場時，這二者之間的耦合機制更為復雜，其結果也需要通過量化分析.構建完整的動力勢場與阻力勢場形成的多層次耦合驅油評價體系，對于清晰、深刻地認識注蒸氣多場耦合的驅油機理有著極其重要的意義.

(4)實驗研究、數值模擬和應用.有些基礎理論研究要以實驗為基礎，還需進行實驗測定、分析.一般所建模型解析求解比較困難，需要采用數值模擬方法進行求解并進行應用.

4 結束語

以基礎理論研究為主，同時兼顧實際應用，重點研究注蒸氣多場耦合驅油機理的多層次描述與分析的一些基本概念與方法.在充分利用已有基本理論和研究成果的基礎上，可得到創新成果：建立針對油藏多孔介質條件下蒸氣驅油過程的多相、多組分的熱—水力—力學—傳質耦合模型；完善反映驅油過程“流”與“力”動力學關系的唯象體系；探討以油藏流體滲流場為核心的動力勢場與阻力勢場結構組成；推導評價蒸氣驅油過程動力勢場之間、阻力勢場之間及動力勢場與阻力勢場之間耦合程度的參數指標；提出揭示蒸氣驅多場耦合驅油機理的一般步驟和流程；采用合適的數值模擬方法求解并進行應用等.