水驅油藏油滴變形流動研究

修麗群 劉帥 劉立陽 劉麗麗 張貴鵬

摘 要：近年來，隨著注水開發進入特高含水階段，剩余油的分布形態和流動狀況發生了很大變化。為明確微觀孔隙剩余油的形成機理，采用計算流體動力學軟件Fluent對水驅油藏油滴的變形流動進行數值模擬計算，分析孔道的傾斜角度，潤濕角和單根毛管并聯雙孔道對油滴變形流動規律的影響。研究表明：巖石的不同孔隙傾斜角度可影響油滴的變形，當孔隙與豎直方向存在夾角時，重力的作用不可忽略，驅替方向與重力方向的夾角可影響油滴的變形。并且油滴的變形隨著潤濕角的增大而更加明顯。在單根毛管并聯雙孔道中，由于毛管半徑不同剩余油的運移速度不同，先到達出口的油滴會對其余油滴產生阻礙其運動的力。研究結論可為進一步研究微觀孔隙油滴變形機理提供理論依據。

關 鍵 詞：特高含水期;油滴變形;微觀孔隙;數值模擬

中圖分類號：TE 357 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2015）06-1443-03

Research on Oil Droplets Deformation Flow of Water-flooding Reservoir

XIU Li-qun 1，LIU Shuai2，LIU Li-yang2，LIU Li-li1，ZHANG Gui-peng3

（1. Northeast Petroleum University， Heilongjiang Daqing 163318，China;

2. Daqing Oilfield Company No.1 Oil Production Plant， Heilongjiang Daqing 163000，China

3. Daqing Oilfield Company Downhole Operation Branch， Heilongjiang Daqing 163000，China）

Abstract： In recent years， the water injection development has entered the stage of super high water cut. The distribution of remaining oil and the flow condition have changed greatly. To clarify the formation mechanism of remaining oil in micro pores， computational fluid dynamics software Fluent was used for numerical simulation of the oil droplets deformation flow of water-flooding reservoir， and then the influence of tilt angle of the channel， wetting angle and the single capillary tube parallel double channel on the flow of oil droplets was analyzed. The results show that， the different angle of the pore can affect the deformation of oil droplets; when there is angle between the pore and the vertical， the effect of gravity should not be neglected. The angle between the displacement direction and the gravity can affect the deformation of the oil droplets. And for oil wet rock， the deformation of the oil droplets becomes more obvious with the increase of wetting angle. In the single capillary tube parallel double channel， due to different capillary radius， residual oil migration velocity is different. And the oil droplets which first reach the exit will give the remaining oil droplets a force that can hinder their movement. The research conclusion may provide a theoretical basis for further study of deformation mechanism of oil droplets in the microscopic pore.

Key words： high water cut stage; droplet deformation; microscopic pores; numerical simulation

隨著注水開發進入特高含水階段[1]，剩余油分布形態及流動狀況發生了巨大的變化，微觀孔隙結構中的剩余油如何移動，移動的影響因素[2-5]是什么等問題己經成為特高含水期油田開發無法回避的關鍵問題[6，7]。以往的研究多數停留在靜態分析的基礎上，本文采用GAMBIT軟件，建立微觀孔隙二維模型?；贔luent軟件平臺，應用VOF模型，在Fluent中實現油滴在微孔隙中真實運動的數值模擬，結合計算流體動力學，討論分析孔道的傾斜角度，潤濕角和單根毛管并聯雙孔道對油滴變形流動規律的影響，為微觀孔隙結構中的油滴變形流動提供理論基礎。

1 基于GAMBIT微觀孔隙模型的建立

根據微觀孔隙的特點，利用GAMBIT建立如圖1所示的基本模型，模型長1×10-3 m，寬2×10-4 m，劃分8 000個網格，設置兩個流體域：外層的水域，內層近似半圓的油域。兩個流域的邊界處使用三角形網格并且利用T-junction網格融合技術使流體可自由通過。

圖1 模型的建立

Fig.1 Building a model

在FLUENT軟件中導入網格，設置VOF模型，左側入口水驅速度0.1 m/s，右側為開放出口，油滴粘度0.02 Pa·s，密度為800 kg/m3，水的粘度0.001 Pa·s，密度為1 000 kg/m3。圖2為油滴的初始狀態，其中長方形區域代表水域，中間圓形區域代表油域。

圖2 油滴的初始狀態

Fig.2 The initial state of oil droplets

2 數值計算與結果分析

（1）微孔隙的傾斜角度對油滴變形的影響

油滴運動時，平行于毛管壁方向主要受到注入水驅替力、摩擦力、黏滯力、重力和浮力的分力作用[6]，如圖3所示。

圖3 油滴的受力圖

Fig.3 The stress of the oil droplets

當注入水沿毛管壁方向向上驅替油滴時候，油滴所受合力：

（1）

當注入水沿毛管壁方向向下驅替油滴時候，油滴所受合力：

（2）

式中：F0 —油滴所受浮力，N;

G —油滴所受重力，N;

？ —油滴所受摩擦力，N;

Fn —油滴所受粘滯力，N;

α —毛管與水平方向的夾角，（°）;

S —油滴與毛管的接觸面積，cm2。

高角度油藏其傾斜角越大，對油滴的變形影響越大。

分別設置微孔隙與豎直方向的夾角為0°、45°、90°、135°、180°，初始條件相同，均為親油巖石，驅替的殘差曲線穩定后，不同角度的油滴變形結果如圖4所示。

圖4 不同傾斜角下的油滴變形圖

Fig.4 Oil droplets deformation under different slope angle

在驅替的過程中，微孔隙處于水平狀態的油滴變形最小，當與豎直方向的角度在0°～90°之間時油滴由于重力作用聚在一起，角度大于90°時油滴相對拉長，對于親油巖石來說同等條件下，接觸面積越大將越難驅替，因此水的驅替方向與重力的方向夾角為鈍角時（如圖5（a））比銳角（如圖5（b））更易使油滴在水壓的作用下發生變形以致分離。

（a） （b）

圖5 驅替方向與重力的方向示意圖

Fig.5 The direction of the displacement and gravity

（2）接觸角對油滴變形的影響

假如巖石表面有一液滴，則所謂接觸角是過氣液固三相交點對液滴表面所做切線與液固界面所夾的角。接觸角通常用符號θ表示，并規定從密度大的流體一側算起。圖6表示油水對巖石表面的接觸角。

圖6 不同潤濕情況下的水滴形狀

Fig.6 Water droplets shape under different wetting condition

地下微觀孔道的粗糙程度不一樣，對應的接觸角也不一定，這樣接觸角就呈現多值。在Fluent軟件中設置巖石潤濕角分別為45°，90°，135°，在相同的驅替條件下觀察不同潤濕角對油滴變形的影響如圖所示。

圖7 不同潤濕角下的油滴變形

Fig.7 The oil droplets deformation under different wetting angle

從上圖可以看出，隨著潤濕角的加大，油滴與壁面的接觸面積逐漸減小，并且油滴的前進角與后退角的差值也逐漸減小，由此而產生的水平方向的作用力逐漸減小，該力的計算公式：

（3）

式中：θ2 —前進角，（°）;

θ1 —后退角，（°）;

σ —油水界面張力，mN/m;

r —曲率半徑，μm。

當油滴在運動的過程中時，水平方向上受到上述的向后的附加阻力，阻礙油滴的運動。當潤濕角加大時，附加阻力隨之減小，油滴更容易變形運動。

（3）單根毛管并聯雙孔道中油滴的變形流動分析

對于單根并聯雙孔道毛細管：由于毛管半徑不等的兩個孔道間剩余油的運移速度不同，因而有一部分油滴被捕集在某個孔道中。

建立雙孔道的流動模型，設置寬孔道的寬度為窄孔道的2倍，入口流量按面積分配，兩孔道中的油滴初始條件相同，質量相同。收斂后流動情況如圖8所示。

從圖8可以看出，窄管中的油滴受到的作用力較大，這是由于在按面積分流量的情況下雖然寬管所得流量多，但是當寬管與窄管中油滴大小相同時，寬管油滴上方有液體可以流過，而窄管中液體的作用力幾乎全作用在油滴上。

設油滴在寬管和窄管中的合力分別為P11，P12，由于P11

圖8 并聯雙孔道模型

Fig.8 Parallel double channel model

所以若想使寬管中的油滴繼續移動，需要改變壓力梯度使得：

P11

式中：P11 —寬管中油滴所受合力，MPa;

P12 —窄管中油滴所受合力，MPa;

P1 —入口壓力，MPa;

P2 —出口壓力，MPa。

3 結 論

（1） 高角度油藏其傾斜角越大，對油滴的變形影響越大，重力作用不可忽略。微孔道處于水平狀態時油滴的變形最小。當微孔道與豎直方向的角度在0°～90°之間時油滴由于重力作用聚在一起，因此水的驅替方向與重力的方向夾角為鈍角時比銳角更易使油滴在水壓的作用下發生變形以致分離。

（2） 隨著潤濕角的加大，油滴與壁面的接觸面積逐漸減小。由前進角和后退角的差而產生的水平作用力會阻礙油滴的變形和運動，當潤濕角加大時，附加阻力減小，油滴更容易發生變形運動。

（3） 對于單根并聯雙孔道毛細管，窄管中的油滴受到的作用力較大，當窄管中的油滴率先抵達管口，會對寬管中的油滴產生一種抵制作用力，寬管中的油滴可能會被補集下來，需改變壓力梯度才能使油滴繼續移動。

參考文獻：

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