修麗群 劉帥 劉立陽(yáng) 劉麗麗 張貴鵬

摘 要：近年來，隨著注水開發(fā)進(jìn)入特高含水階段，剩余油的分布形態(tài)和流動(dòng)狀況發(fā)生了很大變化。為明確微觀孔隙剩余油的形成機(jī)理，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件Fluent對(duì)水驅(qū)油藏油滴的變形流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，分析孔道的傾斜角度，潤(rùn)濕角和單根毛管并聯(lián)雙孔道對(duì)油滴變形流動(dòng)規(guī)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(dāng)孔隙與豎直方向存在夾角時(shí)，重力的作用不可忽略，驅(qū)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(rùn)濕角的增大而更加明顯。在單根毛管并聯(lián)雙孔道中，由于毛管半徑不同剩余油的運(yùn)移速度不同，先到達(dá)出口的油滴會(huì)對(duì)其余油滴產(chǎn)生阻礙其運(yùn)動(dòng)的力。研究結(jié)論可為進(jìn)一步研究微觀孔隙油滴變形機(jī)理提供理論依據(jù)。

關(guān) 鍵 詞：特高含水期;油滴變形;微觀孔隙;數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TE 357 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(fā)進(jìn)入特高含水階段[1]，剩余油分布形態(tài)及流動(dòng)狀況發(fā)生了巨大的變化，微觀孔隙結(jié)構(gòu)中的剩余油如何移動(dòng)，移動(dòng)的影響因素[2-5]是什么等問題己經(jīng)成為特高含水期油田開發(fā)無法回避的關(guān)鍵問題[6，7]。以往的研究多數(shù)停留在靜態(tài)分析的基礎(chǔ)上，本文采用GAMBIT軟件，建立微觀孔隙二維模型。基于Fluent軟件平臺(tái)，應(yīng)用VOF模型，在Fluent中實(shí)現(xiàn)油滴在微孔隙中真實(shí)運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬，結(jié)合計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)，討論分析孔道的傾斜角度，潤(rùn)濕角和單根毛管并聯(lián)雙孔道對(duì)油滴變形流動(dòng)規(guī)律的影響，為微觀孔隙結(jié)構(gòu)中的油滴變形流動(dòng)提供理論基礎(chǔ)。

1 基于GAMBIT微觀孔隙模型的建立

根據(jù)微觀孔隙的特點(diǎn)，利用GAMBIT建立如圖1所示的基本模型，模型長(zhǎng)1×10-3 m，寬2×10-4 m，劃分8 000個(gè)網(wǎng)格，設(shè)置兩個(gè)流體域：外層的水域，內(nèi)層近似半圓的油域。兩個(gè)流域的邊界處使用三角形網(wǎng)格并且利用T-junction網(wǎng)格融合技術(shù)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(dǎo)入網(wǎng)格，設(shè)置VOF模型，左側(cè)入口水驅(qū)速度0.1 m/s，右側(cè)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(tài)，其中長(zhǎng)方形區(qū)域代表水域，中間圓形區(qū)域代表油域。

圖2 油滴的初始狀態(tài)

Fig.2 The initial state of oil droplets

2 數(shù)值計(jì)算與結(jié)果分析

（1）微孔隙的傾斜角度對(duì)油滴變形的影響

油滴運(yùn)動(dòng)時(shí)，平行于毛管壁方向主要受到注入水驅(qū)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(dāng)注入水沿毛管壁方向向上驅(qū)替油滴時(shí)候，油滴所受合力：

（1）

當(dāng)注入水沿毛管壁方向向下驅(qū)替油滴時(shí)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(duì)油滴的變形影響越大。

分別設(shè)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(qū)替的殘差曲線穩(wěn)定后，不同角度的油滴變形結(jié)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(qū)替的過程中，微孔隙處于水平狀態(tài)的油滴變形最小，當(dāng)與豎直方向的角度在0°～90°之間時(shí)油滴由于重力作用聚在一起，角度大于90°時(shí)油滴相對(duì)拉長(zhǎng)，對(duì)于親油巖石來說同等條件下，接觸面積越大將越難驅(qū)替，因此水的驅(qū)替方向與重力的方向夾角為鈍角時(shí)（如圖5（a））比銳角（如圖5（b））更易使油滴在水壓的作用下發(fā)生變形以致分離。

（a） （b）

圖5 驅(qū)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(duì)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(diǎn)對(duì)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(hào)θ表示，并規(guī)定從密度大的流體一側(cè)算起。圖6表示油水對(duì)巖石表面的接觸角。

圖6 不同潤(rùn)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(duì)應(yīng)的接觸角也不一定，這樣接觸角就呈現(xiàn)多值。在Fluent軟件中設(shè)置巖石潤(rùn)濕角分別為45°，90°，135°，在相同的驅(qū)替條件下觀察不同潤(rùn)濕角對(duì)油滴變形的影響如圖所示。

圖7 不同潤(rùn)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(rùn)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(jìn)角與后退角的差值也逐漸減小，由此而產(chǎn)生的水平方向的作用力逐漸減小，該力的計(jì)算公式：

（3）

式中：θ2 —前進(jìn)角，（°）;

θ1 —后退角，（°）;

σ —油水界面張力，mN/m;

r —曲率半徑，μm。

當(dāng)油滴在運(yùn)動(dòng)的過程中時(shí)，水平方向上受到上述的向后的附加阻力，阻礙油滴的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)潤(rùn)濕角加大時(shí)，附加阻力隨之減小，油滴更容易變形運(yùn)動(dòng)。

（3）單根毛管并聯(lián)雙孔道中油滴的變形流動(dòng)分析

對(duì)于單根并聯(lián)雙孔道毛細(xì)管：由于毛管半徑不等的兩個(gè)孔道間剩余油的運(yùn)移速度不同，因而有一部分油滴被捕集在某個(gè)孔道中。

建立雙孔道的流動(dòng)模型，設(shè)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(zhì)量相同。收斂后流動(dòng)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(dāng)寬管與窄管中油滴大小相同時(shí)，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(shè)油滴在寬管和窄管中的合力分別為P11，P12，由于P11

圖8 并聯(lián)雙孔道模型

Fig.8 Parallel double channel model

所以若想使寬管中的油滴繼續(xù)移動(dòng)，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(jié) 論

（1） 高角度油藏其傾斜角越大，對(duì)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(tài)時(shí)油滴的變形最小。當(dāng)微孔道與豎直方向的角度在0°～90°之間時(shí)油滴由于重力作用聚在一起，因此水的驅(qū)替方向與重力的方向夾角為鈍角時(shí)比銳角更易使油滴在水壓的作用下發(fā)生變形以致分離。

（2） 隨著潤(rùn)濕角的加大，油滴與壁面的接觸面積逐漸減小。由前進(jìn)角和后退角的差而產(chǎn)生的水平作用力會(huì)阻礙油滴的變形和運(yùn)動(dòng)，當(dāng)潤(rùn)濕角加大時(shí)，附加阻力減小，油滴更容易發(fā)生變形運(yùn)動(dòng)。

（3） 對(duì)于單根并聯(lián)雙孔道毛細(xì)管，窄管中的油滴受到的作用力較大，當(dāng)窄管中的油滴率先抵達(dá)管口，會(huì)對(duì)寬管中的油滴產(chǎn)生一種抵制作用力，寬管中的油滴可能會(huì)被補(bǔ)集下來，需改變壓力梯度才能使油滴繼續(xù)移動(dòng)。

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