ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
|
ИСТИНА ЦЭМИ РАН |
||
Фильтрационные течения вязких жидкостей в пористых средах являются определяющими в процессах добычи жидких полезных ископаемых (нефти, газоконденсата и пр.). Повышение нефтеотдачи нефтеносных пластов связано с качеством вытеснения нефти насыщающей подземные резервуары, с помощью воды или мецеллярно – полимерных растворов. Для повышения эффективности вытеснения углеводородов применяются также химические методы: во-первых, это внутрипластовое горение, приводящее к повышению температуры и уменьшению вязкости вытесняемого углеводорода, а во вторых, это добавление в вытесняющую жидкость реагента, растворяющего частично пористый известняковый скелет, таким образом, увеличивая пористость и проницаемость. Известно, что вытеснение более вязкой жидкости менее вязкой из пористой среды является неустойчивым процессом. Возникающая неустойчивость приводит к нарушению формы поверхности раздела фаз и переходу от фронтального вытеснения к прорыву отдельных языков вытесняющей жидкости и захвату вытесняемой внутри пористой среды. Эти эффекты существенно снижают качество вытеснения. Присутствующие изначально небольшие неоднородности проницаемости в пористой среде при вынужденных интенсивных фильтрационных течениях могут также приводить к формированию трещин и каналов в пористой матрице, что увеличивает неоднородность проницаемости. Это проявление другого вида неустойчивости фильтрационных течений. Целью предлагаемого проекта будет фундаментальное исследование влияния химических взаимодействий вытесняемой и вытесняющей жидкостей, а также вытесняющей жидкости и пористого скелета на особенности вытеснения вязких жидкостей из пористой среды. Предполагается проведение теоретических исследований, а также вычислительных экспериментов с последующей статистической обработкой их результатов.
1. Разработка физических и математических моделей гетерогенного реагирования с учетом решения микрозадач на уровне модельных пор о вытеснении инертной жидкости химически реагирующей со скелетом. 2. Разработка физических и математических моделей влияния химических реакций со скелетом на процессы течения многофазных вязких жидкостей, позволяющих исследовать эвакуацию вязкой жидкости из пористой среды методами фронтального вытеснения. 3. Разработка физических и математических моделей влияния горения фильтрующихся компонентов на процессы течения многофазных вязких жидкостей, позволяющих исследовать эвакуацию вязкой жидкости из пористой среды методами фронтального вытеснения. 4. С использованием разработанных моделей проведение численного исследования влияния изменения проницаемости пористого скелета при химических реакциях с вытесняющей жидкостью на развитие неустойчивости при вытеснении вязких жидкостей из пористой среды. Определение зависимости качества и времени очистки от значений внешних определяющих параметров.
Можно выделить следующие наиболее важные результаты, полученные коллективом, в том числе и при выполнении грантов РФФИ 06-08-00009, 09-08-00265, 12-08-00198, которые найдут применение в данном проекте: - Проведено численное исследование вытеснения вязкой жидкости из области, занятой пористой средой, с помощью менее вязкой жидкости. Построена и реализована численно двумерная модель. - Проведены численные исследования двумерного вытеснения, показывающие динамику развития фронта вытеснения, который в нерегулярных случаях разбивается на отдельные пальцы, которые могут в дальнейшем рассеиваться, смешиваться или расщепляться. - Была построена одномерная модель для описания динамики насыщенности вытесняющей жидкости вдоль оси вытеснения. Модель использует два коэффициента, характеризующих конвективную и диффузионную части потока смешения, которые должны определяться из сравнения результатов одномерного моделирования и осреднения результатов двумерного моделирования по поперечному сечению. - По данным моделирования при различных значениях отношения вязкостей и числа Пекле получены значения оптимальных коэффициентов одномерной модели, которые затем обобщены в виде аппроксимационных формул. - Для экспериментального исследования развития неустойчивости в гетерогенной пористой среде была использована модифицированная ячейка Хеле-Шоу, содержащая вкладыши-препятствия. - Проведенные теоретические и экспериментальные исследования показали, что если для традиционной ячейки Хеле-Шоу увеличение отношения вязкости и числа Пекле приводит к усилению неустойчивости, то для ячейки с препятствиями результат в некоторых случаях может быть обратным. - Определены условия формирования трещин газового разрыва при закачке газа в пористую среду. - Проведены исследования трехмерных эффектов при фронтальном вытеснении.
грант РФФИ |
# | Сроки | Название |
1 | 13 апреля 2017 г.-31 декабря 2017 г. | Влияние химических взаимодействий на неустойчивость вытеснения вязких жидкостей из пористой среды (этап 1, 2017 год) |
Результаты этапа: Проектом предусмотрено проведение фундаментальных исследований влияния химических взаимодействий вытесняемой и вытесняющей жидкостей, а также вытесняющей жидкости и пористого скелета на особенности вытеснения вязких жидкостей из пористой среды. Проведены теоретические исследования неустойчивости вытеснения, разработаны математические модели внутрипластового горения при нагнетании окислителя в нефтенасыщенную пористую среду, разработаны модели вытеснения при условии растворения скелета вытесняющей средой, а также проведены вычислительные эксперименты. Исследования проводятся в следующих основных направлениях: 1) анализ устойчивости поверхности раздела жидкостей различной вязкости в пористой среде при фронтальном вытеснении и тангенциальном вымывании, исследованы условия возникновения неустойчивости типа Саффмана – Тейлора и типа Кельвина – Гельмгольца; 2) численное моделирование неустойчивого вытеснения вязких жидкостей будет производиться на основании моделей механики многофазных сред с учетом переменной проницаемости пористого скелета, но при пренебрежении его деформируемостью; 3) исследование взаимовлияния фильтрационных течений и внутрипорового горения или химического разрушения скелета проводится с применением методов механики многокомпонентных сред с учетом рождения и смерти отдельных компонентов при химических реакциях. Для определения скорости реакций использованы методы химической кинетики. Основные результаты, полученные в 2017 году. 1. Разработка физических и математических моделей гетерогенного реагирования с учетом решения микрозадач на уровне модельных пор о вытеснении инертной жидкости химически реагирующей со скелетом. 2. Разработка физических и математических моделей влияния химических реакций со скелетом на процессы течения многофазных вязких жидкостей, позволяющих исследовать эвакуацию вязкой жидкости из пористой среды методами фронтального вытеснения. 3. Разработка физических и математических моделей влияния горения фильтрующихся компонентов на процессы течения многофазных вязких жидкостей, позволяющих исследовать эвакуацию вязкой жидкости из пористой среды методами фронтального вытеснения. 4. С использованием разработанных моделей проведение численного исследования влияния капиллярных сил при взаимодействии несмешивающихся жидкостей со скелетом на процесс вытеснения и возникновение неустойчивости. Также исследовано влияние изменения проницаемости пористого скелета при химических реакциях с вытесняющей жидкостью на развитие неустойчивости при вытеснении вязких жидкостей из пористой среды. Принципиальной новизной использованного в данном проекте подхода в части исследования неустойчивости вытеснения и вымывания вязкой жидкости из пористой среды будет учет влияния гомогенных химических реакций на фронте вытеснения между вытесняемой и вытесняющей жидкостью , а также гетерогенных химических реакций между вытесняющей жидкостью и пористым скелетом. При протекании экзотермических реакций между вытесняемой и вытесняющей жидкостью происходит понижение вязкости вытесняемой жидкости, а при протекании реакций вытесняющей жидкости со скелетом происходит размывание скелета и увеличение проницаемости. | ||
2 | 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. | Влияние химических взаимодействий на неустойчивость вытеснения вязких жидкостей из пористой среды (этап 2, 2018 год) |
Результаты этапа: В рамках решения основной задачи проекта - моделирования неустойчивого вытеснения углеводородов из пористой среды с учетом протекающих химических взаимодействий с вытесняющим реагентом - в 2018 году были получены следующие результаты: 1. Результаты теоретических исследований развития неустойчивости поверхности раздела фаз в пористой среде при вытеснении менее вязкой жидкостью более вязкой жидкости при наличии внутрипластового диффузионного горения, модифицирующего вязкость и проницаемость среды. 2. Результаты численного моделирования в рамках двумерной нестационарной постановки. 3. Результаты трехмерного численного моделирования процессов вытеснения вязких жидкостей из пористой среды с учетом химических взаимодействий между жидкостями и гетерогенных реакций со скелетом. 4. Результаты сравнения двумерных исследований при одинаковых начальных и граничных условиях. 5. Условия, при которых развитие трехмерной и двумерной неустойчивости существенно различается, а при каких двумерная модель удовлетворительно аппроксимирует процессы. 6. Условия, при которых капиллярные силы и угол смачивания не влияют на процессы вытеснения жидкостей из пористой среды, но влияют на остаточную насыщенность. Разработана модель влияния капиллярных и конвективных эффектов на остаточную насыщенность при вытеснении жидкости из пористой среды. Изучение процессов фильтрации жидкости в пористой среде является крайне актуальным. Одним из наиболее важных применений теории фильтрации являются задачи связанные с нефтедобычей. Один из методов добычи углеводородов – вытеснение их из нефтеносного пористого пласта с помощью менее вязкой жидкости. При этом на фронте вытеснения развивается неустойчивость, что существенно влияют на коэффициент извлечения нефти. Одной из задач, рассмотренных в рамках проекта, является неустойчивое вытеснение нефти с учётом химического воздействия на пористый скелет. Часть скелета составляет кероген, который переходит в нефть под действием агента содержащегося в воде. Плотность агента не выявляется отдельно от плотности воды; агент расходуется, теряя активность, его масса при этом остается в массе воды. За счёт растворения керогена увеличивается пористость среды, что ведёт к изменению абсолютной проницаемости. Для оценки этого изменения используется модель Кармана-Козени. Процесс вытеснения моделируется на основе модели Дарси, учитываются капиллярные эффекты. Численно моделируется процесс вытеснения из области содержащей добывающую и нагнетательную скважины. При этом с нагнетательной скважины подаётся вода, которая может содержать или не содержать агент растворяющий кероген. Исследуется влияние химических взаимодействий на неустойчивость вытеснения, на качество и количество добытой нефти. Метод термогазового воздействия, рассмотренный в данном проекте, также используется для интенсификации нефтеотдачи пласта. Он заключается в том, что в нагнетательную скважину подается нагретая смесь воды и газа. Газ --- это смесь азота и кислорода, в частности, воздух. Нагретый кислород вступает в реакцию с углеводородом, в результате чего происходит его окисление с выделением тепла; образуются углекислый газ и водяной пар. Температура флюида повышается, а вязкость падает, в результате чего ускоряется процесс вытеснения нефти из пласта. Для описания процесса вытеснения используется трехфазная модель флюида в пористой среде. Три фазы: вода, нефть и газ -- не смешиваются, имеют единую температуру и различное давление; разность давлений фаз характеризуется капиллярными давлениями. Движение флюида в пористой среде называется фильтрационным и описывается уравнениями Дарси. Скелет имеет отличную от флюида температуру, и тем самым модель пористой среды является двухтемпературной. Математическая модель задачи состоит из десяти уравнений баланса: три уравнения баланса массы фаз, четыре уравнения баланса массы компонент в газовой фазе, уравнение для давления (следствие суммарного баланса массы флюида, в который подставлены уравнения Дарси), уравнения баланса энергии для флюида и скелета. Остальные уравнения -- это сами уравнения Дарси, определяющие скорости фаз, а также алгебраические соотношения, определяющие относительные проницаемости фаз, капиллярное давление, вязкость, теплопроводность флюида и его компонент, плотность фаз, а также кинетику химических реакций. Было проведено численное моделирование термогазового воздействия при вытеснении нефти из пласта. В результате чего были рассчитаны следующие процессы: межфазный переход массы за счёт химической реакции, выделение энергии в ходе химической реакции, теплопроводность, теплообмен между скелетом и флюидом, конвективный приток тепла, динамика вытеснения фаз. Получены поля искомых величин (насыщенность флюида водой, насыщенность флюида нефтью, насыщенность флюида газом, концентрация азота в газовой фазе, концентрация кислорода в газовой фазе, концентрация углекислого газа в газовой фазе, концентрация водяного пара в газовой фазе, давление, температура флюида, температура скелета) во всех узлах расчётной области во все моменты времени, а также график интенсивности вытеснения нефти в добывающие скважины и график дебита добывающих скважин. | ||
3 | 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. | Влияние химических взаимодействий на неустойчивость вытеснения вязких жидкостей из пористой среды (этап 3, 2019 год) |
Результаты этапа: 1. Проведена статистическая обработка результатов численного моделирования возникновения неустойчивости при учете внутрипластовых химических взаимодействий и при гетерогенном реагировании пористого скелета с вытесняющим реагентом. Определена зависимость характеристик процесса в том числе образования каналов и трещин от значения внешних макроскопических определяющих параметров. 2. Проведено уточнение математических моделей для численного моделирования процесса вытеснения из пористой среды с учётом взаимодействия между фазами. Рассмотрен процесс вытеснения с учётом химического воздействия вытесняемых жидкостей на на пористый скелет и его частичное растворение, что позволяет проводить моделирование с учётом образования червоточин в известняковых породах. Учтено понижение вязкости нефти за счёт экзотермических реакций. В общем случае рассмотрена двухтемпературная модель, хотя при тесном контакте твердой и жидкой фазы обе температуры успевают весьма быстро сравняться, и в этом случае рассматривается однотемпературный вариант. 3. Был проанализирован процесс неустойчивого вытеснения вязкой жидкости из кольцеобразной ячейки Хеле-Шоу, которая моделирует течение углеводородов вблизи скважины. В результате линейного анализа было выявлено стабилизирующее действие поверхностного натяжения и наличие критической межфазной моды с наибольшей скоростью роста. Численное моделирование с использованием модели континуальной поверхностной силы (CSF) было верифицировано на основе линейной теории и экспериментальных данных. |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".