CO_2驱油过程中多场全耦合数学模型

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致密油藏CO_(2)驱和水驱分子动力学模拟及微观机理

致密油藏CO_(2)驱和水驱分子动力学模拟及微观机理
黄鑫淼;林伟;韩登林;雷征东;赵新礼
【期刊名称】《西安石油大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2024(39)3
【摘要】为了厘清CO_(2)驱和水驱两种驱替介质的微观驱油机理,基于分子动力学模拟方法,分别建立CO_(2)驱油模型和水驱油模型,研究不同驱替条件下亲水纳米孔隙内原油密度随驱替时间的变化规律,分析了驱油过程中烃类分子在纳米孔隙内的运移过程。

研究结果表明:两种不同注入介质的驱油效率都随着注入速度的增大而增大;在CO_(2)驱油过程中,当注入速度较小时,CO_(2)膨胀发挥主要作用,随着注入速度增大,驱替逐渐发挥主导作用;在亲水纳米孔隙中,当注入水的速度较低时,渗吸发挥主要作用,此时小孔隙中的原油驱替速度比大孔隙快,随着注入速度增大,驱替逐渐发挥主导作用,大孔隙中的原油被快速驱替。

【总页数】10页(P72-81)
【作者】黄鑫淼;林伟;韩登林;雷征东;赵新礼
【作者单位】长江大学地球科学学院;临沂大学数字地质与能源研究院;临沂大学资源环境学院(碳中和学院);中国石油勘探开发研究院提高采收率研究中心;常州大学石油工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TE357.45
【相关文献】
1.致密油藏气驱微观驱油机理研究
2.砾岩油藏水驱与聚合物驱微观渗流机理差异
3.水驱断块油藏CO_(2)气顶边水双向驱油封存机理及应用
4.致密油藏CO_(2)吞吐驱油和封存注采参数敏感性分析——以鄂尔多斯盆地延长组长7段致密油藏典型储集层为例
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超临界CO_2选择性驱油机理的分子动力学模拟研究

超临界CO_2选择性驱油机理的分子动力学模拟研究超临界二氧化碳（scCO2）驱油作为石油化工领域中的新兴技术,具有较强的潜在技术优势,正日益受到国内外研究学者的重视,对此人们做出了大量探索性工作,为缓解石油资源短缺危机带来新的曙光。

然而,在CO2驱替原油过程中CO2与油藏各组分间的作用机理复杂,限制了驱油理论及应用研究工作的不断深入。

本文以CO2为主要研究对象,采用分子动力学模拟方法,构建CO2/原油组分/二氧化硅表面等多种模型,针对驱替过程中出现的CO2对原油的溶解及剥离现象,研究CO2对不同原油组分溶解剥离的差异规律,对CO2选择性剥离原油的机理与规律展开深入研究。

首先,对不同温度下CO2剥离烷烃模拟结果的分析表明,CO2剥离原油存在最佳温度范围,并着重分析了303 K、343 K及383 K温度下的体系。

303 K时CO2对膜的剥离方式以整体剥离为主,343 K时以逐层溶解为主,当温度升高至383 K时,有大量烷烃吸附残留在岩石表面。

特别在343 K时原油剥离效率最高,并以最短的时间达到体系平衡。

CO2对原油流动性的影响是不可忽视的,通过对弯曲度及扩散系数的分析,表明处于343 K下的体系具有更高的降粘效果。

基于以上分析,我们利用CO2对混相油膜的剥离行为进行了MD模拟,探究了CO2的选择性溶解剥离行为对油藏润湿性影响的现象机制。

考虑微纳米限域效应对相平衡影响的co_(2)驱油机理研究

考虑微纳米限域效应对相平衡影响的co_(2)驱油机理研究CO2驱油机理是指通过向油藏中注入CO2气体来推动油藏中油和水混合物的驱油机制。

传统对CO2驱油机理的研究把驱油过程归为一种物理驱油形式，但是忽视了微纳米限域效应，也就是微尺度（纳米）的驱油机理对CO2驱油结果的重要影响。

微纳米限域具有较小的化学传感作用和优异的能量泄漏性，这会大大改善CO2驱油的结果。

首先，研究人员通过研究原位孔径分析来探讨CO2驱油过程中纳米粒子行为和解体过程。

以硫酸钙（CaSO4）为例，变温实验显示当温度升高时，CO2在CaSO4纳米粒子表面附着的能量会显著升高，这表明在微纳米限域内CaSO4粒径的变化对CO2的驱动力有显著的影响。

此外，实验室对滤池水进行的模拟实验显示，CO2注入滤池水时，CaSO4粒径会从原来的200纳米减少至28纳米，而这种变化会大大增加CO2注入滤池水中驱动力。

其次，在驱油过程中，CO2气体的微纳米溶液行为也会对相平衡产生重要影响。

具体而言，CO2在水溶液中的密度会对相平衡产生重要影响。

在实验室的模拟实验中，当CO2气体的密度从原来的400 mg/L提高到800 mg/L时，它在水溶液中的沉淀积数会降低大约100 mg/L，并且CO2的溶解度会显著增加，这会使CO2的溶解效果变得更加有效。

总之，微纳米限域效应对CO2驱油机理及其相平衡有着重要影响，对此有必要加以重视。

例如，利用原位孔径分析、变温实验和模拟实验等方法研究CO2在纳米限域中的行为，并系统评价其对解体速率和孔径的影响。

此外，利用实验室模拟实验研究CO2气体在水溶液中的密度对相平衡的影响等。

最后，积极推进相关技术，更好地发挥CO2驱油效用。

高含水条件下CO_2混相驱替实验

高含水条件下CO_2混相驱替实验吕成远;王锐;崔茂蕾;唐永强;周霞【期刊名称】《石油学报》【年(卷),期】2017(38)11【摘要】油藏水驱后进行CO_2驱已在油田现场取得了成功,但由于油藏的高含水饱和度,导致了CO_2与原油间的接触方式发生改变,混相过程也受到一定制约。

为研究高含水条件对CO_2混相驱的影响,制作了盲端微观可视化模型,进行了水驱前后CO_2混相过程微观实验。

结合不同含水饱和度条件下的CO_2驱替实验,明确了CO_2混相驱替特征以及含水饱和度对CO_2驱油效率的影响。

结果表明,高含水饱和度会对CO_2与原油的接触过程产生一定的屏蔽作用,注入的CO_2不能直接接触到剩余油,从而导致CO_2与原油的混相过程被大大延缓,进而导致高含水条件下CO_2驱见效时间被推迟。

【总页数】6页(P1293-1298)【关键词】高含水条件;CO2驱;动态混相;盲端模型;驱替特征【作者】吕成远;王锐;崔茂蕾;唐永强;周霞【作者单位】中国石油化工集团公司海相油气藏开发重点实验室;中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院提高采收率技术研究所【正文语种】中文【中图分类】TE341【相关文献】1.浅层低压特高含水油田混相驱产出组分与地下驱替进程对应关系研究 [J], 苏国军2.高含水油田CO2混相驱室内实验研究及应用 [J], 高超;杨宪;冯永泉;姜刚;杨满平3.彩9井区西山窑组特高含水油藏CO2混相驱先导试验 [J], 张艳梅;万文胜;李琛;罗鸿成;刘衍彤;张会利;张瑞雪4.CO_2混相驱技术在高89-1块特低渗透油藏开发中的应用 [J], 李春芹5.CO_2泄漏停止后天然条件下浅层含水层的自我修复能力评价 [J], 杜尚海;苏小四;郑连阁因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

CO_2混相驱多组分多相非等温数学模拟

CO_2混相驱多组分多相非等温数学模拟将二氧化碳作为油藏提高采收率的驱油剂已研究多年,室内和现场试验都曾表明它是一种有效的驱油剂。

它能够提高原油采收率的原因主要有以下几个方面。

一方面是因为二氧化碳易溶于原油,这种特性可以起到如下三方面的作用。

(1)使原油的体积增大,从而促使充满油的孔隙体积也增大,这为油在孔隙介质中流动提供了有利的条件。

若随后地层注水,还可使油藏中的残余油量减小。

(2)可使原油粘度降低,促使原油流动性提高,其结果是用少量的驱油剂就可达到一定的驱油效率。

或换言之,用一定量的驱油剂就能达到较高的驱油效率。

(3)能使毛细管的吸渗作用得到改善,从而使油层扫油范围扩大,使水、油的流动性保持平衡。

另一方面是因为二氧化碳易溶于水,这种特性也可以起到如下三方面的作用。

(1)使水的粘度有所增加;当注入粘度较高的水时,由于水的流动性降低,从而使水、油粘度比例随着油的流动性增大而变小。

(2)二氧化碳水溶液能与岩石的碳酸盐成分发生反应,并使其溶解,从而提高储集层的渗透率性能,使注入井的吸收能力增强。

(3)可降低油水界面的表面张力,从而提高驱油效率。

更为重要的是,二氧化碳可促进原油中的轻质烃类(C2～C30)被抽提出来,从而使残余油饱和度明显降低。

同时,在不同原油的成分、温度和压力条件下,二氧化碳具有无限制地与原油混相的能力,实际上可以达到很好的驱油目的。

二氧化碳在油、水中的扩散系数较高,其扩散作用可使二氧化碳本身重新分配并使相系统平衡状态稳定。

注入碳酸水,可大大降低残余油饱和度,因为在含水带内的碳酸水前缘,能形成和保持二氧化碳气游离带。

据国外有关资料统计,用二氧化碳驱油若能达到混相状态,油田的最终采收率可达60-70%;若以非混相驱油,油田最终采收率也可达50%以上。

广泛的适应性和成本低廉、成效显著、可回收重复利用的特点,使二氧化碳驱油已成为国外三次采油的主要手段。

高倾角油藏CO_2近混相驱三次采油开发机理及矿场应用研究

高倾角油藏CO_2近混相驱三次采油开发机理及矿场应用研究注气提高采收率技术是三次采油的三大技术之一,C02作为一种有效的气体驱油剂,在世界范围内都显示出良好的驱油效果。

同时,C02是主要温室气体之一。

开展C02驱油研究,可以实现经济效益与社会效益的有机统一。

本次研究的目标区块是LB油田,油藏属于高倾角低渗透油藏,注水压力高,地层能量下降较快,注水开发效果差,为此,开展了C02驱三次采油机理、控水机理及开发方案研究。

目的是通过矿场实施补充地层能量,提高油藏采收率,为高倾角低渗油藏C02驱高效开发提供借鉴。

研究的重点包括试验区水驱开发现状分析,地层原油高压物性及相态特征分析,C02～原油体系增溶膨胀相态配伍性研究,C02驱最小混相压力实验测试,组合长岩心物模装置C02驱油效率及控水机理研究,C02在不同矿化度地层水中溶解能力评价,饱和C02地层水贾敏效应阻水机理研究,饱和C02地层水C02脱出后微观驱替渗流特征分析。

在这些研究的基础上,运用三维油藏数值模拟模型优化了CO2驱先导试验注采参数,跟踪矿场实施情况及评价效果。

通过以上研究,取得以下几个方面的成果和认识：1.LB油田Es33油藏仅发育一条柏各庄断层,断层封闭性良好。

断层根部油藏储层物性差,属于中低孔低渗储层,非均质性强,地层倾角大(35°-45°),注水压力高,水驱效果差,注采井网相对完善,油藏处于中含水阶段(50.07%),采出程度低(6.4%),剩余油潜力较大。

油藏平均地层温度102℃,油藏断层根部原始地层压力29.5MPa,目前地层压力为24.07MPa。

总体上适合实施注C02三次采油。

2.原油膨胀性能中等、密度中等,原油密度随压力的降低略有降低、随温度的增加而降低,属于普通黑油。

在目前地层温度和压力下注入CO2,当CO2注入量达到60%(mo1)时,地层流体饱和压力增加1.35倍,体积膨胀1.45倍,有利于增溶膨胀降粘驱油。

低渗透油藏CO_2驱过程中含水率变化规律_俞宏伟

第41卷第4期2011年07月吉林大学学报(地球科学版)Jour nal of Jilin U niver sity(Ea rth Science Editio n)Vo l.41 No.4July 2011低渗透油藏CO 2驱过程中含水率变化规律俞宏伟,杨思玉,李实,杨永智国家提高采收率重点实验室/中国石油勘探开发研究院,北京 100083摘要:通过国内外多个油田水驱后实施CO 2驱的矿场实例研究,发现注入CO 2后很多油井存在含水率下降的现象;这种现象发生在CO 2驱的整个开发阶段,包括注气初期阶段CO 2未到达生产井、生产井见气阶段以及高气油比阶段。

重点讨论了生产井见气前的开发规律,在该阶段油藏内以油水两相渗流为主,不受三相渗流作用的影响。

通过现场动态反应并结合室内细管和长岩心实验,揭示了CO 2与油、水2种介质的相互作用,得到了两个结论:第一是始于低含水阶段的CO 2驱过程中气体穿越地层水驱替地层油到达生产井;第二是始于高含水阶段的CO 2驱替规律在不同级别低渗透岩心中的差异非常明显:对于特低渗岩心,CO 2突破前的采出程度占CO 2驱总采出程度的73.27%,CO 2突破后的采出程度占26.73%,对于一般低渗岩心,CO 2突破前的采出程度仅占CO 2驱总采出程度的16.72%,而CO 2突破后的采出程度占到了CO 2驱总采出程度的83.28%。

关键词:CO 2驱;低渗透;室内实验;含水;开发规律;油气中图分类号:P618.13 文献标志码:A 文章编号:1671-5888(2011)04-1028-05收稿日期:2010-10-11基金项目:国家重大专项项目(2008ZX05000-016-04)作者简介:俞宏伟(1982)),男,黑龙江鸡西人,博士研究生,主要从事CO 2驱油方面的研究,E -mail:y hongw ei@pet -r 。

Rules of Water Cut Variation in Low PermeabilityOil Reservoir CO 2Flooding ProcessYU H ong -w ei,YANG S-i y u,LI Shi,YANG Yong -zhiS tate K ey L abor atory of E nhanced Oil Rec ov er y /Resear ch I nstitu te of Pe tr oleum Ex p lora tion and Dev e lop ment,Pe tr oChina,Beij ing 100083,ChinaAbstract:T hr oug h the study of many dom estic and abro ad field exam ples o f CO 2flooding after w ater floo ding ,it is discovered that after the injection of CO 2,the w ater cut of m any productio n w ells decreases sharply,and this phenomenon happens across the w hole development phase,including the early stag e of CO 2injection w hich the CO 2displacing front do esn .t reach production w ells,the stage of little gas pro ducing,and the stage of high gas -oil ratio.We take emphasis on discussing the development rules of low permeability reservo ir befo re the breakthrough of CO 2,and o n this stage oi-l water tw o -phase fluid flow is the m ain flo w ty pe,and three -phase flow do es not exist.The r eason is that a major ity o f the injected CO 2dissolv ed in lo cal o il and w ater.A cco rding to the actual o ilfield dy nam ic response and the results o f in -ho use slim tube and long core flooding experiment,w e explain the action betw een CO 2andoi-l w ater system,finally gain tw o co nclusions.T he first is that g as can drive crude oil reaching producers by traveling through local w ater.T he second is that the displacem ent law is o bviously differ ent in different low per meability cores w hen CO 2floo ding starting from high w ater cut stag e,for the special low permeability cor es,the oil reco very before CO 2breaking accounted for CO 2total recovery o f73.27%,and after CO 2breaking the recov er y accounted for 26.73%.But for the av erag e low permeability cores,the oil reco ver y befo re CO 2br eaking o nly accounted for CO 2total recov ery o f 16.72%,and after CO 2breaking the reco very acco unted for 83.28%.Key words:CO 2flooding ;low permeable;in -house ex periments;w ater cut;development rules;petroleum0引言目前全球CO 2提高石油采收率项目总数超过100个,增油量逐年上升,已成为三次采油阶段的主要开发技术之一。

CO_2细管模型驱油效果研究

模型混相长度Ｌ与有关参数之间的关系为：
Ｌ＝Ｎｄ／Ｄｖ。Ｃ（）１
所用天然气为北京氦普北分气体有限公司生产的
收稿日期：０９９９改回日期：００１０２００１：２１０２
基金项目：国家自然科学基金“ 低渗透油藏储层特征及流体运动渗流机理研究“ １６２８）中国石油天然气股份公司重点攻关项目“ （０７１７；特低渗透储层评价方法、标准及渗流机理研究 ” ０ — ２Ａ一２— １（６０／００）作者简介：张硕（９９一）男，０２１７，２０年毕业于大庆石油学院石油工程专业，为中科院渗流所在读博士研究生，现主要从事油气田开发方面的科研工作。
成混相。目前，小混相压力的测量与计算主要有最

细管是紧密地填充满２０目左右纯净石英砂而制０成的一维人造多孔介质螺旋状不锈钢盘管。
１２实验条件．
模拟油藏温度，验温度为９￣实０Ｃ。在地层压力下将天然气溶于原油（由于原油在１．４ＭＰ０３ａ
条件、实验方法、具体步骤与原理。分析结果得到了注采压差、油速度和采收率随驱替压力采
的变化规律，并测量了原油与ｃ用的最小混相压力，出了合理的驱替压力范围，ｏ作给为油藏
开采提供了参考依据。关键词：Ｏ；管模型；相驱油；理模拟；相压力Ｃ２细混物混

CO_2油两相体系相平衡特性的实验测试与计算研究

CO_2/油两相体系相平衡特性的实验测试与计算研究CO2混相驱油技术在提高原油采收率及温室气体地质埋存方面具有广阔的应用前景,因此CO2/油/水体系混相特性研究成为目前重要研究课题。

本文利用表面张力消失法（VIT）对CO2/油相体系的相平衡特性进行了测试研究,获得CO2/油相体系在不同油组分、不同温度下的混相压力。

同时利用热力学计算方法对CO2/油相体系的相平衡特性进行了计算研究。

基于计算结果与实验结果的较好吻合,进一步对CO2/水体系的相平衡特性进行了计算并获得与文献结果符合较好的结果。

最后,本文利用计算方法对CO2-水/盐水-油三相体系的相平衡特性进行了计算研究,以期指导工业实践。

本文主要得出的结论如下:（1）采用表面张力测试和相平衡状态观测两种方法对CO2/油体系的混相特性进行了实验研究。

其中在表面张力测试实验中,油相为C10H22时,分别从26.2°C、47.7°C、58.1°C三个温度进行实验研究,得出体系的混相压力分别在6-7 MPa、8-9MPa、10-11 MPa左右,因此同一油相,随着温度的增大,混合体系的混相压力逐渐增大;当温度为47.7°C,油相为液体石蜡时,实验测得体系混相压力在7-8 MPa左右,与CO2-C10H22体系对比发现,同一温度下,随着体系油相碳原子个的增加,混合体系的混相压力逐渐增大。

毕业设计(论文)-考虑传质扩散作用的co2驱油数学模型及其影响因素研究[管理资料]

中国石油大学（华东）毕业设计（论文）考虑传质扩散作用的CO2驱油数学模型及其影响因素研究学生姓名：学号：05021129专业班级：石油工程2005-3班指导教师：开始日期:2009年3月20日完成日期:2009年6月20日摘要随着二氧化碳在油田开发中的应用，其驱油机理日益成为研究热点。

本文在调研国内外二氧化碳驱油发展史、驱油机理以及相关数学模型基础上，利用数值方法求解了考虑CO2驱油传质扩散机理的一维混相数序模型，分析了原油粘度、扩散吸附等因素对驱替效果的影响。

在原油粘度和扩散吸附作用下建立模型并求解，计算结果表明，考虑CO2的扩散吸附作用，CO2驱油前缘发生运移滞后，降低了驱油效果；原油粘度越大，CO2降粘效果越明显；混相驱替时CO2浓度越大，降粘效果越明显。

本文对于完善CO2驱油数学模型，研究CO2驱油特性具有一定指导意义。

关键词：二氧化碳驱油；传质扩散；扩散吸附；浓度分布；运移滞后ABSTRACTThis paper mainly researched the phenomenon of diffusion and mass transfer in CO2 drive. Advantages and disadvantages of three common model of CO2 drive was evolved,based on analysis of CO2 drive’s developmental situation and mechanism of driving,and the description of some relational model at home and abroad. On the basis of the above, one-dimensional mathematical model of diffusion and mass transfer of CO2 was established considering miscible drive. The model was solved by numerical , the changes in trends of the concentration of CO2, proliferation and adsorption,and the diversification of viscosity and pressure was obtained by compiling the model-related program. Finally,the effect of crude viscosity ,proliferation and adsorption, and injection velocity to consequent of CO2 drive was obtained by contrasting. The greater the viscosity of crude oil, CO2, the more obvious the effect of viscosity; miscible displacement greater when the CO2 concentration, the more obvious the effect of viscosity .In this paper, the perfect mathematical model of CO2 flooding, CO2 flooding characteristics of study has a certain significance.Keywords:CO2drive; diffusion and mass transfer; proliferation and adsorption; concentration distribution; transport lag目录第一章前言 (1)研究二氧化碳驱油的目的意义 (1)本文的主要成果 (2)第二章国内外二氧化碳驱油开发概况 (4)国内外研究现状 (4)二氧化碳驱的油藏条件 (5)二氧化碳驱油机理 (5)多孔介质中的扩散和吸附现象 (9)二氧化碳驱油中主要的吸附机理及作用力 (10)二氧化碳驱替注入方式[2] (12) (13)第三章二氧化碳驱油数学模型研究现状 (14)国外关于二氧化碳模型的研究现状 (14)国内关于二氧化碳模型的研究现状 (16)二氧化碳驱的数学模型[4] (18)组分模型 (19)传输-扩散模型 (20)改进的黑油模型 (21) (22)第四章二氧化碳驱油混相驱模型建立及求解 (23)理想扩散渗流方程的建立 (23)扩散定律—Fick定律 (23)传质扩散渗流时的连续性方程 (23)一维传质扩散渗流方程 (25)考虑粘度差的互溶液体的传质扩散模型 (25)模型的建立 (26)模型的求解 (27)计算结果 (29)考虑带吸附作用的传质扩散模型 (33)扩散剂在表面上的吸附过程[15] (34)带吸附现象的扩散模型的建立 (35)模型的求解 (35)考虑吸附时的计算结果 (38) (44)第五章结论 (45)致谢 (46)参考文献 (47)第一章前言研究二氧化碳驱油的目的意义一次采油后，约70%的原油残留在地下。

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Abstract：Carbon dioxide(CO2) is a kind of greenhouse gas，which causes near-surface temperature increased. Geologic disposal of CO2(injection of CO2 into aquifer) has been suggested as a promising means of reducing emissions of greenhouse into the atmosphere. Oil displacement by injection CO2 of into reservoir during enhanced oil recovery stage will not only increase oil throughput but also inject CO2 into reservoir. Oil displacement by CO2 injection is coupled multiphysics processes which incorporate cross-coupled fluid flow，energy conservation， mechanical equilibrium and mass conservation. A set of quadruply coupled equations(fluid flow，convectiondiffusion，energy conservation and mechanical equilibrium) with a number of cross-couplings and coupled constitutive relations is formulated to quantify the multi-physics of oil displacement by CO2 injection ， implemented into and solved by using FEMLAB. FEMLAB is the first engineering tool that performs equation-based multi-physics modeling in an interactive environment. With FEMLAB，the coupled multi-physics model can be solved simultaneously. The applicability of this model has been demonstrated through an example of simulations for a two-dimensional reservoir of size 1 000 m×1 000 m with one injection and one production wells. Model results illustrate the significant importance of the cross-couplings between individual(thermal ， hydrological，chemical and mechanical) physics. Key words：environmental engineering；geological disposal of CO2；oil displacement；coupled multiphysics processes；mathematical model
隔热隔水边界、对流流量边界
λ 和 µ 为 Lame 常数， β 为固体线性热膨胀系数。
第 25 卷
第9期
盛金昌. CO2 驱油过程中多场全耦合数学模型
• 1895 •
固体的热传导张量； T0 为无应力状态时的绝对温度值； D 为弹性张量；U 为岩体的位移张量；F 为体积力矢量；α 为 Biot 系数；γ = (2µ + 3λ ) β ，其中，
s
以求解该组全耦合偏微分方程组。 FEMLAB 是一个具有交互式环境的基于偏微分方程的多物理现象模拟工具。本算例主要是模拟在 3 次采油阶段用 CO2 来驱油的过程。算例中，定义了一个 1 000 m×1 000 m 的二维计算域，计算域中布置注入井和生产井各 1 个。图 1 给出了油田的计算域、边界条件和初始条件示意图。表 1 给出算例中材料的物理参数取值。
(4)
式中：ρ l 为流体密度；ρ 0 为参考状态下的流体密度；
t 为时间(s)； ε v 为岩体体积应变； φ 为岩体的孔隙
率； P 为岩体中孔隙水压力增量(Pa)；T 为温度增量；
则是典型的松
β p 为流体的压缩系数； β t 为流体的体积膨胀系数； k 为岩体固有渗透张量； µ m 混合液体的动力黏滞系
C 为 CO2 浓度；u 为流体的孔隙流速；D 为扩散系
数张量(m2/s)； cl 为流体的比热容；I 为单位张量；
( ρ c) m = φ ( ρ l cl ) + (1 − φ )( ρ s cs ) ，其中， ρ s 为干岩体
的密度， cs 为岩体比热容； K m = φK l + (1 − φ ) K s 为热传导系数张量， K l 为流体的热传导张量， K s 为
众所周知，石油、天然气和煤的燃烧释放出大而 CO2 是一种温室气体，是促量的二氧化碳(CO2)，使全球气温升高的主要原因，CO2 的地下贮存(注入到地下含水层)是减少 CO2 向大气排放的一种很好的选择，目前 CO2 的地下贮存研究在国际上已成为研究热点。在石油开采行业中，当二次采油不再经济时，常采用注入易混溶的液体如 CO2、化学制品和/或热量(如热水)以驱替油田中剩余的石油，这一过程通常称为三次采油。三次采油过程需要向油田中注入一种或几种液体，以便将石油驱向生产井。另外，注入的液体还可以和岩体、石油发生某种反应，以使石油更易开采。如果在三次采油阶段用 CO2 来驱油，这样既可以利用废弃的油气田来贮存 CO2，又可以达到增加油气产量的目的。很显然，这一过程是一个流、固、热、多相流多场耦合过程，这里称之为多物理过程耦合作用。对这一特定问题，这 4 个物理过程是相互耦合的。目前，对地质体的多场耦合问题已有很多成果[1 般多为流–固两场耦合
。国内这方Байду номын сангаас的研究一
[7，8]
。
ρ l ∂ε v ∂T ∂P + φβ p − φβ t − ∂t ∂t ρ 0 ∂t
⎡ ρk ⎤ ∇ ⎢ l (∇P − ρ l g )⎥ = Q ⎣ ρ0 µm ⎦ (1)
求解多场耦合问题时多采用交叉迭代求解。根据 S. Minkoff 等[9]的研究，耦合问题求解有 3 种基本算法：单向耦合算法、松散耦合算法和全耦合算法。对于单向耦合算法，即 2 组独立的方程在同一时间步内分开求解，求解时只是将其中一个物理过程的计算结果作为输入传给另一个物理过程，这种传递只是单向的。例如：由水流流动程序解出的孔隙压力作为荷载传给力学计算来求解应力、应变和位移。J. Fredrich 等[10]的工作就是这一算法的一个成功例子。在松散耦合算法中， 2 组方程独立求解 ( 与单向耦合算法一样)，但是有关信息在指定的时间步内在流体流动和地质力学这两个求解器之间 2 个方向相互传递。这一算法的优点是相对容易实现，而且还有可能反映较复杂的非线性物理过程，它更接近全耦合算法，相关研究
摘要：CO2 是一种温室气体，是促使全球气温升高的主要原因之一，CO2 的地下贮存(注入到地下含水层)是减少 CO2 排放的一种很好选择。如果在石油开采的三次采油阶段用 CO2 来驱油，这样既可以利用废弃的油气田来贮存 CO2，又可以达到增加油气产量的目的。CO2 驱油过程是一个流、固、热、多相流等多场耦合作用过程。首先，建立一套流、固、热、多相流等多场全耦合控制方程组及其相应的耦合本构关系；然后，采用 FEMLAB 为工具来模拟三次采油阶段 CO2 驱油过程中的流、固、热、物质守恒等多场之间的全耦合作用，是第一个人机交互式的基于偏微分方程组的多物理场耦合分析的工程工具，利用 FEMLAB，该 4 个耦合方程组成的方程组可以一次同时被求解出来；最后，应用该模型来求解一个二维油田的驱油情况，数值计算结果表明，原位应力、注入温度、注入压力等因素对 CO2 的地下贮存效率、驱油速度等有重要影响。关键词：环境工程；CO2 地下贮存；驱油；耦合作用过程；数学模型中图分类号：X 701.7 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2006)09–1893–05
[3～6，10，11]
∂ (φ ( P)C ) + ∇(− D (u)∇C + Cu) = 0 ∂t ∂ε ∂T ( ρ c) m + T0γ v − ∂t ∂t k ρ l cl (∇P + ρ l g∇z )∇T = ∇K m ∇T
(2)
µm
(3)
− ∇( D s ∇U − γ TI − αPI ) = F
～ 6]
2
多物理过程耦合数学模型
众所周知，耦合作用是指不同的物理过程之间
存在着相互影响。本文在相关研究工作 [11] 的基础上，再加上一个耦合的溶质传输过程。这里假设岩体介质为饱和的多孔弹性介质，并假设 REV 存在。本文主要模拟注入 CO2 驱油过程，假设 CO2 和石油是完全混溶的，这样就可以用溶质传输方程来描述驱替过程(当然采用多相流模型更接近实际)。流动方程、对流扩散方程、能量守恒方程和力学平衡方程分别为
数；g 为重力加速度(m/s2)；Q 为流体的源项或汇项；
散耦合算法的例子。对于全耦合算法，通常需要推导出单一的一组全耦合方程组。求解多物理耦合问题通常首选全耦合算法，因为在理论上它能给出最真实的结果。然而由于同时求解多物理耦合过程异常复杂，到目前为止还没有这方面令人信服的研究成果。本文将首先建立一组基于多孔介质的多物理