修丽群 刘帅 刘立阳 刘丽丽 张贵鹏

摘 要：近年来，随着注水开发进入特高含水阶段，剩余油的分布形态和流动状况发生了很大变化。为明确微观孔隙剩余油的形成机理，采用计算流体动力学软件Fluent对水驱油藏油滴的变形流动进行数值模拟计算，分析孔道的倾斜角度，润湿角和单根毛管并联双孔道对油滴变形流动规律的影响。研究表明：岩石的不同孔隙倾斜角度可影响油滴的变形，当孔隙与竖直方向存在夹角时，重力的作用不可忽略，驱替方向与重力方向的夹角可影响油滴的变形。并且油滴的变形随着润湿角的增大而更加明显。在单根毛管并联双孔道中，由于毛管半径不同剩余油的运移速度不同，先到达出口的油滴会对其余油滴产生阻碍其运动的力。研究结论可为进一步研究微观孔隙油滴变形机理提供理论依据。

关 键 词：特高含水期;油滴变形;微观孔隙;数值模拟

中图分类号：TE 357 文献标识码： A 文章编号： 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

隨着注水开发进入特高含水阶段[1]，剩余油分布形态及流动状况发生了巨大的变化，微观孔隙结构中的剩余油如何移动，移动的影响因素[2-5]是什么等问题己经成为特高含水期油田开发无法回避的关键问题[6，7]。以往的研究多数停留在静态分析的基础上，本文采用GAMBIT软件，建立微观孔隙二维模型。基于Fluent软件平台，应用VOF模型，在Fluent中实现油滴在微孔隙中真实运动的数值模拟，结合计算流体动力学，讨论分析孔道的倾斜角度，润湿角和单根毛管并联双孔道对油滴变形流动规律的影响，为微观孔隙结构中的油滴变形流动提供理论基础。

1 基于GAMBIT微观孔隙模型的建立

根据微观孔隙的特点，利用GAMBIT建立如图1所示的基本模型，模型长1×10-3 m，宽2×10-4 m，划分8 000个网格，设置两个流体域：外层的水域，内层近似半圆的油域。两个流域的边界处使用三角形网格并且利用T-junction网格融合技术使流体可自由通过。

图1 模型的建立

Fig.1 Building a model

在FLUENT软件中导入网格，设置VOF模型，左侧入口水驱速度0.1 m/s，右侧为开放出口，油滴粘度0.02 Pa·s，密度为800 kg/m3，水的粘度0.001 Pa·s，密度为1 000 kg/m3。图2为油滴的初始状态，其中长方形区域代表水域，中间圆形区域代表油域。

图2 油滴的初始状态

Fig.2 The initial state of oil droplets

2 数值计算与结果分析

（1）微孔隙的倾斜角度对油滴变形的影响

油滴运动时，平行于毛管壁方向主要受到注入水驱替力、摩擦力、黏滞力、重力和浮力的分力作用[6]，如图3所示。

图3 油滴的受力图

Fig.3 The stress of the oil droplets

当注入水沿毛管壁方向向上驱替油滴时候，油滴所受合力：

（1）

当注入水沿毛管壁方向向下驱替油滴时候，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 —油滴所受粘滞力，N;

α —毛管与水平方向的夹角，（°）;

S —油滴与毛管的接触面积，cm2。

高角度油藏其倾斜角越大，对油滴的变形影响越大。

分别设置微孔隙与竖直方向的夹角为0°、45°、90°、135°、180°，初始条件相同，均为亲油岩石，驱替的残差曲线稳定后，不同角度的油滴变形结果如图4所示。

图4 不同倾斜角下的油滴变形图

Fig.4 Oil droplets deformation under different slope angle

在驱替的过程中，微孔隙处于水平状态的油滴变形最小，当与竖直方向的角度在0°～90°之間时油滴由于重力作用聚在一起，角度大于90°时油滴相对拉长，对于亲油岩石来说同等条件下，接触面积越大将越难驱替，因此水的驱替方向与重力的方向夹角为钝角时（如图5（a））比锐角（如图5（b））更易使油滴在水压的作用下发生变形以致分离。

（a） （b）

图5 驱替方向与重力的方向示意图

Fig.5 The direction of the displacement and gravity

（2）接触角对油滴变形的影响

假如岩石表面有一液滴，则所谓接触角是过气液固三相交点对液滴表面所做切线与液固界面所夹的角。接触角通常用符号θ表示，并规定从密度大的流体一侧算起。图6表示油水对岩石表面的接触角。

图6 不同润湿情况下的水滴形状

Fig.6 Water droplets shape under different wetting condition

地下微观孔道的粗糙程度不一样，对应的接触角也不一定，这样接触角就呈现多值。在Fluent软件中设置岩石润湿角分别为45°，90°，135°，在相同的驱替条件下观察不同润湿角对油滴变形的影响如图所示。

图7 不同润湿角下的油滴变形

Fig.7 The oil droplets deformation under different wetting angle

从上图可以看出，随着润湿角的加大，油滴与壁面的接触面积逐渐减小，并且油滴的前进角与后退角的差值也逐渐减小，由此而产生的水平方向的作用力逐渐减小，该力的计算公式：

（3）

式中：θ2 —前进角，（°）;

θ1 —后退角，（°）;

σ —油水界面张力，mN/m;

r —曲率半径，μm。

当油滴在运动的过程中时，水平方向上受到上述的向后的附加阻力，阻碍油滴的运动。当润湿角加大时，附加阻力随之减小，油滴更容易变形运动。

（3）单根毛管并联双孔道中油滴的变形流动分析

对于单根并联双孔道毛细管：由于毛管半径不等的两个孔道间剩余油的运移速度不同，因而有一部分油滴被捕集在某个孔道中。

建立双孔道的流动模型，设置宽孔道的宽度为窄孔道的2倍，入口流量按面积分配，两孔道中的油滴初始条件相同，质量相同。收敛后流动情况如图8所示。

从图8可以看出，窄管中的油滴受到的作用力较大，这是由于在按面积分流量的情况下虽然宽管所得流量多，但是当宽管与窄管中油滴大小相同时，宽管油滴上方有液体可以流过，而窄管中液体的作用力几乎全作用在油滴上。

设油滴在宽管和窄管中的合力分别为P11，P12，由于P11

图8 并联双孔道模型

Fig.8 Parallel double channel model

所以若想使宽管中的油滴继续移动，需要改变压力梯度使得：

P11

式中：P11 —宽管中油滴所受合力，MPa;

P12 —窄管中油滴所受合力，MPa;

P1 —入口压力，MPa;

P2 —出口压力，MPa。

3 结 论

（1） 高角度油藏其倾斜角越大，对油滴的变形影响越大，重力作用不可忽略。微孔道处于水平状态时油滴的变形最小。当微孔道与竖直方向的角度在0°～90°之间时油滴由于重力作用聚在一起，因此水的驱替方向与重力的方向夹角为钝角时比锐角更易使油滴在水压的作用下发生变形以致分离。

（2） 随着润湿角的加大，油滴与壁面的接触面积逐渐减小。由前进角和后退角的差而产生的水平作用力会阻碍油滴的变形和运动，当润湿角加大时，附加阻力减小，油滴更容易发生变形运动。

（3） 对于单根并联双孔道毛细管，窄管中的油滴受到的作用力较大，当窄管中的油滴率先抵达管口，会对宽管中的油滴产生一种抵制作用力，宽管中的油滴可能会被补集下来，需改变压力梯度才能使油滴继续移动。

参考文献：

[1]张光明，许昌杰，周晓俊，赵英.高30断块油藏剩余油分布研究[J].江汉石油学院学报，2013，25（4） ：102-104.

[2]丁圣. 特高含水期剩余油形成与分布研究[D].北京：中国石油大学，2010：3-15.

[3]王延章.特高含水期油藏剩余油分布规律及控制因素研究[D].东营：中国石油大学（华东），2007：12-14.

[4]孙玉青.微纳米弹性微球启动剩余油及提高采收率机理研究[D].北京：中国石油大学，2011：1-7;26-29.

[5]李玉梅.水驱砂岩油藏高含水期剩余油综合潜力评价方法研究[D].成都：西南石油学院，2003.

[6]刘浩瀚.特高含水期剩余油滴可动条件及水驱油效率变化机理研究[D].南充：西南石油大学，2013.

[7]刘丽丽.粘弹性流体在微孔道中流动的数值计算（D）.大庆：东北石油大学，2008.