基于尺寸排斥理论的粘弹性颗粒悬浮体系运移模拟方法及机理研究

Viscoelastic particle flooding has been widely used in the oil fields with high watercuts for profile control due to its property of “temporary plugging-deforming and passing-temporary plugging again” and it has a broad prospect in application. The present numerical simulation models of viscoelastic particle migration are all based on the classic filtration theory which uses the filtration coefficient to represent the plugging induced by viscoelastic particle, lacks considerations in the micro scale of compatibility of sizes of the pore and particle. Therefore, this project introduces size exclusion theory into the flowing simulation of viscoelastic particle and study the flowing mechanism of viscoelastic particle based on the compatibility of sizes of the pore and particle. First, the basic parameters of viscoelastic particle are measured and the flowing properties are observed using microscopic flow experimental apparatus. Then, based on the experimental results and size exclusion theory, the kinetic equations of capture, bridging, and deforming to pass of the viscoelastic particle are established. Finally, a numerical simulation model of viscoelastic particle is built and validated by physical experiment, and the influence of the compatibility of sizes of the pore and particle on the development effect is analyzed. The results aim to give a better understanding on the flowing mechanisms of viscoelastic particle and provide a technique support to the application of viscoelastic particle flooding.

粘弹性颗粒因具有暂堵、变形、通过的“变形虫”特征而被广泛应用于我国中高含水油田的深部调驱作业中，具有广阔的发展前景。现有的粘弹性颗粒运移模拟方法基于经典渗滤理论，简单地采用渗滤系数表征其运移特征，不能体现颗粒粒径与微观孔喉分布的配伍性对调驱效果的影响。对此，本课题将尺寸排斥理论引入到粘弹性颗粒悬浮体系的流动模拟中，从粘弹性颗粒尺寸与多孔介质孔喉分布间的匹配关系出发，研究粘弹性颗粒的运移及调驱规律。首先通过粘弹性颗粒性能测试及微观可视化实验，确定模拟所需要的基本物化参数；然后基于实验结果和尺寸排斥理论，建立粘弹性颗粒在多孔介质中堵塞、架桥以及变形通过的表征模型，形成粘弹性颗粒悬浮体系在多孔介质中运移的数值模拟方法；最后在实验验证的基础上，揭示粘弹性颗粒与孔喉特征的微观匹配性对宏观调驱效果的影响规律。研究成果旨在为中高含水油田粘弹性颗粒调驱的机理认识和推广应用提供理论基础和技术支撑。

粘弹性颗粒我国胜利油田已经成功开展了粘弹性颗粒调驱的先导试验并取得了良好的提高采收率效果。目前建立的粘弹性颗粒调驱数值模拟模型均基于经典渗滤理论，其仅采用渗滤因子对粘弹性颗粒的堵塞概率进行表征，无法体现颗粒粒径与微观孔喉分布的配伍性对调驱效果的影响。污水处理领域的尺寸排斥理论从微观孔喉分布出发，考虑储层中孔喉直径的分布，从微观的角度上表征了颗粒流动过程中储层发生的物性变化，但目前尺寸排斥理论主要用来描述刚性颗粒在孔隙中的堵塞现象，无法模拟预交联凝胶颗粒的变形以及架桥等特征。. 为此，本项目结合微观可视化实验和数值模拟技术，研究了粘弹性颗粒在多孔介质中的运移机理，取得了以下代表性研究成果：①搭建了粘弹性颗粒微观可视化实验平台，对粘弹性颗粒在多孔介质中的封堵、变形运移以及架桥堵塞等现象进行了直观观测，得到了临界变形压力梯度、平均架桥颗粒数等关键物化参数；②对尺寸排斥理论进行了改进，建立了粘弹性颗粒的堵塞、滞留和变形通过动力学模型，结合数值模拟理论建立了三维两相（油相和水相）三组分（油组分、水组分、粘弹性颗粒组分）数值模拟模型，并基于有限体积法建立了数值模拟模型的高效求解算法；③建立了局部加密的PEBI非结构网格划分方法，开展了矿场尺度粘弹性颗粒调驱的数值模拟，得到了粘弹性颗粒调驱的最佳参数，揭示了粘弹性颗粒“深部运移扩大波及”的增产机制。. 研究成果已发表SCI论文5篇，其中SCI一区4篇，二区1篇，申请发明专利2项，其中美国发明专利1项（已获授权），国内发明专利1项。获教育部高等学校科学研究优秀成果二等奖1项。. 通过本项目的研究，全面完成了研究计划内容，达到了预期指标要求。形成了基于尺寸排斥理论的粘弹性颗粒调驱的数值模拟方法，阐明了粘弹性颗粒的渗流规律和提高采收率机理，研究成果有助于进一步发展和完善粘弹性颗粒悬浮体系等含颗粒流体在多孔介质中的渗流理论。