📝 摘要
近年来，注水过程中改变 brine 组成的影响引起了越来越多的关注。多项低矿化度注水研究表明，在降低矿化度的情况下具有提高石油采收率的潜力。进一步的研究还表明，当低矿化度注水与表面活性剂和聚合物驱结合时，采收率显著提高。这归因于低矿化度和表面活性剂驱替过程中的原油 Mobilization，以及聚合物注入增加的体积波及效率。
在本论文中，研究了低矿化度表面活性剂-聚合物（LSSP）岩心驱替实验的数值模拟。研究中使用 CMG（Computer Modelling Group）的化学模拟器 STARS 进行了模拟。为了确认 STARS 模拟岩心驱替实验的能力，并确定关键参数变化对模拟结果的影响，进行了敏感性和验证研究。随后，对 UniResearch CIPR 进行的 LSSP 岩心驱替实验进行了历史拟合研究。
在历史拟合中，采用依赖于矿化度的油水相对渗透率来模拟低矿化度水驱。这是基于一个假设：注入低矿化度 brine 会在岩心中引起润湿性改变。低矿化度表面活性剂注入则通过启用基于毛管数的插值来模拟。由于在模型中添加第三个插值例程时出现插值问题，低矿化度聚合物溶液仅作为粘度效应进行模拟。
使用所描述的模型，成功地对实验的采油率和差压进行了历史拟合。结果因此证实了STARS能够模拟复杂的岩心驱替过程，如 LSSP 驱替。然而，由于模型仅限于两个插值例程，每个注入序列的物理效应并未得到准确体现。
🖥️ CMG软件应用情况总结
| 项目 | 内容 |
|---|---|
| 所用软件 | CMG STARS（先进过程与热采模拟器） |
| 模型类型 | 一维（1D），等温，三相（水相、油相），多组分（水、Na⁺、Cl⁻、表面活性剂、聚合物、死油）组分模拟器。 |
| 模拟对象 | 对 Berea 砂岩露头岩心 R14 进行的低矿化度表面活性剂-聚合物（LSSP）岩心驱替实验（先合成海水SSW，再低矿化度LS，再低矿化度表面活性剂LSS，再低矿化度聚合物LSP，最后低矿化度驱替液）。 |
| 应用方式 | • 敏感性分析：研究 Corey 参数（n_o, n_w, krw(Sor), Sor）、数值/物理弥散、粘度、界面张力/毛管数、吸附对模拟结果的影响。 • 历史拟合：使用 STARS 匹配实验的采油率和差压，确定岩心润湿性和 LSSP 工艺参数。 • 模型校准：通过历史拟合确定各注入阶段（SSW, LS, LSS, LSP）的相对渗透率曲线、毛管数插值参数、表面活性剂/聚合物粘度、吸附等。 |
| 网格与模型 | • 网格：1D 模型，100×1×1 网格（经数值弥散敏感性分析优化，100个网格可最小化数值弥散）。 • 尺寸：单个网格 dx=0.056-0.1502 cm，岩心总长14.83 cm，直径3.79 cm。 • 孔隙度：22.19% • 绝对渗透率：525 mD |
| 流体与注入参数 | • SSW 注入：Na⁺ 浓度 1.159 wt% (~11590 ppm)，粘度 0.5 cP • LS 注入：Na⁺ 浓度 0.155 wt% (~1550 ppm)，粘度 0.5 cP • LSS 注入：表面活性剂 “Recolas 18” (MW=426)，注入摩尔分数 0.000427，IFT 30→0.02 mN/m • LSP 注入：聚合物 HPAM3230S (MW=6,000,000)，注入摩尔分数 4.51e-9，粘度 5.7 cP（历史拟合确定） • 油相：Brage 库存油，粘度 3.0 cP • 注入速率：0.1 cm³/min（恒定） |
| 插值方案 | 使用双插值例程（两个 rock types）： • Rock Type 2：基于 Na⁺ 浓度（DTRAPW）在 SSW 和 LS 之间插值相对渗透率（模拟低矿化度导致的润湿性改变）。 • Rock Type 1：基于 log₁₀(N_c)（DTRAPW）在 SSW 和 LSS 之间插值相对渗透率（模拟表面活性剂降低 IFT，提高 N_c， Mobilize 残余油）。 • 聚合物：仅作为粘度效应建模，使用 VSMIX 和 SHEARTAB，不进行相对渗透率插值。 |
| 研究参数 | Corey 参数（n_o, n_w, krw(Sor), Sor）、弥散系数（物理/数值）、表面活性剂/聚合物粘度、界面张力（IFT）、毛管数（N_c）、表面活性剂/聚合物吸附（Langmuir）、不可及孔隙体积（IPV） |
| 模拟时长 | 历史匹配总时长：5154 分钟（约 3.6 天，对应约 13.9 PV 注入） |
文中明确指出：
“In this thesis, the reservoir simulator STARS by CMG (Computer Modelling Group) was used to simulate low salinity surfactant polymer (LSSP) flooding.” （第4章）
“The simulation of the single fracture- matrix system … was performed using CMG STARS.” （致谢部分）
🧪 模拟方案与主要结果
1. 敏感性分析（第6章）
| 参数 | 变化趋势 | 对模拟结果的影响 |
|---|---|---|
| n_o（油相对渗透率指数） | ↑ | 油相渗透率↓，累产油↓，见水↑，差压↑ |
| n_w（水相对渗透率指数） | ↑ | 水相渗透率↓，累产油↑，见水↓，差压↑ |
| krw(Sor)（残余油下水的端点渗透率） | ↑ | 水相渗透率↑，累产油↓，见水↑，差压↓ |
| Sor（残余油饱和度） | ↑ | 水相渗透率↑，油相渗透率↓，累产油↓，差压↓ |
| 弥散 | ↑ | 混合区扩大，注入水与原生水混合更充分 |
| 毛管数 (N_c) | ↑ | IFT ↓，残余油饱和度↓（通过 CDC 曲线） |
2. 润湿性评价（SSW 驱替，第7.1.1节）
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通过比较不同润湿性条件下的模拟结果与实验数据，发现 R14 岩心在 SSW 注入期间为中间润湿（intermediate wet）。
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中间润湿的累产油和差压曲线与实验值吻合最好（图7.5-7.6）。
3. 低矿化度水驱（LS）历史拟合（第7.2节）
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与 SSW 相比，LS 驱替的相对渗透率曲线发生改变：krw(Sor) 从 0.025 增至 0.034，表明润湿性向更油湿方向移动（图7.10）。
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LS 注入导致差压下降（图7.12），并观察到采油率略有增加（图7.11）。
4. 低矿化度表面活性剂-聚合物（LSSP）历史拟合（第7.5节）
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多级插值方案：成功实现 SSW/LS（基于盐度）和 SSW/LSS（基于 log N_c）的双插值（图4.3）。
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聚合物处理：由于 STARS 限制，聚合物仅作为粘度效应（5.7 cP），未使用单独相对渗透率曲线。
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LSS 曲线调整：通过降低 LSS 曲线的 n_o（4.9→3.3），显著提高油相渗透率，模拟表面活性剂 Mobilize 残余油（图7.31）。
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延长 LS 曲线：为匹配后期驱替液的低差压，将延长 LS 曲线的 krw(Sor) 从 0.034 大幅提升至 1.0（图7.17）。
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历史拟合效果：
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采油率：模拟与实验吻合良好，准确捕捉了表面活性剂-聚合物注入后约 8 PV 开始的显著增产（图7.32）。
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差压：在 LSS 和 LSP 注入期间匹配良好，但模拟未能匹配驱替液注入后的压力急剧下降（图7.33），归因于 1D 模型无法模拟粘性指进。
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✅ 主要结论
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STARS 能力验证：CMG STARS 能够模拟复杂的低矿化度表面活性剂-聚合物（LSSP）岩心驱替实验，包括基于盐度和毛管数的多级相对渗透率插值。
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润湿性改变：低矿化度水驱导致了润湿性改变（向更油湿方向），这通过盐度依赖的相对渗透率曲线得到成功表征。
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双插值方案可行：使用两个 rock types 分别处理盐度插值和毛管数插值的方案是可行的，实现了 SSW、LS 和 LSS 三阶段相对渗透率的连续变化。
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聚合物建模局限：由于缺乏第三插值例程，聚合物仅作为粘度效应处理，其改善波及效率的物理机制未得到充分体现。这是 LSSP 模拟的主要局限。
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差压匹配挑战：1D 模型无法模拟驱替液注入后的粘性指进和优势通道形成，导致后期差压匹配存在偏差。
🏛️ 作者及单位信息
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作者: Sivert Mordal Nerbøvik
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单位: 卑尔根大学（University of Bergen），化学系，综合石油研究中心（CIPR）
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导师: Arne Skauge 教授
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学位: 硕士（Master of Science in Reservoir Chemistry）
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提交日期: 2018年11月
致谢：
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感谢导师 Arne Skauge 的指导。
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感谢 UniResearch CIPR 提供研究机会和良好的工作条件。
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感谢 CMG（Computer Modelling Group）提供 STARS 模拟器。
💡 补充说明
该论文是化学驱数值模拟领域的典型应用研究，系统展示了如何利用 CMG STARS 进行复杂 LSSP 岩心驱替实验的历史拟合。研究的核心价值在于：
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方法学：详细阐述了低矿化度水驱（盐度依赖相对渗透率）和表面活性剂驱（毛管数依赖相对渗透率）的双插值建模方法，这对类似 EOR 工艺的模拟具有重要参考意义。
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局限性识别：明确指出了 STARS 在模拟多级化学驱（需要三个及以上的插值例程）时的局限性，为软件功能改进和后续研究（如增加聚合物相对渗透率插值）提供了方向。
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工程应用：通过历史拟合确定了 LSSP 工艺的关键参数（相渗曲线端点值、指数、聚合物粘度等），为现场应用提供了设计依据。