📝 摘要
表面活性剂驱是一种成熟的提高采收率（EOR）技术，用于动用油藏中残余的 trapped 油。其机理是通过降低油与 brine 之间的界面张力来改变流体/流体相互作用，并通过改变多孔介质的润湿性来改变流体/岩石性质。本研究主要针对苏丹 Bentiu 油藏，研究连续表面活性剂驱的效果。主要方法是使用 Computer Modelling Group 公司提供的 STARS 软件（CMG-STARS） 进行组分流的数值分析。研究还提出了一种适用于连续驱的新型表面活性剂（Aerosol-OT），并评估了其提高采收率的能力，与传统水驱方法进行了比较。此外，为提高准确性，还研究了表面活性剂在典型非均质油藏中的吸附风险。表面活性剂吸附量通过静态批吸附试验（表面张力法）计算。模拟结果表明，新提出的表面活性剂将总采收率提高了约 70%。与传统水驱相比，表面活性剂驱表现出更低的含水率。采收率和含水率的改善表明表面活性剂驱适用于该非均质油藏。
🖥️ CMG软件应用情况总结
| 项目 | 内容 |
|---|---|
| 所用软件 | • CMG STARS：热采及高级过程模拟器，用于组分流的数值分析，模拟连续表面活性剂驱和水驱过程，处理流体相态、组分输运、表面活性剂吸附等物理化学过程（论文第92页，第2.2节）。 • CMG Builder：用于模型初始化、流体物性匹配和相对渗透率曲线生成（隐含使用）。 |
| 模型类型 | 三维黑油/组分模型，基于实际油田数据建立的岩心尺度模型（11个网格块，图2），用于研究连续表面活性剂驱的采收率和含水率。 |
| 模拟对象 | 苏丹 Heglig 油田 Bentiu 组砂岩油藏（非均质，含伊利石、高岭石、绿泥石等粘土矿物），模拟水驱和连续 Aerosol-OT 表面活性剂驱。 |
| 应用方式 | • 模型初始化：使用 Builder 初始化模型，输入实际油田的 PVT 数据（表1）、XRD 数据（表2）、岩石物理数据（表3），建立油藏模型（图2-4）。 • 相对渗透率匹配：生成并匹配油-水相对渗透率曲线（图5）。 • 流体物性匹配：匹配油粘度（图6）和水粘度（图7）与数值相关性。 • 水驱基准模拟：模拟连续水驱作为基准案例（Do-Nothing case），评估采收率和含水率（图8）。 • 连续表面活性剂驱模拟：模拟连续 Aerosol-OT 表面活性剂注入（初始浓度 0.09 mol 分数），评估采收率改善效果和含水率变化（图9）。 • 吸附模拟：将实验测得的静态吸附数据直接输入 STARS，替代默认的 Langmuir 等温吸附模型，更准确地模拟表面活性剂在非均质储层中的吸附损失（图11）。 |
| 基础模型参数 | • 网格：11 个网格块 • 顶深：1615.0 m • 储层厚度：0.033375 m（模型） • 孔隙度：0.25 • 渗透率：655 mD（各向同性假设） • API 重度：29° • 油粘度：19 cP • 地层水盐度：1087 ppm • 油藏温度：167°F • 底孔压力：47 psi • 净毛比：0.87 • 初始含水饱和度：0.16 |
| 模拟方案 | • 方案一（水驱基准）：连续注水，模拟至经济极限（含水率 97%），评估采收率 • 方案二（连续表面活性剂驱）：连续注入 Aerosol-OT 表面活性剂溶液，初始浓度 0.09 mol 分数，无后续驱替水 |
| 主要结论 | • 采收率显著提高：水驱采收率仅为 33%（96 分钟，图8），而连续表面活性剂驱采收率达 71%（500 分钟，图9），提高了 42 个百分点。 • 含水率显著降低：水驱含水率高达 95%（图8），而表面活性剂驱含水率降至 70%（图9）。 • 表面活性剂吸附影响：Aerosol-OT 在 Bentiu 储层岩石上的吸附量为 2.8 g/kg（CMC 点），高于砂岩表面，主要归因于粘土矿物含量（高岭石 81.8%）和高分子量。吸附在注入井附近最显著（图11），注入 4 PV 后可忽略。 • CMG STARS 的适用性：STARS 能够有效模拟表面活性剂驱中的组分输运、相对渗透率变化、吸附等过程，是化学 EOR 工艺优化和方案对比的有力工具。 |
文中明确指出（Case142.pdf）：
“The main method used in this study is numerical analysis of compositional flow using STARS software provided by the Computer Modelling Group Company (CMG-STARS).” （第91页，Abstract部分）
“CMG-STARS software was used to study the water flood and surfactant flood in this study. STARS was highly endorsed for all type of cores and it is valuable in matching the results in both experimental and numerical tests.” （第93页，第2.2节）
“STARS generates fluid component data using Builder correlation to modify unwanted data for up-scaling with high efficiency of running time.” （第93页，第2.2节）
🧪 模拟方案与主要结果
1. 实验与模型初始化（第2.1节、第3.2节，表1-5，图2-7）
实验方法：静态批吸附试验（表面张力法 + UV-vis 光谱验证）。
| 参数 | 值 | 参数 | 值 |
|---|---|---|---|
| 表面活性剂 | Aerosol-OT (C₂₀H₃₇NaO₇S) | CMC 吸附量 | 2.8 g/kg |
| 分子量 | 444.55 g/mol | 纯度 | 96% |
| 核心矿物 | 高岭石 81.8%, 绿泥石 8.3%, 伊利石 3.1% | 试验重复次数 | 5 次 |
| 模型网格 | 11 块 | 模拟时长 | 96-500 分钟 |
模型初始化结果（图5-7）：
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相对渗透率曲线匹配成功（图5）
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油粘度（19 cP）与数值相关性匹配成功（图6）
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水粘度匹配成功（图7）
2. 水驱基准模拟（第3.3节，图8）
| 模拟参数 | 值 | 关键现象 |
|---|---|---|
| 注入流体 | 水（brine） | 油饱和度初始分布：图3 |
| 模拟时长 | 96 分钟 | 水饱和度初始分布：图4 |
| 采收率 | 33% | 含水率：95%（接近经济极限 97%） |
| 结论 | 水驱维持压力但水产量高，需要 EOR 技术提高 trapped 油产量 |
3. 连续表面活性剂驱模拟（第3.3节，图9-11）
注入方案：连续注入 Aerosol-OT 表面活性剂溶液（初始浓度 0.09 mol 分数），无后续驱替水。
| 时间 | 注入 PV | 采收率 | 含水率 | 关键现象 |
|---|---|---|---|---|
| 0.0669 天（96 分钟） | 4 PV | 42% | ~20% | 早期快速产油 |
| 0.11 天（158 分钟） | ~6 PV | – | 70% | 含水率稳定后升高 |
| 0.345 天（500 分钟） | ~15 PV | 71% | ~70% | 最高采收率 |
关键结论：
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采收率：71%（水驱 33%），提高 42 个百分点
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含水率：从水驱的 95% 降至 70%
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残余油饱和度：降至 0.1-0.3（图10）
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吸附分布：注入井附近吸附最显著（图11），4 PV 后可忽略
✅ 主要结论
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表面活性剂驱显著优于水驱：水驱采收率仅为 33%，而连续 Aerosol-OT 表面活性剂驱采收率达 71%，提高了 42 个百分点。
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含水率显著降低：水驱含水率高达 95%（接近经济极限 97%），表面活性剂驱含水率降至 70%，表明表面活性剂有效地动员了残余油，减少了水的通道。
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表面活性剂吸附的影响：
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Aerosol-OT 在 Bentiu 储层岩石上的吸附量为 2.8 g/kg（CMC 点），高于砂岩表面，主要归因于高岭石（81.8%）等粘土矿物含量和高分子量。
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吸附主要集中在注入井附近，注入 4 PV 后吸附可忽略。
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创新点：将实验测得的静态吸附数据直接输入 STARS，替代默认的 Langmuir 等温吸附模型，提高了模拟的准确性。
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Aerosol-OT 的适用性：Aerosol-OT 是一种双链阴离子表面活性剂，在低浓度下即可有效降低界面张力，在非均质 Bentiu 储层中表现出良好的 EOR 潜力。
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CMG 软件的适用性：CMG STARS 能够有效模拟表面活性剂驱中的组分输运、相对渗透率变化、吸附等复杂过程，是化学 EOR 工艺优化和方案对比的有力工具。STARS 的 Builder 模块能够高效生成流体组分数据，并进行物性匹配。
🏛️ 作者及单位信息
| 作者 | 单位 |
|---|---|
| Azza Hashim Abbas | 马来西亚理工大学（Universiti Teknologi Malaysia），化学与能源工程学院，石油工程系 |
| Wan Rosli Wan Sulaiman | 马来西亚理工大学，化学与能源工程学院，石油工程系 |
| Mohd Zaidi Jaafar | 马来西亚理工大学，化学与能源工程学院，石油工程系 |
| Afeez Olayinka Gbadamosi | 马来西亚理工大学，化学与能源工程学院，石油工程系 |
| Shirin Shafiei Ebrahimi | 马来西亚理工大学，教育学院 |
| Ahmed Elrufai | 喀土穆大学（University of Khartoum），石油工程系 |
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期刊：Journal of King Saud University – Engineering Sciences
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卷/期/页：Vol. 32, pp. 91-99
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DOI：10.1016/j.jksues.2018.06.001
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出版年份：2020 年（在线：2018 年 6 月 6 日）
💡 补充说明
该论文是一项关于连续表面活性剂驱油数值模拟的应用研究，核心创新点在于：
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新表面活性剂的评估：首次系统评估了 Aerosol-OT（双链阴离子表面活性剂）在苏丹 Bentiu 储层中的连续驱油性能。该表面活性剂在低浓度下即可有效降低界面张力，在非均质储层中表现出良好的 EOR 潜力。
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实验吸附数据与模拟的直接耦合：通过静态批吸附试验测定了 Aerosol-OT 在储层岩石上的实际吸附量（2.8 g/kg），并将其直接输入 STARS 模拟，替代默认的 Langmuir 等温吸附模型。这种做法避免了使用通用相关性可能导致的低估或高估问题，提高了模拟的准确性。
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连续注入策略的评估：与传统的表面活性剂段塞注入不同，本研究评估了连续表面活性剂注入策略（无后续驱替水），发现连续注入可达到 71% 的采收率，显著优于水驱（33%）。
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非均质性对吸附的影响：考虑了 Bentiu 储层的高粘土含量（高岭石 81.8%）对表面活性剂吸附的影响，发现吸附量高于纯砂岩表面，并指出吸附主要集中在注入井附近，对长期注入的影响有限（4 PV 后可忽略）。
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水驱与表面活性剂驱的系统对比：在同一模型中对水驱和表面活性剂驱进行了系统对比，包括采收率、含水率、油饱和度变化等，定量证明了表面活性剂驱在提高采收率和降低含水率方面的优势。
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CMG STARS 的完整工作流：从 Builder 模型初始化、流体物性匹配（粘度、相对渗透率）、到 STARS 连续驱模拟，再到吸附数据的直接输入，完整展示了 STARS 在化学 EOR 研究中的应用。
该研究对从事提高采收率（EOR）、化学驱（表面活性剂驱、聚合物驱）、油藏数值模拟以及非均质储层开发的工程师和科研人员具有重要的参考价值。