关键词:页岩油,提高采收率,CO2封存,分子动力学,lammps
摘要:应用CO2提高致密油采收率具有巨大的发展潜力,目前已经成为致密油藏开发领域的研究热点。近年来,分子模拟方法在探究纳米尺度下分子间相互作用方面展现出巨大的技术优势。因此,本文采用分子动力学模拟方法,研究体相及纳米孔隙中CO2/原油的混相机理,以及纳米孔隙中CO2驱替原油的作用规律:另外,根据现场应用时CO2的注采工艺特点,分别开展了CO2加压驱替以及降压抽提原油时的混相行为研究:最后,根据气驱的基本特点,提出并分析了CO2/N2段塞驱提高致密油采收率的方法与微观机理。
整个分子动力学过程通过Lammps实现,其中部分壁面需要在MS中进行调整。全部流程如下:
1,建立壁面模型(干酪根,石墨烯,二氧化硅,蒙脱石,高岭石,伊利石,方解石等);建立原油组分分子结构;建立注入气(CO2, CH4, N2)的分子结构;
2,赋予干酪根CVFF力场,粘土矿物ClayFF力场,CO2, N2分别用fix rigid设为刚体,CH4用联合原子力场,原油组分用OPLS力场。
3,利用in文件将壁面,油,CO2气体,板子等组合成data文件。
4,进行能量最小化,设置平板移动速度进行分子动力学模拟。
首先设置一个初始尺寸较大的模拟盒子,大小为22×5.2×10 nm3,将24个干酪根分子(如图1所示)均匀排列至模拟盒子内。体系设置为NVT系综,初始温度设置为330 K,最高温度设置为900 K,经过一系列的退火模拟使干酪根结构趋于稳定,体系达到平衡。接着,在体系的z方向顶部和底部分别设置LJ势能壁,该壁面对于干酪根仅保留排斥作用,以减少对于干酪根结构的影响。固定下壁面静止不动,使上壁面垂直向下缓慢移动,对团状干酪根进行纵向压缩,逐渐移动至z = 1.5 nm时停止运动。在x方向再进行同样的操作,固定干酪根z方向壁面,在体系的x方向左右两侧设置LJ势能壁,固定左侧壁面,使右壁面向左缓慢移动,对干酪根进行横向压缩。当右壁面移动至x=15 nm时壁面固定不动。最终,在330 K温度下继续模拟500 ps,得到的干酪根结构基本稳定,最终构型如图2所示。整个块状的干酪根尺寸约为15×5.2×1.5 nm3。计算该模拟干酪根的密度为1.19 g/cm3,符合Ⅱ型干酪根的实验值密度范围(1.18 - 1.35 g/cm3)。
图1 干酪根结构单元
图2 利用NEMD方法制作干酪根基质
通过所得干酪根建立5 nm宽的狭缝孔。在干酪根左侧添加CO2,盒子尺寸为9.15×5.2×8 nm3,按照330 K,30 MPa温度压力条件填充CO2分子数量。在干酪根孔隙内填充一定量的页岩油分子,比例为甲烷(8wt.%)、正辛烷(42wt.%)以及正二十烷(50wt.%)。右侧设置真空层,以避免横向周期性边界的影响。在模拟驱替之前,首先在NVT系综下对于孔隙内烷烃进行1 ns平衡模拟,模拟真实储层孔隙内烷烃吸附的效果。在CO2流体的左侧放置一块压力板,对该板设置驱替速度,以驱动狭缝孔内流体向右前方运动。系统温度始终保持330 K,时间步长设置为1 fs。每1000步记录数。有机孔隙模型如图4.3所示,甲烷、辛烷、二十烷以及CO2分子颜色分别标记为黄、红、蓝和粉色。
图3 油气相作用体系的初始构型
有机质孔隙内驱替过程如图4所示,CO2流体随着压力板的推动进入孔隙后驱使页岩油分子向前移动,但驱替效果并不理想。可以观察到壁面仍吸附有大量的烷烃分子。这层附着在壁面的油膜分布甚广,即从孔隙入口段就铺展开直至孔隙出口端。图5展示了有机孔隙内甲烷与二十烷在x方向的密度分布。辛烷的密度峰值随驱替时间推移下降明显,在2 ns时辛烷吸附峰值仅为0.16 g/cm3,而四种无机孔隙内峰值分布在0.18 - 0.30 g/cm3。且辛烷的运移距离均小于四种无机孔隙内的表现,未到达孔隙出口端。二十烷密度变化形态与方解石孔相似,驱替距离较短且表面剩余油较多。
图4 驱替过程中有机孔隙内的模拟快照
图5 不同时间下(a)烷烃在有机孔隙内X方向密度分布;
(b)烷烃在X方向运移距离
计算烷烃质心在x方向的变化值,可以代表一类烷烃流体的运移距离,在相同时间内流体较长的运移距离也代表着孔隙内CO2对该流体产生较大的驱替速度。干酪根孔隙内辛烷和二十烷的运移距离最短,而四种无机孔隙内烷烃运移距离表现为:蒙脱石>长石>石英>方解石。通过上述分析可得,在有机孔隙内CO2对于烷烃的驱替效果明显弱于无机孔隙。
计算体系内相互作用能,研究烷烃-CO2与烷烃–壁面之间的能量差,表示体系内CO2对于烷烃驱替能力的强弱。计算结果如图5所示。随着驱替速度增加,曲线基本上呈下降趋势。对于长石和方解石孔隙,该值始终为负值。说明尽管CO2驱替能力会随速度增长而有所下降,但仍可以保持在一个较好的驱替效果。而在干酪根孔隙内,仅有驱替速度为2 m/s时满足条件。因此,对于干酪根孔隙而言,驱替速度的大小对于CO2驱替行为具有重要影响。
图5 不同驱替速度下(a)体系内相互作用能与(b)烷烃在X方向运移距离