【正文】 汽驅(qū)油（ EPSD），要在油層中打一組豎井：其中一些井只用作電極，而有些井起雙重作用 — 或是電極／蒸汽注人井，或用作電極／采油井。電極在電流頻率下激勵，而地層則為井間電阻加熱層。電極可裝在井底，或完井時使下部套管起電極的作用。該技術(shù)的關(guān)鍵是要控制電力消耗速度 ，使孔隙水不蒸發(fā)，從而使地層中的電流通道能維持下去。溫度升高后，瀝青或重質(zhì)油粘度會降低，從而可用蒸汽進(jìn)行驅(qū)動 (或隨即注人熱水和蒸汽 )。驅(qū)動流體可帶入相當(dāng)多的額外熱能，進(jìn)一步加熱油砂層。所以，電能只滿足整個驅(qū)油能量的一部分要求。 加拿大 Athabasca 地區(qū)利用 EPSD 技術(shù)開采油砂所用電極組合情況如圖 2－ 1－ 1－ 4 6 和圖 2－ 1－ 1－ 5 所示。這是反七點(diǎn)井網(wǎng)布置的情況。備用井排用 60 赫以圖示極組進(jìn)行激勵。標(biāo)“高”的電極井鉆入一般油砂層內(nèi)，標(biāo)“低”的電極井則鉆入油砂層下的巖層中。電流以圖 2－ 1－ 1－ 5 所示方式 強(qiáng)制流經(jīng)產(chǎn)層底部的富油砂層。油砂層下的頁巖層和一般油砂層的導(dǎo)電性比富油砂層大許多，因而可使富油砂層中的電流分布更加均勻。電流沿油井套管而傳至電極，因?yàn)樘坠芘c其周圍巖層是電絕緣的?！案摺彪姌O的套管絕緣可以取掉，而使套管直接接地，這樣會使成本大大降低且對富油砂層內(nèi)的溫度影響不大。電極用地面循環(huán)入井的鹽水冷卻，這可保證井身附近的溫度不超過地下蒸氣溫度。用以上方案布井進(jìn)行數(shù)值摸擬的結(jié)果表明 [9]：每口井以 400 安電流預(yù)熱 18 個月后，兩鄰近井排中間的富油砂層溫度可從 15℃升高到 50℃。 圖 2－ 1－ 1－ 4 EPSD法中可能有的面積布井情況 圖 2－ 1－ 1－ 5 用于 EPSD采油法的交錯式電極布置方案 1－絕緣套管； 2－電流； 3－電極 7 七．渦流電加熱 早在 1929 年文獻(xiàn) [10]中就提出使用激勵線圈感應(yīng)產(chǎn)生渦流來處理采出的烴類。隨后， 1976 年 [11]切蒙特利爾 (Montrea1)的 F． T． Fisher’ s Sons 有限公司又提出一系列建議，宣揚(yáng)渦流電的優(yōu)點(diǎn)。該公司設(shè)想了由鉆入油層的豎井和隧道組成的網(wǎng)絡(luò)，下入銅鎧裝的鋼管，埋進(jìn)鹽水飽和的碎礫石中。這些導(dǎo)管柱彼此相連形成一個管圈，圍繞在油層的大部分周圍。用 60Hz 電力激勵時，管圈產(chǎn)生的磁場便感應(yīng)出渦流電流，在油層內(nèi)閉路中循環(huán)流動，從而加熱地層。然而， Vermeulen 與 Chute[11]對埋入有損耗介質(zhì)的此 圖 2－ 1－ 1－ 6 帶絕緣供電線的非絕緣埋入式線圈形式 (a) 串聯(lián)環(huán)路； (b)Fisher式并聯(lián)雙環(huán)環(huán)路； (c)并聯(lián)單環(huán)路； (d)串聯(lián)環(huán)路組成的環(huán)形回路（虛線為加熱最強(qiáng)的區(qū)域） 類感應(yīng)圈的分析研究與實(shí)驗(yàn)研究表明：該過程中渦流加熱是微不足道的。而且，電流容易從環(huán)路的高電壓端直接流向低電壓端，結(jié)果只加熱此路線。其有效加熱區(qū)如圖 2－ 1－1－ 6 所示。請注意，只有串 聯(lián)的空間環(huán)路 (圖 2－ 1－ 1－ 6a)才可以真正加熱導(dǎo)體系統(tǒng)所包圍的地層。雖然此種加熱可能有效，然而當(dāng)對此方法與其他電熱法進(jìn)行比較時，必須考慮到要實(shí)施上述方案所打通的豎井與隧道的費(fèi)用是很大的。 總之，電熱油藏方法與其它熱力采油方法相比，設(shè)備相對簡單，不受井深限制，直接對油層內(nèi)部加熱，可以用于滲透率較低、油藏過深、儲層含有膨脹粘土、寒冷氣候地帶、孤立井位、薄層等蒸汽熱采不宜應(yīng)用的區(qū)域。電加熱采油技術(shù)可以利用電導(dǎo)率大的地質(zhì)夾層或含水層，把電功率導(dǎo)向加熱區(qū)域，實(shí)施選擇性電加熱。該技術(shù)加熱過程可以和生產(chǎn)過程同步，不需要 周期性關(guān)井，可以方便地控制加熱時間、加熱功率、加熱溫度，因此生產(chǎn)能力控制性強(qiáng)，產(chǎn)能預(yù)測性較好，且生產(chǎn)周期較長。該方法沒有物質(zhì)注入地層，所以不污染和傷害地層。但是由于電加熱設(shè)備工藝復(fù)雜，設(shè)備比較昂貴，并且有些地區(qū)的電能短缺，電價(jià)較貴，所以該工藝還只能作為輔助方法應(yīng)用在其它熱力采油方法不能實(shí)施的油田和電價(jià)便宜的地區(qū)。國外自 1969年以來在電加熱方面做了大量的工作，顯示了良好的工業(yè)應(yīng)用前景。但國內(nèi)外文獻(xiàn)主要研究電熱采油技術(shù)的現(xiàn)場先導(dǎo)性實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬，缺乏對電熱油藏工藝技術(shù)特點(diǎn)和油藏地質(zhì)條件的研究，缺乏對油層中電流 場、溫度場、滲流場三者之間相互依賴、相互約束的規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)的研究。缺乏對電流場在油藏加熱過程中所引起的物理化學(xué)現(xiàn)象及其對滲流規(guī)律影響的研究。國外研究中缺少物理模擬和數(shù)學(xué)模擬的對比性研究。 8 167。 1－ 2 電熱采油數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀 電加熱采油的數(shù)學(xué)模擬方法是利用數(shù)值模擬技術(shù)研究電加熱油藏的物理過程以及電熱采油的工藝過程，為電熱采油在油田中的實(shí)施提供科學(xué)的依據(jù)。自從 1969 年，提出電熱采油的方案以來，電熱采的數(shù)值模擬也隨之發(fā)展起來。 該種方法的發(fā)展是將工程電磁場的數(shù)值模擬方法和常規(guī)熱采的數(shù)值模擬方法相結(jié)合而共 同發(fā)展的。下面對一些比較成熟的電熱采數(shù)值模型進(jìn)行介紹和分析。 1978 年，美國 ARCO 公司的 Todd 和 Howell?12?發(fā)表了關(guān)于 RZ 電熱模型的論文，RZEM 是油層模擬程序，可用于模擬電預(yù)熱油層和油層流體產(chǎn)量的情況。該模型中， Todd處理的是徑向問題，即假定流體只沿徑向流動。此時徑向電阻 hrrR we??2ln? （ 2－ 1－ 2－ 1） 其中 ?是電阻率 re是網(wǎng)格塊外徑， rw 是網(wǎng)格塊內(nèi)徑， h 是網(wǎng)格塊 厚度。由此計(jì)算出每個網(wǎng)格塊的電阻值，根據(jù)基爾霍夫定律，就可求出電流場的差分模型。然后利用 Liebeman外推法進(jìn)行求解，壓力和溫度的求解也是類似的方法。 對流速場和溫度場， Todd 等人考慮了由于壓力梯度而引起的流體流動 ,并用溫度來修正了電導(dǎo)率和流動方程中的粘度，并且該模型還應(yīng)用控制電壓的方法來控制溫度，以防止溫度過高而使地層水汽化。該模型還發(fā)展到三維，三維模型的離散網(wǎng)格塊比二維模型的大，所以它給出井附近的加熱數(shù)據(jù)比較粗糙。但是電流分布和流體的注入量（用以冷卻井身）是三維模型的輸入，可以彌補(bǔ)三維模型對 井身附近分辨率的不足。三維模型能模擬三相激勵電極的情況。二維中，電壓、滲流壓力和溫度的求解用 Liebmen 外推法，三維中壓力的求解是用高斯消去法，電壓和溫度仍用 Liebmen 外推法。 RZEM 可與 Interp 公司的蒸汽模型聯(lián)用，有助于研究地層流體的熱膨脹及產(chǎn)量、電極井冷卻劑流入地層的現(xiàn)象及其對加熱地層速度的影響。 1986 年， Alberta 大學(xué)的 Hiebert?13?提出電預(yù)熱蒸汽驅(qū)的模型，他們利用有限差分法對直角坐標(biāo)系和柱坐標(biāo)系（ r,z）的電流場和熱傳導(dǎo)進(jìn)行了模擬，并編制了 MEGAERA 計(jì)算軟件，提 出的模型如下： 電流場： 01 ??????? ??? ?R （ 2－ 1－ 2－ 2） 電加熱功率密度 : ???????? ????????????????? yxRJRQ ??????222 1? （ 2－ 1－ 2－ 3） 熱傳導(dǎo)方程：由于只研究電預(yù)熱情況下地層的溫度分布，沒有流體的流動，只考慮熱傳導(dǎo)，方程如下： 9 ? ? QtTMTk h ????? ?? （ 2－ 1－ 2－ 4） 該模型可模擬恒電壓、恒功率、恒電流情況下，五點(diǎn)井網(wǎng)、七點(diǎn)井網(wǎng)加熱時，多層地層的溫度分布。并且該模型在任何時候都可暫停，在輸入新的邊界條件、加熱速度和地層性質(zhì)后，重新啟動，所以可處理注鹽水加熱（井眼溫度下降，電阻率降低）、電極放電等現(xiàn)象。 1986 年，美國 ARCO 公司的 Killough 和 Bonzales?14?研制成一種全隱式、有限差分、三維數(shù)值模擬程序 EEOR，能模擬多相電加熱和流體流動。 EEOR 把地層電阻率視為溫度、水飽和度和含鹽度的函數(shù)。并可模擬油層內(nèi)鹽濃度的變動 情況，可使用曲線坐標(biāo)、徑向坐標(biāo)或笛卡爾坐標(biāo)。并且可處理水平電極和傳導(dǎo)性裂縫。 數(shù)學(xué)模型如下： 相組分方程： ? ? qzPPkxxSttv ij jcjjrjijjpj ijjjN ?? ???????? ??????????????? ?? ?? 3 11 ?????? （ 2－ 1－ 2－ 5） i=1,2? ? Nc 能量平衡方程： ? ? ? ?? ? ? ? QTzPPkHTTMUSttvEHLHcj jcjjrjjjpjcfijjjN??????????????? ????????????? ? ???????????????3111 （ 2－ 1－ 2－ 6） 電流平衡方程： ? ? qE ee ???? ?0 （直流電） （ 2－ 1－ 2－ 7） ? ? qE eRRe ???? ?0 (電壓實(shí)部 ) （ 2－ 1－ 2－ 8） ? ? qE eIIe ???? ?0 （電壓虛部） （ 2－ 1－ 2－ 9） 電加熱功率密度 ? ? ? ?? ?222 EEEQ IReeE ?????? ?? （ 2－ 1－ 2－ 10） 對電導(dǎo)率 ?e 進(jìn)行的是全隱式處理 ,對能量守恒方程中的 QE 項(xiàng)也進(jìn)行了全隱式處理，最后的代數(shù)方程的求解用的是高斯消去 法。這比以前的模型與模型解法都有了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)步，但是他們的文章沒有告訴能否用不同尺寸的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)以解決電學(xué)問題和流體流動問題。也沒有告訴是否可以模擬各向異性的電導(dǎo)率情況。并且 EEOR 的有效性是通過數(shù)值結(jié)果與分析數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比而判斷的。 1986 年，加拿大 Alberta 大學(xué)應(yīng)用電磁實(shí)驗(yàn)室的 Hiebert?15?所編寫的 EPEIOS 是電阻加熱和熱傳導(dǎo)方程的三維有限差分解計(jì)算軟件。 EPEIOS 中的問題域被分為不同尺寸的矩形網(wǎng)格，每個網(wǎng)格可以賦予合適的電性質(zhì)和合適的熱性質(zhì)。電導(dǎo)率在三維內(nèi)可以是各向異性，其隨溫度 的變化情況可用逐段線性函數(shù)或三階三項(xiàng)式的性質(zhì)來指定。可用多個 10 電極進(jìn)行多相激勵，可以為恒電壓、恒功率和恒電流。電極可以冷卻，井身電阻可以指定。 電流連續(xù)性方程為： ? ? 0???? ??e （ 2－ 1－ 2－ 11） 在塊中心網(wǎng)格系統(tǒng)下，利用七點(diǎn)差分法，可以將該方程表示成有限差分方程，該方程可以運(yùn)用逐點(diǎn)超松弛方法求解，并可自動選擇松弛參數(shù)。 該差分方法也被用于熱傳導(dǎo)方程，得出的有限差分方程用 DouglusRachford 交變方向隱含法求解，其中每個時間步長中使用的是時間步長起始時的電導(dǎo)率和加熱功率密度。經(jīng)驗(yàn)證， EPEIOS 的數(shù)值解與解析解極其相符。 EPEIOS 不能模擬流體流動和流體膨脹的情況，但 Hiebert 在 1989 年研制的另一個模擬軟件 TCTM－ EPEIOS[16]卻補(bǔ)償了這一不足。該模擬軟件是將 Alberta 研究院的雙組分熱模型 TCTM 和 EPEIOS 加隱含地耦合而成。 TCTM 是一種高度隱含的有限差分模型，它可以解出帶有蒸汽和不揮發(fā)油分的三相流體流動的質(zhì)量守恒方程和能量方程。二者耦合后， TCTM 解出質(zhì)量守恒和包括熱傳導(dǎo)的能量守恒方程就把每個網(wǎng)格塊的溫度、水飽和度和孔隙度傳給 EPEIOS， EPEIOS 用這些數(shù)據(jù)以及束縛水的電導(dǎo)率通過 Archie 定律和一溫度函數(shù)即可計(jì)算出地層電導(dǎo)率。然后計(jì)算出電加熱功率密度，并將計(jì)算值輸回 TCTM作為能量守恒方程中的一個源項(xiàng)。 TCTM－ EPRIOS 能夠模擬流體產(chǎn)量和電極附近高溫區(qū)內(nèi)水汽的損耗，但不能模擬油層中的鹽分濃度改變的情況。 電加熱功率密度的計(jì)算值與電勢空間微分的平方有關(guān)，所以它對有限網(wǎng)格塊數(shù)所造成的空間截?cái)嗾`差比對流體流量的計(jì)算值更為敏感。 TCTM－ EPEIOS可優(yōu)選網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗山邮鼙冉饬黧w流動方程更細(xì)的的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，如解電學(xué)方程所用網(wǎng)格。 TCTM－ EPEIOS 的數(shù)學(xué)模型如下：電勢方程如 EPEIOS，但電導(dǎo)率不再僅是溫度的函數(shù)，而是孔隙度、水飽和度和溫度的函數(shù)，通過 Archie 定律進(jìn)行修正： 2Sww??? ? （ 2－ 1－ 2－ 12） 質(zhì)量守恒方程為： 對油組分有： ? ? ? ? qzPkkSt ooooorooo ??????? ?????? ??????? （ 2－ 1－ 2－ 13） 對水組分有： ? ? ? ?? ? qqzPPkkzPPkkSStgwgc googgrgwc w oowwroggww?????????? ?????????????? ??????????????????