稠油油藏凝膠調(diào)驅(qū)提高采收率技術

1、稠油油藏凝膠調(diào)驅(qū)提高采收率技術    摘要:利用建立的可動凝膠體系驅(qū)油滲流數(shù)學模型,描述可動凝膠體系在多孔介質(zhì)的復雜滲流行為。在此基礎上編制數(shù)值模擬軟件,并運用軟件對稠油油藏凝膠調(diào)驅(qū)注入?yún)?shù)進行優(yōu)化方案設計,實施后效果良好。該方法對于陸上常規(guī)稠油油藏采用凝膠調(diào)驅(qū)提高采收率具有重要指導意義。關鍵詞:稠油油藏;凝膠調(diào)驅(qū);數(shù)值模擬;數(shù)學模型;采收率;優(yōu)化 中圖分類號:TE312文獻標識碼:A 引 言 常規(guī)稠油油藏在長期注水開發(fā)過程中,逐漸出現(xiàn)注水突進快、含水率上升快、采出程度低、采油速度低等問題。近年來,油田進行了注聚合物改善開發(fā)效果的現(xiàn)場試驗,取得了一定成效

2、,但仍表現(xiàn)出聚合物驅(qū)有效時間短,注入聚合物竄流等問題。 凝膠調(diào)驅(qū)是目前改善水驅(qū)效果的重要手段之一。可動凝膠調(diào)驅(qū)具有深部調(diào)剖控制液流轉(zhuǎn)向的作用,通過調(diào)驅(qū)作用可以限制高滲透層的吸水量,啟動或增加低滲透吸水量,提高水驅(qū)波及系數(shù)。本研究在室內(nèi)實驗基礎上,建立可動凝膠調(diào)驅(qū)過程滲流數(shù)學描述及數(shù)值模擬模型,對某稠油油藏凝膠調(diào)驅(qū)參數(shù)進行優(yōu)化設計,以指導調(diào)驅(qū)方案的編制。 1 可動凝膠深部調(diào)驅(qū)數(shù)學模型 可動凝膠調(diào)驅(qū)是在聚合物驅(qū)和堵水調(diào)剖技術基礎上發(fā)展起來的三次采油技術。其滲流特征和驅(qū)油機理與聚合物相比有一定的差異。成膠前黏度隨時間發(fā)生變化,具有觸變性流體的特征:成膠后其黏度基本不再變化,表現(xiàn)出非牛頓流體特性,類似

3、聚合物溶液1-2。對可動凝膠調(diào)驅(qū)過程的數(shù)學描述,需要在聚合物驅(qū)對流擴散滲流模型方程基礎上,結(jié)合非牛頓流體流動理論和滲流力學理論加以完善。 1.1 模型基本假設 考慮可動凝膠調(diào)驅(qū)過程中,水、油、氣和可動凝膠體系等組分間對流擴散、質(zhì)量轉(zhuǎn)換以及組分流體性質(zhì)改變等現(xiàn)狀,假設系統(tǒng)流體為水相、氣相、油相和可動凝膠水溶液相。流體組分包括水、油、氣、聚合物、凝膠劑、穩(wěn)定劑、防竄劑、助劑、水中一價陽離子、水中二價陽離子、總陰離子和示蹤劑等12種組分。其中,水、油、氣組分分配在各相中,聚合物、凝膠體系組分分配在水相中,其他組分均看作示蹤劑,忽略其體積。體系物化參數(shù)包括:凝膠體系流變特性和黏度變化、組分吸附滯留、相

4、對滲透率變化、阻力和殘余阻力系數(shù)的變化等1。 1.2 質(zhì)量守恒方程 各組分質(zhì)量守恒方程為: ?W?i?t?+?(?F?i?+?D?i?)=?Q?i? (?i?=1,2,3,?N?c?)(1) 其中 ?W?i?=?C?i?=?N?P?j=1?js?jC?i?+(1-?)?s?C?i?s?(2) ?F?i?=?N?P?j=1?ju?jC?ij?(3) ?D?i?=-?N?P?j=1?j?s?j?N?Ck=1?Di?kj?grad?C?i?(4) 式中:?W?i?為組分質(zhì)量,g;?t?為時間,s;?F?i?為對流擴散項,g/cm2;?D?i?為分子擴散項,g/cm2;?Q?i?為?i?組分源匯項;?

5、N?c為第?N?個組分;?為孔隙度;?C?i?為?i?組分總質(zhì)量分數(shù);?N?P為相數(shù);?j?為?j?相液相密度,kg/m3;?s?j?為?j?相飽和度;?C?i?為流體相組分質(zhì)量分數(shù);?s為固相密度,kg/m3;?C?is?為固體吸附相質(zhì)量分數(shù);?u?j?為?j?相滲流速度,m/s;?Di?kj?為?j?相中?j?組分與?k?組分間的擴散系數(shù);?N?c為組分數(shù);?C?ij?為?j?相中?i?組分質(zhì)量分數(shù)。 1.3 各相運動方程及物化參數(shù) 運動方程實質(zhì)上為非線性流動,其表達式為: ?u?j?=-?K?K?rj?jR?j?(?p?j?-?j?g?D?)(5) 式中:?u?j?為?j?相速度,m/s

6、;?K?為絕對滲透率,m2;?K?rj?為?j?相的相對滲透率;?j?為?j?相黏度,mPas;?R?j?為?j?相阻力系數(shù);?p?j?為?j?相壓力,Pa;?g?為重力加速度,m/s2;?D?為高度,m。 聚合物溶液與凝膠體系可以控制水相流度,降低水相相對滲透率,采用阻力系數(shù)來描述,表達式為: 第2期單 玲等:稠油油藏凝膠調(diào)驅(qū)提高采收率技術 ?R?k=1.0+(?R?kmax?-1.0)1.0+?c?k?C?p(6) 式中:?R?k為阻力系數(shù);?R?k max?為最大阻力系數(shù);?c?k為方程中的系數(shù);?C?p為體系中聚合物的質(zhì)量濃度,g/cm3。 殘余阻力系數(shù)為儲層注凝膠體系前后水相流度的比

7、值,其表達式為: ?R?rf?=1+?a?k?K?1+?a?s1?S?w+?a?s2?S?w2(7) 式中:?R?rf?為殘余阻力系數(shù);?a?k為滲透率項系數(shù);?a?s1?、?a?s2?為方程中水飽和度項的系數(shù);?S?w為水相飽和度。 凝膠和聚合物組分流經(jīng)多孔介質(zhì)過程中,由于孔隙介質(zhì)表面機械捕集、吸附等作用而產(chǎn)生滯留,其滯留量隨多孔介質(zhì)的滲透率增加而減小,同時與儲層的孔隙結(jié)構(gòu)關系較大3。 吸附方程為: ?C?s1?=?b?s1?C?p1+?b?s2?C?p(8) 式中:?C?s1?為凝膠吸附量,g/g;?b?s1?、?b?s2?為吸附方程參數(shù)。 機械捕集、流體動力學捕集滯留方程為: ?C?s2

8、?=?a?s3?1+12?exp(?X-x?c)?a?sk?K?+1?(9) 式中:?C?s2?為捕集量,g/g;?a?s3?、?為與交聯(lián)體系有關的方程系數(shù);?為潤濕角,rad;?X?為可動凝膠體系中交聯(lián)劑與聚合物濃度之比;?x?c為最佳交聯(lián)劑與聚合物濃度之比;?a?sk?為孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)。 總滯留量表達式為: ?C?s=?C?s1?+?C?s2?(10) 1.4 相對滲透率 凝膠體系對于油相相對滲透率影響較小,對水相滲透率影響較大,主要是降低水相的相對滲透率。凝膠體系驅(qū)對油相相對滲透率影響比聚合物驅(qū)的影響要大4-8。 可動凝膠體系中水相、油相相對滲透率為: ?K?rp?=?K?0?rw?1+?

9、a?k1?X?+?a?k2?X?2?S?w-?S?wr?1-?S?wr?-?S?or?ep1?(11)  ?K?ro?=?K?0?ro?1+?a?k1?X?S?w-?S?wr?1-?S?wr?-?S?or?ep2?(12) 式中:?K?rp?、?K?ro?分別為水相和油相相對滲透率;?K?0?ro?、?K?0?rw?分別為水驅(qū)時油、水相的相對滲透率方程系數(shù);?a?k1?、?a?k2?為可動凝膠相對滲透率方程中的參數(shù);?S?wr?為束縛水飽和度;?S?or?為殘余油飽和度;?ep1、ep2?為可動凝膠驅(qū)相對滲透率方程的指數(shù)。 聚合物驅(qū)油體系中,水相和油相相對滲透率為: ?K?rp?=?

10、K?0?rw?1+?a?p1?C?p+?a?p2?C?p2?S?w-?S?wr?1-?S?wr?-?S?or?ep?(13) ?K?ro?=?K?0?ro?1+?a?p1?C?p?S?w-?S?wr?1-?S?wr?-?S?or?eo?(14) 式中:?a?p1?、?a?p2?為聚合物相對滲透率方程中的參數(shù);?ep、eo?為聚合物驅(qū)相對滲透率方程的指數(shù)。 水油兩相相對滲透率公式為: ?K?rw?=?K?0?rw?S?w-?S?wr?1-?S?wr?-?S?or?ew?(15) ?K?ro?=?K?0?ro?S?w-?S?wr?1-?S?wr?-?S?or?eo?(16) 式中:?ew?為水相的

11、相對滲透率方程的指數(shù)。 運用常規(guī)插分及算子分離技術求解非線性運動及對流擴散方程。 2 稠油油藏凝膠調(diào)驅(qū)參數(shù)優(yōu)化 凝膠調(diào)驅(qū)注入?yún)?shù)的優(yōu)化主要考慮注入濃度、注入量、注入時機以及注入速度。由于涉及的注入?yún)?shù)較多,因此利用數(shù)值模擬技術結(jié)合正交實驗設計及模糊綜合評判方法進行參數(shù)優(yōu)化。 2.1 優(yōu)化實驗方案設計 正交設計法是一種研究多因子實驗問題的重要數(shù)學方法8,通過設計一定的正交表設計實驗組合,然后再用統(tǒng)計分析方法對實驗結(jié)果進行綜合處理分析。 根據(jù)實際情況選取凝膠體系濃度、注入段塞大小、注入時機、注入速度等4個因子作為考察對象,每個因子按3種水平進行實驗,建立注入?yún)?shù)優(yōu)化的因素和水平取值(表1)。 表1

12、 凝膠注入?yún)?shù)水平取值 水平數(shù)注入濃度/(mg/L)段塞大小/PV注入時機含水/%注入速度/(PV/a) 14000.2400.08 26000.3600.09 38000.4800.10 注入?yún)?shù)為三水平4因素情況,由此選擇L9?(34)?三水平正交表,共設計9個實驗方案(表2)。 表2 凝膠注入?yún)?shù)優(yōu)化正交設計 方案號ABCD 注入濃度/(mg/L)段塞大小/PV注入時機含水/%注入速度/(PV/a) 14000.2400.08 24000.3600.09 34000.4800.10 46000.2600.10 56000.3800.08 66000.4400.09 78000.2800.

13、09 88000.3400.10 98000.4600.08 利用建立的數(shù)值模擬軟件對實際井組進行不同方案進行注凝膠調(diào)驅(qū)數(shù)值模擬研究,共模擬計算9套方案(表3)。 2.2 參數(shù)優(yōu)化結(jié)果分析 凝膠調(diào)驅(qū)效果評價方法采用模糊綜合評判模型9。由于可動凝膠驅(qū)注采參數(shù)優(yōu)化設計模糊綜合評判模型的建立涉及因素較多,依據(jù)決策因素的選取原則,選取指標包括技術指標(提高采收率、折合注聚利用率、平均采油速度)和經(jīng)濟指標(內(nèi)部收益率、財務凈現(xiàn)值、投資回收期、投資利潤率、投資利稅率等),其中折合注聚利用率為增產(chǎn)油量與當量聚合物用量之比。 表3 凝膠驅(qū)不同方案增油量及采收率對比 方案號累計產(chǎn)油/104m3累計增油/104m

14、3采收率/%采收率增值/% 134.48.332.77.9 237.611.535.710.9 334.48.332.77.9 431.55.329.95.1 531.55.329.95.1 634.48.332.77.9 739.012.937.012.2 839.012.939.012.9 939.012.937.212.5 水驅(qū)26.124.8 根據(jù)模擬計算結(jié)果,結(jié)合相關的經(jīng)濟指標系列,對計算結(jié)果進行因子敏感性分析及模糊綜合評判(表4)。 表4 凝膠驅(qū)不同方案模糊綜合評判結(jié)果 方案號ABCD 注入濃度/(mg/L)段塞大小/PV注入時機含水/%注入速度/(PV/a)綜合評判值 14000

15、.2400.080.6803 24000.3600.090.7321 34000.4800.100.5736 46000.2600.100.4716 56000.3800.080.4011 66000.4400.090.5226 78000.2800.090.8204 88000.3400.100.8767 98000.4600.080.6925 ?j?0.30130.47310.44750.5350 ?j?0.78270.55230.55650.5670 ?j?0.67100.59030.59730.4933 ?j?0.63730.51650.49100.4969 S?j?0.15960.0

16、5530.06710.0547 因子主次1324 根據(jù)因子敏感性分析可知:最主要的影響因素是凝膠體系的濃度。因為體系濃度直接決定凝膠體系的相關性質(zhì),對于稠油油藏來說,較高的凝膠體系濃度意味著較高的體系黏度和阻力系數(shù),降水增油的效果更好;其次是注入時機。在條件許可的情況下,可以采用早期注凝膠調(diào)驅(qū)等三次采油技術手段,不需等到油田進入高含水后期才實施調(diào)驅(qū)等措施;注入段塞和注入速度對于調(diào)驅(qū)效果影響程度相對更低。 由模糊綜合評判結(jié)果,最優(yōu)化凝膠調(diào)驅(qū)注入?yún)?shù)為方案8各項參數(shù):體系濃度為800 mg/L,注入段塞0.3 PV,注入時機(含水)為40%,注入速度為0.1 PV/a。此注入?yún)?shù)條件下,凝膠調(diào)驅(qū)能

17、達到最佳技術經(jīng)濟指標。 3 凝膠驅(qū)實驗方案實例 利用優(yōu)化的注凝膠調(diào)驅(qū)參數(shù),設計某油田某井組注凝膠實驗方案。利用編制的凝膠驅(qū)數(shù)值模擬軟件對實驗井組生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行歷史擬合,在歷史擬合基礎上進行凝膠調(diào)驅(qū)模擬預測,預測的各項開發(fā)指標變化見圖1。 圖1 凝膠驅(qū)實驗方案效果預測 根據(jù)數(shù)值模擬預測,10 a內(nèi)井組采收率增加8.6%,含水率降低近10%,取得較好的開發(fā)效果。 4 結(jié) 論 (1) 可動凝膠體系調(diào)驅(qū)過程數(shù)學模型反映了凝膠黏度及阻力系數(shù)隨流動和時間發(fā)生變化的非線性過程,對于凝膠調(diào)驅(qū)過程物化參數(shù)描述更加精確。  (2) 利用正交設計、綜合模糊評判結(jié)合數(shù)值模擬方法可以有效地進行注凝膠相關參數(shù)優(yōu)化

18、設計。參數(shù)優(yōu)化結(jié)果表明,凝膠調(diào)驅(qū)對于稠油油藏提高采收率有較好的效果。 (3) 根據(jù)實際模擬結(jié)果,稠油油藏注凝膠調(diào)驅(qū)最佳指標為:體系濃度為800 mg/L,注入段塞為0.3 PV,注入時機(含水)為40%,注入速度為0.1 PV/a。 參考文獻: 1 邱衍輝,王桂杰,劉濤,等.茨13塊弱凝膠注水轉(zhuǎn)向?qū)嶒灱艾F(xiàn)場實施J.特種油氣藏,2007,14(6):48-52 2 岳志強.檸檬酸鋁交聯(lián)劑的制備及其緩交聯(lián)體系研究J.特種油氣藏,2008,15(1):8-13 3 黃崇福,王家鼎.模糊信息分析與應用M.北京:北京師范大學出版社,1992:82 4 朱懷江,劉玉章,繩德強,等.弱凝膠對油水相對滲透率的