氮氣泡沫熱水驅提高采收率機理研究

氮氣泡沫熱水驅提高采收率機理研究

原油長距離開采具有極其重要的戰(zhàn)略地位和重要性。現(xiàn)在，它是石油專業(yè)人員研究的重點和難點之一。隨著油田開發(fā)技術的不斷提高,為適應油田多變的地質(zhì)條件,氮氣泡沫驅已經(jīng)逐漸被提出和應用于油田的開發(fā)中,并取得了較好的經(jīng)濟效益,例如在勝利油田孤島采油廠、勝利采油廠進行的氮氣泡沫吞吐提高稠油采收率的現(xiàn)場試驗取得了較好的效果。氮氣泡沫驅開采稠油是利用氮氣驅、泡沫驅和熱水驅的優(yōu)點而提出的一種復合驅油新方法。因此,有必要對熱添加劑提高稠油采收率技術進行細致的研究。勝利油田分公司孤島采油廠在2001年進行了氮氣蒸汽吞吐先導礦場試驗,取得了較好的效益。為深入研究氮氣泡沫熱水驅油機理,筆者在國內(nèi)外泡沫驅研究的基礎上,綜合前人的熱力采油數(shù)學模型、泡沫驅數(shù)學模型及氮氣驅相關理論,為該項技術的現(xiàn)場應用提供理論依據(jù),進行了一系列氮氣泡沫熱水驅油室內(nèi)物理模擬和數(shù)值模擬研究。1泡沫法驅油的物理模擬1.1巖心水相相對滲透率m實驗裝置為一維管式模型裝置,由壓力調(diào)節(jié)器保持壓力一致,實驗裝置見圖1。巖心長50.0cm,直徑為3cm,孔隙度為31.8%,巖心水相絕對滲透率為1.91μm2。實驗采用勝利孤島油田渤21塊7-19井原油,原油密度20℃時0.9793g/cm3,85℃時0.9377g/cm3。實驗用發(fā)泡劑為英特公司高溫發(fā)泡劑,質(zhì)量分數(shù)為0.3%,氣液比1∶2。1.2熱壓法驅油實驗針對孤島油田原油,研究相同條件下,熱水驅和泡沫驅的驅油效率,進一步了解氮氣泡沫熱水驅提高采收率的機理以及存在原油時泡沫驅的開發(fā)動態(tài)。為此設計了2個初始條件相同的平行實驗,即在85℃條件下,進行了熱水驅、熱水+氮氣泡沫驅實驗,結果見圖2。在熱水驅過程中加入氮氣和泡沫劑,能大幅度地提高驅油效率,降低殘余油飽和度。驅替結束時,其驅油效率提高21.3%,殘余油飽和度降低14.9%。另外,泡沫劑本身是一種表面活性劑,具有降低油水界面張力和洗油的作用,表現(xiàn)為驅油效率提高和殘余油飽和度降低。從圖2還可以看出,在泡沫驅替初期,原油飽和度較高,泡沫很難形成,氮氣泡沫熱水驅與熱水驅驅油效果基本一致;隨著含油飽和度的降低,泡沫逐漸形成,氮氣泡沫熱水驅提高采收率的效果逐漸表現(xiàn)出來,驗證了泡沫具有“遇油消泡、遇水穩(wěn)定”的性能。1.3雙管模型提高了采收率的實驗1.3.1巖心拉伸率測試該實驗的目的是利用物理模擬技術研究非均質(zhì)油藏熱水驅過程中出現(xiàn)“指進”和“竄流”時,通過添加所選用的泡沫劑能否使熱水發(fā)生轉向,改善熱水驅波及體積,提高原油采收率。試驗裝置仍為一維管式模型裝置,由壓力調(diào)節(jié)器保持壓力一致,試驗裝置圖與圖1基本相同,所不同的是將巖心由單管模型改為雙管模型,雙管模型置于同一平面上,雙管進出口處于相同的壓力系統(tǒng)中。所用巖心為石英砂,為了模擬油層的非均質(zhì)性,將處理過的石英砂按不同粒徑分為2種級別,然后制成滲透率為高、低2個級別的巖心,長度均為500mm,直徑30mm。試驗用巖心參數(shù)見表1。1.3.2熱水加壓器+氮氣在85℃條件下,進行了2次雙管巖心提高采收率實驗,結果見表2和圖3、4。由圖4可以看出,在熱水中加泡沫劑及氮氣時,在改善波及效率,提高采收率的同時,還能顯著提高采油速度,在注入孔隙體積倍數(shù)分別為0.5、1.0、1.5和2.0時,和純熱水驅相比,采收率分別提高了16.7%,21.9%,24.6%和26.1%。2數(shù)學模型的構建2.1巖相色譜與溫度(1)油藏中存在3相(水、油、氣)4組分(水、油、氮氣、起泡劑)。(2)油藏流體符合達西定律。(3)油藏巖石具有各向異性和非均質(zhì)性,考慮毛管力的影響和巖石與流體的熱膨脹及壓縮性。(4)考慮起泡劑在油藏中的對流與擴散以及在油層中的吸附、在高溫下的熱降解損失。其中起泡劑擴散符合Fick定律。(5)在油藏的任一小單元體積中,瞬時達到熱平衡與相平衡。(6)氮氣組分存在于氣相和油相中,油組分僅存在于油相中,起泡劑組分存在于水相和油相中,水組分存在于水相和氣相中。2.2基本公式(1)樹立w+pcwg1+g1+g1+g1+g1+g1.?[ρgXg1kkrgμg?(p+pcg?γgZ)+ρwXw1kkrwμw?(pw+pcw?γwZ)]+q1=??t(?ρgSgXg1+?ρwSwXw1)(1)?[ρgXg1kkrgμg?(p+pcg-γgΖ)+ρwXw1kkrwμw?(pw+pcw-γwΖ)]+q1=??t(?ρgSgXg1+?ρwSwXw1)(1)(2)[ox2]t[oxop+pco-oo[o]?[ρoXo2kkroμo?(p+pco?γoZ)]+q2=??t(?ρoSoXo2)(2)?[ρoXo2kkroμo?(p+pco-γoΖ)]+q2=??t(?ρoSoXo2)(2)(3)gsg3.3.2%g3+g3+oz+oxo3的+t?[ρgXg3kkrgμg?(p+pcg?γgZ)+ρoXo3kkroμo?(p+pco?γoZ)]+q3=??t(?ρgSgXg3+?ρoSoXo3)(3)?[ρgXg3kkrgμg?(p+pcg-γgΖ)+ρoXo3kkroμo?(p+pco-γoΖ)]+q3=??t(?ρgSgXg3+?ρoSoXo3)(3)(4)sq3+oson4+oson4+qp+oxo4+qth+qad4的+qth+qsdp4+q-qad4的+qth+qad5的+q3+q-q3的+q3+qs3+oo3的+5.?[ρwXw4kkrwμw?(p+pcw?γwZ)+ρoXo4kkroμo?(p+pco?γoZ)]+D?(ρwSw??Xw4+ρoSo??Xo4)+q4=??t(?ρwSwXw4+?ρoSoXo4)+qsth+qsad(4)?[ρwXw4kkrwμw?(p+pcw-γwΖ)+ρoXo4kkroμo?(p+pco-γoΖ)]+D?(ρwSw??Xw4+ρoSo??Xo4)+q4=??t(?ρwSwXw4+?ρoSoXo4)+qsth+qsad(4)(5)儲層溫度設定??t[?∑J=13ρJSJUJ+(1??)Mf(T?TI)]=∑J=13??[ρJkkrJμJHJ??(p+pcJ?γJZ)]+?(Tc?T)?QH?QHL(5)??t[?∑J=13ρJSJUJ+(1-?)Μf(Τ-ΤΙ)]=∑J=13??[ρJkkrJμJΗJ??(p+pcJ-γJΖ)]+?(Τc?Τ)-QΗ-QΗL(5)式中,?為微分算子;ρJ為相密度,mol/m3;k為滲透率,m2;μ為流體黏度,Pa·s;p為氣相壓力,Pa;pcJ為相J的毛管壓力,pcJ=pJ-p,Pa;γJ為相J重度,Pa/m;?為孔隙度,小數(shù);qI為I組分的源(匯)項,mol/(m3·s);SJ為相飽和度,小數(shù);Z為油層垂深,m;D為彌散系數(shù),m2/s;qsth、qsad為單位體積油藏起泡劑吸附、降解損失量,mol/(m3·s);HJ為相J熱焓,J/mol;UJ為相J內(nèi)能,J/mol;Tc為油層導熱系數(shù),J/(s·m·K);T為溫度,K;QH為流體注入產(chǎn)出引起的焓值變化,J/(m3·s);QHL為油層頂、底層的熱損失速率,J/(m3·s);Mf為油藏巖石熱容,J/(m3·K)。下標sth為起泡劑熱降解;sad為起泡劑吸附;J為相,1、2、3分別代表水、油、氣;I為組分,1、2、3、4分別代表水、油、氮氣、起泡劑組分。2.3輔助公式(1)飽和過載方案∑J=13SJ=1(6)∑J=13SJ=1(6)(2)發(fā)泡劑模型描述對于相J=1,2,3有∑I=1NcXJI=1.0(7)∑Ι=1ΝcXJΙ=1.0(7)組分I在J相中的摩爾分數(shù)可以利用下式計算XJI=KVJIXI(8)XJΙ=ΚVJΙXΙ(8)起泡劑由水相溶入油相的現(xiàn)象可以考慮為液—液萃取過程。假設起泡劑在水相和油相中的濃度瞬時達到平衡,則可由Langmuir模型描述Xo4=Xw4a1+a2Xw4(9)Xo4=Xw4a1+a2Xw4(9)式(1)~式(9)組成的數(shù)學模型共有9個方程,包括4個組分質(zhì)量守恒方程,3個摩爾約束方程,1個能量方程,1個飽和度約束方程。未知數(shù)9個:Xw、Xo、Xg、X4、P、T、So、Sw、Sg。2.4gxfnf及gs-nfq11-xfns總量平衡方程用來計算流動氣泡和靜態(tài)氣泡的平均密度,其基本思想是在控制體內(nèi)氣泡增量=流入量-流出量+氣泡的凈增量+源匯項。用公式表達為??t[?Sgxfnf+?Sg(1?xf)ns]=??[kkrgμgnf?(p+pcg?γgZ)]+?xfSgG+nfq(10)??t[?Sgxfnf+?Sg(1-xf)ns]=??[kkrgμgnf?(p+pcg-γgΖ)]+?xfSgG+nfq(10)式中,nf為流動氣泡的平均密度,m-3;ns為靜止氣泡的平均密度,m-3;xf為流動氣體的分流量,小數(shù);Sg為氣體飽和度,小數(shù)。G為氣泡的凈增量,表征氣泡生成和聚并,與表面活性劑濃度、種類、氣液比、含油飽和度、溫度以及巖石滲透率有關,可表示為G=f1(c,m)f2(So)f3(T)f4(k)?(Gf?Cf)(11)G=f1(c,m)f2(So)f3(Τ)f4(k)?(Gf-Cf)(11)式中,Gf為氣泡的生成速度,m-3/s;Cf為氣泡的聚并速度,m-3/s;f1(c,m)為表征起泡劑種類、濃度和氣液比對氣泡生成、聚并的函數(shù),其關系式可以由實驗回歸得到;f2(So)為表征含油飽和度對氣泡生成、聚并的函數(shù);f3(T)為表征溫度對氣泡生成、聚并的函數(shù);f4(k)為表征巖石滲透率對氣泡生成、聚并的函數(shù)。3氮氣泡沫熱水驅油的開發(fā)方式以勝利油田孤島采油廠的渤21塊的資料為模擬對象,原油黏度90mPa·s,設計一個5點法井網(wǎng),采用2層模型,2層滲透率分別取800×10-3μm2、1800×10-3μm2。開發(fā)方式采用注氮氣泡沫熱水驅,熱水溫度為98℃,開發(fā)方式采用交替注入氮氣泡沫的方法,即先注5年熱水;然后再交替注入3個周期的氮氣泡沫熱水、熱水驅,每個周期2年。對于熱水采用連續(xù)注入的開發(fā)方式,開發(fā)過程中采用定液量、定注采比生產(chǎn)。圖5分別為熱水驅與氮氣泡沫熱水驅采出程度對比曲線和含水率對比曲線,可以看出,加入泡沫后采出程度上升,含水率下降,說明泡沫已經(jīng)使部分熱水發(fā)生轉向,由流向注入井下面的生產(chǎn)井使驅油面積增加,含水率上升幅度減小。圖6、7分別為熱水驅、氮氣泡沫熱水驅驅替結束時低滲透層含油飽和度分布圖。注入起泡劑后,優(yōu)先在高滲透帶生成泡沫,使注入水轉向滲透率相對較低的區(qū)域,從含油飽和度分布圖中還可以看到一點,注氮氣泡沫的情況下,注水井附近注入水的波及面積比只注熱水的情況要大得多。4低滲透率儲油配方通過物理模擬和數(shù)值模擬,可以看出,氮氣泡沫熱水驅提高油田采收率的機理主要包括以下幾點。(1)泡沫首先進入高滲透大孔道,隨著注入量的增多,逐步形成堵塞,阻止泡沫進一步流入大孔道,迫使其更多地進入低滲透小孔道驅油,直到泡沫占據(jù)整個巖心孔隙,此后驅動流體便能較均勻地推進,將大小孔道(即高、低滲透率巖心)內(nèi)的原油全部驅出。(2)起泡劑本身是一種活性很強的陰離子型表面活性劑,能較大幅度地降低油水界面張力,改善巖石表面潤濕性,使呈束縛狀的油通過油水乳化、液膜置換等方式成為可流動的油。(3)泡沫具有“遇油消泡、遇水穩(wěn)定”的性能,泡沫消失后黏度降低,泡沫存在時黏度不變,從而起到“堵水不堵油”作用,提高了驅油效率。(4)原油溶解氮氣,體積膨脹,黏度降低。(5)泡沫擴大了熱水的波及體積,原油受熱黏度降低,從而改善了水油黏度比,提高原油采收率。5氮氣泡沫熱水驅系統(tǒng)(1)一維單