稠油油藏凝胶调驱提高采收率技术

1、稠油油藏凝胶调驱提高采收率技术    摘要:利用建立的可动凝胶体系驱油渗流数学模型,描述可动凝胶体系在多孔介质的复杂渗流行为。在此基础上编制数值模拟软件,并运用软件对稠油油藏凝胶调驱注入参数进行优化方案设计,实施后效果良好。该方法对于陆上常规稠油油藏采用凝胶调驱提高采收率具有重要指导意义。关键词:稠油油藏;凝胶调驱;数值模拟;数学模型;采收率;优化 中图分类号:TE312文献标识码:A 引 言 常规稠油油藏在长期注水开发过程中,逐渐出现注水突进快、含水率上升快、采出程度低、采油速度低等问题。近年来,油田进行了注聚合物改善开发效果的现场试验,取得了一定成效

2、,但仍表现出聚合物驱有效时间短,注入聚合物窜流等问题。 凝胶调驱是目前改善水驱效果的重要手段之一。可动凝胶调驱具有深部调剖控制液流转向的作用,通过调驱作用可以限制高渗透层的吸水量,启动或增加低渗透吸水量,提高水驱波及系数。本研究在室内实验基础上,建立可动凝胶调驱过程渗流数学描述及数值模拟模型,对某稠油油藏凝胶调驱参数进行优化设计,以指导调驱方案的编制。 1 可动凝胶深部调驱数学模型 可动凝胶调驱是在聚合物驱和堵水调剖技术基础上发展起来的三次采油技术。其渗流特征和驱油机理与聚合物相比有一定的差异。成胶前黏度随时间发生变化,具有触变性流体的特征:成胶后其黏度基本不再变化,表现出非牛顿流体特性,类似

3、聚合物溶液1-2。对可动凝胶调驱过程的数学描述,需要在聚合物驱对流扩散渗流模型方程基础上,结合非牛顿流体流动理论和渗流力学理论加以完善。 1.1 模型基本假设 考虑可动凝胶调驱过程中,水、油、气和可动凝胶体系等组分间对流扩散、质量转换以及组分流体性质改变等现状,假设系统流体为水相、气相、油相和可动凝胶水溶液相。流体组分包括水、油、气、聚合物、凝胶剂、稳定剂、防窜剂、助剂、水中一价阳离子、水中二价阳离子、总阴离子和示踪剂等12种组分。其中,水、油、气组分分配在各相中,聚合物、凝胶体系组分分配在水相中,其他组分均看作示踪剂,忽略其体积。体系物化参数包括:凝胶体系流变特性和黏度变化、组分吸附滞留、相

4、对渗透率变化、阻力和残余阻力系数的变化等1。 1.2 质量守恒方程 各组分质量守恒方程为: ?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?为组分质量,g;?t?为时间,s;?F?i?为对流扩散项,g/cm2;?D?i?为分子扩散项,g/cm2;?Q?i?为?i?组分源汇项;?

5、N?c为第?N?个组分;?为孔隙度;?C?i?为?i?组分总质量分数;?N?P为相数;?j?为?j?相液相密度,kg/m3;?s?j?为?j?相饱和度;?C?i?为流体相组分质量分数;?s为固相密度,kg/m3;?C?is?为固体吸附相质量分数;?u?j?为?j?相渗流速度,m/s;?Di?kj?为?j?相中?j?组分与?k?组分间的扩散系数;?N?c为组分数;?C?ij?为?j?相中?i?组分质量分数。 1.3 各相运动方程及物化参数 运动方程实质上为非线性流动,其表达式为: ?u?j?=-?K?K?rj?jR?j?(?p?j?-?j?g?D?)(5) 式中:?u?j?为?j?相速度,m/s

6、;?K?为绝对渗透率,m2;?K?rj?为?j?相的相对渗透率;?j?为?j?相黏度,mPas;?R?j?为?j?相阻力系数;?p?j?为?j?相压力,Pa;?g?为重力加速度,m/s2;?D?为高度,m。 聚合物溶液与凝胶体系可以控制水相流度,降低水相相对渗透率,采用阻力系数来描述,表达式为: 第2期单 玲等:稠油油藏凝胶调驱提高采收率技术 ?R?k=1.0+(?R?kmax?-1.0)1.0+?c?k?C?p(6) 式中:?R?k为阻力系数;?R?k max?为最大阻力系数;?c?k为方程中的系数;?C?p为体系中聚合物的质量浓度,g/cm3。 残余阻力系数为储层注凝胶体系前后水相流度的比

7、值,其表达式为: ?R?rf?=1+?a?k?K?1+?a?s1?S?w+?a?s2?S?w2(7) 式中:?R?rf?为残余阻力系数;?a?k为渗透率项系数;?a?s1?、?a?s2?为方程中水饱和度项的系数;?S?w为水相饱和度。 凝胶和聚合物组分流经多孔介质过程中,由于孔隙介质表面机械捕集、吸附等作用而产生滞留,其滞留量随多孔介质的渗透率增加而减小,同时与储层的孔隙结构关系较大3。 吸附方程为: ?C?s1?=?b?s1?C?p1+?b?s2?C?p(8) 式中:?C?s1?为凝胶吸附量,g/g;?b?s1?、?b?s2?为吸附方程参数。 机械捕集、流体动力学捕集滞留方程为: ?C?s2

8、?=?a?s3?1+12?exp(?X-x?c)?a?sk?K?+1?(9) 式中:?C?s2?为捕集量,g/g;?a?s3?、?为与交联体系有关的方程系数;?为润湿角,rad;?X?为可动凝胶体系中交联剂与聚合物浓度之比;?x?c为最佳交联剂与聚合物浓度之比;?a?sk?为孔隙结构参数。 总滞留量表达式为: ?C?s=?C?s1?+?C?s2?(10) 1.4 相对渗透率 凝胶体系对于油相相对渗透率影响较小,对水相渗透率影响较大,主要是降低水相的相对渗透率。凝胶体系驱对油相相对渗透率影响比聚合物驱的影响要大4-8。 可动凝胶体系中水相、油相相对渗透率为: ?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?分别为水相和油相相对渗透率;?K?0?ro?、?K?0?rw?分别为水驱时油、水相的相对渗透率方程系数;?a?k1?、?a?k2?为可动凝胶相对渗透率方程中的参数;?S?wr?为束缚水饱和度;?S?or?为残余油饱和度;?ep1、ep2?为可动凝胶驱相对渗透率方程的指数。 聚合物驱油体系中,水相和油相相对渗透率为: ?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?为聚合物相对渗透率方程中的参数;?ep、eo?为聚合物驱相对渗透率方程的指数。 水油两相相对渗透率公式为: ?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?为水相的

11、相对渗透率方程的指数。 运用常规插分及算子分离技术求解非线性运动及对流扩散方程。 2 稠油油藏凝胶调驱参数优化 凝胶调驱注入参数的优化主要考虑注入浓度、注入量、注入时机以及注入速度。由于涉及的注入参数较多,因此利用数值模拟技术结合正交实验设计及模糊综合评判方法进行参数优化。 2.1 优化实验方案设计 正交设计法是一种研究多因子实验问题的重要数学方法8,通过设计一定的正交表设计实验组合,然后再用统计分析方法对实验结果进行综合处理分析。 根据实际情况选取凝胶体系浓度、注入段塞大小、注入时机、注入速度等4个因子作为考察对象,每个因子按3种水平进行实验,建立注入参数优化的因素和水平取值(表1)。 表1

12、 凝胶注入参数水平取值 水平数注入浓度/(mg/L)段塞大小/PV注入时机含水/%注入速度/(PV/a) 14000.2400.08 26000.3600.09 38000.4800.10 注入参数为三水平4因素情况,由此选择L9?(34)?三水平正交表,共设计9个实验方案(表2)。 表2 凝胶注入参数优化正交设计 方案号ABCD 注入浓度/(mg/L)段塞大小/PV注入时机含水/%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 利用建立的数值模拟软件对实际井组进行不同方案进行注凝胶调驱数值模拟研究,共模拟计算9套方案(表3)。 2.2 参数优化结果分析 凝胶调驱效果评价方法采用模糊综合评判模型9。由于可动凝胶驱注采参数优化设计模糊综合评判模型的建立涉及因素较多,依据决策因素的选取原则,选取指标包括技术指标(提高采收率、折合注聚利用率、平均采油速度)和经济指标(内部收益率、财务净现值、投资回收期、投资利润率、投资利税率等),其中折合注聚利用率为增产油量与当量聚合物用量之比。 表3 凝胶驱不同方案增油量及采收率对比 方案号累计产油/104m3累计增油/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 水驱26.124.8 根据模拟计算结果,结合相关的经济指标系列,对计算结果进行因子敏感性分析及模糊综合评判(表4)。 表4 凝胶驱不同方案模糊综合评判结果 方案号ABCD 注入浓度/(mg/L)段塞大小/PV注入时机含水/%注入速度/(PV/a)综合评判值 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 根据因子敏感性分析可知:最主要的影响因素是凝胶体系的浓度。因为体系浓度直接决定凝胶体系的相关性质,对于稠油油藏来说,较高的凝胶体系浓度意味着较高的体系黏度和阻力系数,降水增油的效果更好;其次是注入时机。在条件许可的情况下,可以采用早期注凝胶调驱等三次采油技术手段,不需等到油田进入高含水后期才实施调驱等措施;注入段塞和注入速度对于调驱效果影响程度相对更低。 由模糊综合评判结果,最优化凝胶调驱注入参数为方案8各项参数:体系浓度为800 mg/L,注入段塞0.3 PV,注入时机(含水)为40%,注入速度为0.1 PV/a。此注入参数条件下,凝胶调驱能

17、达到最佳技术经济指标。 3 凝胶驱实验方案实例 利用优化的注凝胶调驱参数,设计某油田某井组注凝胶实验方案。利用编制的凝胶驱数值模拟软件对实验井组生产数据进行历史拟合,在历史拟合基础上进行凝胶调驱模拟预测,预测的各项开发指标变化见图1。 图1 凝胶驱实验方案效果预测 根据数值模拟预测,10 a内井组采收率增加8.6%,含水率降低近10%,取得较好的开发效果。 4 结 论 (1) 可动凝胶体系调驱过程数学模型反映了凝胶黏度及阻力系数随流动和时间发生变化的非线性过程,对于凝胶调驱过程物化参数描述更加精确。  (2) 利用正交设计、综合模糊评判结合数值模拟方法可以有效地进行注凝胶相关参数优化

18、设计。参数优化结果表明,凝胶调驱对于稠油油藏提高采收率有较好的效果。 (3) 根据实际模拟结果,稠油油藏注凝胶调驱最佳指标为:体系浓度为800 mg/L,注入段塞为0.3 PV,注入时机(含水)为40%,注入速度为0.1 PV/a。 参考文献: 1 邱衍辉,王桂杰,刘涛,等.茨13块弱凝胶注水转向实验及现场实施J.特种油气藏,2007,14(6):48-52 2 岳志强.柠檬酸铝交联剂的制备及其缓交联体系研究J.特种油气藏,2008,15(1):8-13 3 黄崇福,王家鼎.模糊信息分析与应用M.北京:北京师范大学出版社,1992:82 4 朱怀江,刘玉章,绳德强,等.弱凝胶对油水相对渗透率的