稠油油藏凝膠調(diào)驅(qū)提高采收率技術(shù)

1、稠油油藏凝膠調(diào)驅(qū)提高采收率技術(shù)    摘要:利用建立的可動(dòng)凝膠體系驅(qū)油滲流數(shù)學(xué)模型,描述可動(dòng)凝膠體系在多孔介質(zhì)的復(fù)雜滲流行為。在此基礎(chǔ)上編制數(shù)值模擬軟件,并運(yùn)用軟件對(duì)稠油油藏凝膠調(diào)驅(qū)注入?yún)?shù)進(jìn)行優(yōu)化方案設(shè)計(jì),實(shí)施后效果良好。該方法對(duì)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(dǎo)意義。關(guān)鍵詞:稠油油藏;凝膠調(diào)驅(qū);數(shù)值模擬;數(shù)學(xué)模型;采收率;優(yōu)化 中圖分類號(hào):TE312文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 引 言 常規(guī)稠油油藏在長(zhǎng)期注水開發(fā)過(guò)程中,逐漸出現(xiàn)注水突進(jìn)快、含水率上升快、采出程度低、采油速度低等問(wèn)題。近年來(lái),油田進(jìn)行了注聚合物改善開發(fā)效果的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),取得了一定成效

2、,但仍表現(xiàn)出聚合物驅(qū)有效時(shí)間短,注入聚合物竄流等問(wèn)題。 凝膠調(diào)驅(qū)是目前改善水驅(qū)效果的重要手段之一?？蓜?dòng)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(guò)調(diào)驅(qū)作用可以限制高滲透層的吸水量,啟動(dòng)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(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,建立可動(dòng)凝膠調(diào)驅(qū)過(guò)程滲流數(shù)學(xué)描述及數(shù)值模擬模型,對(duì)某稠油油藏凝膠調(diào)驅(qū)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),以指導(dǎo)調(diào)驅(qū)方案的編制。 1 可動(dòng)凝膠深部調(diào)驅(qū)數(shù)學(xué)模型 可動(dòng)凝膠調(diào)驅(qū)是在聚合物驅(qū)和堵水調(diào)剖技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的三次采油技術(shù)。其滲流特征和驅(qū)油機(jī)理與聚合物相比有一定的差異。成膠前黏度隨時(shí)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(duì)可動(dòng)凝膠調(diào)驅(qū)過(guò)程的數(shù)學(xué)描述,需要在聚合物驅(qū)對(duì)流擴(kuò)散滲流模型方程基礎(chǔ)上,結(jié)合非牛頓流體流動(dòng)理論和滲流力學(xué)理論加以完善。 1.1 模型基本假設(shè) 考慮可動(dòng)凝膠調(diào)驅(qū)過(guò)程中,水、油、氣和可動(dòng)凝膠體系等組分間對(duì)流擴(kuò)散、質(zhì)量轉(zhuǎn)換以及組分流體性質(zhì)改變等現(xiàn)狀,假設(shè)系統(tǒng)流體為水相、氣相、油相和可動(dòng)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(jià)陽(yáng)離子、水中二價(jià)陽(yáng)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(duì)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(shí)間,s;?F?i?為對(duì)流擴(kuò)散項(xiàng),g/cm2;?D?i?為分子擴(kuò)散項(xiàng),g/cm2;?Q?i?為?i?組分源匯項(xiàng);?

5、N?c為第?N?個(gè)組分;?為孔隙度;?C?i?為?i?組分總質(zhì)量分?jǐn)?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?jǐn)?shù);?s為固相密度,kg/m3;?C?is?為固體吸附相質(zhì)量分?jǐn)?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(kuò)散系數(shù);?N?c為組分?jǐn)?shù);?C?ij?為?j?相中?i?組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)。 1.3 各相運(yùn)動(dòng)方程及物化參數(shù) 運(yùn)動(dòng)方程實(shí)質(zhì)上為非線性流動(dòng),其表達(dá)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(duì)滲透率,m2;?K?rj?為?j?相的相對(duì)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(duì)滲透率,采用阻力系數(shù)來(lái)描述,表達(dá)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(shù) ?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(chǔ)層注凝膠體系前后水相流度的比

7、值,其表達(dá)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(xiàng)系數(shù);?a?s1?、?a?s2?為方程中水飽和度項(xiàng)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(guò)程中,由于孔隙介質(zhì)表面機(jī)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(shí)與儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)關(guān)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(jī)械捕集、流體動(dòng)力學(xué)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(guān)的方程系數(shù);?為潤(rùn)濕角,rad;?X?為可動(dòng)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(dá)式為: ?C?s=?C?s1?+?C?s2?(10) 1.4 相對(duì)滲透率 凝膠體系對(duì)于油相相對(duì)滲透率影響較小,對(duì)水相滲透率影響較大,主要是降低水相的相對(duì)滲透率。凝膠體系驅(qū)對(duì)油相相對(duì)滲透率影響比聚合物驅(qū)的影響要大4-8。 可動(dòng)凝膠體系中水相、油相相對(duì)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(duì)滲透率;?K?0?ro?、?K?0?rw?分別為水驅(qū)時(shí)油、水相的相對(duì)滲透率方程系數(shù);?a?k1?、?a?k2?為可動(dòng)凝膠相對(duì)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(dòng)凝膠驅(qū)相對(duì)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(duì)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(duì)滲透率方程中的參數(shù);?ep、eo?為聚合物驅(qū)相對(duì)滲透率方程的指數(shù)。 水油兩相相對(duì)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(duì)滲透率方程的指數(shù)。 運(yùn)用常規(guī)插分及算子分離技術(shù)求解非線性運(yùn)動(dòng)及對(duì)流擴(kuò)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(shí)機(jī)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(shù)結(jié)合正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及模糊綜合評(píng)判方法進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。 2.1 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì) 正交設(shè)計(jì)法是一種研究多因子實(shí)驗(yàn)問(wèn)題的重要數(shù)學(xué)方法8,通過(guò)設(shè)計(jì)一定的正交表設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)組合,然后再用統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合處理分析。 根據(jù)實(shí)際情況選取凝膠體系濃度、注入段塞大小、注入時(shí)機(jī)、注入速度等4個(gè)因子作為考察對(duì)象,每個(gè)因子按3種水平進(jìn)行實(shí)驗(yàn),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(shí)機(jī)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(shè)計(jì)9個(gè)實(shí)驗(yàn)方案(表2)。 表2 凝膠注入?yún)?shù)優(yōu)化正交設(shè)計(jì) 方案號(hào)ABCD 注入濃度/(mg/L)段塞大小/PV注入時(shí)機(jī)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(duì)實(shí)際井組進(jìn)行不同方案進(jìn)行注凝膠調(diào)驅(qū)數(shù)值模擬研究,共模擬計(jì)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(píng)價(jià)方法采用模糊綜合評(píng)判模型9。由于可動(dòng)凝膠驅(qū)注采參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)模糊綜合評(píng)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(biāo)包括技術(shù)指標(biāo)(提高采收率、折合注聚利用率、平均采油速度)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)(內(nèi)部收益率、財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值、投資回收期、投資利潤(rùn)率、投資利稅率等),其中折合注聚利用率為增產(chǎn)油量與當(dāng)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(duì)比 方案號(hào)累計(jì)產(chǎn)油/104m3累計(jì)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(jì)算結(jié)果,結(jié)合相關(guān)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)系列,對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行因子敏感性分析及模糊綜合評(píng)判(表4)。 表4 凝膠驅(qū)不同方案模糊綜合評(píng)判結(jié)果 方案號(hào)ABCD 注入濃度/(mg/L)段塞大小/PV注入時(shí)機(jī)含水/%注入速度/(PV/a)綜合評(píng)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?yàn)轶w系濃度直接決定凝膠體系的相關(guān)性質(zhì),對(duì)于稠油油藏來(lái)說(shuō),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(shí)機(jī)。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(shù)手段,不需等到油田進(jìn)入高含水后期才實(shí)施調(diào)驅(qū)等措施;注入段塞和注入速度對(duì)于調(diào)驅(qū)效果影響程度相對(duì)更低。 由模糊綜合評(píng)判結(jié)果,最優(yōu)化凝膠調(diào)驅(qū)注入?yún)?shù)為方案8各項(xiàng)參數(shù):體系濃度為800 mg/L,注入段塞0.3 PV,注入時(shí)機(jī)(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(dá)到最佳技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。 3 凝膠驅(qū)實(shí)驗(yàn)方案實(shí)例 利用優(yōu)化的注凝膠調(diào)驅(qū)參數(shù),設(shè)計(jì)某油田某井組注凝膠實(shí)驗(yàn)方案。利用編制的凝膠驅(qū)數(shù)值模擬軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)井組生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行歷史擬合,在歷史擬合基礎(chǔ)上進(jìn)行凝膠調(diào)驅(qū)模擬預(yù)測(cè),預(yù)測(cè)的各項(xiàng)開發(fā)指標(biāo)變化見圖1。 圖1 凝膠驅(qū)實(shí)驗(yàn)方案效果預(yù)測(cè) 根據(jù)數(shù)值模擬預(yù)測(cè),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(dòng)凝膠體系調(diào)驅(qū)過(guò)程數(shù)學(xué)模型反映了凝膠黏度及阻力系數(shù)隨流動(dòng)和時(shí)間發(fā)生變化的非線性過(guò)程,對(duì)于凝膠調(diào)驅(qū)過(guò)程物化參數(shù)描述更加精確。  (2) 利用正交設(shè)計(jì)、綜合模糊評(píng)判結(jié)合數(shù)值模擬方法可以有效地進(jìn)行注凝膠相關(guān)參數(shù)優(yōu)化

18、設(shè)計(jì)。參數(shù)優(yōu)化結(jié)果表明,凝膠調(diào)驅(qū)對(duì)于稠油油藏提高采收率有較好的效果。 (3) 根據(jù)實(shí)際模擬結(jié)果,稠油油藏注凝膠調(diào)驅(qū)最佳指標(biāo)為:體系濃度為800 mg/L,注入段塞為0.3 PV,注入時(shí)機(jī)(含水)為40%,注入速度為0.1 PV/a。 參考文獻(xiàn): 1 邱衍輝,王桂杰,劉濤,等.茨13塊弱凝膠注水轉(zhuǎn)向?qū)嶒?yàn)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施J.特種油氣藏,2007,14(6):48-52 2 岳志強(qiáng).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(yīng)用M.北京:北京師范大學(xué)出版社,1992:82 4 朱懷江,劉玉章,繩德強(qiáng),等.弱凝膠對(duì)油水相對(duì)滲透率的