油藏数值模拟百科

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聚合物驱后热化进一步提高采收率研究

2011-09-10 09:21:43 本文行家:急躁彭三爷

(1)通过室内试验和理论分析定量研究聚合物驱后油藏物性变化及剩余油分布形态、特点。搞清聚合物分子在储层中的滞留方式,寻求聚合物驱后剩余油有效的挖潜措施; (2)在应用上,根据聚合物驱后区块的地质特征、开发特点和剩余油分布的状况,进行剩余油挖潜分析; (3)进一步搞清热/化学复合驱提高采收率的驱油机理; (4)建立跟符合实际情况的热/化复合驱数值模拟模型。

一、问题

各大油田的注聚区块转入后续水驱阶段后,发现了聚合物驱稳产的形式变差、含水上升较快、产量大幅度递减的问题,且见效不理想,不足以弥补后续水驱单元产量递减,导致聚合物驱产量整体呈下滑趋势。产生问题的原因如下:

1)聚合物虽然有调剖的作用,但不能控制高渗透层;

2)聚合物驱后恢复水驱时存在指进现象,油井产液的含水率上升快;

3)聚合物驱后地层残留大量的聚合物;

4)聚合物在地层中存在不可入孔隙体积;

5)聚合物驱不存在低油水界面张力所产生的洗油能力。

二、理论基础

聚合物驱后仍有40%-50%的原油残留地下,聚合物驱不是油藏开发的最后阶段。

聚驱后热化学复合驱作为一种新的化学驱油方法非常值得进行研究及矿场试验,为进一步改善开发效果、提高采收率,提供了途径与方法。

对于聚驱后热化学复合驱的方法认识分为两个阶段

1)聚合物驱后剩余油分布及聚合物滞留方式

剩余油分布规律的研究是油气田开发过程中必不可少的组成部分,是原油高效开发的有力保证。聚合物驱技术的基本原理是通过提高注入流体的粘度,调节油藏中油水两相的流度比及降低水相的渗透率,扩大波及体积的目的。从一些微观驱油试验中发现,粘弹性流体和粘性流体在同样条件下驱替水驱后的残余油,前者的驱油量大大超过后者,对残余油具有弹性的“拉、拽”作用。

聚合物驱后剩余油分布规律的研究主要包括2个方面:建立在孔隙、孔道水平上的微观规律研究和建立在油藏构造、储层沉积非均质性基础上的宏观规律研究。微观规律研究方法是利用室内实验模拟和理论分析方法研究孔隙水平剩余油的微观存在形态发分布特征,土蔓包括物理模拟法、成像分析法和网络模拟法。剩余油分布的宏观研究方法较多,归纳起来主要包括精细地质研究、动态监测法和油藏数值模拟法。

1、微观剩余油分布特征

聚合物驱后微观剩余油分布由驱油的动力和阻力决定。驱油的动力是聚合物分子的摩擦力和推力,阻力是不连通孔隙的遮挡、原油对孔壁的粘滞力和毛管压力。在这些力的共同作用下,水驱后不同类型的微观剩余油在聚合物驱后的微观分布不同。

从剩余油荧光分析实验图片来看,在水驱替过的岩心中,剩余油多是水包油型,油水混合:在聚合物驱后的岩心中,剩余油大量减少,岩石骨架较为清晰,零星分布的剩余油较多。在聚合物驱后形成4种类型的微观剩余油,即膜状残余油、簇状残余油、盲端状残余油和角隅残余油。在不同的水淹部位,这4种类型的微观剩余油所占比例也略有不同,但是均存在一个共同的规律,即按各种类型的微观剩余油所占比例由大到小进行排列,依次是角隅剩余油、簇状残余油、盲端状残余油和膜状残余油。聚合物驱未动用的微观剩余油可分为2类,一类是水驱未动用聚合物驱后仍未动用的剩余油;另一类是水驱已动用但聚合物驱后未动用的剩余油。

2、宏观剩余油分布特征

聚合物驱后宏观剩余}自分布是微观剩余油分布的整体表现。大庆油区通过对聚合物驱区块资料的统计分析,采用取心资料分析、窜内试验研究和数值模拟等手段,总结出比较全面的聚合物驱后宏观剩余油分布规律,主要包括以下9个方而:分流线上.注入聚合物孔隙体积倍数不够型,沉积单元内,低渗透聚合物驱未见效部位型,注采关系不完善型;聚合物驱未受效或受效差的低渗透层;死孔隙中的剩余油;受微相控制的剩余油;韵律性的影响,正韵律油层上部低渗透部位;聚合物驱后的残余油,主流线上,由于微观驱替小均匀存在的剩余油。

  聚合物驱后剩余油分布是在水驱剩余油分布基础上形成的,与水驱后剩余油的宏观分布规律比较,发现两者之间有相对应之处。分析其原因,正是由于聚合物驱与水驱的不同驱油机理最终导致聚合物驱后剩余油的分布更加分散和零散。聚合物溶液注入后,剩余油的分布与水驱时最明显的差异是由4方面的原因造成的:聚合物驱具有调剖、扩大波及体积的作用;聚合物驱与水驱相比提高了驱油效率;聚合物溶液的剪切降解、吸附捕集和存在不可及孔隙体积,使得聚合物驱的效果受到影响;井网加密提高了水驱控制程度,从而提高聚合物驱动用的石油地质储量。

2)热/泡、热/碱、热/活、热/聚采油技术机理

由于热化采油技术涉及到热力采油技术、化学采油技术以及表面科学等,而且地层中每一个因素变化都会影响化学剂对采收率的效果,所以对热化采油机理至今没有一个明确的统一认识,每个人的研究都是针对某种化学剂的作用机理或者对某个油田的需要进行的,得出的结果往往有局限性。然而前人所做的工作,对其的发展有重要的意义。

1、提高热采波及体积的热/化学方法

1)热/聚合物复合驱技术

/聚合物开采技术是发展较晚的一种技术,应用于热力驱后的稠油油藏。由于蒸汽吞吐和蒸汽驱后还有大量的臭鼬没有被采出,为提高稠油采收率而发展了此项稠油开采接替技术。其开采机理是利用聚合物的大分子量对地层进行吸汽剖面调整,堵塞大孔道,改善注气效果,提高采收率。

2)热/泡沫复合驱技术

20世纪80年代开始,国外开始进行蒸汽/泡沫复合驱试验。泡沫通过岩石孔隙时产生贾敏效应,有效改善蒸汽波及体积,提高采收率。本技术既是改善热采的技术直接应用于稠油开采,又可作为接替技术在稠油热驱后进行。

对蒸汽/泡沫复合驱进行物模试验和数模研究得出:此方式可以封堵蒸汽窜流通道,抑制蒸汽超覆,改善波及体积,提高采收率。

2、提高热采洗油效率的热/化方法

1)热/碱复合驱技术

主要机理是碱与原油中的酸性物质发生反应生成具有降低有水界面张力和改变岩石润湿作用的表面活性剂。另外,蒸汽和碱混合可以增加重力,减少其流度,有利于延迟蒸汽超覆的时间。

2)热/表面活性剂复合驱技术

/表面活性剂复合驱主要机理是:温度升高使得油相粘度降低;改变岩石润湿性,提高油相相对渗透率;降低岩石--水界面张力,提高驱替相毛管数,启动并驱替剩余油;生成o/w型乳状液,携带、捕集,聚并剩余油滴;乳状液内相颗粒在多孔介质的孔喉处滞留,降低了高渗层绝对渗透率,改善了储层的非均质性,从而提高采收率。

3、降低原油黏度的热/化学方法

1)热稠油降黏剂复合驱技术

薄膜扩散剂是非离于高分子表面活性剂易在油水界面形成一层易流动的活性剂膜替代原来的由胶质和沥青质形成的黏稠厚膜,因此可以降低油水界面膜的黏度并有较好的防止油水乳化的作用。

2)水热催化裂解技术

在注蒸汽过程中,水和热的综合作用不仅会使原油发生物理变化,而且还有化学反应发生地层原油在水蒸汽作用下发生的脱硫、脱氟、加氢、开环以及水煤气转换等一系列反应称为水热裂解反应。作为一种热采改善技术水热裂解过程中产生一定量的轻烃可以改善地层原油的质量和黏度。

三、研究的目标、内容

1)利用微观,物理模拟实验、和理论分析,聚合物驱后油层物性变化及剩余油特点,研究聚合物分子在储层中的滞留方式

2)热/泡,热/碱,热/活,热/聚和地层的配伍性,适应性,注入量,注入时机

3)利用实验的方法和油藏工程的方法热/化复合驱机理研究,建立数学模型

4)热/化学复合驱数值模拟研究

四、研究方案可行性

1)微观物理实验和数值计算进一步深化研究聚合物驱后孔隙中剩余油的分布形态和特点,以及聚合物驱后聚合物分子在储层中的滞留方式。

1、聚驱后储层物性变化特征

通过室内实验,对聚合物驱后储层岩心孔渗参数、孔隙结构以及渗流特征进行了研究,总结了储层物性参数变化特征及对渗流特征的影响。研究结果表明,长期实施聚合物驱后,聚合物在岩心孔隙空间中的吸附和滞留作用对渗透率的影响要大于聚合物溶液对孔隙的冲刷所产生的影响。地层多孔介质中受聚合物对岩石的冲刷作用影响最大的是少数较大孔隙,聚合物对地层的影响作用是非均质的。相对渗透率曲线的变化显示了聚合物的选择作用,聚合物吸附对水相相对渗透率的影响要大于对油相相对渗透率的影响。

实验过程为:

①测定初始状态下岩心各项参数;

②岩心饱和标准溶液;

③水驱,测聚合物驱前液体有效渗透率;

④聚合物驱(注入孔隙体积倍数根据实际)

⑤水驱,测聚合物驱后液体有效渗透率;

⑥岩心烘干;

⑦测定最终状态下岩心各项参数。

在聚合物溶液注入油层的过程中,注聚井井筒附近油层岩心的注入孔隙体积倍数较高,而远离注聚井井筒油层岩心的注入孔隙体积倍数则较低,因此设计了不同的注入孔隙体积倍数对油层岩心的影响实验。通过对以上参数的分析,归纳总结了储层物性参数变化特征及对渗流特征的影响。

2、聚合物滞留类型和相应测定的方法

聚合物通过多孔介质后所产生的损失总称为滞留。为了更好地认识聚合物的滞留类型有必要了解聚合物的滞留机理。一般认为引起聚合物滞留的机理有如下4:表面吸附、机械捕集、流体动力学捕集和聚合物分子之间的相互作用。

聚合物滞留类型如下

 

在聚合物驱数值模拟研究中,聚合物的最大滞留量是一项重要的物化参数。该参数要通过测定不同浓度下的聚合物流经多孔介质之后的饱和滞留量来获得。

数值模拟所需要的聚合物的吸附滞留等温线和最大滞留量(一般称为最大吸附量),可采用如下方式得到:依照浓度由低到高的顺序依次注聚合物,每一个浓度只注一个段塞。待压力稳定后,用物质平衡法测不同浓度的聚合物的饱和滞留量。作饱和滞留量(Q)对浓度(Cp)关系曲线(如图1),这一曲线即为聚合物的吸附滞留等温线图中曲线平台处相应的饱和滞留量即为聚合物的最大滞留量。

4-1

3、聚合物驱后剩余油分布成因研究

聚合物驱后剩余油分布更加分散,认识其形成机理和形态分布是进一步提高采收率的关键。采用数值模拟技术,按照聚合物驱后剩余油的成因,将剩余油划分为岩性变化剧烈型、层间干扰型、局部高点型、厚油层顶部型、压力平衡滞留区型等5种模式,提出了不同模式的定量计算方法。分析结果表明,聚合物驱后主要剩余油成因类型为“厚油层顶部型”和“压力平衡滞留区型”,聚合物驱在注聚阶段主要是以“调剖”机理为主,在含水恢复阶段和后续

水驱阶段都是以“增加平面波及面积”机理为主,相对于“虚拟水驱开发”,聚合物驱主要在含水恢复阶段大幅提高原油采收率。

4-2 剩余油成因示意图

a)         岩性变化剧烈成因模式

从数值模拟角度来看,岩性变化剧烈的部位主要分布于有效厚度零线附近,即尖灭区周围。因此定义尖灭区附近半径为1倍井距的区域为岩性变化剧烈区,该区域内含水率低于90%的网格为岩性变化剧烈成因模式剩余油分布区。

b)         层间干扰成因模式

生产井突进系数小于0.6的小层中距离该井为0.5倍井距的区域为层间干扰区域,含水率小于90%的网格,为层间干扰成因模式剩余油分布区。

c)         局部高点成因模式

通过对比每个网格的顶部深度,确定构造上的局部高点。其基本步骤为:依次以每个网格为中心,搜索半径为2倍井距的圆形区域内所有网格的顶部深度,如果该中心网格为该圆形区域的最高点,并且搜索的圆形区域内最高点和最低点的高差大于1.5m,那么就定义以此中心网格为中心,,1倍井距为半径的圆形区域内,顶深与中心网格(区域最高点)高差小于0.75m的网格为局部高点部位。将该区域内含水率小于90%的网格,定义为局部高点成因模式剩余油分布区。

d)         厚油层顶部成因模式

沉积单元有效厚度大于4m的区域为厚油层。在数值模拟过程中,将厚油层在垂向上进行细分,1/2层厚以上的部位确定为厚油层顶部。厚油层顶部含水率小于90%的网格,定义为厚油层顶部模式剩余油分布区。

e)         压力平衡滞留成因模式

压力平衡滞留成因类型剩余油的确定步骤为:①在数值模拟基础上,导出网格势场、注采井位及其流量,绘制各模拟层流线分布;②根据每条流线的轨迹,统计每个网格穿过的流线数目;③规定没有流线穿过的网格为压力平衡滞留区域。

2)热/泡,热/碱,热/活,热/聚地层的配伍性,适应性

从实验和现场可知,注入蒸汽对油层也造成了一定的伤害,这就使得实际的注蒸汽开采未能达到预想的结果。注入蒸汽液相矿化度大大低于地层水的矿化度,造成粘土的膨胀,特别是当低于粘土的临界矿化度时,粘土膨胀加剧,渗透率大大降低,高速注入蒸汽容易造成微粒运移,堵塞吼道,也可造成渗透率大幅度的下降,此外在注入大量高温流体的热采过程中,由于油藏内介质条件变化,容易引起沥青质在地层中沉积,堵塞孔喉或引起岩石润湿性反转,致使储层孔渗性能严重变差,尤其是在井眼附近,往往导致油井产量大幅度降低。

传统的热采模拟器均未考虑稠油油藏注蒸汽开发过程中储层特征(如孔隙度和渗透率)的变化,忽略了储层伤害对稠油油藏开发动态的影响,导致应用目前的稠油热采模拟器进行开发方案设计和开发指标动态预测存在不可靠性。因此,开展稠油油藏注蒸汽开采储层伤害以及其对地层的配伍性适应性的研究也就成为必要

研究将油气层伤害基本作用归结为:1)物理-化学作用;2)化学作用;3)水动力作用;4)热作用;5)机械作用。

进行储层伤害研究的目的:

1)通过实验室和现场试验了解这些作用;

2)通过对基本理论和作用的描述建立数学模型;

3)对油层潜在伤害的预防和治理进行优化;

4)制定控制地层伤害的策略和补救方法。借助于模型辅助资料分析、实例研究、试验条件的外推和标定,通过宏观尺寸相关现象的描述可得出通用地层伤害模型公式。

3)热/化复合驱数学模型的建立

在注蒸汽开采稠油的过程中,由于稠油与蒸汽密度和粘度的差异,常常导致蒸汽重力超覆和汽窜,导致蒸汽波及系数降低。即使在蒸汽所波及的区域,由于受岩石 -原油 -水体系界面特性的影响,有很大一部分稠油不能从岩石表面剥离下来,降低了原油最终采收率。

热力-化学法复合采油技术是在注人蒸汽的同时,目的地加人一些化学剂 ,改善热力采的效果。该技术在国内外已得到了广泛的应用。

依据热力-化学法复合采油机理,建立了相应数学模型

1、基本假设

1 ) 油藏中存在N 相、N个组分;

2 ) 在油藏任一小单元体积中,达到热平衡与相平衡;

3 ) 油藏流体的流动符合达西定律 ;

4 ) 油藏岩石具有各向异性和非均质性 ;

5 ) 考虑毛管力的影;

6 ) 考虑岩石与流体的热膨胀及压缩性 ;

7 ) 考虑表面活性剂在油藏中的对流与扩散,其中表面活性剂扩散符合定律 ;

8 ) 考虑表面活性剂在油层中的吸附、在高温下的热降解以及表面活性剂与地层水离子的化学反应损失。

组分质量守恒方程:

表面活性剂动态吸附过程:

能量守恒方程:

4)热/化复合驱的数值模拟研究

利用全隐式有限差分法对上述模型进行求解,并在热力采油软件的基础上。利用该软件对热力-化学法复合吞吐技术的驱油机理及影响效果因素进行分析研究。

1、活性剂对井底流压的影响

活性剂的加人降低了油水界面张力,从而使得残余油饱和度与束缚水饱和度降低,使流体的可流动性增加,增大了流体的流动通道,降低了流动阻力。该特征对于注汽压力过高导致注汽困难的稠油油藏的开采具有重要的意义

2、表面活性剂质量分数对原油开采效果的影响

3 不同活性剂质量分数下累计采油量

3、活性剂溶液注入时机的优化

先注入的活性剂溶液被后续注入的蒸汽推到油层深处,增大了活性剂的波及面积。活性剂注入的较晚,活性剂就会聚集在近井地带,由于开始生产时产水量较大,将大部分活性剂采出降低了其作用的效果。

4、表面活性剂溶液注入量对原油开采效果的影响

如果活性剂的注人量较小,油层中的活性剂质量分数不足于降低残余油饱和度,采油效果不好;而如果活性剂注人量太大,注入过程中活性剂的持续作用将近井地带原油驱向距离井眼较远的地方,造成近井地带含油饱和度的降低,原油增产效果就不明显,并增大了生产的成本。所以现场施工时,应根据具体的情况进行模拟计算,优化工艺措施,降低生产成本,增大驱油效果。

五、拟解决的关键问题

1)通过室内试验和理论分析定量研究聚合物驱后油藏物性变化及剩余油分布形态、特点。搞清聚合物分子在储层中的滞留方式,寻求聚合物驱后剩余油有效的挖潜措施;

2)在应用上,根据聚合物驱后区块的地质特征、开发特点和剩余油分布的状况,进行剩余油挖潜分析;

3)进一步搞清热/化学复合驱提高采收率的驱油机理;

4)建立跟符合实际情况的热/化复合驱数值模拟模型。

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参考资料:
[1] 中国知网
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