編譯:張婷 (大慶油田第一采油廠地質(zhì)大隊)

審校:宋杰 (大慶油田第一采油廠地質(zhì)大隊)

均質(zhì)多孔介質(zhì)中氣 /油多次接觸混相驅(qū)油實驗及數(shù)值模擬研究

編譯:張婷 (大慶油田第一采油廠地質(zhì)大隊)

審校:宋杰 (大慶油田第一采油廠地質(zhì)大隊)

蒸發(fā)氣混相注入和凝析氣混相注入已在世界大量油藏中得以應(yīng)用。這些注入氣的特性往往通過實驗室分析及組分模擬得到。本文研究了①多次接觸混相驅(qū)油的物理過程;②應(yīng)用Coats關(guān)系模擬氣-油相對滲透率隨界面張力的變化,以及預(yù)測原油采收率相關(guān)誤差的可能性;③氣/油非平衡效應(yīng)在預(yù)測原油采收率及氣油比方面的重要性。通過使用一款商業(yè)組分模擬器達到了上述研究目的,即基于性能完善的玻璃珠人造巖心進行實驗,預(yù)測了多次接觸混相注入的特征。利用在外界條件下能展現(xiàn)上臨界點的三元液態(tài)體系研究了凝析氣驅(qū)與蒸發(fā)氣驅(qū)。凝析氣法與蒸發(fā)氣法驅(qū)油十分高效,注入1 PV驅(qū)替液可采出90%的原油儲量。與非混相驅(qū)替相比,突破時采出程度與總采收率分別提高8%和20%。然而,無論是凝析氣驅(qū)還是蒸發(fā)氣驅(qū) (假設(shè)是在平衡條件下),組分模擬均過高預(yù)測了原油采收率。進一步的模擬證實了產(chǎn)生這種誤差的原因有可能是在接近混相時Coats相關(guān)系數(shù)不能夠精確地描述相對滲透率特征,或是由于產(chǎn)生的流體處于非組分平衡狀態(tài),或者兩種原因都存在。

均質(zhì)多孔介質(zhì) 多次接觸 混相驅(qū)油 數(shù)值模擬 平衡

1 前言

世界大量油藏應(yīng)用混氣注入來提高采收率。大多數(shù)情況下注入氣體并非一開始就與油互溶,通常有兩種手段,一是油組分凈轉(zhuǎn)移到氣中 (蒸發(fā)氣驅(qū)),另一種是氣組分凈轉(zhuǎn)移到油中 (凝析氣驅(qū))。組分數(shù)值模擬通常用來預(yù)測這些提高采收率方案的效果,根據(jù)實驗室實驗得出的數(shù)據(jù)回歸得到狀態(tài)特性方程。預(yù)測的準確性關(guān)鍵取決于模擬假設(shè)的有效性,而假設(shè)中最關(guān)鍵的是每個網(wǎng)格塊瞬時局部熱力平衡的假設(shè)是否存在。

盡管如此,數(shù)值模擬預(yù)測初級接觸的混相驅(qū)替與非混相驅(qū)替的能力已經(jīng)通過眾多研究的實驗對比得到評價,而對多次接觸混相驅(qū)油實驗的組分模擬研究卻寥寥無幾。本研究深入探討了能否利用商業(yè)組分模擬器預(yù)測多次接觸混相驅(qū)替的特性,包括凝析氣驅(qū)和蒸發(fā)氣驅(qū)。多孔介質(zhì)應(yīng)用的是玻璃珠人造巖心,具有如下特征:

◇選用窄尺寸玻璃珠能夠保證巖心的均質(zhì)性;

◇可以觀察到驅(qū)替過程,從而驗證均質(zhì)性,同時可以提供另一套數(shù)據(jù)來驗證模擬器的運行有效性。

本文應(yīng)用了一個在室溫和壓力條件下存在臨界點的簡單的三相液態(tài)系統(tǒng)。這樣,所有的組分性質(zhì)可以直接輸入到模擬器中,不需要使用擬組分。而且,獨立的實驗數(shù)據(jù)對大多數(shù)組分性質(zhì)都是適用的。另外,所有的巖心屬性 (孔隙度、滲透率和相對滲透率)在多次接觸混相驅(qū)替前都經(jīng)過了實驗測量。相對滲透率是利用三種組分的平衡混合物在四種界面張力條件下測量出來的,范圍在24.2～0.03 mN/m。不論是組分模型還是相模型的采收率都在實驗過程中記錄下來,并與模擬器預(yù)測結(jié)果進行比較。

2 實驗建立

2.1 巖心設(shè)計與結(jié)構(gòu)

玻璃珠人造巖心是由封口的25 cm×10 cm× 0.6 cm長方形有機玻璃體構(gòu)建而成,填充了11級小玻璃珠 (160～200μm)。透明有機玻璃材質(zhì)具有非常好的光學(xué)性質(zhì),可以觀察到模型內(nèi)部流體流動狀態(tài)。圖1給出了實驗系統(tǒng)的立體效果圖。

巖心均質(zhì)性的檢測采用在巖心中令M=1進行混相驅(qū)替 (未染色水驅(qū)替染色水)?？梢郧逦乜吹狡渚€形驅(qū)替前緣。巖心孔隙度和滲透率分別測量為38%和10 D。

2.2 流體系統(tǒng)

本研究中使用了環(huán)乙烯 (C)、異丙醇 (IPA)與水 (W)的混合物。這種三組分兩相流體系統(tǒng)在外界條件下存在一個上臨界點,并在平衡狀態(tài)下形成兩種液相 (圖2)。表1給出了實驗得出的在外界條件下兩相環(huán)乙烯、異丙醇與水 (CIPAW)三組分系統(tǒng)的相組成。

圖1 用于玻璃珠人造巖心實驗的有機玻璃盒透視圖

圖2 異丙醇-水-環(huán)乙烯平衡三元狀態(tài)圖

表1 a 流動實驗應(yīng)用的混合組成

表1 b 圖2中標記線上平衡狀態(tài)下異丙醇、水、環(huán)乙烯的濃度

實驗實現(xiàn)了多次接觸混相驅(qū)替,包括凝析氣驅(qū)和蒸發(fā)氣驅(qū)。凝析氣驅(qū)出的被驅(qū)流體,即所謂的“油”,其成分為24%的異丙醇和76%的水以及驅(qū)替液;而所謂的“氣”,由70%的異丙醇和30%的環(huán)乙烯組成。此驅(qū)替初始黏度比為1.9。蒸發(fā)氣驅(qū)驅(qū)替出的“油”其構(gòu)成為65%的異丙醇和35%的水,其驅(qū)替相“氣”由18%的異丙醇和82%的環(huán)乙烯構(gòu)成。此流體組合初始黏度比為2.1。無論哪種驅(qū)替方式,“氣”相中都沒有水組分,因此水組分的采收率可以用來衡量“油”的采收效率。

表1 c 6種混合各相的密度、黏度及界面張力

2.3 相對滲透率測量

為確定排驅(qū)相對滲透率與流體成分的函數(shù)關(guān)系,在玻璃珠人造巖心中使用四組不同的兩相流體(混合物1、2、4及6,見表1)進行驅(qū)替,從完全不互溶 (界面張力為24.2 mN/m)到接近互溶(界面張力為0.03 mN/m)。

油相與氣相首先處于預(yù)平衡狀態(tài),在進行驅(qū)替實驗之前才進行分離。穿過玻璃珠人造巖心的壓力降與排量 (總量與相體積)都記錄為時間函數(shù)。驅(qū)替過程一直持續(xù)到再沒有原油產(chǎn)出,即已達到殘余油飽和度。接下來,端點有效氣滲透率也確定下來。在進行新驅(qū)替實驗之前,巖心依次用蒸餾水和酒精清洗干凈,并用氣流穿過其中進行干燥處理。用巖心質(zhì)量來追蹤干燥過程。

分相流動直接用各相體積測量值計算。相對滲透率使用JBN方法確定,依照如下假定:不可壓縮流體、一維、等溫流動、非互溶相及可忽略的毛細管效應(yīng)。端點有效滲透率單獨用于證明JBN計算。

圖3比較了相對滲透率與界面張力的函數(shù)關(guān)系。對飽和度進行規(guī)一化以消除驅(qū)替初始條件的影響。規(guī)一化飽和度(Sg＊)定義如下:

式中,Sgi為初始含氣飽和度;Sor為殘余油飽和度。

排驅(qū)相對滲透率曲線在接近臨界點時表現(xiàn)出對界面張力明顯的依賴關(guān)系。氣相相對滲透率隨著界面張力從24.2 mN/m降至0.03 mN/m而逐漸增大,當(dāng)界面張力非常低時接近于一條直線;相比之下,油相相對滲透率隨界面張力變化幅度較小,不過,當(dāng)界面張力非常低時也接近于一條直線。

圖3 不同界面張力對應(yīng)的排驅(qū)相對滲透率曲線

2.4 計量方法

在所有的實驗中,氣相都用Waxolene藍色活性蛋白油溶性染料上色,其質(zhì)量濃度僅為0.01%。驅(qū)替前緣的移動同時用拍照和連續(xù)錄像兩種方式記錄。

對流出物進行收集和分析來跟蹤采收過程演變規(guī)律。在非混相驅(qū)替中確定了相對滲透率,流出物體積使用流體分離器與量筒測量。在多次接觸混相驅(qū)替過程中,使用了由Washburn提出的方法,用折射率確定氣相和油相中異丙醇的濃度。在凝析氣驅(qū)和蒸發(fā)氣驅(qū)中,發(fā)現(xiàn)流出物并非出于平衡,生產(chǎn)后仍存在兩相物質(zhì)傳遞。因此,對瞬時油和氣的體積,以及平衡后幾個小時后的體積都進行了測量和比較。由此開始,將第一批數(shù)據(jù)稱作“預(yù)平衡”體積,而第二批數(shù)據(jù)稱作“平衡”體積。

3 數(shù)模建立

3.1 流體系統(tǒng)的特征

本研究中應(yīng)用的是商業(yè)模擬器的組分模式。圖4表明模擬與實驗相圖表數(shù)據(jù)是基本吻合的。從圖中可以看出模擬數(shù)據(jù)在臨界點附近與實驗數(shù)據(jù)有所偏離。除此之外,模擬再現(xiàn)的兩相特性與相組成成分都是令人滿意的。除了臨界點附近,驅(qū)替相與被驅(qū)替相黏度都得到了較好的預(yù)測。預(yù)測相組成成分與黏度的偏差均在實驗數(shù)據(jù)誤差帶之內(nèi)。

3.2 流動模擬模型

圖4 異丙醇-水-環(huán)乙烯平衡三元狀態(tài)圖 (實驗與模擬數(shù)據(jù))

圖5 比較Coats關(guān)系預(yù)測與實驗測量的排驅(qū)相對滲透率,Coats關(guān)系n=8,實驗確定的IFT=24.2 mN/m的混合的相對滲透率: (a)混合2:IFT=6.9 mN/m;(b)混合4:IFT=0.6 mN/m; (c)混合6:IFT=0.03 mN/m

所有模擬應(yīng)用的是一個二維、水平的100×50網(wǎng)格塊組成的網(wǎng)格。網(wǎng)格精細研究表明此數(shù)目網(wǎng)格塊模擬結(jié)果達到收斂。注入和產(chǎn)出模擬為入口定義1口注入井以恒定注入量持續(xù)注入,而在出口定義1口生產(chǎn)井以恒定大氣壓力產(chǎn)出。2口井均在y方向50個網(wǎng)格內(nèi)完井。用Soave-Redlich-KwongEOS做相平衡預(yù)測,Lohrenz相關(guān)性預(yù)測黏度, Macleod&Sugden相關(guān)性預(yù)測界面張力。相對滲透率隨界面張力變化模擬利用Coats首次提出的公式。實驗發(fā)現(xiàn),當(dāng)界面張力分別取值6.9、0.6與0.03 mN/m時,氣相、油相相對滲透率借助Coats可調(diào)參量n=8,得到了非常好的預(yù)測結(jié)果 (圖5)。

4 結(jié)果與討論

4.1 凝析氣驅(qū)油

在此驅(qū)替過程中,異丙醇從驅(qū)替氣中凝析到油相,使油變輕。平衡氣比油更易流動,所以它迅速向前移動,被新注入的氣所驅(qū)替,同時新注入氣中又有更多的異丙醇析出,使油質(zhì)更輕。這種情況一直持續(xù)到原油足夠輕,可以完全與注入氣混合,此時異丙醇濃度達到56%(根據(jù)體積計算)。

圖6給出了模擬器預(yù)測到的各組分摩爾分數(shù)縱剖面,以及在不同時間階段 (0.2 h、0.33 h、0.5 h)油相、氣相在玻璃珠人造巖心模型中的黏度和界面張力。如凝析氣驅(qū)所預(yù)計 (如油氣黏度和界面張力收斂趨向于零所表明),其混合發(fā)生在驅(qū)替過程中兩相過渡帶后緣。由圖6a和圖6b可知,從玻璃珠人造巖心模型入口測量,混合區(qū)前緣從0.2 h的4.9 cm開始推進,推進到0.33 h與0.5 h的和17.4 cm。圖6c和圖6d分別給出了0.33 h時間點上流體和蒸汽的摩爾分數(shù)剖面。在0.33 h點比較異丙醇、水和環(huán)乙烯組分與同一時間點黏度和界面張力的剖面可以看出,當(dāng)氣相與油相黏度相似時并且界面張力為零 (即已混合)時,異丙醇摩爾分數(shù)超過56%。

圖7顯示了實驗與預(yù)測驅(qū)替模式具備較好的一致性。如圖所示無需說明驅(qū)替是穩(wěn)定的。圖8a比較了實驗獲得的平衡后采收率與模擬預(yù)測 (當(dāng)然,假定每個網(wǎng)格都達到瞬間平衡)的采收率。圖中也可看出Coats相關(guān)指數(shù)n不同取值對模擬結(jié)果敏感度的影響。所謂相關(guān)指數(shù)即相對滲透率與界面張力函數(shù)關(guān)系。圖8比較了實驗獲得的達到平衡前后含氣率與模擬器得到的含氣率。

可以看出,模擬器預(yù)測驅(qū)替的形狀與運動狀態(tài)效果很好,但當(dāng)使用最佳擬合 (Coats相對滲透率相關(guān)指數(shù)n=8)預(yù)測采收率時效果稍遜一籌。在n=10時采收率符合情況有所改觀,但犧牲了對突破時的預(yù)測效果 (圖8b)。將n增加到10導(dǎo)致界面張力對相對滲透率的影響降低,并且在改變界面張力值時氣相相對滲透率和實驗吻合得更好。將n降低到5時增加了界面張力對相對滲透率的影響,并獲得與實驗油相相對滲透率更好的吻合。當(dāng)考慮平衡狀態(tài)原油采收率時,模擬與實驗符合達到最佳。

圖6 不同時間點凝析氣驅(qū)預(yù)測的玻璃珠人造巖心中的剖面:(a)時間點0.2 h、0.33 h、0.5 h的黏度; (b)時間點0.2 h、0.33 h、0.5 h的界面張力;(c)0.33 h時間點上異丙醇、水、環(huán)乙烯在油相中的摩爾分數(shù);(d)0.33 h時間點上異丙醇、水、環(huán)乙烯在氣相中的摩爾分數(shù)

圖7 凝析氣驅(qū)注入不同PV時實驗 (左圖)與模擬 (右圖)驅(qū)替前緣,圖中藍色的氣正驅(qū)替實驗中澄清的油,及模擬中紅色的油

圖8同時還顯示了觀察平衡前后含氣率有顯著差別。在氣突破的瞬間,“預(yù)平衡”含氣率要高于“平衡”含氣率,也就是說,“油”相體積在平衡后有所增加,正好和凝析氣驅(qū)替實事相吻合,即“氣”相中的組分凝析到“油”相中。大約 1.2 PVI(注入孔隙體積倍數(shù))后,“預(yù)平衡”含氣率下降到低于“平衡”含氣率,表明驅(qū)替后期平衡后存在氣體積的凈增長。

圖8 模擬與實驗比較

4.2 蒸發(fā)氣驅(qū)油

在蒸發(fā)氣驅(qū)中,當(dāng)氣進入到油中與其接觸,異丙醇從油中游離出來進入到氣中使氣變重。如前面所說,平衡氣比油更易流動,因此它在前面移動接觸新的油相并使其游離出更多異丙醇,使氣變得更重。這種狀況一直持續(xù)到油中異丙醇濃度達到56%(體積),氣足夠重可與油混合。蒸發(fā)氣驅(qū)油的混合過程發(fā)生在兩相過渡區(qū)前緣。實驗與預(yù)測驅(qū)替模式具備較好的一致性。和凝析氣驅(qū)油實驗一樣,模擬器預(yù)測驅(qū)替的形狀與運動狀態(tài)效果很好,但當(dāng)使用最佳擬合n=8表示Coats相對滲透率相關(guān)時,預(yù)測采收率效果稍遜一籌。同樣,采收率符合情況在n=10時有所改觀,但犧牲了對突破的預(yù)測效果。當(dāng)考慮平衡狀態(tài)油采收率時模擬與實驗達到最佳。注入大約2.6 PV可采出全部的原油儲量。注入1 PVI時可以產(chǎn)出原油儲量的90%,其驅(qū)替效率非常高。突破采收率 (79%)高出凝析氣驅(qū)觀測到的采收率。但是,突破之后,凝析氣驅(qū)注入更有效,因為只注入2 PV便可產(chǎn)出全部的原始原油儲量。

仔細觀察圖9發(fā)現(xiàn),對凝析氣驅(qū)模擬器能夠正確地預(yù)測出氣突破。而在蒸汽驅(qū)中,模擬器預(yù)測“預(yù)平衡”與“平衡”含氣率匹配得很好直到含氣率達到90%。接下來,模擬器預(yù)測含氣率迅速達到100%,然而實驗觀測真實結(jié)果是直到2.6 PVI時含氣率才達到100%?！邦A(yù)平衡”與“平衡”含氣率在1.3～1.8 PVI之間有很小的差別,但它比凝析氣驅(qū)時觀測到的差別小很多。如蒸發(fā)氣驅(qū)所預(yù)期,含氣率平衡后大于平衡前。

圖9 模擬與實驗比較

5 討論

模擬器無法預(yù)測采收率或是含氣率走向,無論是凝析驅(qū)替還是蒸發(fā)氣驅(qū)替。由于玻璃珠人造巖心為均質(zhì)并且流體性能完善,這些都表明無論是在流體模擬方式 (相對滲透率作為界面張力函數(shù)的參數(shù)法)還是相間物質(zhì)傳遞描述都存在問題。圖10a和圖10b比較了利用Coats相關(guān)式計算出的相對滲透率預(yù)測的含氣率與實驗觀測“預(yù)平衡”流體在界面張力分別取值6.9 mN/m和0.6 mN/m時兩種非混合驅(qū)替的含氣率,可以看到兩者吻合得很好。這說明多次接觸混相驅(qū)油模擬和實驗差別的根本原因在于模擬器模擬相間質(zhì)量傳遞方式,尤其是對每個網(wǎng)格塊相間瞬間平衡的假設(shè)。通過實驗很清楚地了解到產(chǎn)生的流體并非處于平衡狀態(tài),同理反過來表明巖心內(nèi) (20 cm×10 cm×0.5 cm)的流體也不在平衡狀態(tài)。由此可以推測,當(dāng)?shù)湫途W(wǎng)格塊達到幾百米長、若干米厚時,多次接觸混相驅(qū)替油藏數(shù)值模擬將需要更加深入的研究。

圖10 比較模擬中利用Coats關(guān)系預(yù)測的相對滲透率計算出的含氣率與實驗觀測到的含氣率:(a)界面張力為6.9 mN/m時的驅(qū)替;(b)界面張力為0.6 mN/m時的驅(qū)替

6 結(jié)論

采用均質(zhì)玻璃珠人造巖心,利用在常溫常壓下存在上臨界點的三元 (環(huán)乙烯、異丙醇與水)液態(tài)體系實現(xiàn)了多次接觸混相驅(qū)替。通過一款商業(yè)組分模擬器預(yù)測了該實驗結(jié)果。研究主要結(jié)果如下:

◇多次接觸混相實驗產(chǎn)出的流體非平衡。

◇無論是蒸發(fā)氣還是凝析氣混相驅(qū)油,組分模擬傾向于過高預(yù)計原油采收率,大約高出6%。進一步研究表明這種誤差存在于模擬程序假定各相一直處于平衡狀態(tài)。在凝析氣驅(qū)中,組分模擬預(yù)測“預(yù)平衡”含“氣”率高出10%,而在蒸發(fā)氣驅(qū)中含“氣”率高出5%。

要弄清導(dǎo)致非平衡的過程需要做更多的工作,深入研究這些誤差可能對油田規(guī)模模擬造成的影響。

資料來源于美國《SPE 92887》

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.9.010

2009-03-30)