編譯:雷欣慧 常素林 (西安石油大學(xué))

審校:張冬冬 (西安石油大學(xué))

氣-油重力泄油提高采收率中的比例和敏感性分析

編譯:雷欣慧 常素林 (西安石油大學(xué))

審校:張冬冬 (西安石油大學(xué))

油藏的采收率是由黏度、毛管力、重力、注氣速度、產(chǎn)油量、油氣密度差、油氣相對滲透率、油的黏度和其他控制參數(shù)決定的。對這些參數(shù)的風(fēng)險(xiǎn)分析能夠確定它們在重力泄油提高采收率 (EOR)過程中的相對優(yōu)勢。對不同控制參數(shù)相互作用的分析是通過控制驅(qū)替進(jìn)程的比例組合來進(jìn)行的。研究了這些定標(biāo)組間的函數(shù)關(guān)系,以及它們對混相氣驅(qū)重力泄油 EOR的影響,評估各比例組綜合作用對油藏采收率的影響。通過油藏?cái)?shù)值模擬分析展現(xiàn)各個(gè)無量綱比例組的有效組合對重力泄油 EOR的作用。

采收率 注氣采油 無量綱分析 儲層敏感性

1 氣-油重力泄油 EOR

重力泄油是一個(gè)重力作為主要?jiǎng)恿?同時(shí)氣體進(jìn)入孔隙并占據(jù)一定體積的過程。氣-油重力泄油主要受注入氣體和原始油藏流體密度差的影響。密度差越大,重力分離作用越有效,所以油在重力作用下下降。注氣的方法基于重力泄油機(jī)理,氣體通過定位在油藏頂部的垂直井或水平井被注入到生產(chǎn)區(qū)頂部。注入氣分離形成一個(gè)氣-油界面,然后界面被慢慢地向產(chǎn)層底部同時(shí)生產(chǎn)的水平井驅(qū)替。在這個(gè)過程中注入氣和采出油體積是嚴(yán)格平衡的,因此整個(gè)油藏系統(tǒng)仍以重力分離的方式生產(chǎn)。這一過程稱為氣體輔助重力泄油提高采收率 (GA GDEOR)。

GAGD-EOR可以按照氣體注入方式 (水驅(qū)之后的二次采油和三次采油)、地質(zhì)構(gòu)造類型 (塔礁油藏、傾斜和水平儲層)、氣體注入壓力 (低于或高于最混相壓力)、注入氣體類型 (CO2、空氣、氮?dú)獾?進(jìn)行分類,或者依據(jù) Schechter和 Guo(1996)提出的驅(qū)油機(jī)理 (重力泄油、重力穩(wěn)定低速注氣、自然重力泄油)來分類。

實(shí)際上提高采收率的重力泄油機(jī)理能夠在油藏生產(chǎn)的任一階段通過一個(gè)或多個(gè)方法來實(shí)現(xiàn)(Lewis,1944)。理想條件下開采油藏是通過注氣。將油藏壓力控制在油藏泡點(diǎn)壓力之上,或者是在氣頂中部分注氣的同時(shí)通過控制注氣速度和產(chǎn)量來實(shí)現(xiàn)。注氣井及生產(chǎn)井壓力的控制要貫穿在整個(gè)驅(qū)油過程中?？梢酝ㄟ^油藏中的重力分離和重力泄油作用來獲得較高的原油采收率。

基于實(shí)驗(yàn)研究或GAGD-EOR數(shù)值模擬得到的實(shí)驗(yàn)室結(jié)果,通過比例換算方法之后將在油藏現(xiàn)場工作中使用 (Gharbi,2002)。如果用這種方法分析,可以得到多相參數(shù)對重力泄油原油采收率的綜合作用;這一結(jié)果可以用來評估油田規(guī)模提高采收率情況。本文通過量綱分析進(jìn)行了比例研究,可以在油田規(guī)模范圍內(nèi)實(shí)施 GAGD-EOR;作業(yè)參數(shù)在整個(gè)數(shù)值范圍上有規(guī)律地變化。

2 氣-油重力泄油 EOR過程

特定油藏巖心樣品驅(qū)替實(shí)驗(yàn)的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ绞菧y試最適合油藏的原油驅(qū)替方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果不能直接應(yīng)用,取決于油田規(guī)模。然而如果這些結(jié)果是以比例組合的形式給出的,那么它因與油田規(guī)模的聯(lián)系可直接實(shí)施。比例計(jì)算是通過一種規(guī)模 (小規(guī)模的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn))得到的結(jié)果應(yīng)用到另一種規(guī)模 (較大規(guī)模)上的一個(gè)過程。它定義了被稱為無量綱數(shù)據(jù)的無量綱組合,形成了不同規(guī)模間對比的基準(zhǔn)。任何比例規(guī)律或組成無量綱比例組的模型都可以通過無量綱分析和目測分析得到。如今比例模型的發(fā)展給通過單一參數(shù)對油田最終采收率影響的分析提供了更有現(xiàn)實(shí)意義的方法。

無量綱分析是基于對油藏采收率有影響的變量的相關(guān)知識來進(jìn)行的。無量綱分析中不需要過程描述方程,是實(shí)驗(yàn)室中模擬類似油藏規(guī)模的多相進(jìn)程的高效的比例計(jì)算工具。研究了一些可變因素的綜合影響而不是在組合中獨(dú)立研究各個(gè)變量的影響。

孔隙介質(zhì)中多相流比例換算很早就應(yīng)用于混相驅(qū)和非混相驅(qū)EOR進(jìn)程的研究中。2006年 Kulkarni和Rao基于非混相或近混相氣體輔助重力泄油的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和油田數(shù)據(jù)給出了無量綱組合對最終采收率的影響。

本文中 GAGD-EOR方法第一次通過無量綱比例組合進(jìn)行定標(biāo),特別是使用了相應(yīng)井中氣體注入壓力和生產(chǎn)壓力,以及與注入井和生產(chǎn)井間的壓力差有關(guān)的重力數(shù)。使用PALISADE’s@RISK軟件進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析,確定了 GA GDP-EOR方法中的主導(dǎo)參數(shù)。由于缺少實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),使用 IMEX模擬軟件生成參數(shù)數(shù)據(jù),然后使用無量綱組合通過改變它們的數(shù)值來研究參數(shù)的敏感性。改變參數(shù)值使最終的無量綱組合值保持恒定以驗(yàn)證 GAGD-EOR方法的有效性。

3 無量綱比例組合:GA GD-EOR

在本次研究中,對重力泄油機(jī)理提高采收率的研究是通過在無傾角的水平油藏中注入不互溶氣體來完成的。由于 GAGD-EOR方法是一個(gè)自上而下的油氣分離過程,所以垂向滲透率高的油藏作為候選油藏。由于這種開采方法是依靠重力驅(qū)動(dòng),所以比例換算中無量綱組合成為對重力 (密度)影響非常重要的因素。另外注入井和生產(chǎn)井的壓力在整個(gè)GA GD-EOR注氣過程中都要保持穩(wěn)定。其他重要參數(shù)包括所有相態(tài) (油、氣、水)的相對流度和黏度、水和氣的殘余油飽和度?？紤]與 GAGD-EOR方法有關(guān)的影響因素,通過無量綱分析得到比例組合。

以前在傾斜油藏的研究中采用精確的目測分析步驟來產(chǎn)生無量綱比例組合,而在本研究中這些比例組合經(jīng)改進(jìn)可用來指導(dǎo)水平油藏的敏感性分析。重力數(shù) (重力與黏滯力之比)的二次水驅(qū)與注水速率有關(guān)。考慮到 GAGD-EOR過程要求穩(wěn)定的注入井和生產(chǎn)井壓力條件、注入劑 (CO2)的高壓縮性,重力數(shù)經(jīng)過改良后用于水平油藏。為了更好地量化油藏采收率,研究時(shí)將飽和度組合加入到比例組合之中。以下10個(gè)無量綱組合用于GAGD-EOR過程中的比例計(jì)算:有效縱橫比

地層傾角

水油流度比

CO2-油流度比

重力數(shù) (基于注氣速率)

重力數(shù) (基于注氣壓力和生產(chǎn)壓力)

注入壓力組合

生產(chǎn)壓力組合

水油系統(tǒng)殘余油飽和度

氣油系統(tǒng)殘余油飽和度

應(yīng)用無量綱采收率 (RD)與無量綱時(shí)間 (tD)關(guān)系曲線分析了 GA GD-EOR作業(yè)性能。無量綱采收率是在GAGD-EOR階段注氣開始之前的原油采出量。改變相關(guān)參數(shù)值使最終無量綱組的值保持恒定,使用海洋地質(zhì)學(xué)委員會的IMEX模擬軟件對無量綱組的敏感性變化進(jìn)行了研究。如果與無量綱時(shí)間相關(guān)的最終無量綱采收率以累積注氣量和孔隙體積的比值形式給出,再與考慮條件相匹配,那么無量綱比例組合就可以按照比例充分地應(yīng)用到GAGD-EOR過程中來。

4 作業(yè)參數(shù)風(fēng)險(xiǎn)分析

氣-油重力泄油提高采收率過程中對作業(yè)參數(shù)作用的排序是通過PALISADE’s@RISK軟件來實(shí)現(xiàn)的?；谠摲椒ǖ南嚓P(guān)式的應(yīng)用也出于該目的。相關(guān)式中選擇了三個(gè)無量綱組合,是重力數(shù)(Ng)、水油流度比 (Mwo)和氣油流度比(Mgo)。

Monte Carlo數(shù)值模擬首次通過應(yīng)用@RISK軟件執(zhí)行各個(gè)獨(dú)立分量,然后累積到所有組合。風(fēng)險(xiǎn)分析的結(jié)果顯示,重力數(shù)、垂向滲透率對緊隨注入的CO2和原油密度之差的重力數(shù)影響最大。這與GAGD-EOR過程中的影響是一樣的,因?yàn)閮釉捅幌蛳买?qū)替到產(chǎn)層底部的水平生產(chǎn)井中,所以儲層間良好的垂向連通是一個(gè)必要條件。同時(shí)儲層原油和注入流體的密度差越大,重力分離作用的效果越明顯,重力泄油的驅(qū)替效果越好。流體總的表面流速 (uT)和末端原油流度 (λro)隨著垂向滲透率和密度差的變化而變化。流體總的表面流速轉(zhuǎn)化為黏滯力,這一黏滯力反過來削弱重力的作用。

在無傾角地層油藏中應(yīng)用 GAGD-EOR時(shí)要保持垂向滲透率為定值。由于非混相氣體的注入,注入流體和地層原油之間的密度差也有輕微的變化,所以這些因素作為確定性參數(shù) (常數(shù))來對待。另外的重要參數(shù) (流體總表面流速和油的末端流度比)在敏感性研究中則被當(dāng)作可變參數(shù)來對待。

與流度比相比 (Mwo和 Mgo),原油黏度是最重要的參數(shù)。流度比與原油黏度的變化成比例,所以在注氣 (CO2)采油中它的降低對提高采收率十分有利。而油和水的相對滲透率則被認(rèn)為是水油流度比影響的第二個(gè)重要的因素。同時(shí)對于氣油流度比來說,氣體黏度則被視為第二重要影響因素。

5 GA GD-EOR敏感性分析

在敏感性分析中計(jì)算出 GAGD-EOR過程的每個(gè)比例組合。利用油藏?cái)?shù)值模擬得到的每個(gè)獨(dú)立變化的組合數(shù)據(jù),可以得到在任何情況下無量綱時(shí)間(tD)內(nèi)以分?jǐn)?shù)形式表示的無量綱采收率 (RD)。無量綱采收率 (RD)是注入CO2后的可采出原油占地質(zhì)儲量的百分?jǐn)?shù),同樣無量綱時(shí)間 (tD)是累積注入CO2的體積占孔隙體積的百分?jǐn)?shù)。在所有的敏感性分析中,表1中的第二種情況在保持其他比例組合為常數(shù)的條件下作為比例組合中參數(shù)值變化的基礎(chǔ)。

5.1 重力數(shù)組合

深度、高度、油藏垂向滲透率、相對滲透率和原油黏度、原油和注入氣體密度差、流體總的表面流速組成了重力數(shù),它是基于恒定的注氣速度得到的。這些參數(shù)的風(fēng)險(xiǎn)分析表明,在垂向滲透率和注入氣體與原油的密度差恒定的情況下表面流速是影響重力數(shù)最重要的一個(gè)因素。如表1所示,所以在重力數(shù)敏感性研究中進(jìn)行IMEX模擬要與總的平均表面流速相適應(yīng)。圖1a給出流體總的表面流速與無量綱采收率的變化關(guān)系,表面流速隨著注氣速度的增大而增大;而對于一個(gè)特定的注入速度,它則是逐漸地增加到接近穩(wěn)定的重力數(shù),如圖1b。隨著注氣前端向井眼中運(yùn)移,表面速度以更高的速度增加。重力數(shù)進(jìn)一步下降,與表面速度的變化相對應(yīng)。在氣侵后重力數(shù)陡增,隨著后續(xù)的注氣速度的增加,觀察到重力數(shù)降低。這些結(jié)果表明,重力數(shù)與表面速度 (氣體注入速率)的變化敏感,與對重力數(shù)的風(fēng)險(xiǎn)分析一致。重力泄油提高采收率各方面的分析是通過繪制無量綱采收率和無量綱時(shí)間的關(guān)系曲線來完成的 (圖2a)。低重力數(shù)時(shí)獲得高無量綱采收率 (情況1);高重力數(shù)時(shí)獲得低的原油采收率 (情況3)。這表明無量綱采收率與重力數(shù)成反比。在所有情況下,由于重力泄油機(jī)理占主導(dǎo)使得重力數(shù)的變化并不十分重要。

表1 GAGD-EOR過程中的敏感性分析的多相作業(yè)參數(shù)(一個(gè)比例組合值改變,而其他組合值保持不變)

GAGD-EOR原油開采是基于注氣速度恒定和原油生產(chǎn)壓力不變進(jìn)行的,因此基于這些參數(shù)的重力數(shù)是通過注氣速度和生產(chǎn)壓力限制的反轉(zhuǎn)得到的。描述由黏滯力導(dǎo)致的油藏各部分間的差異項(xiàng)(uT、L/kv、λ)由注氣井和生產(chǎn)井之間的壓差(Pinj-Pprod)所代替。同時(shí) 3個(gè)基于重力數(shù)為17000、11600、8200的壓力油藏模型建立起來。圖2b描述了這些油藏模型中無量綱采收率的情況。與重力數(shù)相關(guān)的壓力產(chǎn)生了非常相似的無量綱GAGD-EOR特性。

5.2 壓力組合

使用了注入井壓力和生產(chǎn)井壓力的三個(gè)組合同時(shí)保持其他比例組合為定值 (第二種情況的組合列于表2)。這些組合分別是2800 psia(1 psi=6.895 kPa)和2650 psia,2750 psia和2550 psia,以及2700 psia和2450 psia;它們各自無量綱組合的計(jì)算結(jié)果顯示,注入壓力和生產(chǎn)壓力組合越高,得到的采收率越低。經(jīng)過7年的比較,發(fā)現(xiàn)壓力組合越低,原油采收率降低得越快,氣侵以后采收率曲線變得比較平緩。所以在GA GD-EOR過程中原油的驅(qū)替量與注氣井和生產(chǎn)井的壓力,也就是注入井和生產(chǎn)井的壓力組合成反比。

圖1 總的表面流速和重力數(shù) (Ng)與無量綱采收率的關(guān)系

圖2 GAGD-EOR過程中的無量綱采收率與無量綱時(shí)間的關(guān)系曲線 (a)注氣速率重力數(shù) (b)壓力基重力數(shù)

5.3 無量綱比例組合的驗(yàn)證

在所有的敏感性分析中,無量綱比例組合和非混相GA GD-EOR特性的函數(shù)關(guān)系通過IMEX模擬器進(jìn)行數(shù)值模擬后繪成圖。如今通過比例組合得到的無量綱采收率的結(jié)果需要和其有效性相匹配。為了達(dá)到這一效果,組成無量綱有效組合的參數(shù)改變以保證所有比例組合的最終結(jié)果是恒定不變的。如果擁有相同無量綱比例的模擬油藏的無量綱采收率在任何時(shí)間都是相當(dāng)接近的,那么這些比例組合將可以在油田規(guī)模內(nèi)應(yīng)用于 GAGD-EOR。

研究結(jié)果表明,三個(gè)模擬油藏產(chǎn)生的無量綱采收率數(shù)據(jù)經(jīng)過調(diào)查都是正確的?？梢钥闯鲈贑O2突破之前它們彼此之間很接近,只有10%～12%的差距。這一結(jié)果表明無量綱特性結(jié)果是可以再生的。它們與規(guī)模無關(guān),所以任何有著相同結(jié)果的無量綱組合的油藏,它們的最終采收率也是相同的。所以本次研究中采用無量綱組合分析得到的結(jié)果對GAGD-EOR應(yīng)用是十分充分的。

三個(gè)油藏模型得到的非常相近的結(jié)果表明,研究中的比例組合可以用于 GAGD-EOR過程。

6 結(jié)論

本次研究中,GAGD-EOR過程與基于壓力的重力數(shù)和水氣兩相的殘余油飽和度成比例關(guān)系。在各種限制條件和假設(shè)的前提下,得出以下結(jié)論:

◇水油兩相的殘余油飽和度的微小變化將對GAGD原油采收率產(chǎn)生重要影響;

◇通過無量綱組合進(jìn)行的無量綱原油采收率研究表明,基于壓力的重力數(shù)與基于注氣速度的重力數(shù)相比,前者更適合GAGD-EOR的應(yīng)用;

◇研究中采用的比例組合有效性分析表明,這些組合適合 GAGD-EOR的應(yīng)用,特別是應(yīng)用于無傾角水平油藏。

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.3.002

資料來源于美國《SPE 115065》

2009-03-31)