張子玉馮鼎馮耀忠

（1.勝利油田分公司臨盤采油廠；2.勝利油田分公司純梁采油廠）

降低油田開發(fā)能耗的提高采收率新工藝

張子玉1馮鼎2馮耀忠

（1.勝利油田分公司臨盤采油廠；2.勝利油田分公司純梁采油廠）

為了推動節(jié)能減排和提高采油的經(jīng)濟效益，開發(fā)成功了一種評價油田注水開發(fā)期間不可逆能耗的數(shù)學(xué)模型。用該模型評價了油藏開發(fā)能耗：驅(qū)動原油沿地層運移的有用功和水沿地層運移的無用功；分析了水動力、物理化學(xué)提高采收率方法，注聚合物分散系統(tǒng)和限制油井水流等工藝的礦場應(yīng)用效果。結(jié)果表明，堵水限制水沿地層滲濾和水流入井是降低油田開發(fā)時不可逆能耗的基礎(chǔ)。采用聚合物分散系統(tǒng)可提高地層注水波及率和原油采收率。堵水限制水洗帶的水運移，提高了注水波及率，是一種高效節(jié)能的提高采收率工藝。

油田開發(fā) 能耗 數(shù)學(xué)模型 聚合物分散系統(tǒng) 提高采收率

油田注水是提高采收率的一種主要方法，采收率達65%~75%，但是對難采儲量進行注水開發(fā)時，其采收率會因注水波及率下降而降至30%~ 35%。對油飽和地層，強化注入水可提高油田注水開發(fā)的效果。在地層層狀非均質(zhì)條件下，最有效的工藝是非常規(guī)、點狀和選擇性注水，提高注水管線壓力和加密井網(wǎng)。但是在非均質(zhì)地層的開發(fā)晚期，所有的水動力方法均呈現(xiàn)這樣的情況：盡管向地層注入了大量的水，但因較多的能量消耗在采出少量的原油上，導(dǎo)致采油無利潤。由此可見，合理利用注入水和地層水的能量作地層注水開發(fā)時的載能體，是有效開發(fā)油田和提高采收率的主要條件。

1 評價油田開發(fā)不可逆能耗的數(shù)學(xué)模型

用注水方法開發(fā)油田與大量的能耗有關(guān)，特別是在須采出大量水的油田開發(fā)晚期。與開發(fā)初期相比，采1t原油的能耗急劇增加。為評價這一能耗，推薦以使流體沿地層運移的外力所做的功為標(biāo)準(zhǔn)。在評價任何采油工藝的效果時，均可采用該標(biāo)準(zhǔn)。

流體在孔隙介質(zhì)中運移常伴隨著能量衰減，即克服黏滯摩擦力的能量損失。整體說來，沿地層轉(zhuǎn)變?yōu)槊肯嗟臒崮艿哪芰克p量為

式中：

Qo,Qw——分別為推動原油運移入井的有用功和使水沿地層運移的無用功，它們?nèi)Q于采油工藝；流體在孔隙介質(zhì)中運移的能量衰減Q=Qo+Qw，；

μo，μw——分別為地層條件下的油、水黏度；

T——時間；

Ω——克服黏滯摩擦力的能量損失；

vo，vw——分別為油水的滲濾速度；

ko，kw——分別為油、水的相滲透率。

在完全相同的油藏開發(fā)條件下，不可逆能量損失取決于地層的滲透率和流體的滲濾速度：滲濾速度越高和滲透率越低，作的功越多。然而這一滲濾指標(biāo)又取決于采用的油藏開發(fā)方法和速度、地層的注水量，并可通過選擇適當(dāng)?shù)挠退鳂I(yè)方法來減少。

對油藏開發(fā)的要求，即井網(wǎng)密度和井位、打開地層方法、油水井作業(yè)方法和提高采收率方法等的選擇，應(yīng)保證在給定的時間內(nèi)，達到預(yù)定的采收率和使不可逆能耗最少。采用不可逆能耗數(shù)學(xué)模型，可評價包括采用不同的注水和調(diào)節(jié)含水帶滲濾阻力工藝的油藏開發(fā)方案的能耗。

2 采用水動力提高采收率方法處理地層的效果

為降低水沿地層運移的無用能耗，須增大地層的注水波及率。提高采收率方法的效果通?？捎孟铝兄笜?biāo)來評價：地層的注水波及系數(shù)Ev和地層的水驅(qū)油系數(shù)ED。

用注水調(diào)節(jié)油田開發(fā)的水動力方法是油田采用的一種主要的提高采收率方法，其作用機理是提高地層未開發(fā)區(qū)的注水波及；但當(dāng)油田含水高于80%時，其效果就會急劇下降，見表1。另外，在含水高于90%時，加密井網(wǎng)也不能使采收率提高。與大規(guī)模采用注水有關(guān)，含水層的原油儲量也快速下降。由于大量的水沿地層運移的無用損耗，水動力提高采收率方法也將無利可圖。

表1 各種地層處理方法的機理和適用的地層含水

3 物理化學(xué)提高采收率方法處理地層的效果

對礦場應(yīng)用的物理化學(xué)提高采收率方法的效果分析表明，根據(jù)它們作用于地層的機理，可將其分為如圖1所示的3個類型。借助于提高驅(qū)油介質(zhì)黏度，或地層的油水飽和帶的滲濾阻力來提高地層的注水波及范圍。

圖1 物理化學(xué)提高采收率方法的機理

目前最廣泛采用的注聚合物工藝通過提高驅(qū)油介質(zhì)黏度，即降低油水流度比，來提高驅(qū)油過程的地層波及率。此外，注聚合物也可同其他提高采收率方法結(jié)合應(yīng)用：聚合物-堿、含表面活性劑的聚合物和注熱聚合物等。

注入聚合物分散系統(tǒng)是通過提高地層水洗高滲透帶的滲濾阻力來提高注水波及率的方法。聚合物與分散巖石顆粒在孔隙介質(zhì)中相互作用生成的聚合物礦物組分，可大幅度提高地層含水帶的滲濾阻力，降低地層的滲透率非均質(zhì)性和提高地層注水波及率。它與注聚的區(qū)別在于可提高地層高滲透帶的殘余阻力系數(shù)。

對地層進行聚合物分散系統(tǒng)處理，可使液流沿地層剖面和區(qū)域再分配，使非開發(fā)小層投入開發(fā)，即提高驅(qū)油的波及率。采用該系統(tǒng)可使最終采收率提高1.5%~5%。屬于同一作用機理的還有：注入膠體-分散系統(tǒng)、纖維-分散系統(tǒng)、硅酸鹽-堿、注有機硅和高黏乳化液等，它們均可在地層條件下形成水不溶凝膠。這類工藝無須增加能量消耗，就可提高地層的注水波及率，從而可使注入1m3水的增油量最高?？赏瑫r提高注水波及率和驅(qū)油效率的組合工藝有：注入酸-堿溶液、聚合物分散系統(tǒng)和表面活性劑、聚合物分散系統(tǒng)+堿、聚合物分散系統(tǒng)+溶劑等。

俄羅斯韃靼石油公司的油田，2001年采用提高采收率方法的增油量為4.06×106t，占其全年產(chǎn)油量的16.5%。其中的3.68×106t是用物理化學(xué)提高采收率方法采出的。

4 聚合物分散系統(tǒng)的地層注水?dāng)?shù)學(xué)模型

該方法的實質(zhì)是向地層注入低濃度的聚丙烯酰胺溶液和含分散顆粒的水。將它們注入地層含水帶形成的聚合物礦物組分可降低地層的非均質(zhì)性。地層水洗帶的傳導(dǎo)性降低，就可限制水在地層中的運移，降低水沿地層運移的無用能耗，提高采出液含油。在俄羅斯西西伯利亞大規(guī)模實施了注聚合物分散系統(tǒng)，增油1.84×106t，減少產(chǎn)水118.3×106t。在烏拉爾-波沃爾日葉油田，該指標(biāo)分別為3.23× 106t和84.1×106t。

下面進行注聚合物分散系統(tǒng)的地層模擬。采用兩層互相滲濾的連續(xù)孔隙介質(zhì)，其中一層與運動流體有關(guān)，另一層是非運動流體。這時可分出4種組分：油、水、聚合物和顆粒。

設(shè)m1=m1（x,y,z,t）——運移相占據(jù)的部分孔隙空間；m2=m2（x,y,z,t）——非運移相占據(jù)的部分孔隙空間。并且，m1+m2=m。在第二層連續(xù)帶中單獨研究兩個體積：被堵塞的和死孔隙的部分孔隙空間；被集合體占據(jù)的部分孔隙空間m3=m3（x,y,z,t）。

在第一連續(xù)帶，保持最大接近程度的相和組分質(zhì)量的方程：

式中：

i——油或水；

j=1——聚合物，j=2——顆粒和集合體。

運移方程不僅要描述油、水和聚合物，還要描述同一液流中運移的顆粒和集合體。相運移方程采用通用達西定律形式：

μi=μi(C11,C12)——動力黏度；ki=kfi——相滲透率；k——地層絕對滲透率；fi——相對相滲透率。第二連續(xù)帶的保持最大接近程度的相和組分質(zhì)量方程：

式中：

可從運移連續(xù)相中除去的j組分的質(zhì)量，由被孔隙骨架吸附組分、流體中已轉(zhuǎn)為非運移狀態(tài)的組分和可與其他組分相互作用的組分的質(zhì)量組成。

為描述兩連續(xù)帶間的傳質(zhì)和受集合體沉淀過程制約的地層滲濾-吸收性能變化，可用孔隙按尺寸分布函數(shù)的方程：

式中：ur=C12S1w(2umD2/rL)13；參數(shù)un取決于對由不同直徑的毛細管組成的孔隙介質(zhì)模擬確定的集合體和孔隙通道尺寸。

地層滲濾吸收性能變化，可用理想孔隙介質(zhì)模型描述。第一連續(xù)帶與孔隙間的半透明度，根據(jù)下式變化：

因集合體沉積和孔隙堵塞引起的絕對滲透率變化，可用目前時刻的滲透率k1（x,y,z,t）來評價。

受孔隙空間堵塞制約的水由運移狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉沁\移狀態(tài)的強度，可由轉(zhuǎn)變?yōu)榈诙B續(xù)帶的孔隙空間分?jǐn)?shù)確定，

原油由運移狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉沁\移狀態(tài)的強度，可描述為以下形式：

聚合物轉(zhuǎn)變?yōu)榉沁\移狀態(tài)的強度：

式中：q21=?a/?t,a是被吸附的聚合物質(zhì)量，由吸附等溫曲線確定。

固體微粒轉(zhuǎn)變?yōu)榉沁\移狀態(tài)的強度：

式中：q22=?m3/?t，是集合體沉淀強度。

推薦的聚合物分散系統(tǒng)的油層注水?dāng)?shù)學(xué)模型可以預(yù)報地層處理結(jié)果，確定地層儲油性能在何處改變，它在何時和如何影響原油采收率，以及地層具體的地質(zhì)-物理條件與注水模式的關(guān)系。

根據(jù)建立的模型可計算實施或不實施聚合物分散系統(tǒng)處理，改變開發(fā)單元中心滲濾阻力的開發(fā)方案。在油井含水達98.2%前，計算的原油采收率為43.5%，這時主要的殘余儲量集中在與油井鄰近的單元邊緣的地層低滲透部分。

地層經(jīng)聚合物分散系統(tǒng)處理后，計算的單元中心的滲透率由600μm2降至30μm2。油井含水達95%前計算的原油采收率為43.5%，這時油田的開發(fā)時間縮短，剩余儲量沿地層均勻分布。

由油田注聚合物分散系統(tǒng)的結(jié)果分析可知，實施聚合物分散系統(tǒng)處理，不僅可縮短油田開發(fā)時間，并可在相同的最終采收率下，降低整個能耗的11%，這時的注水量也由1.9PV降至1.1PV；并可使兩種流體驅(qū)動的能耗再分配：用于水運移的能耗降低18.7%，用于原油運移的能耗增加21.7%，最終可縮短開發(fā)時間，達到較高的采油速度。

由此可見，對采用注聚合物分散系統(tǒng)工藝開發(fā)區(qū)域非均質(zhì)地層的模擬表明，由它形成的屏障可提高地層的注水波及率，使更多的原油儲量投入開發(fā)，并可降低油井含水，延長油田高效開發(fā)期和提高采收率。

理論和礦場研究證明，采用堵水化學(xué)劑和其他材料的物理化學(xué)提高采收率方法，限制水在地層含水帶運移是提高地層注水波及率和最終采收率的有效方法。這時原油采收率的提高是通過改變注驅(qū)油劑工藝和注水方法來實現(xiàn)的。為了開采低滲透小層、透鏡體、油水飽和區(qū)死油帶等的難采儲量，也開發(fā)出了一些根據(jù)其他處理地層機理的提高采收率方法。

提高地層的注水波及和驅(qū)油系數(shù)的物理方法，其原理是改變地層巖石結(jié)構(gòu)和地層流體的流變性。這類方法有聲波、振動、地震熱力方法、地層水力壓裂和在地層中建立電磁場等，采用這些方法可降低無用能耗和提高原油采收率。

用微生物提高采收率方法綜合處理地層時，微生物可堵塞地層水洗帶，限制水沿地層運移，微生物的生命活動產(chǎn)物還可進一步清洗原油，提高原油采收率。

5 限制油井水流的方法

為降低水沿地層運移的無用能耗，可在油井建井時通過對油層進行高質(zhì)量的注水泥分隔來實現(xiàn)。限制油井水流可采用疏水物質(zhì)處理低滲透層的近井地帶，提高其油相滲透率。

研究表明，地層水、原油和巖石組分是在地層中形成堵塞物質(zhì)，提高孔隙介質(zhì)和水滲濾裂縫滲濾阻力的潛在源。為此，在含礦化水地層中將離子聚合物水解聚丙烯腈注入地層，在地層中形成具有半透膜性能的膠狀結(jié)構(gòu)體，可增大含水層的滲濾阻力。

采用石油硫酸混合物可在地層條件下形成高黏的含酸瀝青和二水石膏，提高地層含水帶的滲濾阻力。俄羅斯各油田在地層水飽和帶采用水解聚丙烯腈和石油硫酸混合物等選擇性堵水，已成功地限制油田產(chǎn)水119×106m3，增油5.8×106t。

向含低礦化度水和淡水的地層注入聚合物分散系統(tǒng)，其中的聚合物組分具有在巖石顆粒上絮凝的性質(zhì)，可轉(zhuǎn)化為堵水物質(zhì)。采用可形成堵水物質(zhì)的油層組分是降低含水層采油不可逆能耗的發(fā)展方向。

綜上所述，在最大限度保證驅(qū)油的同時，封堵油水飽和層的水洗通道，限制驅(qū)油劑無效滲濾是提高采收率的有效方法。

6 結(jié)論

1）用開發(fā)的數(shù)學(xué)模型可評價油藏開發(fā)時的不可逆能耗。地層中的能耗是驅(qū)動原油沿地層運移的有用功和水沿地層滲濾的無用功之和，在油田開發(fā)初期驅(qū)油有用能耗超過水運移的無用能耗。

2）采用聚合物分散系統(tǒng)可提高地層的注水波及率和原油采收率，降低油井含水上升速度。

3）采用堵水劑和堵水材料限制水沿地層滲濾和水流入井是降低油田開發(fā)時不可逆能耗的基礎(chǔ)。

4）降低水沿地層運移無效能耗的能力是判斷提高采收率方法是否高效節(jié)能的標(biāo)準(zhǔn)。

[1] АШГазизов Научно-технические основы энерг осберегающихтехнологийповы-шениянефтеотдачи пластов.Нефт.Х-во，2007(3):60-64.

10.3969/j.issn.2095-1493.2012.010.002

2012-06-14）

張子玉，高級工程師，1984年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（采油工程專業(yè)），從事采油工藝的科研和管理工作，E-mail：lpzzy@163.com，地址：山東省臨邑縣門劉臨盤采油廠工藝所，253104。