付 京, 宋考平, 王美楠, 尹洪軍, 葉琬玥, 王勝男
(1. 東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院,黑龍江 大慶 163318; 2. 中海石油(中國)有限公司天津分公司渤海石油研究院,天津 塘沽 300452)
石油化工
稠油聚合物驅(qū)滲流速度及驅(qū)替效果影響因素分析
付 京1, 宋考平1, 王美楠2, 尹洪軍1, 葉琬玥1, 王勝男1
(1. 東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院,黑龍江 大慶 163318; 2. 中海石油(中國)有限公司天津分公司渤海石油研究院,天津 塘沽 300452)
考慮稠油的非牛頓特性、聚合物的粘彈性、水相滲透率的下降、不可及孔隙體積以及殘余油飽和度的降低等因素,建立并求解了稠油粘彈性聚合物驅(qū)滲流數(shù)學(xué)模型,分析了注入量及聚合物溶液的彈性對驅(qū)替速度和驅(qū)替效果的影響。結(jié)果表明:注入量一定的情況下,在聚合物溶液波及范圍內(nèi),聚合物溶液彈性越大,注采井間的速度越大,驅(qū)替效果越好;聚合物溶液彈性一定的情況下,注入量越大,注采井間的速度越大,驅(qū)替效果越好。
稠油;聚合物驅(qū);粘彈性;滲流速度
S油田屬于典型的稠油油藏,水驅(qū)采收率僅為20%,而聚合物驅(qū)作為一種重要的三次采油技術(shù),能夠有效改善油水流度比、提高注入水的波及體積和洗油效率,采收率提高潛力巨大[1-4]。因而,有必要研究聚合物在多孔介質(zhì)中的滲流特性及其對驅(qū)油效果的影響。滲流速度是聚合物溶液在地下滲流的重要表征,滲流速度的確定對于聚合物驅(qū)滲流規(guī)律的研究及聚合物驅(qū)稠油的調(diào)控具有重要作用[5-8]。為此,根據(jù)S油田常規(guī)稠油油藏的特點及聚合物的物化性質(zhì),建立了稠油粘彈性聚合物驅(qū)滲流數(shù)學(xué)模型,考慮稠油的非牛頓特性、聚合物的粘彈性、水相滲透率的下降、不可及孔隙體積以及殘余油飽和度的降低等因素,研究注入量及聚合物溶液的彈性等因素對驅(qū)替速度和驅(qū)替效果的影響,為S油田稠油粘彈性聚合物驅(qū)滲流速度的確定提供技術(shù)依據(jù)。
假設(shè):①聚合物驅(qū)為等溫驅(qū)替過程;②多相滲流滿足廣義達西定律;③流體由油水兩相組成,油相中只有油組分,水相中有水和聚合物組分;④忽略聚合物對水溶液質(zhì)量守恒的影響;⑤數(shù)學(xué)方程中不考慮組分的質(zhì)量分數(shù)而直接使用質(zhì)量濃度;⑥油水相對滲透率關(guān)系不隨水相中組分的變化而變化;⑦忽略毛管壓力和重力的影響。
1.1基本方程
基于上述假設(shè)條件、物質(zhì)守恒定律以及 Darcy定律建立了各組分的物質(zhì)平衡方程:
油組分:
水組分:
聚合物組分:
輔助方程:
初始條件:
內(nèi)邊界定產(chǎn)條件:
外邊界條件:
式中:cp為聚合物溶液濃度,mg/L;?p為聚合物吸附質(zhì)量濃度,kg/kg;Dp為聚合物溶液擴散系數(shù),s-1;fp為可及孔隙體積分數(shù),小數(shù);K為絕對滲透率,m2;Kro、Krw分別為油相和水相的相對滲透率,小數(shù);po、pw分別為油相和水相的壓力,Pa;qo、qw分別為源和匯處油水注采強度,m3/(s·m3);Rk為水相滲透率下降系數(shù),小數(shù);So、Sw分別為油和水的飽和度小數(shù),小數(shù);ρo、ρw分別為油相和水相密度,kg/m3;ρrb為巖石密度,kg/m3;μo、μwp分別為油相和水相的粘度,mPa·s;φ為孔隙度,小數(shù)。下標(biāo):i為原始,c為束縛。
1.2物化性質(zhì)的數(shù)學(xué)描述
1.2.1稠油的非牛頓特性
稠油一般是指在地層條件下粘度大于50 mPa?s的原油,其相對密度大、粘度高、流動性差,常表現(xiàn)出非牛頓特性,這里采用冪律模式來描述稠油的非牛頓特性:
式中:μo為稠油粘度,Pa·s;K為稠度系數(shù);γ˙為稠油剪切速率,s-1;n,為稠油密率指數(shù)。
1.2.2聚合物溶液的粘度
在一定的溫度條件下,聚合物溶液的零剪切粘度隨濃度的增加而大幅度上升,聚合物溶液的零剪切粘度可表示為:
式中:μp0為聚合物溶液零剪切粘度,Pa·s;μw為純水溶液粘度,Pa?s;A1,A2,A3為系數(shù)。
采用凱瑞模型描述聚合物溶液的粘彈性,則聚合物溶液粘度可表示為:
式中:μp∞為極限剪切速率粘度,Pa?s;λ為松弛時間,s;n為冪律指數(shù)。
1.2.3組分吸附滯留
組分吸附滯留是聚合物在多孔介質(zhì)中的重要物化現(xiàn)象,這里采用 Langmuir 吸附等溫來描述聚合物吸附量:
式中:?pmax為聚合物最大吸附質(zhì)量濃度,kg/kg。
1.2.4水相滲透率下降系數(shù)
由于聚合物在孔隙表面的吸附,降低了孔隙半徑,降低了水相相對滲透率,根據(jù)吸附量與滲透率下降系數(shù)之間的線性關(guān)系可得到水相滲透率下降系數(shù)為:
式中:Rmax為水相滲透率最大下降系數(shù),小數(shù)。
1.2.5與聚合物彈性有關(guān)的殘余油飽和度
聚合物除了可以增加水相粘度起到降低流度比的作用外,還具有彈性作用,可以通過拖拽、攜帶和形成穩(wěn)定“油絲”通道的方式降低殘余油飽和度,聚合物的彈性行為大小通常用法向應(yīng)力差表征。因此,可以將聚驅(qū)殘余油飽和度表征為毛管數(shù)和第一法向應(yīng)力差的函數(shù):
式中:Sor為殘余油飽和度;Sorw為低毛管數(shù)時殘余油飽和度;Sorh為高彈和高毛管數(shù)理想情況下殘余油飽和度極限值;T1為實驗參數(shù),Pa-1;T2為實驗參數(shù);Nco為毛管數(shù);σow為油水界面張力,mN/m;Np為第一法向應(yīng)力差,Pa。
利采用有限差分方法求解稠油粘彈性聚合物驅(qū)滲流數(shù)學(xué)模型(1)-(19),采用隱式求解壓力、顯式求解飽和度、顯式求解聚合物濃度的 IMPES方法。求解過程為:首先由壓力方程,從初始條件出發(fā),可求得n時刻的壓力值。在每個時間步求得壓力后,將求得的節(jié)點壓力代入飽和度方程,可求得n時刻的各節(jié)點的水相飽和度值,再把水相飽和度值代入聚合物滲流方程可得到n時刻各節(jié)點的聚合物濃度值,如此可解得不同時間步的油藏壓力、油相飽和度、水相飽和度和聚合物濃度值。
根據(jù)S油田地層參數(shù)(見表1),建立注采井距為500m的五點法注采單元模型(見圖1),研究聚合物溶液的彈性、生產(chǎn)時間及注入量等因素對稠油粘彈性聚合物驅(qū)滲流速度和驅(qū)油效果的影響。
圖1 五點法注采單元示意Fig.1 Schematic diagram of five point method injection and production unit
表1 S油田地層參數(shù)Table 1 Formation parameters of S oilfield
模型運算采用的流體參數(shù)見表2。
表2 模型流體參數(shù)Table 2 Fluid parameters of the model
2.1聚合物溶液的彈性對注采井間滲流速度分布的影響
繪制了生產(chǎn)時間為40 d時不同彈性下注采井間速滲流度分布情況,如圖2所示。由圖2可知,在注采井之間,滲流速度的分布情況是井底附近大,中間小。在聚合物溶液波及范圍內(nèi),聚合物溶液的彈性對滲流速度存在一定影響,彈性越大,注采井間速度越大。這是因為隨著聚合物溶液彈性作用的增強,聚合物以拉伸流動為主,剪切流動退居次要地位,流變特性呈脹流型,彈性作用越大,滲流速度越高。
圖2 不同彈性下注采井間速度分布Fig.2 Velocity distribution of different elastic between injection and production wells
2.2注入量對注采井間速度分布的影響
繪制了松弛時間λ為1.6 s不同注入量下注采井間滲流速度分布圖,如圖3所示。由圖3可知,隨著注入量的增加,注采井間的速度也隨之增大。
圖3 不同注入量下注采井間速度分布Fig.3 Velocity distribution of different injection volume between injection and production wells
2.3聚合物溶液的彈性對驅(qū)替效果的影響
松弛時間是表征聚合物溶液彈性的物理量,松弛時間越大,聚合物溶液彈性越大。因此,分析聚合物溶液的彈性對驅(qū)替效果的影響,就可以轉(zhuǎn)化為分析松弛時間對驅(qū)替效果的影響。
應(yīng)用表1和表2的基本參數(shù),計算了水及不同松弛時間聚合物對采收率的影響,計算結(jié)果見表3。
由表3可知,注入量一定的情況下,聚合物溶液彈性的存在可以提高采收率,使得產(chǎn)油量增加。
2.4注入量對驅(qū)替效果的影響
這里分別計算了松弛時間λ為1.6s時不同注入量對驅(qū)替效果的影響,計算結(jié)果見表 4,表中列出了不同注入量下生產(chǎn)井附近的飽和度情況。
表3 聚合物溶液的彈性對驅(qū)替效果的影響Table 3 Impact of the elastic polymer solution on displacement efficiency
表4 注入量對驅(qū)替效果的影響Table 4 Impact of the injection amount on displacement efficiency
可見,聚合物溶液彈性一定的情況下,注入量越大,生產(chǎn)井附近的含油飽和度越低,含水飽和度越高,平均速度越大,說明驅(qū)替效果得到了改善,即聚合物溶液彈性一定的情況下,速度越大,驅(qū)替效果越好。
(1)考慮稠油的非牛頓特性、聚合物的粘彈性、剪切變稀、吸附、擴散、水相滲透率的下降、不可及孔隙體積以及殘余油飽和度的降低等因素,給出了適用于稠油油藏的粘彈性聚合物驅(qū)滲流速度的確定方法。
(2)在注采井之間,滲流速度的分布情況是井底附近流速大,井間連線中間流速小。在聚合物溶液波及范圍內(nèi),聚合物溶液的彈性對滲流速度存在影響,彈性越大,注采井間速度越大,這是因為隨著彈性作用的增加,拉伸流動占據(jù)主導(dǎo)地位的結(jié)果。
(3)考慮聚合物溶液的彈性時,在聚合物溶液波及范圍內(nèi)注入量一定的情況下,在聚合物溶液波及范圍內(nèi),聚合物溶液彈性越大,注采井間的速度越大,驅(qū)替效果越好;聚合物溶液彈性一定的情況下,注入量越大,注采井間的速度越大,驅(qū)替效果越好。
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國內(nèi)樹脂基復(fù)材產(chǎn)量可達530萬噸
國內(nèi)樹脂基復(fù)材2015年產(chǎn)量預(yù)計達530萬噸。據(jù)專家介紹,復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同物質(zhì)以不同方式組合而成的,能夠融合和發(fā)揮各種材料的優(yōu)點,擴大材料的應(yīng)用范圍。樹脂基復(fù)合材料就是其中的一大類。樹脂基復(fù)合材料以有機聚合物為基體,添加相應(yīng)的纖維增強體構(gòu)成,也稱纖維增強材料,是目前技術(shù)較為成熟、應(yīng)用最為廣泛的一類復(fù)合材料。根據(jù)纖維增強體的不同,樹脂基復(fù)合材料可劃分為玻璃纖維增強材料、碳纖維復(fù)合材料、芳綸纖維增強復(fù)合材料等。
據(jù)專家介紹,樹脂基復(fù)合材料是多種物質(zhì)的結(jié)合,具有多種物質(zhì)的復(fù)合效應(yīng)。首先是質(zhì)輕、力學(xué)性能好,具有比強度高、比模量大、抗疲勞性能及減震性能好等優(yōu)點。其次,樹脂基復(fù)合材料的可設(shè)計性優(yōu)良,能夠通過改變纖維的質(zhì)量分數(shù)和分布方向、添加適當(dāng)添加劑使物質(zhì)潛在的性能集中到必要的方向上。再次,樹脂基復(fù)合材料的耐化學(xué)腐蝕性、電性能、熱性能都表現(xiàn)出優(yōu)良的狀態(tài)。到2015年,國內(nèi)樹脂基復(fù)合材料產(chǎn)量將達到530萬噸,其中熱固性復(fù)合材料產(chǎn)量300萬噸,熱塑性復(fù)合材料用量230萬噸。
將重點發(fā)展基礎(chǔ)設(shè)施和建筑、能源及環(huán)保、交通運輸及航天航空等相關(guān)的復(fù)合材料系列產(chǎn)品及其裝備制造,特別注重新能源領(lǐng)域、海洋石油開發(fā)領(lǐng)域、電力建設(shè)領(lǐng)域、環(huán)保領(lǐng)域以及碳纖維復(fù)合材料為代表的先進復(fù)合材料的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究與開發(fā)。然而目前,國內(nèi)樹脂基復(fù)材的研究和應(yīng)用通常都具有時間緊、經(jīng)費少、任務(wù)重的特點,往往缺乏從設(shè)計、制造到使用、維護全過程的成本精細模擬分析和評估,存在技術(shù)決策、最終成果預(yù)測不科學(xué)和定量預(yù)測結(jié)果少等問題,所以說,只有消除這些矛盾,才能確保復(fù)材科研工作順利進行,以及研究成果的順利推廣。
Analysis on the Influencing Factors of Polymer Flooding Seepage Velocity and Displacement Efficiency in Heavy Oil Fields
FU Jing1, SONG Kao-ping1, WANG Mei-nan2, YIN Hong-jun1, YE Wan-yue1, WANG Sheng-nan1
(1. Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318, China; 2. Bohai Oilfield Research Institute of CNOOC Tianjin Branch, Tianjin Tanggu, 300452, China)
The mathematical model of viscous-elastic polymer flooding in heavy oil fields was established, in which the non-Newtonian characteristics of heavy oil, viscoelasticity, inaccessible pore volume, permeability reduction and residual oil saturation of polymer were considered. The Influence of the injection volume, the viscous-elastic of polymer on seepage velocity was studied. The calculation results show that, under the same injection circumstances, in the affected areas of polymer solution, the greater the viscous-elastic of polymer, the bigger the seepage velocity, the better the displacement efficiency; under the same viscous-elastic circumstances, the bigger the injection volume, the bigger the seepage velocity, the better the displacement efficiency.
Heavy oil; Polymer flooding; Viscoelasticity; Seepage velocity
TE 357
A
1671-0460(2014)12-2578-04
2013年國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目“二類油層聚合物驅(qū)注入?yún)?shù)與油層的匹配性研究”(201310220011)。
2014-11-06
付京(1994-),女,黑龍江大慶人,東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院,石油工程專業(yè)。E-mail:417430582@qq.com。
尹洪軍(1964-),女,黑龍江大慶人,教授,博士,研究方向:滲流力學(xué)、提高采收率原理。E-mail:yinhj7176@126.com。