夏志增,張瀟華,任偉偉

(1.中國石油大學勝利學院 油氣工程學院, 山東 東營 257061; 2.勝利油田東勝集團股份公司, 山東 東營 257000)

提高采收率(EOR)技術在油氣開采領域的地位日益重要。熱采、化學驅、氣驅和微生物驅是公認的四大類EOR技術[1]。其中,化學驅的產量約占世界EOR總產量的四分之一[2],且是中國原油提高采收率潛力最大的EOR技術,具有廣闊的應用前景[3- 4]。化學驅主要有聚合物驅、表面活性劑驅、堿驅以及復合驅等幾類。其中,聚合物驅是目前中國原油挖潛的主要技術之一,但伴隨著聚合物驅應用的飽和,復合驅有望成為重要的接替技術之一[5- 6]。復合驅能夠通過兩種及以上驅油成分(聚合物、表面活性劑、堿)間的協(xié)同作用[7],進一步提高原油的采出程度。聚合物-表面活性劑二元復合驅(SP二元復合驅)和聚合物-堿-表面活性劑三元復合驅是兩種主要的復合驅技術。其中,SP二元復合驅優(yōu)點顯著,得到了普遍重視[8-10]。相對于三元復合驅,SP二元復合驅不存在堿組分,可避免堿組分帶來的地層傷害、破乳難等復雜問題[11-12],體系的黏度和彈性更高,且相應的配套工藝更為簡單。室內巖心實驗研究也顯示[13],在相同條件下,二元體系有更高的采收率。作為一種具有較大潛力的化學驅技術,二元復合驅的現(xiàn)場試驗效果總體較好[14-17]。但相關研究還不深入,存在開發(fā)規(guī)律認識不清等問題。因此,加強二元復合驅開發(fā)的動態(tài)規(guī)律及影響因素的研究,對認識其開發(fā)特點,提高復合驅開發(fā)效果具有重要意義。

1 數值模擬模型

1.1 數值模擬原理

二元復合驅開發(fā)油藏過程中存在較為復雜的物化現(xiàn)象,涉及的機理比較復雜。考慮水、油、聚合物和表面活性劑四種組分,使用CMG-STARS模擬軟件進行了二元復合驅的模擬研究[18-19]?？紤]的主要機理如下:

(1)聚合物的增黏作用。聚合物的存在能增加水相黏度,降低水油流度比,水相的黏度使用線性混合法則計算,表示為

(1)

式中,μw為水相黏度,mPa·s;nc為水相中的組分數量;i為水相中的組分,包括聚合物組分、表面活性劑組分和水組分;xi為水相中各組分的摩爾分數。

(2)聚合物和表面活性劑的吸附。聚合物和表面活性劑在儲層運移過程中會吸附在孔喉表面,忽略溫度的影響,吸附量的大小與濃度有關,使用Langmuir吸附等溫式描述,表示為

(2)

式中,Γi為化學劑(聚合物和表面活性劑)的吸附量,kg/m3;ci為化學劑(聚合物和表面活性劑)的摩爾分數;i為聚合物或表面活性劑;a、b為公式參數。

(3)低界面張力。表面活性劑的加入能降低油水兩相的界面張力,在數值模擬中,通過改變不同界面張力下的油水相對滲透率曲線來模擬表面活性劑的作用機理。

(4)滲透率下降。二元復合驅時,水相有效滲透率會發(fā)生下降,主要是由于聚合物分子的不可及孔隙體積和化學劑(聚合物和表面活性劑)的吸附導致。滲透率的計算式為

kn=kw/Rk.

(3)

式中,kn為下降后的水相有效滲透率,10-3m2;kw為水相初始有效滲透率,10-3μm2;Rk為滲透率下降系數。

1.2 模型建立

中國首例SP二元復合驅礦場試驗在勝利油田孤東七區(qū)西開展,取得了明顯的降水增油效果[20]。

并于2007年11月在孤東、孤島油田推廣應用[21]。

根據勝利油田孤東七區(qū)西基礎參數建立數值模擬模型[22],進行二元復合驅動態(tài)規(guī)律的研究。如圖1所示,模型采用41×31×12的正交網格。其中,x、y、z方向的網格長度均為10 m,k方向劃分為12個研究小層,地質儲量為26.5×104m3。模型的儲層參數值見表1,油水相滲曲線見圖2。

圖1 二元復合驅基礎模型示意圖(頂深,m)

圖2 相對滲透率曲線(不存在化學劑時)

油藏埋深/m孔隙度φ/%有效厚度/m平均滲透率/10-3 μm2滲透率變異系數原始壓力/MPa原始地層溫度/℃原始含油飽和度原油黏度/(mPa·s)1 256.28～1 280.070.348.501 5160.4812.4068.000.7045.00

模型采用四注一采的五點井網,注采比為1∶1。其中,各注入井的注入流量為27 m3/d,生產井的產量為108 m3/d。二元復合驅段塞為三段式[23],包括前置聚合物段塞、二元主段塞和后置聚合物段塞。模擬研究時,注水開發(fā)至生產井含水率達到96.39%時,開始二元復合驅替,開發(fā)動態(tài)參數如表2所示。二元復合驅段塞注入結束后,進行后續(xù)水驅。

表2 開發(fā)動態(tài)參數

2 生產動態(tài)規(guī)律分析

2.1 化學劑產出特征

圖2為化學劑產出的濃度曲線。可以看出,表面活性劑的產出滯后于聚合物;聚合物和表面活性劑產出時,隨著累計注入PV數(孔隙體積倍數)的增加,二者濃度首先快速上升,達到峰值后以較快速度下降至趨于平緩,其中聚合物和表面活性劑產出的峰值濃度分別為1 050 mg/L和2 835 mg/L?？傮w變化規(guī)律與閆文華等[24]的研究一致。

這是因為前置聚合物段塞的存在及表面活性劑本身較聚合物更易于吸附的性質,造成了表面活性劑產出滯后于聚合物;化學劑注入一段時間后形成竄流通道,其產出濃度將快速上升;隨著化學劑段塞注入結束,轉為后續(xù)水驅,化學劑的供應中斷,注入水沿竄流通道突進,使化學劑濃度降低,產出濃度下降。

圖2 化學劑產出濃度變化曲線

2.2 生產井井底流壓

圖3為生產井井底流壓的變化曲線。隨著累計注入PV數增加,生產井井底流壓曲線呈現(xiàn)出先快后緩的增長趨勢;注入化學劑后,生產井井底流壓快速下降;化學劑注入結束后,井底流壓以較快的速度回升至單純水驅條件下的緩慢增長趨勢。

這是因為,在注采平衡的條件下,注入前置聚合物段塞后,由于注入流體的黏度較大,滲流阻力變大,壓力波傳播受阻,導致生產井井底流壓下降;注入一段時間,特別是二元主段塞的注入,更多的油量得到動用,由于油的黏度較高,滲流阻力增加,壓力波傳播受阻,促使井底流壓繼續(xù)下降;隨著后置聚合物段塞注入的結束,化學驅的效果逐漸減弱,注采井間的連通狀況變好,井底流壓結束下降趨勢,逐漸回升。整個二元復合驅期間,井底流壓最大降幅達54%。

圖3 生產井井底流壓變化曲線

2.3 含水率及日產油

圖4、5分別為生產井含水率和日產油的變化曲線。隨著累計注入PV數增加,含水率呈現(xiàn)先快后緩的增長趨勢,相應地,日產油量呈現(xiàn)先快后緩的下降趨勢;注入化學劑后,含水率快速下降,日產油量快速上升;化學劑注入結束后,含水率和日產油逐漸恢復至單純水驅條件下的緩慢變化趨勢。整個二元復合驅期間,含水率的最大降幅為21%,日產油的最大增幅為85%,降水增油效果顯著。

圖4 含水率變化曲線

圖5 日產油變化曲線

這是因為,化學驅開始后,在聚合物作用下,驅替流體較水驅具有更大的波及體積,總的可動油量增加;二元主段塞中的表面活性劑使油水界面張力在較大程度上得到降低,洗油效率大大提高,也促進了日產油量的升高和含水率的降低。隨著化學驅轉為后續(xù)水驅,化學驅的效果逐漸減弱,含水率結束下降趨勢開始回升,相應的日產油量逐漸降低。模擬結束時,二元復合驅相對水驅累計增油3.2×104m3,提高采收率9.2%。在單純水驅和二元復合驅條件下模型中的含油飽和度分布如圖6所示?？梢钥闯?相對于水驅,二元復合驅條件下儲層的含油飽和度降低范圍更大,降低程度更明顯。

圖6 含油飽和度分布(模擬結束時刻)

3 影響因素分析

為研究生產參數對二元復合驅開發(fā)效果的影響,采用單因素分析方法,其他參數保持不變,以提高采收率值為目標函數,分析了后續(xù)水驅至含水率為99%時的提高采收率效果(相對水驅)。所選取的參數包括注入時機、注入速度、化學劑濃度和化學劑段塞尺寸4種。

3.1 注入時機

注入時機取含水率為86%、89%、92%、95%和98%時注入化學劑進行模擬研究,結果如圖7所示。隨著注入時機延后,提高采收率效果逐漸變差。這是因為注入時機越晚,注入化學劑后能夠額外動用油量越少,相應的開發(fā)效果也越有限。

圖7 注入時機對提高采收率的影響

3.2 注入速度

注入速度取0.05、0.07、0.09、0.11和0.125 PV 5個水平進行模擬研究。在不同的注入速度下,保持化學劑的總注入量與基礎方案相同,結果如圖8所示?？梢钥闯觯⑷胨俣仍礁?提高采收率效果越好。從0.05PV/a到0.125PV/a，提高采收率值增加約5%。這是因為,在注采平衡條件下,注入速度越大,一定時間內注入地層的液量越高，產液量也越大,相應的產油量也越高。但隨著注入速度增加，提高采收率增長程度變緩。

圖8 注入速度對提高采收率的影響

3.3 化學劑濃度

化學劑濃度對提高采收率效果影響的研究以二元主段塞中表面活性劑的濃度為基準進行方案設計。二元主段塞中表面活性劑的質量濃度取2 000、3 000、4 000、5 000、6 000 mg/L 五個水平,相應的聚合物質量濃度根據基礎模型進行等比例調整,而保持表面活性劑和聚合物的總注入量不變,結果圖9所示。

可以看出，隨化學劑濃度(表面活性劑濃度)的增加，提高采收率值整體略有增加，但總體變化幅度不足0.5%，因此化學劑濃度對提高采收率的影響不大。這是因為,化學劑的總注入量保持一定,因此不同方案下的增油效果相差不大。

3.4 化學劑段塞尺寸

保持化學劑注入濃度不變,調整二元主段塞的尺寸,分別取0.1、0.2、0.3、0.4和0.5 PV 五個水平進行模擬研究,結果如圖10所示。可以看出，化學劑段塞越大,提高采收率越高。從0.1PV到0.5PV，提高采收率增加約8%。這是因為,段塞尺寸越大,化學劑的注入總量越大,作用越顯著,因而相應的化學劑洗油效率和波及程度越顯著，可以額外動用的油量越高,開發(fā)效果越好。

圖9 化學劑濃度對提高采收率的影響

圖10 段塞尺寸對提高采收率影響

4 結 論

(1)結合典型區(qū)塊參數,使用數值模擬方法研究了二元復合驅方式下的生產動態(tài)特點,并分析了開發(fā)參數對開發(fā)效果的影響規(guī)律。

(2)二元復合驅開發(fā)油藏時,表面活性劑先于聚合物產出。隨著注入PV數的增加,化學劑濃度首先快速上升,達到濃度峰值后,以較快速度下降至趨于平緩。

(3)二元復合驅開發(fā)油藏時,生產井井底流壓大幅降低,含水率下降明顯,取得了良好的增油效果,提高采收率效果顯著。

(4)在本文的參數研究范圍內,注入時機越早,注入速度越高,化學劑段塞越大,二元復合驅的提高采收率效果越好,化學劑濃度的變化對提高采收率效果影響不大。