夏志增,张潇华,任伟伟

(1.中国石油大学胜利学院 油气工程学院, 山东 东营 257061; 2.胜利油田东胜集团股份公司, 山东 东营 257000)

提高采收率(EOR)技术在油气开采领域的地位日益重要。热采、化学驱、气驱和微生物驱是公认的四大类EOR技术[1]。其中,化学驱的产量约占世界EOR总产量的四分之一[2],且是中国原油提高采收率潜力最大的EOR技术,具有广阔的应用前景[3- 4]。化学驱主要有聚合物驱、表面活性剂驱、碱驱以及复合驱等几类。其中,聚合物驱是目前中国原油挖潜的主要技术之一,但伴随着聚合物驱应用的饱和,复合驱有望成为重要的接替技术之一[5- 6]。复合驱能够通过两种及以上驱油成分(聚合物、表面活性剂、碱)间的协同作用[7],进一步提高原油的采出程度。聚合物-表面活性剂二元复合驱(SP二元复合驱)和聚合物-碱-表面活性剂三元复合驱是两种主要的复合驱技术。其中,SP二元复合驱优点显著,得到了普遍重视[8-10]。相对于三元复合驱,SP二元复合驱不存在碱组分,可避免碱组分带来的地层伤害、破乳难等复杂问题[11-12],体系的黏度和弹性更高,且相应的配套工艺更为简单。室内岩心实验研究也显示[13],在相同条件下,二元体系有更高的采收率。作为一种具有较大潜力的化学驱技术,二元复合驱的现场试验效果总体较好[14-17]。但相关研究还不深入,存在开发规律认识不清等问题。因此,加强二元复合驱开发的动态规律及影响因素的研究,对认识其开发特点,提高复合驱开发效果具有重要意义。

1 数值模拟模型

1.1 数值模拟原理

二元复合驱开发油藏过程中存在较为复杂的物化现象,涉及的机理比较复杂。考虑水、油、聚合物和表面活性剂四种组分,使用CMG-STARS模拟软件进行了二元复合驱的模拟研究[18-19]。考虑的主要机理如下:

(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,水相的黏度使用线性混合法则计算,表示为

(1)

式中,μw为水相黏度,mPa·s;nc为水相中的组分数量;i为水相中的组分,包括聚合物组分、表面活性剂组分和水组分;xi为水相中各组分的摩尔分数。

(2)聚合物和表面活性剂的吸附。聚合物和表面活性剂在储层运移过程中会吸附在孔喉表面,忽略温度的影响,吸附量的大小与浓度有关,使用Langmuir吸附等温式描述,表示为

(2)

式中,Γi为化学剂(聚合物和表面活性剂)的吸附量,kg/m3;ci为化学剂(聚合物和表面活性剂)的摩尔分数;i为聚合物或表面活性剂;a、b为公式参数。

(3)低界面张力。表面活性剂的加入能降低油水两相的界面张力,在数值模拟中,通过改变不同界面张力下的油水相对渗透率曲线来模拟表面活性剂的作用机理。

(4)渗透率下降。二元复合驱时,水相有效渗透率会发生下降,主要是由于聚合物分子的不可及孔隙体积和化学剂(聚合物和表面活性剂)的吸附导致。渗透率的计算式为

kn=kw/Rk.

(3)

式中,kn为下降后的水相有效渗透率,10-3m2;kw为水相初始有效渗透率,10-3μm2;Rk为渗透率下降系数。

1.2 模型建立

中国首例SP二元复合驱矿场试验在胜利油田孤东七区西开展,取得了明显的降水增油效果[20]。

并于2007年11月在孤东、孤岛油田推广应用[21]。

根据胜利油田孤东七区西基础参数建立数值模拟模型[22],进行二元复合驱动态规律的研究。如图1所示,模型采用41×31×12的正交网格。其中,x、y、z方向的网格长度均为10 m,k方向划分为12个研究小层,地质储量为26.5×104m3。模型的储层参数值见表1,油水相渗曲线见图2。

图1 二元复合驱基础模型示意图(顶深,m)

图2 相对渗透率曲线(不存在化学剂时)

油藏埋深/m孔隙度φ/%有效厚度/m平均渗透率/10-3 μm2渗透率变异系数原始压力/MPa原始地层温度/℃原始含油饱和度原油黏度/(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点井网,注采比为1∶1。其中,各注入井的注入流量为27 m3/d,生产井的产量为108 m3/d。二元复合驱段塞为三段式[23],包括前置聚合物段塞、二元主段塞和后置聚合物段塞。模拟研究时,注水开发至生产井含水率达到96.39%时,开始二元复合驱替,开发动态参数如表2所示。二元复合驱段塞注入结束后,进行后续水驱。

表2 开发动态参数

2 生产动态规律分析

2.1 化学剂产出特征

图2为化学剂产出的浓度曲线。可以看出,表面活性剂的产出滞后于聚合物;聚合物和表面活性剂产出时,随着累计注入PV数(孔隙体积倍数)的增加,二者浓度首先快速上升,达到峰值后以较快速度下降至趋于平缓,其中聚合物和表面活性剂产出的峰值浓度分别为1 050 mg/L和2 835 mg/L。总体变化规律与闫文华等[24]的研究一致。

这是因为前置聚合物段塞的存在及表面活性剂本身较聚合物更易于吸附的性质,造成了表面活性剂产出滞后于聚合物;化学剂注入一段时间后形成窜流通道,其产出浓度将快速上升;随着化学剂段塞注入结束,转为后续水驱,化学剂的供应中断,注入水沿窜流通道突进,使化学剂浓度降低,产出浓度下降。

图2 化学剂产出浓度变化曲线

2.2 生产井井底流压

图3为生产井井底流压的变化曲线。随着累计注入PV数增加,生产井井底流压曲线呈现出先快后缓的增长趋势;注入化学剂后,生产井井底流压快速下降;化学剂注入结束后,井底流压以较快的速度回升至单纯水驱条件下的缓慢增长趋势。

这是因为,在注采平衡的条件下,注入前置聚合物段塞后,由于注入流体的黏度较大,渗流阻力变大,压力波传播受阻,导致生产井井底流压下降;注入一段时间,特别是二元主段塞的注入,更多的油量得到动用,由于油的黏度较高,渗流阻力增加,压力波传播受阻,促使井底流压继续下降;随着后置聚合物段塞注入的结束,化学驱的效果逐渐减弱,注采井间的连通状况变好,井底流压结束下降趋势,逐渐回升。整个二元复合驱期间,井底流压最大降幅达54%。

图3 生产井井底流压变化曲线

2.3 含水率及日产油

图4、5分别为生产井含水率和日产油的变化曲线。随着累计注入PV数增加,含水率呈现先快后缓的增长趋势,相应地,日产油量呈现先快后缓的下降趋势;注入化学剂后,含水率快速下降,日产油量快速上升;化学剂注入结束后,含水率和日产油逐渐恢复至单纯水驱条件下的缓慢变化趋势。整个二元复合驱期间,含水率的最大降幅为21%,日产油的最大增幅为85%,降水增油效果显著。

图4 含水率变化曲线

图5 日产油变化曲线

这是因为,化学驱开始后,在聚合物作用下,驱替流体较水驱具有更大的波及体积,总的可动油量增加;二元主段塞中的表面活性剂使油水界面张力在较大程度上得到降低,洗油效率大大提高,也促进了日产油量的升高和含水率的降低。随着化学驱转为后续水驱,化学驱的效果逐渐减弱,含水率结束下降趋势开始回升,相应的日产油量逐渐降低。模拟结束时,二元复合驱相对水驱累计增油3.2×104m3,提高采收率9.2%。在单纯水驱和二元复合驱条件下模型中的含油饱和度分布如图6所示。可以看出,相对于水驱,二元复合驱条件下储层的含油饱和度降低范围更大,降低程度更明显。

图6 含油饱和度分布(模拟结束时刻)

3 影响因素分析

为研究生产参数对二元复合驱开发效果的影响,采用单因素分析方法,其他参数保持不变,以提高采收率值为目标函数,分析了后续水驱至含水率为99%时的提高采收率效果(相对水驱)。所选取的参数包括注入时机、注入速度、化学剂浓度和化学剂段塞尺寸4种。

3.1 注入时机

注入时机取含水率为86%、89%、92%、95%和98%时注入化学剂进行模拟研究,结果如图7所示。随着注入时机延后,提高采收率效果逐渐变差。这是因为注入时机越晚,注入化学剂后能够额外动用油量越少,相应的开发效果也越有限。

图7 注入时机对提高采收率的影响

3.2 注入速度

注入速度取0.05、0.07、0.09、0.11和0.125 PV 5个水平进行模拟研究。在不同的注入速度下,保持化学剂的总注入量与基础方案相同,结果如图8所示。可以看出，注入速度越高,提高采收率效果越好。从0.05PV/a到0.125PV/a，提高采收率值增加约5%。这是因为,在注采平衡条件下,注入速度越大,一定时间内注入地层的液量越高，产液量也越大,相应的产油量也越高。但随着注入速度增加，提高采收率增长程度变缓。

图8 注入速度对提高采收率的影响

3.3 化学剂浓度

化学剂浓度对提高采收率效果影响的研究以二元主段塞中表面活性剂的浓度为基准进行方案设计。二元主段塞中表面活性剂的质量浓度取2 000、3 000、4 000、5 000、6 000 mg/L 五个水平,相应的聚合物质量浓度根据基础模型进行等比例调整,而保持表面活性剂和聚合物的总注入量不变,结果图9所示。

可以看出，随化学剂浓度(表面活性剂浓度)的增加，提高采收率值整体略有增加，但总体变化幅度不足0.5%，因此化学剂浓度对提高采收率的影响不大。这是因为,化学剂的总注入量保持一定,因此不同方案下的增油效果相差不大。

3.4 化学剂段塞尺寸

保持化学剂注入浓度不变,调整二元主段塞的尺寸,分别取0.1、0.2、0.3、0.4和0.5 PV 五个水平进行模拟研究,结果如图10所示。可以看出，化学剂段塞越大,提高采收率越高。从0.1PV到0.5PV，提高采收率增加约8%。这是因为,段塞尺寸越大,化学剂的注入总量越大,作用越显著,因而相应的化学剂洗油效率和波及程度越显著，可以额外动用的油量越高,开发效果越好。

图9 化学剂浓度对提高采收率的影响

图10 段塞尺寸对提高采收率影响

4 结 论

(1)结合典型区块参数,使用数值模拟方法研究了二元复合驱方式下的生产动态特点,并分析了开发参数对开发效果的影响规律。

(2)二元复合驱开发油藏时,表面活性剂先于聚合物产出。随着注入PV数的增加,化学剂浓度首先快速上升,达到浓度峰值后,以较快速度下降至趋于平缓。

(3)二元复合驱开发油藏时,生产井井底流压大幅降低,含水率下降明显,取得了良好的增油效果,提高采收率效果显著。

(4)在本文的参数研究范围内,注入时机越早,注入速度越高,化学剂段塞越大,二元复合驱的提高采收率效果越好,化学剂浓度的变化对提高采收率效果影响不大。