可動(dòng)凝膠型聚合物驅(qū)數(shù)值模擬研究

劉道信

(北京交通大學(xué)中國產(chǎn)業(yè)安全研究中心，北京 100044)

可動(dòng)凝膠型聚合物驅(qū)油方面，國內(nèi)、外已開展了大量的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)機(jī)理研究，但在數(shù)值模擬方面研究較少。本文在考慮了驅(qū)油重要因素[1-3]的基礎(chǔ)上，建立了三維三相十組分可動(dòng)凝膠型聚合物驅(qū)數(shù)學(xué)模型，解法采用有限體積法(FVM)，形成了數(shù)值模擬軟件[4]。并針對大慶采油二廠先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)開展了機(jī)理性研究，包括：可動(dòng)凝膠型聚合物注入體積、段塞組合、殘余阻力系數(shù)及注入不可動(dòng)凝膠的對比等，從理論上預(yù)測了注入?yún)?shù)的影響因素，設(shè)計(jì)了注采合理參數(shù)。

1 可動(dòng)凝膠型聚合物驅(qū)數(shù)學(xué)模型

可動(dòng)凝膠型聚合物驅(qū)油機(jī)理數(shù)學(xué)模型包括：交聯(lián)反應(yīng)過程中的組分產(chǎn)生和損耗、化學(xué)組分的吸附和滯留、一二價(jià)離子的質(zhì)量交換、凝膠的降解、流動(dòng)性能，以及化學(xué)組分對水相粘度和滲透率下降系數(shù)等。

1.1 交聯(lián)反應(yīng)生成可動(dòng)凝膠模型[5]

聚合物和交聯(lián)劑不斷損耗，逐漸生成凝膠。在成膠時(shí)間達(dá)到之前，溶液的流動(dòng)類似于未交聯(lián)的聚合物。在成膠時(shí)間達(dá)到以后，則隨濃度的變化形成弱凝膠體系?？蓜?dòng)凝膠型聚合劑的特點(diǎn)是有凝膠的強(qiáng)度和粘度，但又能隨壓力變化而流動(dòng)。

(1)

式中：Ri為單位時(shí)間內(nèi)，由于交聯(lián)反應(yīng)消耗或產(chǎn)生的i組分質(zhì)量濃度，i=p,r,g(聚合物、交聯(lián)劑、凝膠)；C為相濃度；Kp,Kr為化學(xué)反應(yīng)速度系數(shù)，利用實(shí)驗(yàn)成膠時(shí)間得出[2]；指數(shù)m,n為反應(yīng)階數(shù)(常數(shù)，m≥1，n≥1)；右式中首個(gè)負(fù)號表示質(zhì)量消耗。

1.2 可動(dòng)凝膠引起的水相滲透率降低系數(shù)模型

生成的可動(dòng)凝膠能夠影響水相的流動(dòng)特性[6]，表現(xiàn)為流動(dòng)阻力增加?？赏ㄟ^下述方程描述：

Rkg=Rkg(Cg,v)

(2)

式中：Rkg為水相滲透率降低系數(shù)；Cg為可動(dòng)凝膠濃度；v為可動(dòng)凝膠的流動(dòng)速度。

這組參數(shù)一般直接用給定不同含鹽量下的Rkg～Cgg表格插值計(jì)算，聚合物和交聯(lián)劑降低系數(shù)描述方法與凝膠類似。

1.3 凝膠的吸附量模型

由于動(dòng)態(tài)描述凝膠在巖石表面上的吸附比較困難，為近似遵循Langmuir等溫吸附理論[7]的靜態(tài)吸附，并且考慮聚合物的吸附與鹽度的關(guān)系為可逆的，與濃度的關(guān)系為不可逆的。可用下式描述：

(3)

式中：qadg為吸附量；a1,d1為平衡吸附常數(shù)，其值由實(shí)驗(yàn)室測定；C為相濃度。

對于不符合Langmuir吸附規(guī)律的情況，可用實(shí)驗(yàn)室給定的不同含鹽量下的聚合物吸附曲線插值計(jì)算吸附量[8]，聚合物和交聯(lián)劑吸附量描述方法與凝膠類似。

1.4 殘余阻力系數(shù)模型

(4)

式中：

2 油藏?cái)?shù)值模型建立

先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)為一個(gè)五點(diǎn)井組，油層深度1089.3m，地層溫度45℃，原始地層壓力12.85MPa，飽和壓力10.28MPa，地層原油粘度10.2MPa·s，地層水礦化度7445mg/L，二價(jià)離子含量20mg/L，平均有效厚度14.55m，平均滲透率627.9×10-3μm2地質(zhì)儲量34.1×104t。該模擬井組平面上劃分為420 個(gè)非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格(X方向20個(gè)，Y方向21個(gè))，縱向上網(wǎng)格6層，總網(wǎng)格數(shù)為2520個(gè)。注入化學(xué)劑溶液參數(shù)見表1。

表1 凝膠型聚合物性質(zhì)

3 注入?yún)?shù)敏感性預(yù)測分析

3.1 可動(dòng)凝膠型聚合物注入體積分析

為了選擇合適的可動(dòng)凝膠型聚合物注入體積，開展了溶液注入體積分別為0.38PV、0.48PV和0.57PV的開發(fā)效果預(yù)測(圖1)。設(shè)定條件：注入凝膠聚合物溶液濃度為6000mg/L，注入凝膠聚合物5個(gè)月基本為不可動(dòng)。之后，可動(dòng)凝膠聚合物溶液濃度減為1000mg/L，年產(chǎn)液速度11%，后期為凝膠驅(qū)油，含水和累積產(chǎn)油預(yù)測曲線見圖1。首先，可以看出，凝膠型聚合物驅(qū)可較大幅度增加采油量及減小含水率，效果比繼續(xù)水驅(qū)效果好得多，井組可累積增油42.0×103m3左右，含水率最低降至60%。同時(shí)，可以看出，注入體積越大越累積產(chǎn)油越多,結(jié)合單井增油量及噸化學(xué)劑增油量分析，建議初注入體積為0.48PV。

圖1 可動(dòng)凝膠聚合物不同用量開發(fā)效果對比

3.2 不同段塞組合分析

在可動(dòng)凝膠型聚合物驅(qū)總用量為480mg/L×PV的基礎(chǔ)上，選擇了三種段塞組合進(jìn)行開發(fā)效果預(yù)測。一種是可動(dòng)凝膠型聚合物溶液濃度為1000mg/L，注入段塞為0.48PV；第二種由三個(gè)段塞組成，可動(dòng)凝膠型聚合物溶液濃度為1500mg/L，注入段塞為0.08 PV+可動(dòng)凝膠型聚合物溶液濃度為1000mg/L，注入段塞為0.3 PV+可動(dòng)凝膠型聚合物溶液濃度為600mg/L，注入段塞為0.1PV；第三種由兩個(gè)段塞組成，可動(dòng)凝膠型聚合物溶液濃度為1500mg/L，注入段塞為0.1 PV+可動(dòng)凝膠型聚合物溶液濃度為800mg/L，注入段塞為0.4125PV。預(yù)測結(jié)果見表2。結(jié)合增產(chǎn)及噸化學(xué)劑增油量來看，采用兩個(gè)段塞可動(dòng)凝膠型聚合物溶液濃度為1500mg/L，注入段塞為0.1 PV+可動(dòng)凝膠型聚合物溶液濃度為800mg/L，注入段塞為0.4125PV時(shí)最佳。

表2 可動(dòng)凝膠型聚合物溶液段塞組合開發(fā)效果對比

3.3 不同殘余阻力系數(shù)分析

為了研究不同殘余阻力系數(shù)對凝膠驅(qū)的影響，依據(jù)現(xiàn)有配方聚合物溶液濃度4000mg/L時(shí)的殘余阻力系數(shù)42.2，分別計(jì)算了殘余阻力系的0.8、1.2、1.4倍時(shí)的開發(fā)效果預(yù)測。預(yù)測條件是不可動(dòng)凝膠型聚合物4個(gè)月后，進(jìn)行可動(dòng)凝膠聚合物驅(qū)，結(jié)果見表3。由計(jì)算結(jié)果可見看出，殘余阻力系數(shù)在一定范圍越大，增加采收率值越高，但增油量及聚合物效率的增長幅度在大于1.2倍后減小。結(jié)合實(shí)際油藏的井口注入壓力及采油速度的影響，目前殘余阻力系數(shù)比較合理。

表3 不同殘余阻力系數(shù)開發(fā)效果對比

3.4 高濃度凝膠注入時(shí)間

在可動(dòng)凝膠型聚合物驅(qū)油前，可注入高濃度的交聯(lián)系劑，使可動(dòng)凝膠體系的成膠粘度和成膠時(shí)間加強(qiáng)，達(dá)到油藏深部調(diào)剖的作用。因此，開展了高濃度凝膠注入時(shí)間的研究，選擇注入高濃度凝膠劑溶液為2個(gè)月、3個(gè)月、4個(gè)月和5個(gè)月；注入2個(gè)月累積注入0.024PV，注入3個(gè)月累積注入0.028PV，注入4個(gè)月累積注入0.032PV，注入5個(gè)月累積注入0.038PV。預(yù)測結(jié)果見圖2。由計(jì)算結(jié)果可見看出，注入調(diào)剖時(shí)間越長越好，但是注入4個(gè)月與5個(gè)月的累積產(chǎn)油量也接近，變化幅度變小。綜合考慮認(rèn)為：在可動(dòng)凝膠型聚合物驅(qū)油前，可考慮注入4個(gè)月的高濃度凝膠型聚合物作為油藏深部調(diào)剖。

圖2 不同凝膠劑注入時(shí)間開發(fā)效果對比

4 結(jié)論

1)高濃度可動(dòng)凝膠型聚合物體系的成膠粘度強(qiáng)和成膠時(shí)間長，可用于油藏的深度調(diào)剖；低濃度可動(dòng)凝膠型聚合物體系配制成弱凝膠體系，可用于整體區(qū)塊的驅(qū)油工作，是一種具有很好應(yīng)用前景的提高采收率的手段。

2)通過可動(dòng)凝膠型聚合物體系的重要化學(xué)驅(qū)油機(jī)理研究，建立了數(shù)學(xué)模型，解法采用有限體積法(FVM)，編制了三維三相九組分可動(dòng)凝膠型聚合物驅(qū)數(shù)值模擬器。該模擬器可用于凝膠型聚合物體系的數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)研究。

3)結(jié)合勝利油田試驗(yàn)區(qū)，凝膠型聚合物驅(qū)可較大幅度增加采油量及減小含水率，井組可累積增油42.0×103m3左右，含水率最低降至60%，提高采收率達(dá)14.2%。同時(shí)，對可動(dòng)凝膠型聚合物的注入體積、段塞組合、殘余阻力系數(shù)及注入不可動(dòng)凝膠等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化分析，指導(dǎo)了開發(fā)參數(shù)的制定。

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