高濃度聚合物驅油技術的數(shù)值模擬實現(xiàn)及應用

蔣 楠 王學軍

(1.渤海石油裝備承德石油機械有限公司，河北承德 067000;2.承德石油高等專科學校，河北承德 067000)

目前，很多油田都已進入注水開發(fā)后期階段，由于地層的非均質性和油水性質的本身差異將導致儲層內留有大量的剩余油，這些存在于地層中的剩余油，在中、高含水期階段用水驅的常規(guī)方法已很難驅替出，如何提高油田的產量和延長油田的壽命，最大程度地提高油田采收率，已成為當前重要的研究課題。經過油田的生產試驗和相關研究，發(fā)現(xiàn)聚合物溶液具有很好的黏彈效應，能夠擴大波及體積，提高微觀洗油效率，尤其是通過高濃度聚合物不同的段塞組合及注入時機的選擇，形成一種新的提高非均質嚴重、高滲透的油藏原油采收率方法，可進一步提高油田的經濟效益。根據(jù)不同段塞聚合物驅油的特性，將產生相應的結果，通過計算機數(shù)值模擬的方法對其進行描述，可最終得到提高原油采收率的最佳方案。

1 數(shù)值模擬技術的基本思想和實現(xiàn)過程

數(shù)值模擬是以實際工程問題或者真實生活中的實際問題為基礎，借助數(shù)學的方法和計算機手段將其模型化，并最終以圖形方式顯示結果的過程。

數(shù)值模擬技術的實現(xiàn)過程，可以用圖1來描述。

2 數(shù)值模擬技術在高濃度聚合物驅油技術中的應用過程

2.1 高濃度聚合物驅油在提高原油采收率方面的需求分析

根據(jù)目前大多數(shù)油田都已進入注水開發(fā)后期、利用原有方法已不能有效提高原油采收率等實際情況，通過改變聚合物的相對摩爾質量、濃度以及段塞組合，研究其對對原油采收率影響，得出相對摩爾質量高、濃度高的聚合物溶液具有較高的黏度和殘余阻力系數(shù)以及驅油效果好的特性，可以大幅度提高原油采收率這一結論。再根據(jù)地層的非均質性和油水性質的本身差異等特點，針對三次采油的實際問題，將利用高濃度聚合物溶液對不同段塞的相互組合方式進行研究，從而得到有效提高原油采收率的最佳方案。

2.2 選取反映高濃度聚合物驅油技術問題的數(shù)學模型

國內外對聚合物溶液的流變性已經有了相當?shù)难芯炕A，并且建立了Meter、Cross、Carreau、Ellis等模型，通過對模型間的比較、與實際采油生產實踐的匹配實驗等的分析，認為黑油模型非常適合于該問題。

黑油模型是描述含有非揮發(fā)組分的黑油和揮發(fā)性組分的原油溶解氣兩個系統(tǒng)在油藏中運動規(guī)律的數(shù)學模型，直觀地闡述油、氣、水三相流體在油藏中的滲流規(guī)律而假設的一系列情況下的油藏模型。這種模型可以通過達西定律來描述“油”在滲流規(guī)律和與油藏性質，便于進行油藏的模擬開發(fā)。

達西運動定律是在達西單相流公式的基礎上，考慮三維空間的具體情況，加以推廣得到的達西運動方程，該方程是用來描述三相流運動規(guī)律的。下面以油的滲流方程為例來說明描述過程:

其中:表示水的滲流速度，po表示水相氣壓，Kγo表示水的相對滲透率，▽表示微分算子

2.3 數(shù)值計算方法的確定

數(shù)學模型建立之后，需要解決的問題是尋求高效率、高準確度的計算方法。針對高濃度聚合物驅油分析可知，利用Eclipse數(shù)值模擬軟件可以很好地處理該問題，尤其是該軟件中的the polymer flood model模塊，主要應用于聚合物驅油模擬方面的研究，該模塊中包括19種不同于水驅模型的關鍵數(shù)據(jù)，可用來描述聚合物驅油的主要過程，包括聚合物溶液黏度、聚合物的吸附能力、殘余阻力系數(shù)和不可及孔隙體積等方面的描述，為解決聚合物驅油的模擬實現(xiàn)解決了技術問題。

2.4 利用相應的實現(xiàn)手段得到數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)是實現(xiàn)數(shù)值模擬的基礎，同時也是下一步生成圖像的決定因素，根據(jù)采油工程的實踐需要，通過對聚合物驅油不同組合方式進行研究，如對“相同聚合物、不同濃度、多段塞組合驅油效果”和“不同聚合物、不同濃度、多段塞組合驅油效果”等方面的研究和對比，得到相應的數(shù)據(jù)，為研究和生成圖像奠定基礎。

2.5 利用計算機技術形成圖像

在確定數(shù)學模型和計算方法后，根據(jù)實驗得到的數(shù)據(jù)，選取相應的坐標系后，就可以開始編制程序并進行計算了，其結果使用圖形方式顯示，該方式直觀，同時還可將離散的數(shù)值連續(xù)化，得到在某個區(qū)間上的任何值，達到整個過程模擬的效果。

3 數(shù)值模擬技術在高濃度聚合物驅油技術中的應用舉例

我國70年代初在大慶油田率先開始了聚合物的驅油試驗，大慶油田是陸相沉積大型砂巖油田，與國內其他油田相比較，大慶油田具有開展聚合物驅油得天獨厚的自然條件。自1972年以來，油田已先后開展了特高含水期注聚合物試驗、厚層試驗區(qū)特高含水期聚合物驅油試驗、中區(qū)西部單層和雙層聚合物驅油試驗，以及北一區(qū)斷西和喇嘛甸油田南塊的工業(yè)性聚合物試驗，試驗取得了較好的增油降水效果。尤其是經過國家“七五”和“八五”重點科技攻關，形成了聚合物驅油配套研究能力和礦場應用配套技術，目前已進入大規(guī)模工業(yè)化應用階段，為聚合物驅在國內其它油田推廣應用展現(xiàn)出良好前景。

下面以大慶油田位于杏十三區(qū)聚驅工業(yè)區(qū)杏13－4－35井區(qū)為例，該試驗區(qū)中河道砂大面積分布，是高彎度分流在側向上迂回形成的復合曲流帶，試驗區(qū)水淹程度高，油層動用好，非常適合進行聚合物驅油的模擬研究，其數(shù)值模擬的研究過程如下。

3.1 數(shù)值模型的選取

根據(jù)杏十三區(qū)高濃度試驗區(qū)的動、靜態(tài)特征，包括井位、小層數(shù)據(jù)、沉積相成果、油水井井史、油水井措施、油水井測試等，充分其考慮非均質性、沉積相分布，對滲透率、孔隙度、厚度采用相內插值技術，對流體性質、相對滲透率進行合理分區(qū)，建立了試驗區(qū)的精細數(shù)值模擬模型。根據(jù)對試驗區(qū)面積、開采層、儲量、有效厚度、有效滲透率及壓力等各方面的考慮和研究，決定采用相對成熟的Eclipse模擬軟件，運行主模塊采用E100黑油模擬器計算模塊。這是一個通用的、全隱式、三維、三相黑油模擬器。全隱式求解，保證了求解的精度，使得計算結果更加準確、可靠。

3.2 數(shù)值模擬的關鍵技術

1)試驗區(qū)網格劃分技術。根據(jù)試驗區(qū)地址非均勻性、沉積相分布等特點，對其進行了相約束插值方法，按照孔隙性、滲透率、有效厚度等方面的因素建立了一系列網格，這些網格將真實地反映地層的變化趨勢，通過研究，針對該試驗區(qū)建立了55個小層，將這些獨立的層劃分成模擬實驗區(qū)。

2)插值計算的選取。根據(jù)選取的試驗區(qū)劃分出的網格，利用靜態(tài)數(shù)據(jù)插值計算方法，對每個網格的性質進行刻畫，為保證插值結果的正確性，根據(jù)基礎井網和一次井網的滲透值，對二次和三次井網的滲透率值進行了校正，使其更加合理，從而得到各個單層滲透值分布。

3.3 模擬實現(xiàn)的進行

根據(jù)聚合物的性質、濃度以及段塞的選取，進行模擬實驗。

1)相同聚合物、不同濃度、單一段塞驅油效果實驗。實驗用油為現(xiàn)場原油和煤油按照一定比例配制而成的模擬油，聚合物采用煉化超高分2 500萬、再創(chuàng)700萬抗鹽濃度混合配制而成，單一段塞驅油效果實驗。結論為:隨著聚合物溶液濃度的增加，溶液的粘度不斷增大。通過聚合物溶液的較高粘度和粘彈特性，可以有效挖潛剩余油，提高采出程度。

2)相同聚合物、不同濃度、多段塞驅油效果實驗。實驗用油為現(xiàn)場原油和煤油按照一定比例配制而成的模擬油，采用煉化2 500萬聚合物，注入2 500mg/L和2 000 mg/L的聚合物驅組合段塞進行驅油效果實驗。結論為:組合段塞驅油與單一段塞聚合物驅油比較，第一段塞注入量越大(尤其是在油墻形成后)，增油效果顯著。在相同聚合物組合段塞驅油中，隨第一段塞注入量的增加，含水下降幅度不斷增大，使得采收率提高幅度不斷增大。

3)不同聚合物、不同濃度、多段塞驅油效果實驗。實驗用油為現(xiàn)場原油和煤油按照一定比例配制而成的模擬油，聚合物分子量采用2 500萬注入濃度為2 500 mg/L、700萬注入濃度為1 700 mg/L，制定成相應方案進行驅油效果實驗。結論為:在總注入量不變的情況下，第一段塞注入大小相同時，不同聚合物組合注入驅油效果要好于相同聚合物組合注入。

實驗證明:不同聚合物組合段塞驅油效果好于相同聚合物組合段塞驅油，相同聚合物組合段塞驅油效果好于單一段塞聚合物驅油。

4 結論

1)通過實驗和數(shù)值模擬結果表明，多段塞組合注入方式對最終采收率具有一定的影響，其中第一段塞的設置尤為重要，通過不同方案對比優(yōu)選出的最佳方案為第一段賽占整體的1/3，分層注聚效果好于籠統(tǒng)注聚，最佳分層實際的選擇應該在含水下降期。

2)目前，隨著大多數(shù)油田都已進入注水期開發(fā)后期階段，采用聚合物驅油方式提高采收率是一個非常重要的手段和途徑，利用數(shù)值計算方法對這個過程進行模擬實現(xiàn)模擬，將是一個非常有效的技術，同時也為相關工程的技術改進提供了思路。

［1］蘭玉波，楊清彥，李斌會.聚合物波及系數(shù)和驅油效率實驗研究［J］.石油學報，2006(1):64－69.

［2］劉華，張禹負.生物聚合物驅油體系流變性研究［J］.石油大學學報，1995(4):41－44.

［3］胡博仲，劉恒，李林.聚合物驅采油工程［M］，北京:石油工業(yè)出版社，1997:345－403.

［4］王業(yè)飛，由慶，焦翠等.聚合物再利用技術在孤島油田的應用和評價［J］.石油與天然氣化工，2005(5):397－403.

［5］田乃林.高濃度試驗區(qū)聚合物驅油實驗及數(shù)值模擬［R］，中國石油大學(北京)，2011.