低滲透油藏泡沫驅(qū)影響因素敏感性分析

陳奕洲， 廖新維， 趙曉亮， 陳志明， 祝浪濤， 郭新慧， 李 朗

(中國石油大學 (北京) 石油工程教育部重點實驗室， 北京 102249)

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低滲透油藏泡沫驅(qū)影響因素敏感性分析

陳奕洲， 廖新維*， 趙曉亮， 陳志明， 祝浪濤， 郭新慧， 李 朗

(中國石油大學 (北京) 石油工程教育部重點實驗室， 北京 102249)

泡沫驅(qū)在提高低滲透油藏采收率上起著重要作用，但關于泡沫驅(qū)效果的敏感性分析卻罕見報道.為彌補這方面空白，采用數(shù)值模擬方法，對低滲透油藏泡沫驅(qū)的各影響因素進行了敏感性分析.結果表明，泡沫注入濃度、泡沫半衰期以及泡沫吸附量等在某一小區(qū)間變化時，采收率變化明顯，與氣驅(qū)相比采收率最大提高15.5%；而滲流速度則對采收率影響甚微.因此，可確定泡沫注入濃度、泡沫半衰期以及泡沫吸附量等為影響泡沫驅(qū)效果的敏感因素，這為低滲透油田實施泡沫驅(qū)提高采收率提供了參考借鑒.

低滲透油藏； 泡沫驅(qū)； 敏感性分析； 數(shù)值模擬

0 引言

低滲透油藏在我國廣泛分布，它的有效開發(fā)對我國原油穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)起著至關重要的作用.低滲透油藏由于儲層吸水能力差，注入壓力高，極易發(fā)生注不進的情況，因此水驅(qū)效果不佳；在中高滲油藏中適用的聚合物驅(qū),亦因聚合物分子的特性而限制了其在低滲油藏中的應用[1].

注氣是石油工業(yè)常用的一種提高采收率的方法，不僅能維持地層壓力，避免油藏衰竭開采，還能降低原油粘度，增大原油膨脹系數(shù)，更為重要的一點是氣體流度比水高，更容易注入地層.但是，氣體的粘性指進以及重力超覆作用仍然會導致驅(qū)替過程中波及效率和驅(qū)油效率的降低[2].因此，控制氣體的粘性指進成為注氣提高采收率的關鍵.

陳弓啟的文章顯示Bond和Holbrook于1958年在其專利中首次提出了利用泡沫降低氣相流度的設想[3]；1961年，F(xiàn)ried首次明確提出泡沫驅(qū)可用于提高石油采收率，其研究表明泡沫可以有效抑制氣竄，提高氣驅(qū)波及效率；此后，Bernard(1965)、Sanchez(1986)、Lake(1989)、Tanzil(2002)等學者相繼對泡沫驅(qū)的影響因素進行了實驗研究；Falls(1988)、Law(1989)、Kovscek(1993)、Cheng(2000)等學者建立并發(fā)展了泡沫驅(qū)數(shù)學模型[4,5].

我國泡沫驅(qū)研究起步比國外稍晚，但到目前為止也積累了不少礦場經(jīng)驗.1965年，玉門油田進行了我國首次泡沫驅(qū)試驗[6]；1967年，克拉瑪依油田開始泡沫驅(qū)室內(nèi)研究并于1971年進行礦場試驗，取得了較好的效果[7]；1996年，百色油田進行空氣泡沫驅(qū)試驗，實現(xiàn)降水增油[8,9].步入新世紀以來，甘谷驛油田、鎮(zhèn)涇油田、靖安油田以及紅河油田等低滲透油田,相繼開展了泡沫驅(qū)提高采收率的礦場試驗與應用，均取得了良好效果[10-14].

由于泡沫驅(qū)在提高采收率方面有著諸多優(yōu)點，卻罕見泡沫驅(qū)影響參數(shù)的敏感性分析的文獻報道，因此，研究低滲透油藏中泡沫驅(qū)提高采收率的敏感性因素對我國未來原油增產(chǎn)有著重要意義.

1 泡沫驅(qū)提高采收率機理

泡沫驅(qū)油技術經(jīng)過國內(nèi)外學者數(shù)十年研究，目前普遍認為泡沫驅(qū)同時具有增大波及系數(shù)和提高驅(qū)替效率等兩方面的作用[15],具體如下：

(1)泡沫首先隨注入氣體進入大孔隙，在喉道處起到封堵大孔道的作用(賈敏效應)，后續(xù)注入的氣體則進入小孔隙，而此時小孔隙中含油飽和度較高，泡沫在此處易破滅，封堵能力低，從而提高了波及效率.

(2)攜帶了泡沫的氣體由于流度的降低，在垂向上驅(qū)替更加均勻，提高了垂向上的波及系數(shù)，在一定程度上削弱了氣體的重力超覆對采收率帶來的不利影響.

(3)在油層中產(chǎn)生泡沫所需要的起泡劑(表面活性劑)具有降低油水界面張力的功能，能改變巖石潤濕性，使原油更易被驅(qū)走，從而提高了驅(qū)替效率.

2 泡沫驅(qū)數(shù)值模型

由于泡沫在油藏中物理化學變化復雜，需簡化研究.其模型假設條件如下：

(1)滲流服從達西定律；

(2)等溫滲流；

(3)泡沫僅影響氣體的流動，即僅改變氣體的相對滲透率，不改變油水相對滲透率；

(4)泡沫在巖石表面的吸附符合蘭格繆爾定律，并且吸附是可逆的；

(5)泡沫數(shù)量的遞減呈指數(shù)式，受含油和含水飽和度的影響；

(6)起泡劑不改變油水性質(zhì)；

(7)不考慮起泡劑對巖石表面潤濕性的影響.

所得泡沫的物質(zhì)平衡方程[16]為：

QgCf-λ(Sw,So)VCf

(1)

其中，氣相流度受壓力、泡沫濃度以及氣體滲流速率等的影響：

(2)

(3)

3 泡沫驅(qū)影響參數(shù)分析

根據(jù)已公開文獻[17]的低滲透油藏數(shù)據(jù)，建立1/4五點井網(wǎng)的機理模型(如圖1所示),對泡沫驅(qū)在不同影響因素(吸附量、半衰期、注入濃度、降低氣相流度程度等)下的采收率結果進行分析，以確定影響泡沫驅(qū)效果的敏感性因素.

為避免生產(chǎn)井井底原油脫氣對判斷注入氣突破時間的影響，注氣井定注入量，生產(chǎn)井定井底流壓，使井底壓力保持在飽和壓力之上，所有模型均模擬7 200天.其模型所用參數(shù)如表1所示.

表1 泡沫驅(qū)對比實驗參數(shù)

注：A為泡沫的最大吸附量，kg/m3；D為泡沫最長半衰期，天；I為泡沫注入濃度，kg/m3；P、V、C分別為與壓力、滲流速度以及泡沫濃度相關的氣相流度影響因子，無因次

該圖展示的是原始含油飽和度分布圖，飽和度變化范圍為0.311～0.633，左上角為生產(chǎn)井，右下角為注入井

3.1 泡沫吸附量

在對比泡沫吸附損失對采收率的影響時，共設計了6組不同泡沫吸附量的泡沫驅(qū)數(shù)值實驗以及1組氣驅(qū)數(shù)值實驗.其模擬結果如表2所示.

表2 不同泡沫吸附量下數(shù)值模擬結果

圖2 泡沫吸附量與采收率關系

表2及圖2顯示，當表面活性劑吸附損失較大時，泡沫驅(qū)的效果比氣驅(qū)稍差.這是因為表面活性劑在巖石表面吸附量較大時，在油水界面處產(chǎn)生的泡沫數(shù)量大大減少，泡沫不僅未能進入小孔隙驅(qū)油，還無法封堵所有大孔道，從而使得氣體沿少數(shù)大孔道快速推進，氣體突破時間反而比氣驅(qū)更早，驅(qū)替效果變差；當表面活性劑吸附損失較小時，泡沫驅(qū)的采收率隨表面活性劑損失量的較小而快速增加，氣體突破時間有所推遲，這主要是因為泡沫量增大后不僅封堵了所有大孔道，還進入小孔隙驅(qū)油，使得驅(qū)油效率大大增加，并且末期生產(chǎn)氣油比較低，有利于后續(xù)調(diào)整提高采收率措施；當表面活性劑吸附量極小時，泡沫驅(qū)的采收率變化不大，氣體突破時間亦差別不大.

由圖3可以明顯看到，泡沫驅(qū)能顯著改善近井地帶的驅(qū)替效果，并且吸附量越小，影響區(qū)域越大，亦即泡沫提高了氣驅(qū)的驅(qū)替效率，減輕了氣體重力超覆帶來的不利影響；但是正因驅(qū)替效率的增加，使得氣體推進速度變慢，波及效率隨著吸附量增加而減小.

圖中各小圖左邊為生產(chǎn)井，右邊為注入井

3.2 泡沫半衰期

在對比泡沫半衰期對采收率影響時，共設計了6組不同半衰期的泡沫驅(qū)數(shù)值實驗和1組氣驅(qū)數(shù)值實驗.其模擬結果如表3所示.

表3 不同泡沫半衰期數(shù)值模擬結果

圖4 泡沫半衰期與采收率關系

由表3及圖4～5可以看出，當泡沫的半衰期很短或是很長時，半衰期的差別對采收率影響不大，只有當泡沫半衰期處在特定區(qū)間時，采收率才隨半衰期的增加而迅速增加.這是由于泡沫穩(wěn)定性極差時，即使表面活性劑產(chǎn)生了足夠的泡沫，無法持續(xù)地封堵大孔道，反而使得后續(xù)注入的氣體率先進入被短暫封堵的大孔隙并快速推進到生產(chǎn)井井底，造成采收率比氣驅(qū)略低；當泡沫穩(wěn)定性增強時，對高滲通道封堵的時間延長，使得后續(xù)注入氣體進入小孔隙驅(qū)油，延緩了生產(chǎn)井見氣時間，提高了采收率.

圖中各小圖左邊為生產(chǎn)井，右邊為注入井

3.3 泡沫注入濃度

在對比不同泡沫注入濃度對采收率的影響時，共設計了6組泡沫驅(qū)數(shù)值實驗以及1組氣驅(qū)對比實驗.其模擬結果如表4所示.

表4 不同泡沫注入濃度數(shù)值模擬結果

圖6 注入濃度與采收率關系

表4、圖6～7表明，采收率隨泡沫的注入濃度增加而增加.當注入濃度較低時，采收率隨注入濃度增加而快速上升，到達一定值后，采收率的增長速率變得十分平緩.這是由于注入的泡沫濃度低時，泡沫數(shù)量少，當部分泡沫受到壓力、滲流速度等因素影響而失效時，剩余泡沫無法持續(xù)地有效地封堵大孔道，此時增加注入濃度能使泡沫封堵大孔道的能力加強，從而使小孔隙中的原油得以動用，波及效率增加，采收率快速上升；當注入濃度達到一定值后，泡沫已持續(xù)封堵多數(shù)大孔隙，即使繼續(xù)增加注入濃度，波及效率的增加幅度依然有限，只是改善了小孔隙內(nèi)的流度比，提高驅(qū)油效率，因而采收率上升速率變慢.

圖中各小圖左邊為生產(chǎn)井，右邊為注入井

3.4 氣相流度影響因子

泡沫在油藏內(nèi)的主要作用之一就是降低氣相流度，但是其降低程度受三方面因素的影響,即：(1)泡沫濃度；(2)地層壓力；(3)注氣速度.

3.4.1 與泡沫濃度相關的氣相流度影響因子Mc(Cf)

在對比Mc(Cf)對采收率的影響時，共設計了5組泡沫驅(qū)數(shù)值實驗以及1組氣驅(qū)對比實驗.其模擬結果如表5所示.

表5 不同Mc(Cf)數(shù)值模擬結果

圖8 Mc(Cf)與采收率關系

圖中各小圖左邊為生產(chǎn)井，右邊為注入井

表5、圖8～9表明，Mc(Cf)極大值越小，采收率越高.這是因為泡沫濃度越高，氣相流度下降因子Mc(Cf)極大值越小，故當泡沫濃度較低時泡沫數(shù)量少，封堵孔道的數(shù)量也相應減少，從而使得注入氣體沿其余孔道推進，削弱了泡沫驅(qū)改善流度比的能力，而氣體流度越大，生產(chǎn)井見氣時間越早，驅(qū)替效率越低，采收率越低.

3.4.2 與壓力相關的氣相流度影響因子Mp(P)

在對比Mp(P)對采收率的影響時，共設計了5組泡沫驅(qū)數(shù)值實驗以及1組氣驅(qū)對比實驗.其模擬結果如表6所示.

表6 不同Mp(P)數(shù)值模擬結果

圖10 Mp(P)與采收率關系

圖中各小圖左邊為生產(chǎn)井，右邊為注入井

表6、圖10～11顯示，Mp(P)極大值越小，采收率越高，而且采收率與Mp(P)極大值呈現(xiàn)出明顯的線性關系.這是因為氣相流度影響因子Mp(P)越大，說明泡沫在高壓下被壓縮，影響了封堵效果.值得注意的是，當氣相流度影響因子Mp(P)極大值為0.9時，泡沫驅(qū)采收率仍比氣驅(qū)高8%.一方面，這是由于高壓區(qū)集中在注入井附近，在遠離注入井的地方剩余泡沫仍能起到封堵大孔道、延緩氣體突破的作用；另一方面，由于地層壓力下降使得氣相流度影響因子亦減小，抑制了后續(xù)注入氣體的快速推進.

3.4.3 與注氣速度相關的氣相流度影響因子Mg(Vg)

在對比Mg(Vg)對采收率的影響時，共設計了3組泡沫驅(qū)數(shù)值實驗以及1組氣驅(qū)對比實驗.其模擬結果如表7所示.

表7 不同Mg(Vg)數(shù)值模擬結果

圖12 Mg(Vg)與采收率關系

圖中各小圖左邊為生產(chǎn)井，右邊為注入井

表7、圖12～13表明，在一定注氣速度下，Mg(Vg)對采收率幾乎無影響.主要是因為氣體滲流速度只在近井地帶較大，在其余區(qū)域較小，也就是說在油藏大部分區(qū)域泡沫降低氣相流度的能力基本沒被削弱，因此氣相流度影響因子的大小對采收率影響甚小.Mg(Vg)對采收率的影響與Mp(P)類似，其不同之處在于Mp(P)與壓力的絕對值相關，而Mg(Vg)與壓差的大小相關.

4 敏感性分析

從以上模擬結果可以看出，泡沫驅(qū)各影響因素對采收率有著不同程度的影響.在進行敏感性分析時，對各變量的變化范圍進行歸一化，并將其與采收率的關系繪于一張圖，如圖14所示.由圖14可知，注入濃度對采收率影響最大，吸附量與半衰期次之，而壓力和注入速度對采收率的影響不明顯.

圖14 敏感性分析

5 結論

(1)與氣驅(qū)相比，泡沫驅(qū)時油藏采收率變化明顯，采收率最大可提高15.5%，表明注入泡沫能有效地提高低滲透油藏注氣采收率，具有十分廣闊的應用前景.

(2)當泡沫吸附量越小、半衰期越長、注入濃度越大時，泡沫驅(qū)采收率越高，并且都存在采收率快速上升的階段；而壓力和注入速度等的變化對采收率影響較小.

(3)利用模擬結果，對各變量與采收率的變化范圍進行歸一化，得到了采收率的敏感性分析圖，可確定泡沫驅(qū)影響因素敏感性強弱排序為：注入濃度、吸附量、半衰期、壓力、注氣速度.在礦場應用時，應優(yōu)先調(diào)整強敏感性參數(shù)以獲得更高的采收率.

符號說明：

Cf：泡沫濃度，g/cm3

ρg：氣體密度，g/cm3

ρr：巖石密度，g/cm3

μg：氣體粘度，cp

Dz：網(wǎng)格塊的中部深度，cm

Br、Bg：分別代表巖石、氣體的壓縮系數(shù)，atm-1

T：傳導率，md·cm

krg：氣相相對滲透率，小數(shù)

So、Sw、Sg：分別代表含油飽和度、含水飽和度和含氣飽和度，小數(shù)

V：網(wǎng)格塊的孔隙體積，cm3

Qg：氣體流量，cm3/s

Pg：氣相壓力，atm

λ：與含油飽和度以及含水飽和度相關的泡沫數(shù)量遞減函數(shù)，s-1

Mrf：氣相流度，md·cp-1

g：重力加速度，cm/s2

Mg(Vg)：與氣相滲流速度相關的氣相流度影響因子，小數(shù)

Mc(Cf)：與泡沫濃度相關的氣相流度影響因子，小數(shù)

Mp(P)：與壓力相關的氣相流度影響因子，小數(shù)

P：油相壓力，atm

Vg：氣相滲流速度，cm/s

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Sensitivity analysis for foam flooding in low-permeability reservoirs

CHEN Yi-zhou， LIAO Xin-wei*， ZHAO Xiao-liang，CHEN Zhi-ming， ZHU Lang-tao， GUO Xin-hui， LI Lang

(MOE Key Laboratory of Petroleum Engineering, China University of Petroleum (Beijing), Beijing 102249, China)

The merits and demerits of different kinds of enhancing oil recovery methods used in low permeability reservoirs were compared,and the foam flooding was selected to enhance the recovery of low permeability reservoirs.In this paper,we used numerical simulation method to analyze the sensitivities of parameters which used in foam flooding.The result shows:as the inject foam concentration,the decay time of foam and the amount of adsorption change at a small interregional,the oil recovery change obviously and could be higher 15.5% than gas flooding.But the gas velocity seems has no affect to oil recovery,so it can be sure that the inject foam concentration,the decay time of foam and the amount of adsorption are the most sensitivity parameters of foam flooding.The result can also provide references to foam flooding of low-permeability reservoirs.

low-permeability reservoirs; foam flooding; sensitivity analysis; numerical simulation

2015-01-26

國家自然科學基金項目(U1262101)

陳奕洲(1990-)，男，廣西玉林人，在讀碩士研究生，研究方向：油藏數(shù)值模擬通訊作者:廖新維(1967-)，男，福建大田人，教授，博士生導師，研究方向：油氣藏滲流理論與應用、提高采收率技術與應用，xinwei@cup.edu.cn.

1000-5811(2015)03-0109-07

TE357

A