數(shù)值模擬分析水氣混注的影響因素

周 洵，唐 海，顧亞鵬

（成都理工大學(xué)能源學(xué)院，四川成都 610059）

注氣驅(qū)油是在衰竭油田提高采收率的一種重要的方法。氣驅(qū)提高采收率在原則上是可以采出所有的原油，但是氣驅(qū)的波及系數(shù)不高[1]。其原因包括儲(chǔ)層的非均質(zhì)性，氣體的密度和黏度相對較低。在均質(zhì)儲(chǔ)層當(dāng)中氣體密度低，會(huì)導(dǎo)致重力覆蓋，會(huì)嚴(yán)重影響氣體的波及效率和原油的采收率。水氣交替注入和水氣混注在注氣驅(qū)油提高采收率的過程中起到了提高波及效率的作用。主要是用水控制流體的流動(dòng)和穩(wěn)定驅(qū)替前沿。

Caudle and Dyes（1958）[2]水氣交替注入防止在注氣驅(qū)油提高采收率的過程中起到了提高波及效率的作用。主要是用水控制流體的流動(dòng)和穩(wěn)定驅(qū)替前沿。SWAG 水氣混注也有同樣的效果。因?yàn)闅怛?qū)的微觀驅(qū)替要比水驅(qū)的效果好，SWAG 注入過程包含了氣和水在微觀條件下波及效率的提高。SWAG 已經(jīng)被證明是一種有效的三采方式。這種方式的波及系數(shù)要比常用的氣驅(qū)高。

Stone（1982）[3]and Jenkins（1984）[4]提出了新的在一切穩(wěn)定狀態(tài)下注氣注水關(guān)于重力分異的模型。

Lake（1989）[5]氣驅(qū)在原油開采的過程中能夠提高采收率，但波及效率不高。

Waggoner et al（1992）[6]在非均質(zhì)儲(chǔ)層當(dāng)中滲透率的變化起著主導(dǎo)作用。

Christiansen et al（1998）[7]SWAG 注入方式已經(jīng)在一些油田中得以應(yīng)用，對59 個(gè)區(qū)塊的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)水氣混驅(qū)提高采收率在5 %～10 %。

Stone（2004）[8]對比了水氣混注和單獨(dú)注水的效果，他總結(jié)了水氣混注并且非混相的狀態(tài)下，在水濕油藏和中性油藏當(dāng)中能夠降低剩余油含水飽和度50 %～100 %。與交替注入相比能夠提高三倍氣體在垂向上的波及效率。

Jamshidnezhad etal. （2008）[9]用數(shù)值模擬的方法研究了在衰竭時(shí)開采油藏中的水氣合注提高采收率。

Rossen etal（2010）[10]進(jìn)一步研究了Jenkins（1984）的模型并提出了新的方法來計(jì)算分離長度。同時(shí)他們還做了數(shù)值模擬來證明他們的分析結(jié)果。

Marjan Sherafati（2014）[11]用數(shù)值模擬的實(shí)驗(yàn)得出，同向流和對向流的轉(zhuǎn)換在水氣混注中的作用，以及相對滲透率的影響。

圖1 均質(zhì)儲(chǔ)集體中注入流體分布圖Fig.1 Injection fluid distribution in homogeneous reservoir

本文主要從水氣混注過程中水氣混注段運(yùn)移長度的影響因素出發(fā)，沒有對流態(tài)做過多的考慮。分析了在水氣混注段影響采收率的主要因素。

在均質(zhì)儲(chǔ)集體中，流體的流動(dòng)受到了注入流體與油藏流體密度和流動(dòng)特性不同的影響（見圖1）。在非均質(zhì)油藏當(dāng)中油藏滲透率的不同占主要因素（見圖2）。注入流體優(yōu)先通過高滲區(qū)域，形成一個(gè)通道。繞過了低滲區(qū)域，沒有被波及到。

如果在均值儲(chǔ)層當(dāng)中，在重力控制儲(chǔ)層中流體的流動(dòng)時(shí)，注入氣體一般密度比原油（或水）的要低，最終分離到了油頂部，底部則未被波及到。水氣交替注入或者水氣混注能夠提高波及效率。因此，原油衰竭油藏開采可以通過水和氣共混注入進(jìn)行開采。

1 理論模型

Stone（1982）and Jenkins（1984）的公式對在完全進(jìn)入分離區(qū)域之前水氣運(yùn)移的距離進(jìn)行了預(yù)測。方程描述了這一穩(wěn)定狀態(tài)，能夠算出所有被驅(qū)替出的原油的量。在每個(gè)區(qū)域（混合段，上移段和下移段）飽和度和流動(dòng)性都是不同的。長方形和圓柱形模型流動(dòng)混合區(qū)域在Lg和Rg位置消失。

式中：Q-注入氣和水的總?cè)萘?；Kz-垂直滲透率；ρw和ρg-水和氣的密度；g-重力加速度；-混合區(qū)域總的相對滲透率。

在（Stone 2004）的水氣混注和水氣交替注入中沒有考慮水氣混注過程中不同參數(shù)的影響。Rossen etal.（2010）進(jìn)一步研究了Jenkins（1984）的模型并提出了新的方法來計(jì)算分離長度。同時(shí)他們還做了數(shù)值模擬來證明他們的分析結(jié)果。本文主要針對水氣混注混相驅(qū)油進(jìn)行研究。

圖2 非均質(zhì)油藏中注入流體分布圖Fig.2 Injection fluid distribution in heterogeneous reservoir

2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

測試了不同位置的注入并且研究了注水效果，還有儲(chǔ)層縱向滲透率對儲(chǔ)層波及系數(shù)和原油采收率的影響。通過數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)對研究對象進(jìn)行了模擬研究。

使用CMG 軟件進(jìn)行模擬，設(shè)定儲(chǔ)層的基本參數(shù)，氣和水分別在同一側(cè)的兩口不同位置的水平井中注入，甲烷在最小混相壓力下注入到未飽和的油藏中（油藏參數(shù)借鑒葡北油田[12]）。儲(chǔ)層原油性質(zhì)：該油藏埋深較大，砂體連續(xù)性好，油層中部深度3 436 m，油層平均厚度13.9 m，地層溫度92.5 ℃，地層壓力37.58 MPa。儲(chǔ)層物性屬中孔中滲儲(chǔ)層，平均孔隙度17.8 %，平均滲透率110.5×10-3μm2。油藏流體性質(zhì)：油藏流體屬于典型的揮發(fā)性流體，原油性質(zhì)具有“二低五高”的特點(diǎn)，即低密度（0.803 g/cm3），低黏度（0.4 mPa·s），高體積系數(shù)（2.292），高氣油比（＞440 m3/m3），高收縮率（63.52%），輕質(zhì)組分摩爾含量高（57.161 %）和高飽和壓力（31.14 MPa）[13]。1998 年8 月開始，葡北油田進(jìn)入水氣交替混相驅(qū)開發(fā)階段。日注水量814 m3，日注氣量17.26×104m3[14]。油水相對滲透率曲線顯示葡北油田具有弱親水特征，且隨著油藏滲透率的增加，有親油的傾向，平均殘余油飽和度30 %，束縛水飽和度為27 %左右[15]（見圖3、圖4）。

圖3 平均油水相滲曲線Fig.3 Average oil / water phase permeability curve

圖4 平均油氣相滲曲線Fig.4 Average oil gas phase permeability curve

圖5 上部注水底部注氣模擬結(jié)果Fig.5 Simulation results of gas injection at the bottom of the upper water injection

圖6 中間注水底部注氣模擬結(jié)果Fig.6 Simulation results of bottom gas injection in middle water injection

首先考慮對均值條件下不混注入位置的注入進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)設(shè)定四種井型：（1）上部注水，底部注氣（見圖5）；（2）中間注水，底部注氣（見圖6）；（3）底部注水，底部注氣（見圖7）。

圖7 底部注水底部注氣模擬結(jié)果Fig.7 Simulation results of bottom gas injection in bottom water injection

圖8 不混注入方式采收率模擬結(jié)果Fig.8 Simulation results of non mixed injection method

圖9 不同垂向滲透率模擬結(jié)果Fig.9 Simulation results of different vertical permeability

圖10 不同垂向滲透率采收率模擬結(jié)果Fig.10 Simulation results of different vertical permeability recovery rate

通過模擬對比得出的結(jié)果，中間注水下面注氣的注入形式比較好（見圖8）。

最后，通過對以上三種因素的對比，優(yōu)選出最合適的注入方式，使得水氣混合段的運(yùn)移段能夠達(dá)到更長的距離，使其得到更高的驅(qū)油效率。

在優(yōu)選出合適的注入方式之后，對水氣混注條件下儲(chǔ)層滲透率的縱向滲透率作為考慮因素進(jìn)行研究。因?yàn)樵谧⑷氲倪^程中，縱向滲透率在水氣相遇以及分離階段起到了至關(guān)重要的作用，因此考慮了縱向滲透率對水氣混注同行段的影響（見圖9）。

通過對不同縱向滲透率的對比，縱向滲透率越低，水氣混注中氣體運(yùn)移的橫向距離越遠(yuǎn)，整體的驅(qū)替效果較好，采收率較高（見圖10）。

3 總結(jié)

水氣混注要比單獨(dú)注水或者注氣更有效。本次研究考慮了水氣混注的幾種因素。

（1）當(dāng)水和氣同時(shí)注入兩口平行的水平井中的時(shí)候，注水井在儲(chǔ)層上部可能效果會(huì)更好。在注氣過程中小的干擾可能會(huì)導(dǎo)致井底或其他地方的氣體不穩(wěn)定。

（2）垂向滲透率對水氣混合段的長度的影響也是非常大的，滲透率的縱橫比越小，水氣橫向運(yùn)移的距離就長，有利于提高波及效率。

從結(jié)果分析中可以看出，這些因素對原油的開采具有較強(qiáng)的影響。他們能夠影響流動(dòng)過程中水氣分離之前的運(yùn)移長度和不均勻性。

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