南海西部油田可動微凝膠深部調(diào)驅(qū)模擬表征方法及應(yīng)用

孟令強

(中海石油(中國)有限公司湛江分公司，廣東湛江 524057)

南海西部北部灣區(qū)域目前約一半以上的油田需要注水開發(fā)，但隨著注水開發(fā)程度深化，加之儲層的非均質(zhì)性，注入水容易沿著高滲透層突竄，造成無效注水，波及體積低。目前南海西部90%以上注水油田已進入中高含水期，必須尋找能有效擴大注入水波及體積的方法進行穩(wěn)油控水，進一步提高油田采收率。深部調(diào)驅(qū)是在現(xiàn)有井網(wǎng)層系下有效擴大注入水波及體積的重要技術(shù)措施，是注水油田中高含水期進一步提高水驅(qū)采收率的重要途徑之一[1-2]。韓大匡院士團隊提出的可動微凝膠(Soft Microgel，簡稱SMG)深部調(diào)驅(qū)技術(shù)就是其中的一項最新技術(shù)[3]，該項技術(shù)可有效克服傳統(tǒng)調(diào)驅(qū)技術(shù)在礦場應(yīng)用中的一些不足[4-6]。目前對于SMG深部調(diào)驅(qū)的相關(guān)研究比較多，主要包括調(diào)驅(qū)體系的室內(nèi)實驗評價、影響因素分析、參數(shù)優(yōu)化等[7-11]，但SMG數(shù)值模擬研究相對較少[12-15]；目前商業(yè)數(shù)值模擬軟件還無法直接模擬表征其調(diào)驅(qū)機理，嚴重制約了深部調(diào)驅(qū)地質(zhì)油藏方案的快速編制。針對以上問題，基于SMG調(diào)驅(qū)機理，將調(diào)驅(qū)過程劃分為生成、運移和封堵三個階段，然后利用ECL(ECLIPSE)數(shù)值模擬軟件分別對上述過程進行模擬表征，重點研究調(diào)驅(qū)效果影響規(guī)律，指導南海西部SMG深部調(diào)驅(qū)先導試驗。

1 可動微凝膠調(diào)驅(qū)模擬表征

1.1 調(diào)驅(qū)機理

可動微凝膠是指在儲層多孔介質(zhì)中可以移動的納米-微米級凝膠。使用可動微凝膠提高水驅(qū)采收率的主要機理是：①調(diào)整驅(qū)動方向，通過可動微凝膠暫堵高滲透水流通道，使后續(xù)的注入流體轉(zhuǎn)向原來水驅(qū)沖洗強度較低和水驅(qū)未達到的部位，有效擴大波及體積和提高沖洗強度；②依靠后續(xù)的注入流體有效地驅(qū)替出所擴大波及范圍內(nèi)的分散剩余油，從而提高水驅(qū)采收率。微凝膠對原來的老通道形成暫堵以后，可動微凝膠受到的壓力梯度會增加，當增加到一定程度后，使具有柔性的可動微凝膠突破暫堵部位并向前移動，直到在某個新的部位再次暫堵新的高滲透水流優(yōu)勢通道，如此周而復(fù)始，可動微凝膠不斷重復(fù)“暫堵-突破-再暫堵-再突破”的過程，直至油藏的深部，不斷地擴大注入流體的波及體積，不斷地驅(qū)替出更多分散的剩余油[16]。

1.2 模擬表征方法

由可動微凝膠深部調(diào)驅(qū)機理可知，隨著注入水流動，調(diào)驅(qū)劑逐漸向地層深部運移，主要用于改變儲層的滲透率，尤其封堵高滲透通道。基于此，可將調(diào)驅(qū)過程劃分為生成(調(diào)驅(qū)劑注入到儲層)、運移(調(diào)驅(qū)劑在儲層中流動)和封堵(儲層滲透率發(fā)生改變)三個階段，利用數(shù)值模擬軟件ECL分別模擬上述三個階段近似表征可動凝膠深部調(diào)驅(qū)過程。

1.2.1 SMG生成和運移模擬表征

化學反應(yīng)在ECL中主要用來表征模擬火燒油層、生物降解等機理。因此，SMG的生成可通過化學反應(yīng)生成物來代替，運移的遠近可通過化學反應(yīng)速率來表征，化學反應(yīng)速率主要遵守阿倫尼烏斯方程：

(1)

式中：Rr為某一反應(yīng)物在單位時間單位體積內(nèi)反應(yīng)消耗的質(zhì)量，kg/(m3·d)；Ar為反應(yīng)速率常數(shù)，(kg/m3)1-∑nri/d；Er為反應(yīng)活化能，J/kg；R為通用氣體常數(shù)，J/(kg·K)；T為絕對溫度，K；Cri為反應(yīng)物的密度，kg/m3；nri為與組分濃度相關(guān)的指數(shù)，f；i為組分個數(shù)，f。

化學反應(yīng)方程主要包括化學反應(yīng)配平系數(shù)和化學反應(yīng)速率兩大部分，因此，模擬SMG的生成與運移需要以下三個步驟。

步驟一：定義組分

①定義生成物組分

CNAMES

OIL GAS DPOLY/

CVTYPE

1* 1* SOLID/

其中，CNAMES為定義生成物組分名稱；OIL代表油組分；GAS代表氣組分；DPOLY代表具有封堵能力的SMG固相顆粒；CVTYPE為定義生成物組分揮發(fā)類型；SOLID代表固相組分類型。

②定義反應(yīng)物組分

WNAMES

WATER POLY/

CWTYPE

1* POLY/

其中，WNAMES為定義反應(yīng)物組分名稱；WATER代表水組分；POLY代表反應(yīng)物SMG分散相體系；CWTYPE為定義反應(yīng)物組分類型。

步驟二：設(shè)置化學反應(yīng)配平系數(shù)

①設(shè)置反應(yīng)物配平系數(shù)

STOREAC

0 0 0 1 0/

其中，STOREAC為設(shè)置反應(yīng)物配平系數(shù)。

②設(shè)置生成物配平系數(shù)

STOPROD

0 0 1 0 0/

其中，STOPROD為設(shè)置生成物配平系數(shù)。

步驟三：設(shè)置反應(yīng)速率常數(shù)

REACRATE

0.1/

其中，REACRATE為設(shè)置反應(yīng)速率常數(shù)。

反應(yīng)速率常數(shù)的大小可以控制SMG運移的遠近。反應(yīng)速率常數(shù)大，反應(yīng)速度快，SMG主要堆積在近井筒附近，可用于模擬近井地帶的封堵；反應(yīng)速率常數(shù)小，反應(yīng)速度慢，SMG往深部運移，可用于模擬深部調(diào)剖。

1.2.2 SMG封堵能力模擬表征

SMG進入儲層之后，封堵能力通過流度倍乘系數(shù)來表征，見式(2)：

(2)

其中，流度倍乘系數(shù)為吸附濃度的函數(shù)，見式(3)：

ks=ksc(Ca)

(3)

式中：Ca為固相吸附濃度，mg/L；ksc(Ca)為吸附濃度的函數(shù)。

在ECL中，流度倍乘系數(shù)可通過關(guān)鍵字SOLIDMMC(設(shè)置流度倍乘系數(shù)與固相吸附濃度的關(guān)系)進行設(shè)置：

SOLIDMMC

0 1.00

0.0001 0.99

0.0005 0.80

0.001 0.75

0.005 0.36

0.01 0.10/

其中，關(guān)鍵字第1列為固相吸附濃度，第2列為流度倍乘系數(shù)。

2 調(diào)驅(qū)效果影響因素

確定表征方法之后，為了研究影響調(diào)驅(qū)效果的規(guī)律，建立1注1采調(diào)驅(qū)機理模型(圖1)，網(wǎng)格規(guī)模為10×10×10，網(wǎng)格尺寸為50 m×50 m×3 m，滲透率級差為10，頂部和底部為高滲層，中間為低滲層，地下原油黏度為2.5 mPa·s。利用該模型對儲層非均質(zhì)性和SMG性質(zhì)等進行敏感性分析。

圖1 調(diào)驅(qū)機理模型

2.1 儲層非均質(zhì)性

采用滲透率級差來表征儲層非均質(zhì)性，該參數(shù)是指最大滲透率與最小滲透率的比值，設(shè)置6個不同的滲透率級差(1、5、10、20、30、40)進行模擬。結(jié)果表明，滲透率級差越大，即儲層非均質(zhì)性越強，水驅(qū)和調(diào)驅(qū)的采收率均越低，但SMG會優(yōu)先進入高滲層，降低高滲層滲透率，從而改善水驅(qū)剖面，即滲透率級差越大，改善效果越明顯，相對于水驅(qū)，調(diào)驅(qū)采收率增幅則不斷增加(圖2)。這說明對于儲層非均質(zhì)性越強的油藏，相對于水驅(qū)，調(diào)驅(qū)提高采收率值越大，效果越好。

圖2 滲透率級差對調(diào)驅(qū)效果影響

2.2 SMG性質(zhì)

2.2.1 反應(yīng)速率常數(shù)

反應(yīng)速率常數(shù)的大小可以控制SMG運移的遠近，設(shè)置不同的反應(yīng)速率常數(shù)(0.03、0.06、0.10、0.50、1.00)進行數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)速率常數(shù)越小，反應(yīng)速度越慢，SMG越往深部運移，調(diào)驅(qū)有效期變長，采收率增幅也隨之增加(圖3)。

圖3 反應(yīng)速率常數(shù)對調(diào)驅(qū)效果影響

2.2.2 注入SMG濃度

注入SMG濃度是與SMG注入總量相關(guān)的參數(shù)，是影響調(diào)驅(qū)最終采收率的重要因素。數(shù)值模擬結(jié)果表明，SMG濃度對最終采收率的影響較大。隨著注入SMG濃度增加，相對于水驅(qū)，提高采收率值逐漸增大；但當SMG濃度超過一定值(本次模擬約為2 000 mg/L)后，采收率增幅會變小(圖4)。因此，在礦場應(yīng)用時，由于要考慮經(jīng)濟因素，必須對注入SMG濃度進行優(yōu)化。

2.2.3 注入段塞尺寸

對于注入段塞尺寸，在相同的注入濃度條件下，隨著注入段塞尺寸增加，最終采收率也隨之增加，但段塞尺寸超過一定值(本次模擬為0.6 PV)后，曲線逐漸趨于平緩，提高采收率值的增大趨勢變緩(圖5)?？紤]經(jīng)濟因素，在進行調(diào)驅(qū)方案設(shè)計時需優(yōu)化注入段塞尺寸。

圖5 注入段塞尺寸對調(diào)驅(qū)效果影響

通過以上敏感性分析可知，儲層非均質(zhì)性越強，油水黏度比越大，深部調(diào)驅(qū)效果越好；同時，SMG性質(zhì)是保證調(diào)驅(qū)效果的關(guān)鍵，因此在考慮經(jīng)濟因素和工程因素的前提下，需要針對具體油藏類型進行優(yōu)化選擇。

3 礦場應(yīng)用

基于調(diào)驅(qū)效果影響規(guī)律的認識，優(yōu)選南海西部儲層非均質(zhì)性較強的典型井組(W油田A10井組)進行調(diào)驅(qū)先導試驗，該井組滲透率級差為23.8～194.1，地下原油黏度為4.0 mPa·s。2010年投入開發(fā)，2018年綜合含水已突破80%，注入水沿優(yōu)勢通道突進嚴重，水驅(qū)不均，層內(nèi)存在剩余油潛力。為控制含水過快上升，2019年12月對該井組(注水井為A10井，主要受效井為A4井)開展了在線調(diào)驅(qū)先導試驗，累計注入濃度為2 000 mg/L的SMG共9 896.6 m3。對于注水井，調(diào)驅(qū)后啟注壓力由調(diào)驅(qū)前的3.9 MPa逐漸增加至12.7 MPa，表明高滲通道封堵效果較好；對于采油井，主要受效井A4井含水下降10%，日產(chǎn)油增加15.00 m3(圖6)，截至2020年12月底已累計增油0.51×104m3，預(yù)計累計增油1.24×104m3，取得了較好的調(diào)驅(qū)效果。

圖6 W油田A10井組調(diào)驅(qū)效果

W油田A10井組調(diào)驅(qū)試驗的成功，進一步驗證了深部調(diào)驅(qū)對于非均質(zhì)性較強油藏具有較好的調(diào)驅(qū)效果，也證實了該模擬表征方法的可靠性及實用性，為南海西部注水油田深部調(diào)驅(qū)進一步推廣應(yīng)用提供了技術(shù)儲備和經(jīng)驗借鑒。

4 結(jié)論

(1)基于SMG深部調(diào)驅(qū)機理，利用ECL數(shù)值模擬軟件中化學反應(yīng)和關(guān)鍵字SOLIDMMC近似模擬SMG調(diào)驅(qū)的三個階段(生成、運移、封堵)，并將三個階段耦合得到模擬SMG調(diào)驅(qū)機理的表征方法。

(2)應(yīng)用提出的模擬表征方法對各參數(shù)進行敏感性分析，結(jié)果表明，儲層非均質(zhì)性越強，深部調(diào)驅(qū)效果越好；SMG性質(zhì)對調(diào)驅(qū)效果影響較大，需針對具體油藏進行優(yōu)化選擇。

(3)南海西部W油田A10井組的SMG深部調(diào)驅(qū)先導試驗取得較好效果，證實了該模擬表征方法的可靠性及實用性，為南海西部注水油田深部調(diào)驅(qū)進一步推廣應(yīng)用提供了技術(shù)儲備和經(jīng)驗借鑒。