聚合物驅(qū)剖面返轉(zhuǎn)數(shù)值模擬方法研究

鄭愛玲，康曉東，劉德華長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢中海石油研究總院，北京

聚合物驅(qū)剖面返轉(zhuǎn)數(shù)值模擬方法研究

鄭愛玲1，康曉東2，劉德華1
1長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢2中海石油研究總院，北京

非均質(zhì)油藏聚合物單一段塞驅(qū)油過程中吸液剖面易發(fā)生返轉(zhuǎn)，不利于提高采收率。針對室內(nèi)物理模擬試驗花費高、周期長、工作量大，常規(guī)數(shù)值模型難以描述聚合物驅(qū)剖面返轉(zhuǎn)現(xiàn)象的問題，根據(jù)滲流理論、聚合物驅(qū)物化現(xiàn)象，建立了聚合物驅(qū)兩層并聯(lián)不竄流線性滲流模型；結(jié)合油藏數(shù)值模擬軟件特點，提出了根據(jù)儲層物性分區(qū)進行聚合物特征參數(shù)差異賦值的剖面返轉(zhuǎn)數(shù)值模擬方法。采用建立的剖面返轉(zhuǎn)數(shù)值模擬方法對油田聚合物驅(qū)剖面返轉(zhuǎn)現(xiàn)象的影響因素進行了系統(tǒng)研究，結(jié)果表明，滲透率級差、注聚時機、聚合物質(zhì)量濃度對聚合物剖面返轉(zhuǎn)現(xiàn)象影響較大，為研究聚合物驅(qū)吸液剖面返轉(zhuǎn)規(guī)律及減緩剖面返轉(zhuǎn)現(xiàn)象提供技術(shù)支持。

聚合物驅(qū)，剖面返轉(zhuǎn)，數(shù)值模擬，物理實驗，返轉(zhuǎn)機理

Received: Dec. 7th, 2015; accepted: Jan. 17th, 2016; published: Mar. 15th, 2016

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Mechanism

1. 引言

聚合物驅(qū)油技術(shù)已成為油田增儲穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]-[3]。渤海稠油油藏原油黏度高、縱向?qū)酉刀?、非均質(zhì)性嚴重且開發(fā)周期短，在早期聚合物驅(qū)過程中吸液剖面返轉(zhuǎn)問題更加復(fù)雜[4] [5]。目前聚合物驅(qū)常規(guī)數(shù)值模擬方法未能充分體現(xiàn)儲層物性差異及造成的聚合物滲流動態(tài)規(guī)律差異，難以準確描述聚合物驅(qū)剖面返轉(zhuǎn)現(xiàn)象和驅(qū)油效果。為實現(xiàn)聚合物驅(qū)剖面返轉(zhuǎn)精細模擬，通過理論分析、室內(nèi)物理試驗和數(shù)值模擬，建立能準確反映剖面返轉(zhuǎn)現(xiàn)象的油藏數(shù)值模擬方法，為研究聚合物驅(qū)過程中吸液剖面返轉(zhuǎn)問題及相應(yīng)的改善驅(qū)油效果的方法提供參考。

2. 聚合物驅(qū)剖面返轉(zhuǎn)現(xiàn)象理論研究

根據(jù)滲流力學(xué)理論，存在滲透率級差的兩層并聯(lián)不竄流線性滲流模型，在聚合物驅(qū)時，高、低滲透層分流率方程如下：

其中阻力系數(shù)Rm為水的流度與聚合物溶液流度的比值，即：

式中：f1、f2分別為高、低滲透層分流率，1；Qo1、Qp1、Qo2、Qp2分別為高、低滲透層油、聚合物溶液流量，m3/s；kro1、krw1、kro2、krw2分別為高、低滲透層油相、水相相對滲透率，1；Rm1、Rm2分別為高、低滲透層阻力系數(shù)，1；μo、μw、μp分別為油、水、聚合物溶液黏度，mPa·s；kw、kp分別為水相、聚合物溶液的滲透率，mD；M為高、低滲透層滲透率級差，1。

從式(1)、(2)可看出，總流量在高、低滲透層的分配不僅與儲層非均質(zhì)性有關(guān)，也與聚合物物化性質(zhì)相關(guān)。多層非均質(zhì)油藏由于沉積環(huán)境差異，使得縱向上各層的滲透率、孔隙度、潤濕性、相對滲透率曲線等存在差異，這種差異和聚合物在多孔介質(zhì)中滲流的物化性質(zhì)使得各層中流體的滲流動態(tài)規(guī)律不同，影響總流量在各層中的分配。

3. 剖面返轉(zhuǎn)數(shù)值模擬方法

3.1. 聚合物驅(qū)數(shù)值模擬關(guān)鍵參數(shù)

基于聚合物驅(qū)剖面返轉(zhuǎn)現(xiàn)象理論研究，能有效體現(xiàn)剖面返轉(zhuǎn)的聚合物驅(qū)數(shù)值模擬關(guān)鍵參數(shù)及室內(nèi)試驗研究如下。

1) 聚合物吸附

聚合物在多孔介質(zhì)中流動時，會在多孔介質(zhì)或巖石表面吸附滯留，聚合物吸附的強弱與流體類型、分子量、流速、巖石礦物性質(zhì)及滲透率等相關(guān)[6]。試驗結(jié)果表明，SZ36-1油田所用AP-P4疏水締合聚合物溶液吸附量隨質(zhì)量濃度增加而增加，隨孔隙度降低而增加。

2) 聚合物黏度

聚合物溶液的高黏度能增加水相黏度，降低油水黏度比，為非牛頓流體[7] [8]。試驗結(jié)果表明，SZ36-1油田所用AP-P4疏水締合聚合物黏度隨質(zhì)量濃度增加而增加。

3) 滲透率下降系數(shù)

由于聚合物溶液在多孔介質(zhì)中的吸附、機械及水動力捕集等滯留作用，導(dǎo)致巖石孔隙介質(zhì)滲透率變化。滲透率下降系數(shù)是聚合物吸附和殘余阻力系數(shù)的函數(shù)[9]：

式中：Rk為滲透率下降系數(shù)，1；為單位巖石體積中聚合物最大吸附量，kg/m3；為單位巖石體積中聚合物吸附量，kg/m3；RRF為殘余阻力因子，1。

4) 不可及孔隙體積(IPV)

高分子聚合物溶液流過多孔介質(zhì)時，僅能通過部分孔隙體積，有一部分孔隙不能到達。不可及孔隙體積主要取決于儲層滲透率、孔隙大小、聚合物分子量等因素[10]。

3.2. 數(shù)值模擬方法研究

聚合物驅(qū)數(shù)值模擬關(guān)鍵參數(shù)的研究表明，聚合物驅(qū)油機理的特征參數(shù)與儲層物性相關(guān)，而目前聚合物驅(qū)常規(guī)數(shù)值模擬過程中未能充分體現(xiàn)這些差異，也未考慮黏-彈性聚合物驅(qū)替后微觀殘余油降低、微觀驅(qū)替效率增加的影響對相滲曲線進行聚合物驅(qū)修正，因而難以準確描述聚合物驅(qū)剖面返轉(zhuǎn)規(guī)律和模式。

為實現(xiàn)聚合物驅(qū)精細數(shù)值模擬，根據(jù)各層滲透率、孔隙度、潤濕性分布情況進行分區(qū)，依據(jù)室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)，分別設(shè)置不同的潤濕性、相對滲透率曲線、聚合物吸附數(shù)據(jù)、殘余阻力系數(shù)、不可及孔隙體積等特征參數(shù)。

根據(jù)研究區(qū)塊地質(zhì)特征、流體特征及聚合物特征，采用加拿大CMG軟件STARS化學(xué)驅(qū)模擬器進行剖面返轉(zhuǎn)現(xiàn)象對比研究。高、低滲層滲透率分別為1500、500 mD，原油為目標油田SZ36-1稠油(65℃下，黏度為70 mPa·s)，模擬水黏度為0.5 mPa·s，注入0.5 PV水后注入0.6 PV聚合物，后續(xù)水驅(qū)1.4 PV，模擬結(jié)果見圖1、圖2。

從圖1可看出，高、低滲層相滲曲線、吸附數(shù)據(jù)、殘余阻力系數(shù)和不可及孔隙體積對聚合物驅(qū)分流率曲線形態(tài)、剖面返轉(zhuǎn)時機和返轉(zhuǎn)幅度影響較大。圖2表明，根據(jù)儲層物性進行聚合物特征參數(shù)差異賦值的方法和常規(guī)籠統(tǒng)賦值的方法分流率曲線存在較大差異。

通過特征參數(shù)差異賦值法和常規(guī)籠統(tǒng)賦值方法對室內(nèi)剖面返轉(zhuǎn)物理試驗進行反演，驗證方法的可靠性。雙層并聯(lián)人造巖心，巖心為30 cm × 4.5 cm × 4.5 cm，高、低滲層滲透率分別為950、317 mD。不同方法的油藏數(shù)值模擬反演結(jié)果見圖3，從圖3可看出，與常規(guī)籠統(tǒng)賦值法相比，特征參數(shù)差異賦值法的擬合效果更好，更能準確反映聚合物驅(qū)剖面返轉(zhuǎn)特征。

4. 實例應(yīng)用

SZ36-1油田為海上普通稠油油田，油田1993年投產(chǎn)，采用反九點井網(wǎng)注水開發(fā)，2003年開展聚合物驅(qū)單井試驗，2008年開始實施井組擴大注聚。采用聚合物驅(qū)剖面返轉(zhuǎn)新數(shù)值模擬方法剖析了注聚井剖面返轉(zhuǎn)規(guī)律及影響因素。

研究表明，隨滲透率級差增加，高滲層滲透率增大，注入壓力降低，低滲層吸液壓差小，改善吸液剖面效果不理想，低滲層吸液剖面形態(tài)從倒U型向倒V型變化；低滲層啟動程度低，分流率峰值顯著降低；低滲層對聚合物的吸附和滯留更加敏感，導(dǎo)致滲透率下降速度、幅度越大，吸液壓差減少越多，剖面返轉(zhuǎn)時機越早。為使聚合物注入剖面更加均勻，增加中、低滲透油層的動用程度，應(yīng)盡量降低層系內(nèi)的滲透率級差(圖4)。

隨注聚時機推遲，低滲層吸液剖面峰值先增加后略下降；剖面返轉(zhuǎn)時機先提前，含水率大于90%后推遲；剖面形態(tài)從倒U型向倒V型轉(zhuǎn)化。為減弱剖面返轉(zhuǎn)現(xiàn)象對聚合物驅(qū)油效果的影響，應(yīng)選擇合適的注聚時機(圖5)。

隨聚合物質(zhì)量濃度增大，聚合物黏度增加，注入壓力升高，調(diào)剖能力越強，低滲層啟動越快，調(diào)整低滲層吸液剖面效果越好，低滲層峰值增加，返轉(zhuǎn)時機提前；濃度增大到一定程度，低滲層注入困難，堵塞嚴重，造成注聚后期層間矛盾更突出，擴大波及體積效果和提高洗油效率能力降低。只有當(dāng)聚合物溶液濃度(黏度)適中，與巖心孔喉具有良好配伍性，才能滿足非均質(zhì)儲層不同滲透層對流度控制強度的需求，提高增油效果(圖6)。

5. 結(jié)論

1) 根據(jù)滲流力學(xué)理論，建立了聚合物驅(qū)兩層并聯(lián)不竄流線性滲流模型，揭示了聚合物驅(qū)剖面返轉(zhuǎn)的影響因素在于高、低滲透層的物性差異及聚合物物化性質(zhì)。

Figure 1. Relative liquid injection rate curves of influence factors圖1. 不同影響因素下低滲透層分流率對比曲線

Figure 2. Relative liquid injection rate curves of different methods圖2. 不同方法低滲透層分流率對比曲線

Figure 3. Relative liquid injection rate fitting curves of physics experiment and numerical simulation圖3. 低滲層分流率物理試驗與數(shù)值模擬擬合曲線

Figure 4. Relative liquid injection rate curves of different permeability ratios圖4. 不同滲透率級差下低滲層分流率曲線

Figure 5. Relative liquid injection rate curves of different polymer injection time圖5. 不同注聚時機下低滲層分流率曲線

Figure 6. Relative liquid injection rate curves of different polymer concentrations圖6. 不同聚合物質(zhì)量濃度下低滲層分流率曲線

2) 通過理論分析、室內(nèi)物理試驗及油藏數(shù)值模擬技術(shù)，提出了根據(jù)儲層物性分區(qū)進行特征參數(shù)差異賦值的剖面返轉(zhuǎn)數(shù)值模擬方法。

3) 剖析了不同滲透率級差、注聚時機、聚合物質(zhì)量濃度下的剖面返轉(zhuǎn)規(guī)律，聚合物驅(qū)過程中，應(yīng)盡量降低層系內(nèi)的滲透率級差，增加低滲透油層的動用程度；選擇合適的聚合物注入時機，減弱剖面返轉(zhuǎn)對驅(qū)油效果的影響；根據(jù)儲層滲透率選擇合適的聚合物質(zhì)量濃度，實現(xiàn)非均質(zhì)儲層不同滲透層均衡驅(qū)替。

中國海洋石油總公司科研項目(YXKY-2014-ZY-03)；國家科技重大專項(2011ZX05010-002)。

參考文獻 (References)

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Research on Numerical Simulation Method of Section Inversion during Polymer Flooding

Ailing Zheng1, Xiaodong Kang2, Dehua Liu1
1College of Petroleum Engineering, Yangtze University, Wuhan Hubei2CNOOC Research Center, Beijing

The inversion of injection profile was easily induced in single slug injection in heterogeneous reservoirs; it was unfavorable for enhancing oil recovery. In allusion to the problems of high cost, long duration and heavy workload of laboratory simulation, which were hard to be described by conventional reservoir simulation, based on percolation theory and physical-chemical property in polymer flooding, an uncross flow linear percolation model of two parallel layers was established. Compared with the characteristics of simulation software, a simulation method for profile inversion was proposed based on the sorting of reservoir physical property. The studied method is used for systematically studying the factors influencing the profile inversion; the result shows that the permeability contrast, its injection time and its concentration are the major factors affecting the inversion; it provides a technical support for studying the regulation and the reduction of profile inversion in polymer flooding.

Polymer Flooding, Profile Inversion, Numerical Simulation, Physical Experiment, Inversion

鄭愛玲(1979-)，女，碩士，講師，現(xiàn)從事油氣田開發(fā)方面的教學(xué)和科研工作；通信作者：康曉東。

2015年12月7日；錄用日期：2016年1月17日；發(fā)布日期：2016年3月15日

文章引用： 鄭愛玲, 康曉東, 劉德華. 聚合物驅(qū)剖面返轉(zhuǎn)數(shù)值模擬方法研究[J]. 石油天然氣學(xué)報, 2016, 38(1): 55-61. http://dx.doi.org/10.12677/jogt.2016.381008