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稠油碱驱机理的物理模拟和数值模拟

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稠油碱驱 机理 物理 模拟 数值
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第32卷第2期2011年3月石 油 学 报I 2 2011文章编号:0253011)02—0285—05稠油碱驱机理的物理模拟和数值模拟裴海华 张贵才 葛际江 刘清华 丁保东(中国石油大学石油工程学院 山东青岛266555)摘要:通过物理模拟实验和数值模拟方法研究了碱驱提高稠油采收率的驱替机理。首先通过实验测定了碱和稠油的界面张力,然后通过填砂管驱油实验评价了驱油效果,最后对室内物理模拟实验结果进行了数值模拟和历史拟合。研究结果表明,稠油碱驱过程中随着碱浓度的升高,原油采收率和压力降都随之升高。压力降的升高主要由于生成了油包水乳状液,增加了水流通道中水相的流动阻力,导致注入水流向未波及的区域,从而提高了稠油采收率。对稠油碱驱数值模拟时考虑了界面张力的降低、化学剂的吸附和油包水乳状液的形成。结果表明,模拟值和实验值拟合得较好。关键词:稠油;碱驱;油包水乳状液;物理模拟;数值模拟中图分类号: 文献标识码:on E 66555,of by of he of in—he in tO of /o)of in to re— be of /O ey 要分布在辽宁、新疆和胜利等油区[1]。随着常规原油储量的减少,成功开采稠油资源变得越来越重要。对于普通稠油油藏,一次采油后一般采用两种开发方式:一种采用常规注水开发,水驱开发时由于水油流度比高,导致注入水波及系数低,因此,水驱采收率一般只能达到5%~10%[2。41;另一种是采用注蒸汽热采开发,其中最成功的是蒸汽吞吐技术和蒸汽辅助重力泄油技术[51]。在一些有利的条件下,比如厚油层以及没有底水时这些技术很有效,然而当油层太薄(1000m)、或者存在底水的情况下,热量损失成为制约热采技术的主要因素。在这种情况下,需要采用非热采方法来进一步提高普通稠油油藏采收率。国内外研究表明,碱驱是一种很有潜力的提高稠油采收率技术[8对于常规原油碱驱,已经进行了大量的实验研究并且成功应用于现场,然而稠油油藏的碱驱机理与常规原油碱驱机理具有较大的不同。研究结果表明,碱驱提高稠油采收率的驱油机理主要是生成的油包水(W/O)乳状液产生的作用[1卜14]。笔者研究利用数值模拟方法,将稠油碱驱过程中形成的油包水乳状液考虑进去,对室内稠油碱驱物理模拟实验结果进行数值模拟和历史拟合,从而验证实验确定的驱替机理,同时为稠油碱驱矿场应用的数值模拟和方案设计提供指导。1 实 验1.1仪器和药品仪器包括油密度计,砂基金项目:国家高科技研究发展计划(863)项目(2007教育部新世纪优秀人才支持计划(霍英东教育基金优选资助课题(1 14016)联合资助。第一作者殛通讯作者:裴海华·男·1984年8月生,2007年毕业于中国石油大学(华东),现为中国石油大学(华东)在读博士研究生,主要从事油气田开发与提高原油采收率方面的研究。E—26. 学 报 2011年第32卷管驱替实验装置(包括填砂管,中间容器以及恒温箱),平流泵,天平和秒表等。药品包括验用油取自胜利油田滨南区块55℃下黏度为2 000 ,密度为947.2 kg/值为1.17g,胶质和沥青质含量分别为19.5%和2.03%。试验用水均为质量分数为0.5%的.2实验方法1.2.1 界面张力的测量在55℃下利用定时首先用石油密度计测量原油与后通过界面张力仪测量油珠在利用自主开发的软件进行图像采集和分析,从而计算出油水界面张力。根据油柱长度大于其直径4倍时,界面张力的计算公式为336a;(Y/n)3/1)当油柱长度小于其直径4倍时,界面张力的计算公式为Y=1.233 6/n)3厂(Z/Y)/2)式中:0。3N/m;g/0叫m;ms/r;咒为水相折光率;0。4m;,(Z/Y)为校正因子,可查表得到。1.2.2填砂管驱替实验稠油碱驱所有驱替试验都是在填砂管中进行的。填砂管的长度为19.4 径为2.35 用砂子为石英砂,使用前经过筛、水洗和烘干处理。填砂方法如下:将100~200目石英砂和80~100目石英砂以质量比3:1混合均匀后,分批装入填砂管,同时加入少量水润湿砂子(保持水面高于砂面),不断轻敲填砂管。采用该方法填制的填砂管岩心,孑48%,渗透率为(1 400~2 500)×10~“砂管驱替实验均在55"验步骤如下:①首先饱和质量分数为0.5%量岩心渗透率,并由填砂管湿重(盐水+填砂管+砂子)、填砂管重量和砂重计算岩心孔隙度。②饱和滨南原油直到出口端不出水为止,计算初始含油饱和度。③以0.5 mL/然后注入0.5后继续水驱一直到出口端产出液含水率达到98%后结束实验。1.2.3油包水乳状液黏度测定多孔介质中油包水乳状液的黏度是采用1提出的测定方法。状液质量定义为乳状液中水相的体积分数。首先用碱液和原油制得不同乳状液质量的油包水乳状液样品,分别用油包水乳状液和原油以相同速度进行填砂管驱替实验,分别测得油包水乳状液和原油驱替时填砂管两端的压力差。假设两者驱替时的填砂管的渗透率相等,根据达西定律,油包水乳状液的黏度为肚=鳓瓮 (3)式中:油包水乳状液驱替时的压力差,p。为原油驱替时的压力差,。为油包水乳状液黏度,;肛。为原油黏度,。将不同乳状液质量下测得的乳状液黏度绘制在半对数坐标图上,可以看出乳状液黏度的对数与乳状液质量呈线性关系,可表示为。)=kO+b (4)式中:0为乳状液质量,无因次。通过线性回归拟合可以得到,直线斜率愚为1.004,截距01。2结果与讨论2.1稠油碱驱物理模拟2.1.1 油水界面张力图1为55℃下不同质量分数图1可知,随着水界面张力先减小、后增大。当其质量分数为0.5%时,达到最小值,然后随着质量分数继续增大,界面张力值基本保持不变。?刍圣毛:、图1不同质量分数 海华等:稠油碱驱机理的物理模拟和数值模拟2.1.2填砂管驱替结果分别用质量分数为0.1%、0.3%、0.4%、0.5%、0.8%、1.0%、1.2%的替结果见表1。由表1可以看出,当%时,采收率增值很小,说明驱替过程中注入的碱不足以中和稠油中的酸性组分,生成的油包水乳状液较少;当%后,碱驱采收率随着碱质量分数的增大也相应增加。这是由于随着碱质量分数的增加,碱与稠油发生反应生成的油包水乳状液增多,油包水乳状液不仅能够降低水相的流度,同时也导致压力降的上升,使得波及系数提高,从而提高采收率;而当%后,采收率开始下降。这是由于碱浓度升高,导致生成的油包水乳状液的黏度增大,从而导致流动阻力增大。因此,对于滨南稠油碱驱,最佳%。表1碱驱填砂管驱替结果 of in 攀,嚣罨,警,图2给出了不同质量分数图2可知,注碱过程中原油采收率的提高伴随着压力降的上升。在注碱过程中压力降是先上升、后下降,这是由于开始的水驱过圈2不同质量分数 入碱后形成的高黏度的油包水乳状液阻塞了这些水流通道,从而导致压力降的升高。高黏度的油包水乳状液大大降低了水相的流度,使水流向未波及的区域,提高原油采收率。当岩心两端压差克服了由油包水乳状液产生的毛管力和黏滞力时,此时乳状液的堵塞作用逐渐消失,压力降就开始下降。碱驱过程中填砂管两端的压力降越明显,碱驱采收率增加就越大。说明油包水乳状液有效地使水转向未波及的区域。图2显示的质量分数为0.5%、0.8%、1.0%和1.2%力降升高的幅度较大,采收率增值也较大,而质量分数0.1%收率增值也最小。2.2稠油碱驱数值模拟由上述稠油碱驱物理模拟实验发现,注入的碱溶液与稠油中的酸性组分发生反应形成油包水乳状液。由于油包水乳状液的黏度远高于原油的黏度,导致水相在高渗透带中的流动阻力增加,随后注入的流体发生转向,流入原先未波及的区域,从而提高了波及系数。这种新的机理在常规化学驱数值模拟中无法模拟,在常规化学驱数值模拟中,一般是通过界面张力的降低导致油相和水相的相对渗透率增加;而由稠油碱驱物理模拟结果得出,对稠油碱驱进行数值模拟时,须降低水相在高渗透带的相对渗透率。因此笔者利用数值模拟软件对室内稠油碱驱岩心驱替实验结果进行数值模拟和历史拟合,模拟时考虑了油包水乳状液的形成和运移,同时还考虑了常规化学驱模拟器中的界面张力的降低和化学剂的吸附现象。2.2.1模型描述数值模拟时将碱驱物理模拟试验用填砂管简化为如下模型:将长度为19.4 5 ×1个网格,根据面积相等,将截面圆简化为正方形,则7 和826 设模型是各向同性的,即每个网格的孔隙度、绝对渗透率和初始含油饱和度都相同。稠油碱驱数值模拟时考虑了水、碱、原油和油包水乳状液4种组分,其中水相中有水和碱,油相中有原油和油包水乳状液,每种组分在每个网格中的浓度由质量守恒方程得出,对于碱组分的守恒方程考虑一个吸附项。在注入碱溶液前,岩心中的碱浓度和乳状液的浓度为零。在注入碱过程中,每个网格中的碱浓度逐渐增加。油包水乳状液由水、碱和原油发生化学反应生成的,反应系数可根据质量守恒定律计算得到。实验中注入的碱为摩尔质量为409/方数据288 石 油 学 报 2011年第32卷假设原油和乳状液的摩尔质量分别为400 g/据质量守恒关系,由1 01 1 42 浓度高的网格中形成的油包水乳状液相应增多。由于油包水乳状液是在油相中形成,每个网格中的油相黏度使用6z。,i)=z。Ⅱ。)+z。_。) (5)式中:z。和X。分别为油相中油和乳状液组分的摩尔分数;p。和∥。分别为原油和乳状液组分的黏度。模拟时原油黏度用测量值2000s。由%、0.4%和0.8%三种情况碱驱时填砂管出口端所得流体,测得的乳状液质量分数分别为24.21%、37.85%和47.52%。根据式(4)计算得到3种情况下的油包水乳状液黏度分别为3 500 s、4 800 和6 000 s。为了描述界面张力的降低和形成的油包水乳状液对油水两相流的影响,相对渗透率通过毛管数插值得到。使用两条相对渗透率曲线来表示高界面张力(水驱过程)和低界面张力(碱驱过程)的情况。通过增加油相的相对渗透率表示注入碱剂后界面张力降低的影响,而通过减少水相的相对渗透率来描述碱驱过程中水相流动阻力的增加[1¨引,且注入碱浓度越大,油相的相对渗透率越高,水相的相对渗透率越低。此外,模拟时输入实验测定的油水界面张力值,并且利用过吸附试验测得弘g,笔者采用该值作为碱驱模拟时.2.2历史拟合结果对%、0.4%和0.8%三种情况下的驱替结果进行了数值模拟和历史拟合。图3为%、0.4%和0.8%时稠油碱驱的累积产油量和压力降以及含水率的实验值和模拟值。由图3可知,数值模拟得出的累积产油量、压力降和含水率的结果与物理模拟实验结果拟合得较好。这主要是由于模拟时考虑了稠油碱驱过程中形成的油包水乳状液。与前面物理模拟得到的结果一样,随着注入碱质量分数的增大,压力降和原油采收率都随之升高。压力降升高主要是由于生成了油包水乳状液,油包水乳状液的黏度远高于原油的黏度,因此增加了水流通道中水相流动的阻力,导致注入水流向未波及的区域,从而提高了稠油采收率。稠油碱驱数值模拟时由于考虑了形成的油包水乳状液、界面张力的降低以及化学剂的吸附,得出的模拟值和实验值拟合得较好。这表明采用这种数值模拟方法可以对控制稠油油藏碱驱的驱替机理进行较好地描述。圈3不同质量分数 of )稠油碱驱过程中随着注入碱浓度的增大,压力降和原油采收率都随之升高。压力降的升高主要是由于生成了高黏度的油包水乳状液,增加了水流通道中水相流动的阻力,导致注入水流向未波及的区域,提高了波及系数,从而提高了稠油采收率。(2)稠油碱驱数值模拟时考虑界面张力的降低、化学剂的吸附和油包水乳状液的形成而导致水相相对渗透率降低,得出的模拟值和实验值拟合得较好。万方数据第2期 裴海华等:稠油碱驱机理的物理模拟和数值模拟 289参考文献[1]谢文彦.李晓光,陈振岩,等.辽河油区稠油及商凝油勘探开发技术综述[J].石油学报,2007,28(4):145i et of ex—].007,28(4):145—150.[2]袁士义,刘尚奇,张义堂,等.热水添加氮气泡沫驱提高稠油采收率研究[J].石油学报。2004。25(1):58et by 004,25(1):58—65.[3]庞占喜,程林松。陈月飞。等.常规稠油底水油藏氮气泡沫控制水锥技术研究[J].石油学报,2007,28(5):99—103.et on ].007,28(5):994]辛寅昌,董晓燕。卞介萍,等.高矿化度稠油流动的影响因素及改善原油流动的方法[J].石油学报,2010,31(3):480et of .010,31(3):4805]沈德煌,张义堂,张霞,等.稠油油藏蒸汽吞吐后转注].石油学报,2005,26(1):83—86.ia,et on in ].005,26(1):83—86.[6]纪佑军,程林松,刘其成。等.超稠油油藏蒸汽与非凝析气驱油数字化实验[J].石油学报,2010,31(4):602i et ].010,31(4):6027]王红涛,庞占喜,刘大锰。等.橱油油藏洼蒸汽储层伤害机理及诃整措施[J].石油学报。2009。30(4):555—559.et 009,30(4):555—559.[8],,in ].9791。2006.[91 ,,.by 009,61(1):5210]a re· of ].009,88(6):1049—1056.[11]a al—].。2007,293(1):6312a S。。。et of 007,55(4):294—300.[13]李世军,杨振宇,宋考平,等.三元复合驱中乳化作用对提高采收率的影响口].石油学报。2003,24(5):71i et of on in 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