均質(zhì)多孔介質(zhì)中氣 /油多次接觸混相驅(qū)油實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬研究

編譯:張婷 (大慶油田第一采油廠地質(zhì)大隊(duì))

審校:宋杰 (大慶油田第一采油廠地質(zhì)大隊(duì))

均質(zhì)多孔介質(zhì)中氣 /油多次接觸混相驅(qū)油實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬研究

編譯:張婷 (大慶油田第一采油廠地質(zhì)大隊(duì))

審校:宋杰 (大慶油田第一采油廠地質(zhì)大隊(duì))

蒸發(fā)氣混相注入和凝析氣混相注入已在世界大量油藏中得以應(yīng)用。這些注入氣的特性往往通過實(shí)驗(yàn)室分析及組分模擬得到。本文研究了①多次接觸混相驅(qū)油的物理過程;②應(yīng)用Coats關(guān)系模擬氣-油相對(duì)滲透率隨界面張力的變化,以及預(yù)測(cè)原油采收率相關(guān)誤差的可能性;③氣/油非平衡效應(yīng)在預(yù)測(cè)原油采收率及氣油比方面的重要性。通過使用一款商業(yè)組分模擬器達(dá)到了上述研究目的,即基于性能完善的玻璃珠人造巖心進(jìn)行實(shí)驗(yàn),預(yù)測(cè)了多次接觸混相注入的特征。利用在外界條件下能展現(xiàn)上臨界點(diǎn)的三元液態(tài)體系研究了凝析氣驅(qū)與蒸發(fā)氣驅(qū)。凝析氣法與蒸發(fā)氣法驅(qū)油十分高效,注入1 PV驅(qū)替液可采出90%的原油儲(chǔ)量。與非混相驅(qū)替相比,突破時(shí)采出程度與總采收率分別提高8%和20%。然而,無論是凝析氣驅(qū)還是蒸發(fā)氣驅(qū) (假設(shè)是在平衡條件下),組分模擬均過高預(yù)測(cè)了原油采收率。進(jìn)一步的模擬證實(shí)了產(chǎn)生這種誤差的原因有可能是在接近混相時(shí)Coats相關(guān)系數(shù)不能夠精確地描述相對(duì)滲透率特征,或是由于產(chǎn)生的流體處于非組分平衡狀態(tài),或者兩種原因都存在。

均質(zhì)多孔介質(zhì) 多次接觸 混相驅(qū)油 數(shù)值模擬 平衡

1 前言

世界大量油藏應(yīng)用混氣注入來提高采收率。大多數(shù)情況下注入氣體并非一開始就與油互溶,通常有兩種手段,一是油組分凈轉(zhuǎn)移到氣中 (蒸發(fā)氣驅(qū)),另一種是氣組分凈轉(zhuǎn)移到油中 (凝析氣驅(qū))。組分?jǐn)?shù)值模擬通常用來預(yù)測(cè)這些提高采收率方案的效果,根據(jù)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)回歸得到狀態(tài)特性方程。預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性關(guān)鍵取決于模擬假設(shè)的有效性,而假設(shè)中最關(guān)鍵的是每個(gè)網(wǎng)格塊瞬時(shí)局部熱力平衡的假設(shè)是否存在。

盡管如此,數(shù)值模擬預(yù)測(cè)初級(jí)接觸的混相驅(qū)替與非混相驅(qū)替的能力已經(jīng)通過眾多研究的實(shí)驗(yàn)對(duì)比得到評(píng)價(jià),而對(duì)多次接觸混相驅(qū)油實(shí)驗(yàn)的組分模擬研究卻寥寥無幾。本研究深入探討了能否利用商業(yè)組分模擬器預(yù)測(cè)多次接觸混相驅(qū)替的特性,包括凝析氣驅(qū)和蒸發(fā)氣驅(qū)。多孔介質(zhì)應(yīng)用的是玻璃珠人造巖心,具有如下特征:

◇選用窄尺寸玻璃珠能夠保證巖心的均質(zhì)性;

◇可以觀察到驅(qū)替過程,從而驗(yàn)證均質(zhì)性,同時(shí)可以提供另一套數(shù)據(jù)來驗(yàn)證模擬器的運(yùn)行有效性。

本文應(yīng)用了一個(gè)在室溫和壓力條件下存在臨界點(diǎn)的簡(jiǎn)單的三相液態(tài)系統(tǒng)。這樣,所有的組分性質(zhì)可以直接輸入到模擬器中,不需要使用擬組分。而且,獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)大多數(shù)組分性質(zhì)都是適用的。另外,所有的巖心屬性 (孔隙度、滲透率和相對(duì)滲透率)在多次接觸混相驅(qū)替前都經(jīng)過了實(shí)驗(yàn)測(cè)量。相對(duì)滲透率是利用三種組分的平衡混合物在四種界面張力條件下測(cè)量出來的,范圍在24.2～0.03 mN/m。不論是組分模型還是相模型的采收率都在實(shí)驗(yàn)過程中記錄下來,并與模擬器預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較。

2 實(shí)驗(yàn)建立

2.1 巖心設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)

玻璃珠人造巖心是由封口的25 cm×10 cm× 0.6 cm長(zhǎng)方形有機(jī)玻璃體構(gòu)建而成,填充了11級(jí)小玻璃珠 (160～200μm)。透明有機(jī)玻璃材質(zhì)具有非常好的光學(xué)性質(zhì),可以觀察到模型內(nèi)部流體流動(dòng)狀態(tài)。圖1給出了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的立體效果圖。

巖心均質(zhì)性的檢測(cè)采用在巖心中令M=1進(jìn)行混相驅(qū)替 (未染色水驅(qū)替染色水)。可以清晰地看到其線形驅(qū)替前緣。巖心孔隙度和滲透率分別測(cè)量為38%和10 D。

2.2 流體系統(tǒng)

本研究中使用了環(huán)乙烯 (C)、異丙醇 (IPA)與水 (W)的混合物。這種三組分兩相流體系統(tǒng)在外界條件下存在一個(gè)上臨界點(diǎn),并在平衡狀態(tài)下形成兩種液相 (圖2)。表1給出了實(shí)驗(yàn)得出的在外界條件下兩相環(huán)乙烯、異丙醇與水 (CIPAW)三組分系統(tǒng)的相組成。

圖1 用于玻璃珠人造巖心實(shí)驗(yàn)的有機(jī)玻璃盒透視圖

圖2 異丙醇-水-環(huán)乙烯平衡三元狀態(tài)圖

表1 a 流動(dòng)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用的混合組成

表1 b 圖2中標(biāo)記線上平衡狀態(tài)下異丙醇、水、環(huán)乙烯的濃度

實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了多次接觸混相驅(qū)替,包括凝析氣驅(qū)和蒸發(fā)氣驅(qū)。凝析氣驅(qū)出的被驅(qū)流體,即所謂的“油”,其成分為24%的異丙醇和76%的水以及驅(qū)替液;而所謂的“氣”,由70%的異丙醇和30%的環(huán)乙烯組成。此驅(qū)替初始黏度比為1.9。蒸發(fā)氣驅(qū)驅(qū)替出的“油”其構(gòu)成為65%的異丙醇和35%的水,其驅(qū)替相“氣”由18%的異丙醇和82%的環(huán)乙烯構(gòu)成。此流體組合初始黏度比為2.1。無論哪種驅(qū)替方式,“氣”相中都沒有水組分,因此水組分的采收率可以用來衡量“油”的采收效率。

表1 c 6種混合各相的密度、黏度及界面張力

2.3 相對(duì)滲透率測(cè)量

為確定排驅(qū)相對(duì)滲透率與流體成分的函數(shù)關(guān)系,在玻璃珠人造巖心中使用四組不同的兩相流體(混合物1、2、4及6,見表1)進(jìn)行驅(qū)替,從完全不互溶 (界面張力為24.2 mN/m)到接近互溶(界面張力為0.03 mN/m)。

油相與氣相首先處于預(yù)平衡狀態(tài),在進(jìn)行驅(qū)替實(shí)驗(yàn)之前才進(jìn)行分離。穿過玻璃珠人造巖心的壓力降與排量 (總量與相體積)都記錄為時(shí)間函數(shù)。驅(qū)替過程一直持續(xù)到再?zèng)]有原油產(chǎn)出,即已達(dá)到殘余油飽和度。接下來,端點(diǎn)有效氣滲透率也確定下來。在進(jìn)行新驅(qū)替實(shí)驗(yàn)之前,巖心依次用蒸餾水和酒精清洗干凈,并用氣流穿過其中進(jìn)行干燥處理。用巖心質(zhì)量來追蹤干燥過程。

分相流動(dòng)直接用各相體積測(cè)量值計(jì)算。相對(duì)滲透率使用JBN方法確定,依照如下假定:不可壓縮流體、一維、等溫流動(dòng)、非互溶相及可忽略的毛細(xì)管效應(yīng)。端點(diǎn)有效滲透率單獨(dú)用于證明JBN計(jì)算。

圖3比較了相對(duì)滲透率與界面張力的函數(shù)關(guān)系。對(duì)飽和度進(jìn)行規(guī)一化以消除驅(qū)替初始條件的影響。規(guī)一化飽和度(Sg＊)定義如下:

式中,Sgi為初始含氣飽和度;Sor為殘余油飽和度。

排驅(qū)相對(duì)滲透率曲線在接近臨界點(diǎn)時(shí)表現(xiàn)出對(duì)界面張力明顯的依賴關(guān)系。氣相相對(duì)滲透率隨著界面張力從24.2 mN/m降至0.03 mN/m而逐漸增大,當(dāng)界面張力非常低時(shí)接近于一條直線;相比之下,油相相對(duì)滲透率隨界面張力變化幅度較小,不過,當(dāng)界面張力非常低時(shí)也接近于一條直線。

圖3 不同界面張力對(duì)應(yīng)的排驅(qū)相對(duì)滲透率曲線

2.4 計(jì)量方法

在所有的實(shí)驗(yàn)中,氣相都用Waxolene藍(lán)色活性蛋白油溶性染料上色,其質(zhì)量濃度僅為0.01%。驅(qū)替前緣的移動(dòng)同時(shí)用拍照和連續(xù)錄像兩種方式記錄。

對(duì)流出物進(jìn)行收集和分析來跟蹤采收過程演變規(guī)律。在非混相驅(qū)替中確定了相對(duì)滲透率,流出物體積使用流體分離器與量筒測(cè)量。在多次接觸混相驅(qū)替過程中,使用了由Washburn提出的方法,用折射率確定氣相和油相中異丙醇的濃度。在凝析氣驅(qū)和蒸發(fā)氣驅(qū)中,發(fā)現(xiàn)流出物并非出于平衡,生產(chǎn)后仍存在兩相物質(zhì)傳遞。因此,對(duì)瞬時(shí)油和氣的體積,以及平衡后幾個(gè)小時(shí)后的體積都進(jìn)行了測(cè)量和比較。由此開始,將第一批數(shù)據(jù)稱作“預(yù)平衡”體積,而第二批數(shù)據(jù)稱作“平衡”體積。

3 數(shù)模建立

3.1 流體系統(tǒng)的特征

本研究中應(yīng)用的是商業(yè)模擬器的組分模式。圖4表明模擬與實(shí)驗(yàn)相圖表數(shù)據(jù)是基本吻合的。從圖中可以看出模擬數(shù)據(jù)在臨界點(diǎn)附近與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有所偏離。除此之外,模擬再現(xiàn)的兩相特性與相組成成分都是令人滿意的。除了臨界點(diǎn)附近,驅(qū)替相與被驅(qū)替相黏度都得到了較好的預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)相組成成分與黏度的偏差均在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差帶之內(nèi)。

3.2 流動(dòng)模擬模型

圖4 異丙醇-水-環(huán)乙烯平衡三元狀態(tài)圖 (實(shí)驗(yàn)與模擬數(shù)據(jù))

圖5 比較Coats關(guān)系預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)測(cè)量的排驅(qū)相對(duì)滲透率,Coats關(guān)系n=8,實(shí)驗(yàn)確定的IFT=24.2 mN/m的混合的相對(duì)滲透率: (a)混合2:IFT=6.9 mN/m;(b)混合4:IFT=0.6 mN/m; (c)混合6:IFT=0.03 mN/m

所有模擬應(yīng)用的是一個(gè)二維、水平的100×50網(wǎng)格塊組成的網(wǎng)格。網(wǎng)格精細(xì)研究表明此數(shù)目網(wǎng)格塊模擬結(jié)果達(dá)到收斂。注入和產(chǎn)出模擬為入口定義1口注入井以恒定注入量持續(xù)注入,而在出口定義1口生產(chǎn)井以恒定大氣壓力產(chǎn)出。2口井均在y方向50個(gè)網(wǎng)格內(nèi)完井。用Soave-Redlich-KwongEOS做相平衡預(yù)測(cè),Lohrenz相關(guān)性預(yù)測(cè)黏度, Macleod&Sugden相關(guān)性預(yù)測(cè)界面張力。相對(duì)滲透率隨界面張力變化模擬利用Coats首次提出的公式。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)界面張力分別取值6.9、0.6與0.03 mN/m時(shí),氣相、油相相對(duì)滲透率借助Coats可調(diào)參量n=8,得到了非常好的預(yù)測(cè)結(jié)果 (圖5)。

4 結(jié)果與討論

4.1 凝析氣驅(qū)油

在此驅(qū)替過程中,異丙醇從驅(qū)替氣中凝析到油相,使油變輕。平衡氣比油更易流動(dòng),所以它迅速向前移動(dòng),被新注入的氣所驅(qū)替,同時(shí)新注入氣中又有更多的異丙醇析出,使油質(zhì)更輕。這種情況一直持續(xù)到原油足夠輕,可以完全與注入氣混合,此時(shí)異丙醇濃度達(dá)到56%(根據(jù)體積計(jì)算)。

圖6給出了模擬器預(yù)測(cè)到的各組分摩爾分?jǐn)?shù)縱剖面,以及在不同時(shí)間階段 (0.2 h、0.33 h、0.5 h)油相、氣相在玻璃珠人造巖心模型中的黏度和界面張力。如凝析氣驅(qū)所預(yù)計(jì) (如油氣黏度和界面張力收斂趨向于零所表明),其混合發(fā)生在驅(qū)替過程中兩相過渡帶后緣。由圖6a和圖6b可知,從玻璃珠人造巖心模型入口測(cè)量,混合區(qū)前緣從0.2 h的4.9 cm開始推進(jìn),推進(jìn)到0.33 h與0.5 h的和17.4 cm。圖6c和圖6d分別給出了0.33 h時(shí)間點(diǎn)上流體和蒸汽的摩爾分?jǐn)?shù)剖面。在0.33 h點(diǎn)比較異丙醇、水和環(huán)乙烯組分與同一時(shí)間點(diǎn)黏度和界面張力的剖面可以看出,當(dāng)氣相與油相黏度相似時(shí)并且界面張力為零 (即已混合)時(shí),異丙醇摩爾分?jǐn)?shù)超過56%。

圖7顯示了實(shí)驗(yàn)與預(yù)測(cè)驅(qū)替模式具備較好的一致性。如圖所示無需說明驅(qū)替是穩(wěn)定的。圖8a比較了實(shí)驗(yàn)獲得的平衡后采收率與模擬預(yù)測(cè) (當(dāng)然,假定每個(gè)網(wǎng)格都達(dá)到瞬間平衡)的采收率。圖中也可看出Coats相關(guān)指數(shù)n不同取值對(duì)模擬結(jié)果敏感度的影響。所謂相關(guān)指數(shù)即相對(duì)滲透率與界面張力函數(shù)關(guān)系。圖8比較了實(shí)驗(yàn)獲得的達(dá)到平衡前后含氣率與模擬器得到的含氣率。

可以看出,模擬器預(yù)測(cè)驅(qū)替的形狀與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)效果很好,但當(dāng)使用最佳擬合 (Coats相對(duì)滲透率相關(guān)指數(shù)n=8)預(yù)測(cè)采收率時(shí)效果稍遜一籌。在n=10時(shí)采收率符合情況有所改觀,但犧牲了對(duì)突破時(shí)的預(yù)測(cè)效果 (圖8b)。將n增加到10導(dǎo)致界面張力對(duì)相對(duì)滲透率的影響降低,并且在改變界面張力值時(shí)氣相相對(duì)滲透率和實(shí)驗(yàn)吻合得更好。將n降低到5時(shí)增加了界面張力對(duì)相對(duì)滲透率的影響,并獲得與實(shí)驗(yàn)油相相對(duì)滲透率更好的吻合。當(dāng)考慮平衡狀態(tài)原油采收率時(shí),模擬與實(shí)驗(yàn)符合達(dá)到最佳。

圖6 不同時(shí)間點(diǎn)凝析氣驅(qū)預(yù)測(cè)的玻璃珠人造巖心中的剖面:(a)時(shí)間點(diǎn)0.2 h、0.33 h、0.5 h的黏度; (b)時(shí)間點(diǎn)0.2 h、0.33 h、0.5 h的界面張力;(c)0.33 h時(shí)間點(diǎn)上異丙醇、水、環(huán)乙烯在油相中的摩爾分?jǐn)?shù);(d)0.33 h時(shí)間點(diǎn)上異丙醇、水、環(huán)乙烯在氣相中的摩爾分?jǐn)?shù)

圖7 凝析氣驅(qū)注入不同PV時(shí)實(shí)驗(yàn) (左圖)與模擬 (右圖)驅(qū)替前緣,圖中藍(lán)色的氣正驅(qū)替實(shí)驗(yàn)中澄清的油,及模擬中紅色的油

圖8同時(shí)還顯示了觀察平衡前后含氣率有顯著差別。在氣突破的瞬間,“預(yù)平衡”含氣率要高于“平衡”含氣率,也就是說,“油”相體積在平衡后有所增加,正好和凝析氣驅(qū)替實(shí)事相吻合,即“氣”相中的組分凝析到“油”相中。大約 1.2 PVI(注入孔隙體積倍數(shù))后,“預(yù)平衡”含氣率下降到低于“平衡”含氣率,表明驅(qū)替后期平衡后存在氣體積的凈增長(zhǎng)。

圖8 模擬與實(shí)驗(yàn)比較

4.2 蒸發(fā)氣驅(qū)油

在蒸發(fā)氣驅(qū)中,當(dāng)氣進(jìn)入到油中與其接觸,異丙醇從油中游離出來進(jìn)入到氣中使氣變重。如前面所說,平衡氣比油更易流動(dòng),因此它在前面移動(dòng)接觸新的油相并使其游離出更多異丙醇,使氣變得更重。這種狀況一直持續(xù)到油中異丙醇濃度達(dá)到56%(體積),氣足夠重可與油混合。蒸發(fā)氣驅(qū)油的混合過程發(fā)生在兩相過渡區(qū)前緣。實(shí)驗(yàn)與預(yù)測(cè)驅(qū)替模式具備較好的一致性。和凝析氣驅(qū)油實(shí)驗(yàn)一樣,模擬器預(yù)測(cè)驅(qū)替的形狀與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)效果很好,但當(dāng)使用最佳擬合n=8表示Coats相對(duì)滲透率相關(guān)時(shí),預(yù)測(cè)采收率效果稍遜一籌。同樣,采收率符合情況在n=10時(shí)有所改觀,但犧牲了對(duì)突破的預(yù)測(cè)效果。當(dāng)考慮平衡狀態(tài)油采收率時(shí)模擬與實(shí)驗(yàn)達(dá)到最佳。注入大約2.6 PV可采出全部的原油儲(chǔ)量。注入1 PVI時(shí)可以產(chǎn)出原油儲(chǔ)量的90%,其驅(qū)替效率非常高。突破采收率 (79%)高出凝析氣驅(qū)觀測(cè)到的采收率。但是,突破之后,凝析氣驅(qū)注入更有效,因?yàn)橹蛔⑷? PV便可產(chǎn)出全部的原始原油儲(chǔ)量。

仔細(xì)觀察圖9發(fā)現(xiàn),對(duì)凝析氣驅(qū)模擬器能夠正確地預(yù)測(cè)出氣突破。而在蒸汽驅(qū)中,模擬器預(yù)測(cè)“預(yù)平衡”與“平衡”含氣率匹配得很好直到含氣率達(dá)到90%。接下來,模擬器預(yù)測(cè)含氣率迅速達(dá)到100%,然而實(shí)驗(yàn)觀測(cè)真實(shí)結(jié)果是直到2.6 PVI時(shí)含氣率才達(dá)到100%。“預(yù)平衡”與“平衡”含氣率在1.3～1.8 PVI之間有很小的差別,但它比凝析氣驅(qū)時(shí)觀測(cè)到的差別小很多。如蒸發(fā)氣驅(qū)所預(yù)期,含氣率平衡后大于平衡前。

圖9 模擬與實(shí)驗(yàn)比較

5 討論

模擬器無法預(yù)測(cè)采收率或是含氣率走向,無論是凝析驅(qū)替還是蒸發(fā)氣驅(qū)替。由于玻璃珠人造巖心為均質(zhì)并且流體性能完善,這些都表明無論是在流體模擬方式 (相對(duì)滲透率作為界面張力函數(shù)的參數(shù)法)還是相間物質(zhì)傳遞描述都存在問題。圖10a和圖10b比較了利用Coats相關(guān)式計(jì)算出的相對(duì)滲透率預(yù)測(cè)的含氣率與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)“預(yù)平衡”流體在界面張力分別取值6.9 mN/m和0.6 mN/m時(shí)兩種非混合驅(qū)替的含氣率,可以看到兩者吻合得很好。這說明多次接觸混相驅(qū)油模擬和實(shí)驗(yàn)差別的根本原因在于模擬器模擬相間質(zhì)量傳遞方式,尤其是對(duì)每個(gè)網(wǎng)格塊相間瞬間平衡的假設(shè)。通過實(shí)驗(yàn)很清楚地了解到產(chǎn)生的流體并非處于平衡狀態(tài),同理反過來表明巖心內(nèi) (20 cm×10 cm×0.5 cm)的流體也不在平衡狀態(tài)。由此可以推測(cè),當(dāng)?shù)湫途W(wǎng)格塊達(dá)到幾百米長(zhǎng)、若干米厚時(shí),多次接觸混相驅(qū)替油藏?cái)?shù)值模擬將需要更加深入的研究。

圖10 比較模擬中利用Coats關(guān)系預(yù)測(cè)的相對(duì)滲透率計(jì)算出的含氣率與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的含氣率:(a)界面張力為6.9 mN/m時(shí)的驅(qū)替;(b)界面張力為0.6 mN/m時(shí)的驅(qū)替

6 結(jié)論

采用均質(zhì)玻璃珠人造巖心,利用在常溫常壓下存在上臨界點(diǎn)的三元 (環(huán)乙烯、異丙醇與水)液態(tài)體系實(shí)現(xiàn)了多次接觸混相驅(qū)替。通過一款商業(yè)組分模擬器預(yù)測(cè)了該實(shí)驗(yàn)結(jié)果。研究主要結(jié)果如下:

◇多次接觸混相實(shí)驗(yàn)產(chǎn)出的流體非平衡。

◇無論是蒸發(fā)氣還是凝析氣混相驅(qū)油,組分模擬傾向于過高預(yù)計(jì)原油采收率,大約高出6%。進(jìn)一步研究表明這種誤差存在于模擬程序假定各相一直處于平衡狀態(tài)。在凝析氣驅(qū)中,組分模擬預(yù)測(cè)“預(yù)平衡”含“氣”率高出10%,而在蒸發(fā)氣驅(qū)中含“氣”率高出5%。

要弄清導(dǎo)致非平衡的過程需要做更多的工作,深入研究這些誤差可能對(duì)油田規(guī)模模擬造成的影響。

資料來源于美國(guó)《SPE 92887》

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.9.010

2009-03-30)