稠油油藏尿素輔助蒸汽驅油數值模擬研究

任韶然，牛保倫，王冠杰，楊兆臣，賴 年

(1.中國石油大學(華東)，山東 青島 255666;2.中油新疆油田分公司，新疆 克拉瑪依 834000)

稠油油藏尿素輔助蒸汽驅油數值模擬研究

任韶然1，牛保倫1，王冠杰1，楊兆臣2，賴 年2

(1.中國石油大學(華東)，山東 青島 255666;2.中油新疆油田分公司，新疆 克拉瑪依 834000)

針對河南油田泌淺10塊超稠油油藏蒸汽吞吐開發末期地層壓力低、回采水效率低、井間剩余油多等特點，根據尿素輔助蒸汽驅油機理，在蒸汽中添加尿素以改善蒸汽驅的開發效果。利用物理模擬方法，建立了尿素分解模型，求取了分解反應動力學參數;利用數值模擬方法，建立了尿素輔助蒸汽驅數值模型，并進行了驅油機理分析。數值模擬結果表明，尿素輔助蒸汽驅是稠油油藏高輪次吞吐后進一步提高采收率的有效技術，可在蒸汽驅基礎上提高采收率6.8個百分點。

稠油;尿素;數值模擬;蒸汽驅機理;河南油田泌淺10塊

引言

河南油田泌淺10塊屬淺薄層、超稠油油藏，采用蒸汽吞吐方式，自1989年投入開發以來，平均單井吞吐8.1周期，采出程度為22%。目前地層壓力過低，平均壓力為1.0～1.5 MPa，地下存水率高，蒸汽吞吐已達到經濟極限。常規氣體輔助蒸汽驅油［1－4］已經取得了良好效果，如添加CO2、N2、煙道氣及空氣等，因受到氣源及空氣安全性等因素限制，直接注氣輔助蒸汽驅并未得到大范圍推廣，因此通過化學劑反應間接生成氣體，不僅緩解了氣源緊張的問題，還可通過化學反應控制氣體的作用時間，有利于控制蒸汽驅替速率。基于以上情況，針對泌淺10塊油藏特征研究了尿素輔助蒸汽驅技術，進一步提高高輪次吞吐后的采出程度。碳酰二胺俗稱尿素，其水溶性極好，生產價格較低，工藝技術成熟，利于現場實施。尿素在150℃高溫下發生分解反應，釋放出CO2和NH3。另外在尿素溶液中添加硝石等催化劑，可加速其分解反應速率。通過文獻檢索和現場應用資料表明［5－9］，尿素溶液在高溫作用下產生的分解氣，在蒸汽熱效應基礎上進一步降低稠油黏度及殘余油飽和度，擴大蒸汽波及范圍，有效提高油汽比及采收率，經濟效益顯著。

1 尿素輔助蒸汽驅油模型的建立

尿素輔助蒸汽驅油模型除常規的稠油黏度－溫度模型、相滲－溫度模型、井筒熱損失模型等，主要研究了尿素分解模型、CO2溶解降黏模型、NH3降低界面張力模型以及吸附解析模型等。

1.1 尿素分解模型

尿素分解速率是控制分解氣(CO2、NH3)作用時間的關鍵因素。在高溫高壓反應釜中注入尿素溶液，分別模擬150℃常壓、3 MPa、14 MPa時的尿素分解規律。其中注入N2模擬不同壓力下尿素分解后壓力隨時間的變化情況。實驗結果表明，對于有氣體產生的化學反應，壓力的改變會使反應過程中平衡發生移動，從而影響達到平衡的時間。在大氣壓下，尿素在0.869 h后壓力達到平衡，分解速率為0.829×10－3mol/(L·s);隨著壓力升高，尿素分解速率降低。當壓力升高至4 MPa(淺層稠油油藏)，反應時間延長至2 h后壓力達到平衡，分解速率降至0.332×10－3mol/(L·s);當系統壓力升高至14 MPa(深層稠油油藏)，平均分解速率僅為0.117×10－3mol/(L·s)。因此隨著油藏壓力的升高，尿素溶液的分解反應速率逐漸降低，不利于尿素的快速分解。

尿素分解基本不受濃度的影響［10］，屬于零級反應，依據上述實驗結果，可由Arrhenius方程(1)得出其分解反應動力學參數:活化能為9.83 kJ/mol，預冪率指數為1×107L/(s·kPa)。

式中:px為氣體的分壓，Pa;t為時間，s;k0為預冪率指數，L/(s·kPa);E為活化能，J/mol;R為摩爾氣體常量，8.314 J/(kmol·K);T為模型溫度，K。

1.2 溶解降黏模型及堿驅模型

尿素對稠油降黏效果表現為CO2－NH3與稠油的相互作用。在油藏數值模型中，CO2－稠油溶解降黏模型通過常規PVT相態方程計算得出不同溫度、壓力條件下二者的溶解度;堿驅模型可通過輸入不同濃度NH3·H2O對油水界面張力進行修正，并利用langmuir吸附等溫模型描述NH3·H2O的吸附性能。依據建立的CO2－NH3－稠油綜合降黏模型擬合了尿素對稠油的降黏實驗，擬合結果較好，詳見表1。

表1 尿素溶液熱分解后對稠油降黏效果實驗結果

2 超稠油油藏尿素輔助蒸汽驅數模研究

依據泌淺10區古近系核桃園組三段IV9層油藏參數，建立了4個反九點井網(圖1)。井組在經

圖1 模型井組井位示意圖

過蒸汽吞吐井網加密階段后，目前井距為70 m× 100 m，其中注入井4口，生產井21口。建立精細地質模型后，粗化成網格，劃分為45×55×9的數學模型，步長為10 m。其中油層埋深為230.0～360.6 m，平均為294.6 m，地層傾角為12°，有效厚度為6.2～14.4 m，平均為9.4 m，孔隙度為20.6%～39.1%，平均為34%，滲透率為0.464～7.707 μm2，平均為2.28 μm2，原始含油飽和度為50.0%～88.5%，平均為75%，油層溫度下脫氣原油黏度為54 000 mPa·s，系淺層超稠油油藏。

基于生產歷史擬合后的油藏模型，進行了蒸汽驅、尿素輔助蒸汽驅開發方式對比。蒸汽驅及尿素輔助蒸汽驅選用間歇汽驅，開發效果見表2。

表2 蒸汽驅及尿素輔助蒸汽驅開發效果對比

3 尿素輔助蒸汽驅油提高采收率機理分析

3.1 提高地層壓力

尿素在地層分解后可產生大量分解氣，1 t尿素分解可消耗0.3 t水，生成373 m3CO2和746 m3NH3(地面體積)，利于增壓回采。目標井組蒸汽吞吐末期，平均地層壓力僅為1 MPa左右，蒸汽驅在注入初期可以提高地層壓力至1.3 MPa，在井間形成連通后，壓力逐漸降低至0.5 MPa;對于尿素輔助蒸汽驅，地層壓力可升高至1.9 MPa左右，汽竄后壓力降低幅度低于蒸汽驅。同時地層壓力的升高，可提高CO2在稠油中的溶解度，進一步降低稠油黏度。此外，壓力的升高對冷凝水有進一步汽化作用，有利于保持蒸汽干度。

3.2 降低稠油黏度

稠油降黏率是稠油開發的重要指標。在蒸汽驅熱效應基礎上，尿素分解氣通過溶解、乳化等作用，降黏率在30%以上。注入井周圍降黏率較高，這是由于注入井井底壓力較高，提高了CO2在稠油中的溶解度，同時也說明了尿素在注入井周圍即可分解，形成了氣體輔助蒸汽驅。

3.3 擴大蒸汽波及體積

蒸汽驅可在一定程度上擴大波及范圍，提高原油產量，但是由于蒸汽黏度小，水油流度比大，擴散速度快，易產生汽竄，導致熱利用率低。圖2是蒸汽驅和尿素輔助蒸汽驅在30個開發周期后含油飽和度場圖，圖2中生產井的個數較多(紅點表示注入井的位置)，主要是在歷史擬合階段存在的井，但在蒸汽驅方案設計中設置為關井。在蒸汽驅中加入尿素，由于尿素分解產生的氣體可以迅速提高油藏壓力，加大產油速度;同時CO2及NH3由于重力差異作用，攜帶蒸汽部分熱量加熱頂部油層，增加蒸汽腔體積 改善油層吸汽剖面 在蒸汽驅的基礎上采收率提高了6.8個百分點。

圖2 30個周期不同方式蒸汽驅前后IV9－3層含油飽和度場對比

4 結論

(1)通過尿素分解實驗及PVT相態軟件建立的尿素分解模型、降黏模型等能較好地符合室內實驗，可用于模擬尿素輔助蒸汽驅開發過程。

(2)尿素在地層中分解后生成的 CO2和NH3，能有效提高地層壓力，降低原油黏度，同時擴大了蒸汽的波及范圍，數值模擬結果表明，尿素輔助蒸汽驅可在蒸汽驅基礎上提高采收率6.8個百分點。

(3)尿素輔助蒸汽驅好于常規蒸汽驅效果，對高輪次吞吐后的稠油油藏有較好的適應性。

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Numerical simulation on urea－assisted steam flooding for heavy oil reservoir

REN Shao－ran1，NIU Bao－lun1，WANG Guan－jie1，YANG Zhao－chen2，LAI Nian2
(1.China University of Petroleum，Qingdao，Shandong255666，China; 2.Xinjiang Oilfield Company，PetroChina，Karamay，Xinjiang834000，China)

In the late life of cyclic steam stimulation for ultra－heavy oil reservoirs in the Biqian 10 block of Henan oilfield，reservoir pressure is low，water recovery rate is low，and interwell remaining oil is abundant.Based on the mechanism of urea－assisted steam flooding，urea is added into steam to improve steam flooding effect.A urea decomposition model is established through physical simulation to derive the kinetic parameters of decomposition reaction;and a numerical model of urea－assisted steam flooding is established to analyze oil displacement mechanism.The results of numerical simulation show that urea－assisted steam flooding is an effective way of enhancing heavy oil recovery after multiple cycles of steam stimulation，can further improve the recovery factor by 6.8%.

heavy oil;urea;numerical model;steam flooding mechanism;Biqian 10 block of Henan oilfield

TE357.46

A

1006－6535(2012)03－0111－03

10.3969/j.issn.1006－6535.2012.03.029

20110927:改回日期:20120315

山東省泰山學者建設工程基金(TSXZ2006－15);中石化河南油田“泌淺10斷塊熱化學驅井網及注采參數優化研究”(G0503－09－ZS－035)

任韶然(1960－)，男，教授，博士，1982年畢業于華東石油學院鉆井專業，1992年獲得英國帝國理工醫學院化學工程專業博士及DIC學位，主要從事提高采收率、CO2埋存及天然氣水合物開發方面的研究。

編輯王 昱