可動凝膠型聚合物驅數值模擬研究

劉道信

(北京交通大學中國產業安全研究中心，北京 100044)

可動凝膠型聚合物驅油方面，國內、外已開展了大量的室內實驗機理研究，但在數值模擬方面研究較少。本文在考慮了驅油重要因素[1-3]的基礎上，建立了三維三相十組分可動凝膠型聚合物驅數學模型，解法采用有限體積法(FVM)，形成了數值模擬軟件[4]。并針對大慶采油二廠先導試驗區開展了機理性研究，包括：可動凝膠型聚合物注入體積、段塞組合、殘余阻力系數及注入不可動凝膠的對比等，從理論上預測了注入參數的影響因素，設計了注采合理參數。

1 可動凝膠型聚合物驅數學模型

可動凝膠型聚合物驅油機理數學模型包括：交聯反應過程中的組分產生和損耗、化學組分的吸附和滯留、一二價離子的質量交換、凝膠的降解、流動性能，以及化學組分對水相粘度和滲透率下降系數等。

1.1 交聯反應生成可動凝膠模型[5]

聚合物和交聯劑不斷損耗，逐漸生成凝膠。在成膠時間達到之前，溶液的流動類似于未交聯的聚合物。在成膠時間達到以后，則隨濃度的變化形成弱凝膠體系。可動凝膠型聚合劑的特點是有凝膠的強度和粘度，但又能隨壓力變化而流動。

(1)

式中：Ri為單位時間內，由于交聯反應消耗或產生的i組分質量濃度，i=p,r,g(聚合物、交聯劑、凝膠)；C為相濃度；Kp,Kr為化學反應速度系數，利用實驗成膠時間得出[2]；指數m,n為反應階數(常數，m≥1，n≥1)；右式中首個負號表示質量消耗。

1.2 可動凝膠引起的水相滲透率降低系數模型

生成的可動凝膠能夠影響水相的流動特性[6]，表現為流動阻力增加。可通過下述方程描述：

Rkg=Rkg(Cg,v)

(2)

式中：Rkg為水相滲透率降低系數；Cg為可動凝膠濃度；v為可動凝膠的流動速度。

這組參數一般直接用給定不同含鹽量下的Rkg～Cgg表格插值計算，聚合物和交聯劑降低系數描述方法與凝膠類似。

1.3 凝膠的吸附量模型

由于動態描述凝膠在巖石表面上的吸附比較困難，為近似遵循Langmuir等溫吸附理論[7]的靜態吸附，并且考慮聚合物的吸附與鹽度的關系為可逆的，與濃度的關系為不可逆的。可用下式描述：

(3)

式中：qadg為吸附量；a1,d1為平衡吸附常數，其值由實驗室測定；C為相濃度。

對于不符合Langmuir吸附規律的情況，可用實驗室給定的不同含鹽量下的聚合物吸附曲線插值計算吸附量[8]，聚合物和交聯劑吸附量描述方法與凝膠類似。

1.4 殘余阻力系數模型

(4)

式中：

2 油藏數值模型建立

先導試驗區為一個五點井組，油層深度1089.3m，地層溫度45℃，原始地層壓力12.85MPa，飽和壓力10.28MPa，地層原油粘度10.2MPa·s，地層水礦化度7445mg/L，二價離子含量20mg/L，平均有效厚度14.55m，平均滲透率627.9×10-3μm2地質儲量34.1×104t。該模擬井組平面上劃分為420 個非結構性網格(X方向20個，Y方向21個)，縱向上網格6層，總網格數為2520個。注入化學劑溶液參數見表1。

表1 凝膠型聚合物性質

3 注入參數敏感性預測分析

3.1 可動凝膠型聚合物注入體積分析

為了選擇合適的可動凝膠型聚合物注入體積，開展了溶液注入體積分別為0.38PV、0.48PV和0.57PV的開發效果預測(圖1)。設定條件：注入凝膠聚合物溶液濃度為6000mg/L，注入凝膠聚合物5個月基本為不可動。之后，可動凝膠聚合物溶液濃度減為1000mg/L，年產液速度11%，后期為凝膠驅油，含水和累積產油預測曲線見圖1。首先，可以看出，凝膠型聚合物驅可較大幅度增加采油量及減小含水率，效果比繼續水驅效果好得多，井組可累積增油42.0×103m3左右，含水率最低降至60%。同時，可以看出，注入體積越大越累積產油越多,結合單井增油量及噸化學劑增油量分析，建議初注入體積為0.48PV。

圖1 可動凝膠聚合物不同用量開發效果對比

3.2 不同段塞組合分析

在可動凝膠型聚合物驅總用量為480mg/L×PV的基礎上，選擇了三種段塞組合進行開發效果預測。一種是可動凝膠型聚合物溶液濃度為1000mg/L，注入段塞為0.48PV；第二種由三個段塞組成，可動凝膠型聚合物溶液濃度為1500mg/L，注入段塞為0.08 PV+可動凝膠型聚合物溶液濃度為1000mg/L，注入段塞為0.3 PV+可動凝膠型聚合物溶液濃度為600mg/L，注入段塞為0.1PV；第三種由兩個段塞組成，可動凝膠型聚合物溶液濃度為1500mg/L，注入段塞為0.1 PV+可動凝膠型聚合物溶液濃度為800mg/L，注入段塞為0.4125PV。預測結果見表2。結合增產及噸化學劑增油量來看，采用兩個段塞可動凝膠型聚合物溶液濃度為1500mg/L，注入段塞為0.1 PV+可動凝膠型聚合物溶液濃度為800mg/L，注入段塞為0.4125PV時最佳。

表2 可動凝膠型聚合物溶液段塞組合開發效果對比

3.3 不同殘余阻力系數分析

為了研究不同殘余阻力系數對凝膠驅的影響，依據現有配方聚合物溶液濃度4000mg/L時的殘余阻力系數42.2，分別計算了殘余阻力系的0.8、1.2、1.4倍時的開發效果預測。預測條件是不可動凝膠型聚合物4個月后，進行可動凝膠聚合物驅，結果見表3。由計算結果可見看出，殘余阻力系數在一定范圍越大，增加采收率值越高，但增油量及聚合物效率的增長幅度在大于1.2倍后減小。結合實際油藏的井口注入壓力及采油速度的影響，目前殘余阻力系數比較合理。

表3 不同殘余阻力系數開發效果對比

3.4 高濃度凝膠注入時間

在可動凝膠型聚合物驅油前，可注入高濃度的交聯系劑，使可動凝膠體系的成膠粘度和成膠時間加強，達到油藏深部調剖的作用。因此，開展了高濃度凝膠注入時間的研究，選擇注入高濃度凝膠劑溶液為2個月、3個月、4個月和5個月；注入2個月累積注入0.024PV，注入3個月累積注入0.028PV，注入4個月累積注入0.032PV，注入5個月累積注入0.038PV。預測結果見圖2。由計算結果可見看出，注入調剖時間越長越好，但是注入4個月與5個月的累積產油量也接近，變化幅度變小。綜合考慮認為：在可動凝膠型聚合物驅油前，可考慮注入4個月的高濃度凝膠型聚合物作為油藏深部調剖。

圖2 不同凝膠劑注入時間開發效果對比

4 結論

1)高濃度可動凝膠型聚合物體系的成膠粘度強和成膠時間長，可用于油藏的深度調剖；低濃度可動凝膠型聚合物體系配制成弱凝膠體系，可用于整體區塊的驅油工作，是一種具有很好應用前景的提高采收率的手段。

2)通過可動凝膠型聚合物體系的重要化學驅油機理研究，建立了數學模型，解法采用有限體積法(FVM)，編制了三維三相九組分可動凝膠型聚合物驅數值模擬器。該模擬器可用于凝膠型聚合物體系的數值模擬實驗研究。

3)結合勝利油田試驗區，凝膠型聚合物驅可較大幅度增加采油量及減小含水率，井組可累積增油42.0×103m3左右，含水率最低降至60%，提高采收率達14.2%。同時，對可動凝膠型聚合物的注入體積、段塞組合、殘余阻力系數及注入不可動凝膠等參數進行了優化分析，指導了開發參數的制定。

[1] Smith J E.The Transition Pressure:A Quick Method for Quantifying Polyacrylamide Gel Strength,SPE #18739[C].Presented at the SPE International Symposium on Oilfield Chemistry in Houston,TX,February 8-10,1989.

[2] Todd B J,Willhite G P,Green D W.A Mathematical Model of In-Situ Gelation of Polyacrylamide by a Redox Process,SPE/DOE #20215[C].Presented at the SPE/DOE Seventh Symposium on Enhanced Oil Recovery,Tulsa,OK,April 22-25,1990.

[3] 袁士義．聚合物地下交聯調剖數學模型[J]．石油學報，1991,12(1):49-59.

[4] Mack J C,Smith J E.In- Depth Colloidal Dispersion Gels Improve Oil Recovery Efficiency,SPE/DOE #27780[C].

Presented at the SPE/DOE Ninth Symposium on Improved Oil Recovery[J].Tulsa,OK,April 17-20,1994.

[5] Gao,H.W.and M.M.Chang.A Three-Dimensional,Three-Phase Simulator for Permeability Modification Treatments Using Gelled Polymers[R].DOE Report NIPER-388,March 1990.NTIS Order No.DE90000227.

[6] Camilleri,D.,Engelsen,S.,Lake,L.W.,et al.Description of an Improved Compositional Micellar/Polymer Simulator[R].SPE #13967,SPERE,November 1987.

[7] 李幅塏.黑油和組分模型的應用[M]．北京:石油工業出版社，1996．

[8] 付天郁，曹鳳,邵振波．聚合物驅控制程度的計算方法及應用[J]．大慶石油地質與開發,2004，23(3):81-82.