稠油聚合物驅滲流速度及驅替效果影響因素分析

付 京, 宋考平, 王美楠, 尹洪軍, 葉琬玥, 王勝男

（1. 東北石油大學石油工程學院，黑龍江 大慶 163318； 2. 中海石油(中國)有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津 塘沽 300452）

石油化工

稠油聚合物驅滲流速度及驅替效果影響因素分析

付 京1, 宋考平1, 王美楠2, 尹洪軍1, 葉琬玥1, 王勝男1

（1. 東北石油大學石油工程學院，黑龍江 大慶 163318； 2. 中海石油(中國)有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津 塘沽 300452）

考慮稠油的非牛頓特性、聚合物的粘彈性、水相滲透率的下降、不可及孔隙體積以及殘余油飽和度的降低等因素，建立并求解了稠油粘彈性聚合物驅滲流數學模型，分析了注入量及聚合物溶液的彈性對驅替速度和驅替效果的影響。結果表明：注入量一定的情況下，在聚合物溶液波及范圍內，聚合物溶液彈性越大，注采井間的速度越大，驅替效果越好；聚合物溶液彈性一定的情況下，注入量越大，注采井間的速度越大，驅替效果越好。

稠油；聚合物驅；粘彈性；滲流速度

S油田屬于典型的稠油油藏，水驅采收率僅為20%，而聚合物驅作為一種重要的三次采油技術，能夠有效改善油水流度比、提高注入水的波及體積和洗油效率，采收率提高潛力巨大[1-4]。因而，有必要研究聚合物在多孔介質中的滲流特性及其對驅油效果的影響。滲流速度是聚合物溶液在地下滲流的重要表征，滲流速度的確定對于聚合物驅滲流規律的研究及聚合物驅稠油的調控具有重要作用[5-8]。為此，根據S油田常規稠油油藏的特點及聚合物的物化性質,建立了稠油粘彈性聚合物驅滲流數學模型，考慮稠油的非牛頓特性、聚合物的粘彈性、水相滲透率的下降、不可及孔隙體積以及殘余油飽和度的降低等因素，研究注入量及聚合物溶液的彈性等因素對驅替速度和驅替效果的影響，為S油田稠油粘彈性聚合物驅滲流速度的確定提供技術依據。

1　稠油粘彈性聚合物驅數學模型

假設：①聚合物驅為等溫驅替過程；②多相滲流滿足廣義達西定律；③流體由油水兩相組成，油相中只有油組分，水相中有水和聚合物組分；④忽略聚合物對水溶液質量守恒的影響；⑤數學方程中不考慮組分的質量分數而直接使用質量濃度；⑥油水相對滲透率關系不隨水相中組分的變化而變化；⑦忽略毛管壓力和重力的影響。

1.1基本方程

基于上述假設條件、物質守恒定律以及 Darcy定律建立了各組分的物質平衡方程：

油組分：

水組分：

聚合物組分：

輔助方程：

初始條件：

內邊界定產條件：

外邊界條件：

式中：cp為聚合物溶液濃度，mg/L；?p為聚合物吸附質量濃度，kg/kg；Dp為聚合物溶液擴散系數，s-1；fp為可及孔隙體積分數，小數；K為絕對滲透率，m2；Kro、Krw分別為油相和水相的相對滲透率，小數；po、pw分別為油相和水相的壓力，Pa；qo、qw分別為源和匯處油水注采強度，m3/（s·m3）；Rk為水相滲透率下降系數，小數；So、Sw分別為油和水的飽和度小數，小數；ρo、ρw分別為油相和水相密度，kg/m3；ρrb為巖石密度，kg/m3；μo、μwp分別為油相和水相的粘度，mPa·s；φ為孔隙度，小數。下標：i為原始，c為束縛。

1.2物化性質的數學描述

1.2.1稠油的非牛頓特性

稠油一般是指在地層條件下粘度大于50 mPa?s的原油，其相對密度大、粘度高、流動性差，常表現出非牛頓特性，這里采用冪律模式來描述稠油的非牛頓特性：

式中：μo為稠油粘度，Pa·s；K為稠度系數；γ˙為稠油剪切速率，s-1；n，為稠油密率指數。

1.2.2聚合物溶液的粘度

在一定的溫度條件下，聚合物溶液的零剪切粘度隨濃度的增加而大幅度上升，聚合物溶液的零剪切粘度可表示為：

式中：μp0為聚合物溶液零剪切粘度，Pa·s；μw為純水溶液粘度，Pa?s；A1，A2，A3為系數。

采用凱瑞模型描述聚合物溶液的粘彈性，則聚合物溶液粘度可表示為：

式中：μp∞為極限剪切速率粘度，Pa?s；λ為松弛時間，s；n為冪律指數。

1.2.3組分吸附滯留

組分吸附滯留是聚合物在多孔介質中的重要物化現象，這里采用 Langmuir 吸附等溫來描述聚合物吸附量：

式中：?pmax為聚合物最大吸附質量濃度，kg/kg。

1.2.4水相滲透率下降系數

由于聚合物在孔隙表面的吸附，降低了孔隙半徑，降低了水相相對滲透率，根據吸附量與滲透率下降系數之間的線性關系可得到水相滲透率下降系數為：

式中：Rmax為水相滲透率最大下降系數，小數。

1.2.5與聚合物彈性有關的殘余油飽和度

聚合物除了可以增加水相粘度起到降低流度比的作用外，還具有彈性作用，可以通過拖拽、攜帶和形成穩定“油絲”通道的方式降低殘余油飽和度，聚合物的彈性行為大小通常用法向應力差表征。因此，可以將聚驅殘余油飽和度表征為毛管數和第一法向應力差的函數：

式中：Sor為殘余油飽和度；Sorw為低毛管數時殘余油飽和度；Sorh為高彈和高毛管數理想情況下殘余油飽和度極限值；T1為實驗參數，Pa-1；T2為實驗參數；Nco為毛管數；σow為油水界面張力，mN/m；Np為第一法向應力差，Pa。

利采用有限差分方法求解稠油粘彈性聚合物驅滲流數學模型（1）-（19），采用隱式求解壓力、顯式求解飽和度、顯式求解聚合物濃度的 IMPES方法。求解過程為：首先由壓力方程，從初始條件出發，可求得n時刻的壓力值。在每個時間步求得壓力后，將求得的節點壓力代入飽和度方程，可求得n時刻的各節點的水相飽和度值，再把水相飽和度值代入聚合物滲流方程可得到n時刻各節點的聚合物濃度值，如此可解得不同時間步的油藏壓力、油相飽和度、水相飽和度和聚合物濃度值。

2　稠油聚合物驅滲流速度及驅替效果影響因素分析

根據S油田地層參數（見表1），建立注采井距為500m的五點法注采單元模型（見圖1），研究聚合物溶液的彈性、生產時間及注入量等因素對稠油粘彈性聚合物驅滲流速度和驅油效果的影響。

圖1　五點法注采單元示意Fig.1 Schematic diagram of five point method injection and production unit

表1　S油田地層參數Table 1 Formation parameters of S oilfield

模型運算采用的流體參數見表2。

表2　模型流體參數Table 2 Fluid parameters of the model

2.1聚合物溶液的彈性對注采井間滲流速度分布的影響

繪制了生產時間為40 d時不同彈性下注采井間速滲流度分布情況，如圖2所示。由圖2可知，在注采井之間，滲流速度的分布情況是井底附近大，中間小。在聚合物溶液波及范圍內，聚合物溶液的彈性對滲流速度存在一定影響，彈性越大，注采井間速度越大。這是因為隨著聚合物溶液彈性作用的增強，聚合物以拉伸流動為主，剪切流動退居次要地位，流變特性呈脹流型，彈性作用越大，滲流速度越高。

圖2　不同彈性下注采井間速度分布Fig.2 Velocity distribution of different elastic between injection and production wells

2.2注入量對注采井間速度分布的影響

繪制了松弛時間λ為1.6 s不同注入量下注采井間滲流速度分布圖，如圖3所示。由圖3可知，隨著注入量的增加，注采井間的速度也隨之增大。

圖3　不同注入量下注采井間速度分布Fig.3 Velocity distribution of different injection volume between injection and production wells

2.3聚合物溶液的彈性對驅替效果的影響

松弛時間是表征聚合物溶液彈性的物理量，松弛時間越大，聚合物溶液彈性越大。因此，分析聚合物溶液的彈性對驅替效果的影響，就可以轉化為分析松弛時間對驅替效果的影響。

應用表1和表2的基本參數，計算了水及不同松弛時間聚合物對采收率的影響，計算結果見表3。

由表3可知，注入量一定的情況下，聚合物溶液彈性的存在可以提高采收率，使得產油量增加。

2.4注入量對驅替效果的影響

這里分別計算了松弛時間λ為1.6s時不同注入量對驅替效果的影響，計算結果見表 4，表中列出了不同注入量下生產井附近的飽和度情況。

表3　聚合物溶液的彈性對驅替效果的影響Table 3 Impact of the elastic polymer solution on displacement efficiency

表4　注入量對驅替效果的影響Table 4 Impact of the injection amount on displacement efficiency

可見，聚合物溶液彈性一定的情況下，注入量越大，生產井附近的含油飽和度越低，含水飽和度越高，平均速度越大，說明驅替效果得到了改善，即聚合物溶液彈性一定的情況下，速度越大，驅替效果越好。

3　結 論

（1）考慮稠油的非牛頓特性、聚合物的粘彈性、剪切變稀、吸附、擴散、水相滲透率的下降、不可及孔隙體積以及殘余油飽和度的降低等因素，給出了適用于稠油油藏的粘彈性聚合物驅滲流速度的確定方法。

（2）在注采井之間，滲流速度的分布情況是井底附近流速大，井間連線中間流速小。在聚合物溶液波及范圍內，聚合物溶液的彈性對滲流速度存在影響，彈性越大，注采井間速度越大，這是因為隨著彈性作用的增加，拉伸流動占據主導地位的結果。

（3）考慮聚合物溶液的彈性時，在聚合物溶液波及范圍內注入量一定的情況下，在聚合物溶液波及范圍內，聚合物溶液彈性越大，注采井間的速度越大，驅替效果越好；聚合物溶液彈性一定的情況下，注入量越大，注采井間的速度越大，驅替效果越好。

［1］牟雪江．用技術叫板稠油資源[J].中國石油企業，2010，6(12)：47．

［2］裴海華，張貴才，葛際江，等.化學驅提高普通稠油采收率的研究進展[J].油田化學，2010，27(3)：350-355．

［3］關麗群，費永濤，程娟，等．小斷塊普通稠油油藏聚合物驅開發實踐與認識[J].西部探礦工程，2011(3)：65-68．

［4］張宏方，王德民，岳湘安，等. 利用聚合物溶液提高驅油效率的實驗研究[J].石油學報，2004，25（2）：55-58.

［5］王新海, 趙郭平．冪律流體在多孔介質中的剪切速率[J].新疆石油地質，1998，19(4)：312-314．

［6］王新海．聚合物驅數值模擬主要參數的確定[J]. 石油勘探與開發，1990，17(3)：69-76．

［7］王美楠, 尹洪軍, 鐘會影．考慮二次梯度項及動邊界的低滲透變形介質油藏滲流規律[J].大慶石油地質與開發，2014，33(1)：75-80．

［8］夏惠芬．粘彈性聚合物溶液的滲流理論及其應用[M].北京：石油工業出版社,2002．

國內樹脂基復材產量可達530萬噸

國內樹脂基復材2015年產量預計達530萬噸。據專家介紹，復合材料是由兩種或兩種以上不同物質以不同方式組合而成的，能夠融合和發揮各種材料的優點，擴大材料的應用范圍。樹脂基復合材料就是其中的一大類。樹脂基復合材料以有機聚合物為基體，添加相應的纖維增強體構成，也稱纖維增強材料，是目前技術較為成熟、應用最為廣泛的一類復合材料。根據纖維增強體的不同，樹脂基復合材料可劃分為玻璃纖維增強材料、碳纖維復合材料、芳綸纖維增強復合材料等。

據專家介紹，樹脂基復合材料是多種物質的結合，具有多種物質的復合效應。首先是質輕、力學性能好，具有比強度高、比模量大、抗疲勞性能及減震性能好等優點。其次，樹脂基復合材料的可設計性優良，能夠通過改變纖維的質量分數和分布方向、添加適當添加劑使物質潛在的性能集中到必要的方向上。再次，樹脂基復合材料的耐化學腐蝕性、電性能、熱性能都表現出優良的狀態。到2015年，國內樹脂基復合材料產量將達到530萬噸，其中熱固性復合材料產量300萬噸，熱塑性復合材料用量230萬噸。

將重點發展基礎設施和建筑、能源及環保、交通運輸及航天航空等相關的復合材料系列產品及其裝備制造，特別注重新能源領域、海洋石油開發領域、電力建設領域、環保領域以及碳纖維復合材料為代表的先進復合材料的基礎研究和應用研究與開發。然而目前，國內樹脂基復材的研究和應用通常都具有時間緊、經費少、任務重的特點，往往缺乏從設計、制造到使用、維護全過程的成本精細模擬分析和評估，存在技術決策、最終成果預測不科學和定量預測結果少等問題，所以說，只有消除這些矛盾，才能確保復材科研工作順利進行，以及研究成果的順利推廣。

Analysis on the Influencing Factors of Polymer Flooding Seepage Velocity and Displacement Efficiency in Heavy Oil Fields

FU Jing1, SONG Kao-ping1, WANG Mei-nan2, YIN Hong-jun1, YE Wan-yue1, WANG Sheng-nan1
(1. Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318, China; 2. Bohai Oilfield Research Institute of CNOOC Tianjin Branch, Tianjin Tanggu, 300452, China)

The mathematical model of viscous-elastic polymer flooding in heavy oil fields was established, in which the non-Newtonian characteristics of heavy oil, viscoelasticity, inaccessible pore volume, permeability reduction and residual oil saturation of polymer were considered. The Influence of the injection volume, the viscous-elastic of polymer on seepage velocity was studied. The calculation results show that, under the same injection circumstances, in the affected areas of polymer solution, the greater the viscous-elastic of polymer, the bigger the seepage velocity, the better the displacement efficiency; under the same viscous-elastic circumstances, the bigger the injection volume, the bigger the seepage velocity, the better the displacement efficiency.

Heavy oil; Polymer flooding; Viscoelasticity; Seepage velocity

TE 357

A

1671-0460（2014）12-2578-04

2013年國家級大學生創新創業訓練計劃項目“二類油層聚合物驅注入參數與油層的匹配性研究”（201310220011）。

2014-11-06

付京（1994-），女，黑龍江大慶人，東北石油大學石油工程學院，石油工程專業。E-mail：417430582@qq.com。

尹洪軍（1964-），女，黑龍江大慶人，教授，博士，研究方向：滲流力學、提高采收率原理。E-mail：yinhj7176@126.com。