殘留聚合物再利用技術參數分析研究

宋 鑫，張曉冉，蔣召平，肖麗華，李 越

中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300451

針對聚驅后油田出現的高滲層優勢通道、吸液剖面不均勻等問題，采用聚驅后注絮凝劑的方式能夠有效利用地層中殘存的聚合物，通過絮凝劑與殘余聚合物形成絮凝體從而達到堵塞高滲層進一步擴大中、低滲層吸液比例的目的[1]。目前殘余聚合物再利用技術已開展大量室內物模實驗，驗證了該技術的可行性，通過聚驅后注絮凝劑的方式能充分利用地層中殘存的聚合物，達到調堵高滲層的作用。同時，數值模擬方法作為開展聚驅后注絮凝劑參數設計的主要研究手段，常用的研究方法是通過近似修改聚合物驅數學模型中殘余阻力系數的方式近似實現模擬注入絮凝劑的過程，存在模擬過程不精細、不準確等問題。筆者運用基于固相組分計算模型的數值模擬方法，通過模擬能進一步優化注入參數、精確模擬注入過程，更有利于聚驅后注絮凝劑技術的研究。

1 質量守恒方程與滯留方程推導

首先,絮凝劑在地層中造成的滯留主要以兩部分存在：一部分絮凝劑自身選擇性進入高滲層孔道造成的滯留；另一部分絮凝劑與殘留聚合物作用形成絮凝體而造成滯留。因此滯留方程由絮凝劑滯留、絮凝體滯留兩部分組成。

1.1 滯留質量守恒方程

(1)

同理，與殘余聚合物反應生成絮凝體滯留的質量守恒方程為

(2)

式(1)方程可以分解成雙曲線型方程和拋物型方程進行求解，雙曲線型方程、拋物線型方程如下：

(3)

(4)

針對雙曲型方程可采用守恒型差分格式即MacCormack格式[2]，將方程拆分為：

(5)

而對于非線性的拋物型方程，為了保證求解的穩定性，采用分數步預測—校正格式的差分方法進行處理。同理，絮凝體滯留的質量守恒方程同樣可分解為雙曲線型方程和拋物型方程進行求解，采用差分格式進行分解后，分別為

(6)

(7)

式中：下角標字母w，p，cp，fl分別代表水、聚合物、絮凝劑、絮凝體；D為由某一基準面算起的深度，向下為正，m;p為壓力,10-1MPa;S為飽和度；k為滲透率，10-3μm；φ為多孔介質的孔隙度；ρ0、ρw為分別為油、水的密度,g/cm3；C為水相中組分濃度；q為注入或產出量,cm3/s；Δwo為油水兩相之間的界面張力,10-3N/m；Pw為油水兩相之間的毛管壓力,10-1MPa。

1.2 滯留方程推導

當絮凝劑懸浮液注入多孔介質中，小于孔隙半徑的絮凝劑顆粒會直接沉積于孔隙表面，對應的滯留方程為：

(8)

同理，通過反應生成的絮凝體形成的滯留可用方程[3-4]表示為：

(9)

隨著絮凝劑選擇性進入大孔道及生成的絮凝體造成的滯留，導致儲層滲透率下降同時孔隙度也因滯留的發生進一步降低，據此易知滯留所導致瞬時孔隙度應為初始孔隙度減去絮凝劑、絮凝體滯留占據的量，則有

φ-φ0-δcp(x,y,z,t)-δfl(x,y,z,t)

(10)

同理，根據瞬時孔隙度計算瞬時滲透率[5]，進而進行循環迭代計算。

(11)

f=1-βδ(x,y,z,t)

(12)

式中：K為初始滲透率，10-3μm2；f為流動效率因子；D為堵塞后孔隙允許流體滲流的常數。

2 模型求解及模擬計算

首先利用上述描述絮凝劑、絮凝體的雙曲型方程、拋物型方程進行差分離散化得到不同聚合物質量濃度下絮凝劑、絮凝體濃度分布。然后根據兩個組分濃度分布計算每1點的滯留量，隨后更新每點對應的儲層孔隙度、滲透率。最后將上述計算過程進行迭代直至最終模擬過程結束。

在上述計算中，以實驗室內測得的質量濃度為0.5%～3%的絮凝劑注入時體系的殘余阻力系數為基礎，利用迭代法可計算出0.5%～3%之間任意質量濃度下體系對應的殘余阻力系數值，為對比模擬結果準確性，主要計算區間不同絮凝劑濃度下的殘余阻力系數，將物模實驗結果與迭代計算結果進行對比分析見圖1。

圖1 物模實驗實測殘余阻力系數及數學模型計算殘余阻力系數對比

由圖1可知，利用迭代法計算的殘余阻力系數與實測結果相比，整體計算精度達到96.3%；利用該數學模型在明確基礎殘余阻力系數的前提下，可以迭代計算出絮凝劑濃度區間內殘余阻力系數的連續性變化。

聚合物驅數值模擬時主要參數體現在黏度、吸附、流變性、不可及孔隙體積、殘阻系數5個方面。而絮凝劑在注入過程中以絮凝劑、絮凝體形式存在時，能夠影響聚合物驅數值模擬參數主要在不可及孔隙體積、殘余阻力系數。常用聚合物驅數值模擬主要依靠直接修改殘余阻力系數的方式進行模擬，而無法線性地輸入整個區間的殘余阻力系數，導致模擬精確性大打折扣。因此以殘留物再利用數學模型為基礎進行注絮凝劑的數值模擬時精確度可大大提高[6]。利用所建立的數學模型進行數值模擬的結果與原預測方法相比精確性更高，該數學模型可用于指導注絮凝劑物模實驗方案設計及聚驅后注絮凝劑技術的礦場應用。

3 聚合物固定技術影響因素分析

通過數學模型推導的目的是為了開展注絮凝劑的數值模擬分析，為現場注絮凝劑工藝參數優化及變化規律研究作參考，現利用概念模型研究注入時機、注絮凝劑濃度等因素對提高采收率的影響。

3.1 模型參數設計

建立了一套相對較細的30×3×3均勻網格系統，其中X、Y方向的網格尺寸為每網格長15.0 m；縱向上劃分為3個模擬層，層厚4 m、平均滲透率1.5 μm2、孔隙度0.31、原油黏度70 mPa·s；采用1注1采的模式，模擬物模實驗中30 cm的人造巖心，概念模型網格系統如圖2所示。

圖2 概念模型三維網格系統示意圖

3.2 注入時機的影響

考慮注入時機對殘留聚合物固定效果的影響，利用CMG軟件分別進行模擬水驅至含水率達到80%，注入聚合物段塞0.3 PV再注后續水段塞，分別模擬聚驅后直接注絮凝劑以及在后續水驅不同PV數時注入濃度0.3%的絮凝劑0.05 PV，再水驅至含水率達到98%結束。模擬計算的含水率與采收率的結果見圖3。

圖3 聚驅后不同注入時機對采收率與含水率影響

由圖3可知，聚驅后注入絮凝劑時，后續水驅注入PV數越少，注入等量絮凝劑后與殘留聚合物作用效果越好，再利用效率越高；此現象表明在滯留等量聚合物的地層中，絮凝劑越早注入，促使絮凝劑越早接觸殘留聚合物形成絮凝體堵塞高滲層，使后續流體進入聚驅時波及較少的中、低滲層，起到擴大波及體積及調堵高滲層的作用，因此最終采出程度越高。后續水PV數越大，聚驅后進一步提高采收率效果越差，主要原因是聚驅后直接水驅，注入的水段塞將原本滯留在地層的殘留聚合物沖稀或沖至地層深部，導致殘留聚合物濃度大大降低，后續注入絮凝劑無法與更多的殘留聚合物發生反應生成絮凝體，因此調堵高滲層的能力大大降低，導致聚驅后進一步提高采收率效果變差[7]。

3.3 絮凝劑注入PV數的影響

考慮注入PV數對殘留聚合物固定效果的影響，分別模擬水驅至含水率達到80%，注入聚合物段塞0.3 PV再注后續水段塞，分別模擬聚驅后直接注入絮凝劑不同PV。模擬計算的含水率與采收率的結果見圖4。

圖4 不同注入絮凝劑PV數對采收率與含水率影響

由圖4可知，保持注入時機相同，僅改變絮凝劑段塞注入體積，隨絮凝劑注入PV數增加，總體采收率逐漸增加，采收率增加速度逐漸放緩。當注入0.008 1 PV時，進一步增大注入體積，驅油效率增加幅度減少。注入體積從0.008 1 PV 增加到0.013 4 PV時，采出程度僅增加了0.14%。初期隨著注入體積增加，固定地下殘留聚合物總量逐漸增加，對優勢通道封堵效果明顯增強。當注入總量將地下有限量的聚合物全部固定后，對優勢通道封堵效果達到最佳，此時進一步增加用量對驅油效果改善程度較小[8]。

3.4 絮凝劑濃度的影響

考慮絮凝劑濃度對殘留聚合物固定效果的影響，保持模擬條件不變，僅改變絮凝劑注入濃度，考察注入濃度對驅油效果的影響，模擬結果圖5。

在其他條件不變的前提下，隨絮凝劑濃度增加，采收率先升高后趨于不變。抑制含水上升效果前期較明顯，后續影響較小。注入絮凝劑濃度升高，形成絮凝作用逐漸變強，絮凝體對優勢通道封堵效果明顯，當注入濃度增加到0.5%時，隨著注入濃度增加驅油效果不再明顯增加，此時采出程度為48.3%。主要原因由于聚合物地下滯留量有限，當絮凝劑用量將有限量的滯留聚合物全部固定后，對優勢通道封堵效果達到極限，此時進一步增加用量對總產出程度影響較小。

圖5 聚驅后注不同濃度絮凝劑對采收率及含水率的影響規律

4 結論

1)通過固相組分滯留方程對原有數學模型修正后，與巖心驅油實驗擬合效果較好，用于殘留聚合物固定技術的數值模擬與原預測方法相比精確性更高，該數學模型可用于指導聚驅后殘留聚合物固定技術的參數優化設計。

2)殘留聚合物固定影響因素分析結果表明，注入濃度、注入體積存在特定條件下的合理范圍。模擬條件下聚驅結束后直接注入0.008 1 PV、濃度為0.5%的絮凝劑段塞能夠得到技術性、經濟性指標最優的驅油效果。