聚丙烯酰胺反相乳液深部调驱数学模型

发布日期:2015-02-05 15:04:35
聚丙烯酰胺反相乳液深部调驱数学模型
聚丙烯酰胺反相乳液深部调驱数学模型,研究了聚丙烯酰胺反相乳液深部调驱机理,考虑到岩石表面化学吸附、渗透率降低、不可及孔隙体积等因素,建立了相应的 数学模型,研制了油藏数值模拟器。以孤岛油田中二南NgM层系为例,进行了注入参数的敏感性分析。结果表明,单从提高采收 率角度来看,反相乳液注入浓度、体积及顶替液注入体积越大越好;但考虑到成本等因素时,这些参数存在一个最佳值。综合考虑 成本、增油量、降低含水率等因素,应用正交设计方法和模糊数学原理,优化设计了矿场注入方案,在先导试验区实施后,区块曰产 液量上升了 21.3%,日产油量上升了 37%,含水率下降了 1. 1%。
调驱作为一种先进的二次采油技术,主要是在油 层深部实现调驱功能,其技术关键在于调驱剂能否准 确地注人地层深部指定位置[1_3]。可动凝胶是目前常 用的深部调驱剂,但由于其施工工艺复杂、地层成胶条 件难以控制、温度和矿化度适用范围窄等缺点,限制了 其应用[4_8]。为此,研制了聚丙烯酰胺反相乳液深部调 驱体系,它可以在地层指定位置发生转相,吸水后膨胀 并堵塞大孔道,实现调剖和深部液流转向作用。另一 方面,当体系前后压差达到一定值时,可以向前蠕动, 达到驱油的目的。因此,聚丙烯酰胺反相乳液深部调驱数学模型,该体系具有调剖和驱油的双 重机理。笔者针对聚丙烯酰胺反相乳液的性能特点和 调驱机理,建立了反映其渗流特征的数学模型,编制了 相应的数值模拟器,将其用于胜利油田孤岛采油厂中 二南Ng34调驱先导试验中,取得了较好的效果。
1反相乳液调驱体系
聚丙烯酰胺反相乳液是一种油包水乳液,bbo必博_bbo必博官网_bbo必博娱乐:油为连续 相,分散相亲水,主要含有聚丙烯酰胺和交联剂(图1)。
分散相和连续相之间为表面活性剂构成的界面膜,因 此在常温下乳液是稳定的。注人地层时,由于受油相 保护,乳胶粒子中的聚丙烯酰胺和交联剂不会被地层
吸附,即两者的比例不变,在到达地层指定位置前不会 发生转相破乳。这样可以控制交联时间和凝胶强度, 并在指定位置实现调驱。同时,调驱体系内聚丙烯酰 胺含量可达25%以上,且转相后乳液具有溶解速度 快、溶解时间小于20 min、运输成本低及施工时无需特 殊分散设备等特点,容易广泛推广应用。
2反相乳液体系调驱机理
从驱替实验现象和转相交联后反相聚合物乳液的 结构特点来看,反相聚合物乳液的调驱机理是“凝胶蠕 虫”机理,如图2所示。
在施工注人阶段,反相乳液在油相的保护下,乳胶 粒子不连续地进人地层大孔道。在适宜的温度和地层 水矿化度条件下,通过转相剂的作用发生转相破乳,释 放出聚丙烯酰胺和交联剂,进而发生交联反应。交联 生成的凝胶颗粒体系具有很强的吸水膨胀能力,膨胀 后堵塞地层大孔道或高渗透条带,迫使后续注入的驱 替液转向到剩余油相对富集的中、低渗透区,通过调剖 和深部液流转向作用扩大了波及系数。另一方面,由 于凝胶颗粒在地层孔道中像“蠕虫”一样分布,当体系 前后压差达到其变形的极限压差值时,产生“蠕动变 形”,从而驱动孔壁(道)中的剩余油向生产井运移,达 的效果。I 调剖和驱油的双重机理。
3反相乳液体系渗流数学模型[^]
基本假设条件为:①流体等温渗流,满足广义达西 定律;②油水相对渗透率关系不随水相中组分的变化 而变化,聚合物或凝胶体系只降低水相渗透率;③聚合 物和交联剂组分以及各种离子只存在于水相中;④油 藏等温;⑤成胶后乳液可流动,弥散符合Fick定律,吸 附遵循Langmuir吸附等温式,理想混合。
分别为油、气、水粘度,mPa_S;p为流体相压力, lO^MPa^为流体密度,g/cm3;g为源汇项,cm3/s;S 为流体饱和度为单位换算系数,《 = 1〇_4。
辅助方程有7个:
(1)水相各组分对流扩散方程假设体系中所有 化学物质仅在水相中传递,每种化学物质的守恒方程 为
▽ • (D,少S^VO-V. (C#)十
3(^SWC,-)
&十3t
式中A为扩散系数,mVs;C,为质量浓度,mg/L;« 为达西速度,cm/s;0为可及孔隙体积分数;尺为单位 孔隙介质中组分产率,。/MV为井所在网格块体积, cm3;/,为组分可接触到的岩石比例;办为岩石密度, g/cm3;C„为岩石表面吸附的组分浓度,mg/L;其中, 下标;表示第i组分。
(2)化学反应动力学方程注人地层中的聚合物 和交联剂在油藏条件下发生交联反应生成聚合物凝胶 体系。即假定单位时间内消耗的聚合物和交联剂全部 生成凝胶,聚合物、交联剂和凝胶化学反应速度计算式
1 + bci
C;=
(10)
(11)
-R*=l
分别为
Rp=-HClr+'(Clrll + (m + n-)
(5>
RR=-HClr(Cir+'l + (m + n-l)
(6)
RG=-k(Cl+C0R)(C°R)m(C°Rr[l + (m + n- 1)
Hcincirtj^(7)
式中i?p、i?R和i?c分别表示在单位时间及单位体积 孔隙介质中由化学反应消耗或产生的聚合物、交联剂 和凝胶组分的质量,mg/(L*s);m和n为反应级数,无 因次4为化学反应速度常数,其单位依反应级数而 定;c°p和C°R分别为某时间间隔开始时聚合物和交联 剂的浓度,mg/Lv为交联反应时间,s。
(3)粘度模型在一定浓度Cp下,聚合物溶液的 粘度外与剪切速率y的关系用Meter方程表达为
"P (y)="〇〇 + ("。— "w) [ i +)’a 1 ](8)
其中
凝胶体系粘度与聚合物浓度、溶液电介质浓度的关系 式为
[1 十(ApiCp+Ap2C^+Ap3C”C2P+AslCg+ Ag2C2g+Ag3C3g],(C<Cgc)
jup=< fXw [l + (AplCp+Ap2Cp+Ap3Cp)CSP+AgtCg+
Ag2Cg+Ag3Cg,
(C > Cgc) + Ag4(Cg — Cgc)
(9)
其中
C sep= C Na+ C Ca
式中csep是溶液电解质浓度,mg/L;A和B为实验 确定系数;//P为聚合物溶液粘度Ww为纯水粘度;户。 为零剪切速率下聚合物溶液的粘度为无限大剪切 速率下粘度,mPa.s;Apl,Ap2,Ap3,Agl,Ag2,As3,As4为 聚合物的粘性参数;为临界凝胶浓度,即失去活性 的凝胶浓度,mg/L;CpS聚合物浓度,mg/L; ^为聚 合物溶液粘度在〇与无限剪切率间一半时对应的剪切 速率,s-1 ;Cg为孔隙介质中凝胶浓度,mg/L;Pa为聚 合物溶液粘度与剪切速率相关系数,对于一定浓度的 聚合物溶液为常数^々为聚合物溶液盐效应相关系 数;/3为二价阳离子有效性系数;CNa和Cca分别为溶液 中一价阳离子和二价阳离子的浓度,mg/L。
(4)吸附量吸附规律遵循Langmuir吸附等温 式,即
万方数据
式中Cr为组分i的吸附量,mg/L;c,为组分i在溶 液中的质量浓度,mg/L;a和6为吸附参数。
(5)渗透率降低系数渗透率降低的通用关系式 为 (■Rtmax~ l)6Cp
1 + e Cp
式中兄为渗透率降低系数;为理想状况下渗透 率降低值,聚丙烯酰胺反相乳液深部调驱数学模型,无因次4和e为实验确定参数。
(6)不可及孔隙体积系数受高分子物质分子结 构、髙分子浓度、储层孔喉半径等因素的影响,高分子 物质只能进人多孔介质中较大孔隙空间,用耗来表 示可及孔隙系数,则不可及孔隙体积系数为
少IPV =(少—少p) /少
(7)饱和度和毛管力方程为
S。十 Sw 十 Sg=l
Pcov = P〇 — pH
Pcgo —Pg po
式中久。w和九g。分别为油水和气油毛管力,10_1 MPa。
对于由上述非线性偏微分方程和各种辅助方程组 成的方程组,通过有限差分IMPIMS方法将微分方程 变为差分方程,然后求其数值解。
初始条件为油藏压力、相饱和度、组分浓度等的分 布;外边界条件为封闭或定压,内边界条件为定压或定 产。
根据建立的数学模型,应用Visual C++软件开发 环境编制了相应的油、气、水三相七组分油藏数值模拟 器。该模拟器具有模拟水驱、聚合物驱以及反相乳液 调驱的功能,克服了以往模拟器中凝胶堵塞不可逆、不 可动、凝胶滞留或堵塞不随时间失效等不足,能够模拟 凝胶的流动性、封堵可逆性、封堵强度时变性。
4模型的应用
4.1试验区概况及生产历史
孤岛油田中二南Ng3-4层系为曲流河沉积,呈正韵 律特征。其岩性以粉细砂岩为主,胶结疏松。1998年 进行聚合物驱开发,2001年3月进人后续水驱开发阶 段。实施反相乳液调驱前呈现含水率上升快、开采效 果差的特点,综合含水率已达90. 64%,采出程度为 50. 1%。应用模拟器首先对该区块水驱和聚合物驱开 发阶段的地质储量、综合含水率、累积产油量和单井含 水率等指标进行了历史拟合,单井拟合符合程度达到 80%,得到了较真实的试验区开发地质模型。
4.2注入参数敏感性分析
室内物理模拟实验表明,由于反相乳液注入浓度、 注人体积和顶替液体积等参数对开发效果影响较大, 所以对这3个因素进行了敏感性分析。由图3可知, 仅从采收率增加幅度来看,随着反相乳液浓度、注入体 积和顶替液注入体积的增大,提高采收率值逐渐增加。 但增大到一定值后,提髙幅度逐渐变缓。如果考虑到 成本等其他因素的限制,这些参数不能无限增大。因 此,在实际应用时,应综合考虑多种影响因素来进行注 入参数的优选。 
00.51.01.5 2.000.2 0.4 0.6 0.S00.20.4 0.6 0.8
反相乳液® ft浓度/(g.L,反栩乳液注人孔»体积数《柙液注人孔隙体枳倍数
(a)(b)(c)
图3各参数对提高采收率的影响
Fig. 3 Effects of injection parameters on the results 
4.3矿场注入方案的优化设计
对各参数在其合理范围内等间距取4个水平值, 通过正交实验设计得到16套方案,聚丙烯酰胺反相乳液深部调驱数学模型,并进行了数值模拟 计算,得到相关开发参数。综合考虑利润、增油量、降 低含水率等影响因素,应用模糊综合评判方法研究了 各因素对调驱效果的影响,综合评判结果如表1所示。
表1中为各因素第i水平所对应评价指标的平 均综合值G = l,2,3,4),由是,可以判定对应因素各水 平的取舍。表示各影响因素的级差,其相对大小反 映了影响因素对评价指标的重要程度。级差越大,影 响因素波动的范围也越大,说明影响因素对评价指标 越重要(图4)。
优化分析结果表明,反相乳液浓度是最敏感的参 数,其次是顶替液体积。得到的最优方案为:反相乳液 总注人体积取水平2对应的值2. 0 X 1〇4 m3,反相乳液 浓度取水平3对应的值0. 6%,顶替液总体积取水平2 对应的值1.2X104 m3。
4.4矿场应用效果
按照最优方案,2004年12月底对孤岛油田中二 南Ng3_4层系的某井实施了聚丙烯酰胺反相乳液深部 调驱试验。使用反相乳液25t,转相剂1. 75t,严格按
万方数据
表1反相乳液参数正交实验优化设计方案 Table 1 Orthogonal array for injection parameters of PAM inverse emulsion
序号乳液体积/
m3乳液浓度/
%顶替液体积/
m3综合评判率
112 0000. 4100000. 28
212 0000. 6120000. 46
312 0000.814 0000. 70
412 0001. 016 0000. 11
5160000.412 0000.47
6160000. 610 0000. 41
716 0000. 816 0000.40
816 0001.014 0000.63
920 0000.4140000. 25
1020 0000. 612 0001. 00
11200000.810 0000.35
1220 0001.016 0000. 61
1324 0000.416 0000. 30
14240000.6140000. 47
15240000. 812 0000. 69
1624 0001.010 0000. 28
是10. 3880. 3250. 330—
k20. 4770.5850.557—
k30. 5520. 5350. 512—
kA0. 4350. 4080. 453—
R0. 1640. 2600. 227—
注:假设原油价格为1000元/t,反相乳液体系价格为2. 0 X 104元/t。
照设计方案施工。由图5可知,自2004年12月至反 相乳液见效前的4个月中,含水率上升了近2%,而后
含水率和日产液量逐渐降低,日产油量平稳增加。与 实施前相比,截至2005年3月底,区块日产液量上升 了 21. 3%,而日产油量上升了 37%,含水率下降了 1. 1%,仍具有增油降水的趋势,说明注入反相乳液取 得了较好的效果。
5结论
(1)建立了聚丙烯酰胺反相乳液调驱的数学模 型,并研制了相应模拟器。聚丙烯酰胺反相乳液深部调驱数学模型,反相乳液体系注人参数敏 感性分析表明,随着反相乳液体系注人浓度、体积和顶
替液体积的增大,提高采收率值也逐渐增大,到一定程 度后趋于平缓。考虑到经济、增油量、降低含水率等影 响因素的综合评价结果表明:反相乳液浓度是最敏感 的参数,而反相乳液体积是相对不敏感的参数。
(2)在胜利油田孤岛中二南区块的调驱试验取得 良好的应用效果,日产液量上升了 21.3%,日产油量 上升了 37%,含水率下降了 1.1%。这表明反相乳液 体系具有很好的降水增油效果。
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