均质多孔介质中气 /油多次接触混相驱油实验及数值模拟研究

2010-10-13编译张婷大庆油田第一采油厂地质大队

石油石化节能 2010年9期

关键词：含气率凝析气异丙醇

编译:张婷 (大庆油田第一采油厂地质大队)

审校:宋杰 (大庆油田第一采油厂地质大队)

均质多孔介质中气 /油多次接触混相驱油实验及数值模拟研究

编译:张婷 (大庆油田第一采油厂地质大队)

审校:宋杰 (大庆油田第一采油厂地质大队)

蒸发气混相注入和凝析气混相注入已在世界大量油藏中得以应用。这些注入气的特性往往通过实验室分析及组分模拟得到。本文研究了①多次接触混相驱油的物理过程;②应用Coats关系模拟气-油相对渗透率随界面张力的变化,以及预测原油采收率相关误差的可能性;③气/油非平衡效应在预测原油采收率及气油比方面的重要性。通过使用一款商业组分模拟器达到了上述研究目的,即基于性能完善的玻璃珠人造岩心进行实验,预测了多次接触混相注入的特征。利用在外界条件下能展现上临界点的三元液态体系研究了凝析气驱与蒸发气驱。凝析气法与蒸发气法驱油十分高效,注入1 PV驱替液可采出90%的原油储量。与非混相驱替相比,突破时采出程度与总采收率分别提高8%和20%。然而,无论是凝析气驱还是蒸发气驱 (假设是在平衡条件下),组分模拟均过高预测了原油采收率。进一步的模拟证实了产生这种误差的原因有可能是在接近混相时Coats相关系数不能够精确地描述相对渗透率特征,或是由于产生的流体处于非组分平衡状态,或者两种原因都存在。

均质多孔介质多次接触混相驱油数值模拟平衡

1 前言

世界大量油藏应用混气注入来提高采收率。大多数情况下注入气体并非一开始就与油互溶,通常有两种手段,一是油组分净转移到气中 (蒸发气驱),另一种是气组分净转移到油中 (凝析气驱)。组分数值模拟通常用来预测这些提高采收率方案的效果,根据实验室实验得出的数据回归得到状态特性方程。预测的准确性关键取决于模拟假设的有效性,而假设中最关键的是每个网格块瞬时局部热力平衡的假设是否存在。

尽管如此,数值模拟预测初级接触的混相驱替与非混相驱替的能力已经通过众多研究的实验对比得到评价,而对多次接触混相驱油实验的组分模拟研究却寥寥无几。本研究深入探讨了能否利用商业组分模拟器预测多次接触混相驱替的特性,包括凝析气驱和蒸发气驱。多孔介质应用的是玻璃珠人造岩心,具有如下特征:

◇选用窄尺寸玻璃珠能够保证岩心的均质性;

◇可以观察到驱替过程,从而验证均质性,同时可以提供另一套数据来验证模拟器的运行有效性。

本文应用了一个在室温和压力条件下存在临界点的简单的三相液态系统。这样,所有的组分性质可以直接输入到模拟器中,不需要使用拟组分。而且,独立的实验数据对大多数组分性质都是适用的。另外,所有的岩心属性 (孔隙度、渗透率和相对渗透率)在多次接触混相驱替前都经过了实验测量。相对渗透率是利用三种组分的平衡混合物在四种界面张力条件下测量出来的,范围在24.2～0.03 mN/m。不论是组分模型还是相模型的采收率都在实验过程中记录下来,并与模拟器预测结果进行比较。

2 实验建立

2.1 岩心设计与结构

玻璃珠人造岩心是由封口的25 cm×10 cm× 0.6 cm长方形有机玻璃体构建而成,填充了11级小玻璃珠 (160～200μm)。透明有机玻璃材质具有非常好的光学性质,可以观察到模型内部流体流动状态。图1给出了实验系统的立体效果图。

岩心均质性的检测采用在岩心中令M=1进行混相驱替 (未染色水驱替染色水)。可以清晰地看到其线形驱替前缘。岩心孔隙度和渗透率分别测量为38%和10 D。

2.2 流体系统

本研究中使用了环乙烯 (C)、异丙醇 (IPA)与水 (W)的混合物。这种三组分两相流体系统在外界条件下存在一个上临界点,并在平衡状态下形成两种液相 (图2)。表1给出了实验得出的在外界条件下两相环乙烯、异丙醇与水 (CIPAW)三组分系统的相组成。

图1 用于玻璃珠人造岩心实验的有机玻璃盒透视图

图2 异丙醇-水-环乙烯平衡三元状态图

表1 a 流动实验应用的混合组成

表1 b 图2中标记线上平衡状态下异丙醇、水、环乙烯的浓度

实验实现了多次接触混相驱替,包括凝析气驱和蒸发气驱。凝析气驱出的被驱流体,即所谓的“油”,其成分为24%的异丙醇和76%的水以及驱替液;而所谓的“气”,由70%的异丙醇和30%的环乙烯组成。此驱替初始黏度比为1.9。蒸发气驱驱替出的“油”其构成为65%的异丙醇和35%的水,其驱替相“气”由18%的异丙醇和82%的环乙烯构成。此流体组合初始黏度比为2.1。无论哪种驱替方式,“气”相中都没有水组分,因此水组分的采收率可以用来衡量“油”的采收效率。

表1 c 6种混合各相的密度、黏度及界面张力

2.3 相对渗透率测量

为确定排驱相对渗透率与流体成分的函数关系,在玻璃珠人造岩心中使用四组不同的两相流体(混合物1、2、4及6,见表1)进行驱替,从完全不互溶 (界面张力为24.2 mN/m)到接近互溶(界面张力为0.03 mN/m)。

油相与气相首先处于预平衡状态,在进行驱替实验之前才进行分离。穿过玻璃珠人造岩心的压力降与排量 (总量与相体积)都记录为时间函数。驱替过程一直持续到再没有原油产出,即已达到残余油饱和度。接下来,端点有效气渗透率也确定下来。在进行新驱替实验之前,岩心依次用蒸馏水和酒精清洗干净,并用气流穿过其中进行干燥处理。用岩心质量来追踪干燥过程。

分相流动直接用各相体积测量值计算。相对渗透率使用JBN方法确定,依照如下假定:不可压缩流体、一维、等温流动、非互溶相及可忽略的毛细管效应。端点有效渗透率单独用于证明JBN计算。

图3比较了相对渗透率与界面张力的函数关系。对饱和度进行规一化以消除驱替初始条件的影响。规一化饱和度(Sg＊)定义如下:

式中,Sgi为初始含气饱和度;Sor为残余油饱和度。

排驱相对渗透率曲线在接近临界点时表现出对界面张力明显的依赖关系。气相相对渗透率随着界面张力从24.2 mN/m降至0.03 mN/m而逐渐增大,当界面张力非常低时接近于一条直线;相比之下,油相相对渗透率随界面张力变化幅度较小,不过,当界面张力非常低时也接近于一条直线。

图3 不同界面张力对应的排驱相对渗透率曲线

2.4 计量方法

在所有的实验中,气相都用Waxolene蓝色活性蛋白油溶性染料上色,其质量浓度仅为0.01%。驱替前缘的移动同时用拍照和连续录像两种方式记录。

对流出物进行收集和分析来跟踪采收过程演变规律。在非混相驱替中确定了相对渗透率,流出物体积使用流体分离器与量筒测量。在多次接触混相驱替过程中,使用了由Washburn提出的方法,用折射率确定气相和油相中异丙醇的浓度。在凝析气驱和蒸发气驱中,发现流出物并非出于平衡,生产后仍存在两相物质传递。因此,对瞬时油和气的体积,以及平衡后几个小时后的体积都进行了测量和比较。由此开始,将第一批数据称作“预平衡”体积,而第二批数据称作“平衡”体积。

3 数模建立

3.1 流体系统的特征

本研究中应用的是商业模拟器的组分模式。图4表明模拟与实验相图表数据是基本吻合的。从图中可以看出模拟数据在临界点附近与实验数据有所偏离。除此之外,模拟再现的两相特性与相组成成分都是令人满意的。除了临界点附近,驱替相与被驱替相黏度都得到了较好的预测。预测相组成成分与黏度的偏差均在实验数据误差带之内。

3.2 流动模拟模型

图4 异丙醇-水-环乙烯平衡三元状态图 (实验与模拟数据)

图5 比较Coats关系预测与实验测量的排驱相对渗透率,Coats关系n=8,实验确定的IFT=24.2 mN/m的混合的相对渗透率: (a)混合2:IFT=6.9 mN/m;(b)混合4:IFT=0.6 mN/m; (c)混合6:IFT=0.03 mN/m

所有模拟应用的是一个二维、水平的100×50网格块组成的网格。网格精细研究表明此数目网格块模拟结果达到收敛。注入和产出模拟为入口定义1口注入井以恒定注入量持续注入,而在出口定义1口生产井以恒定大气压力产出。2口井均在y方向50个网格内完井。用Soave-Redlich-KwongEOS做相平衡预测,Lohrenz相关性预测黏度, Macleod&Sugden相关性预测界面张力。相对渗透率随界面张力变化模拟利用Coats首次提出的公式。实验发现,当界面张力分别取值6.9、0.6与0.03 mN/m时,气相、油相相对渗透率借助Coats可调参量n=8,得到了非常好的预测结果 (图5)。

4 结果与讨论

4.1 凝析气驱油

在此驱替过程中,异丙醇从驱替气中凝析到油相,使油变轻。平衡气比油更易流动,所以它迅速向前移动,被新注入的气所驱替,同时新注入气中又有更多的异丙醇析出,使油质更轻。这种情况一直持续到原油足够轻,可以完全与注入气混合,此时异丙醇浓度达到56%(根据体积计算)。

图6给出了模拟器预测到的各组分摩尔分数纵剖面,以及在不同时间阶段 (0.2 h、0.33 h、0.5 h)油相、气相在玻璃珠人造岩心模型中的黏度和界面张力。如凝析气驱所预计 (如油气黏度和界面张力收敛趋向于零所表明),其混合发生在驱替过程中两相过渡带后缘。由图6a和图6b可知,从玻璃珠人造岩心模型入口测量,混合区前缘从0.2 h的4.9 cm开始推进,推进到0.33 h与0.5 h的和17.4 cm。图6c和图6d分别给出了0.33 h时间点上流体和蒸汽的摩尔分数剖面。在0.33 h点比较异丙醇、水和环乙烯组分与同一时间点黏度和界面张力的剖面可以看出,当气相与油相黏度相似时并且界面张力为零 (即已混合)时,异丙醇摩尔分数超过56%。

图7显示了实验与预测驱替模式具备较好的一致性。如图所示无需说明驱替是稳定的。图8a比较了实验获得的平衡后采收率与模拟预测 (当然,假定每个网格都达到瞬间平衡)的采收率。图中也可看出Coats相关指数n不同取值对模拟结果敏感度的影响。所谓相关指数即相对渗透率与界面张力函数关系。图8比较了实验获得的达到平衡前后含气率与模拟器得到的含气率。

可以看出,模拟器预测驱替的形状与运动状态效果很好,但当使用最佳拟合 (Coats相对渗透率相关指数n=8)预测采收率时效果稍逊一筹。在n=10时采收率符合情况有所改观,但牺牲了对突破时的预测效果 (图8b)。将n增加到10导致界面张力对相对渗透率的影响降低,并且在改变界面张力值时气相相对渗透率和实验吻合得更好。将n降低到5时增加了界面张力对相对渗透率的影响,并获得与实验油相相对渗透率更好的吻合。当考虑平衡状态原油采收率时,模拟与实验符合达到最佳。

图6 不同时间点凝析气驱预测的玻璃珠人造岩心中的剖面:(a)时间点0.2 h、0.33 h、0.5 h的黏度; (b)时间点0.2 h、0.33 h、0.5 h的界面张力;(c)0.33 h时间点上异丙醇、水、环乙烯在油相中的摩尔分数;(d)0.33 h时间点上异丙醇、水、环乙烯在气相中的摩尔分数

图7 凝析气驱注入不同PV时实验 (左图)与模拟 (右图)驱替前缘,图中蓝色的气正驱替实验中澄清的油,及模拟中红色的油

图8同时还显示了观察平衡前后含气率有显著差别。在气突破的瞬间,“预平衡”含气率要高于“平衡”含气率,也就是说,“油”相体积在平衡后有所增加,正好和凝析气驱替实事相吻合,即“气”相中的组分凝析到“油”相中。大约 1.2 PVI(注入孔隙体积倍数)后,“预平衡”含气率下降到低于“平衡”含气率,表明驱替后期平衡后存在气体积的净增长。

图8 模拟与实验比较

4.2 蒸发气驱油

在蒸发气驱中,当气进入到油中与其接触,异丙醇从油中游离出来进入到气中使气变重。如前面所说,平衡气比油更易流动,因此它在前面移动接触新的油相并使其游离出更多异丙醇,使气变得更重。这种状况一直持续到油中异丙醇浓度达到56%(体积),气足够重可与油混合。蒸发气驱油的混合过程发生在两相过渡区前缘。实验与预测驱替模式具备较好的一致性。和凝析气驱油实验一样,模拟器预测驱替的形状与运动状态效果很好,但当使用最佳拟合n=8表示Coats相对渗透率相关时,预测采收率效果稍逊一筹。同样,采收率符合情况在n=10时有所改观,但牺牲了对突破的预测效果。当考虑平衡状态油采收率时模拟与实验达到最佳。注入大约2.6 PV可采出全部的原油储量。注入1 PVI时可以产出原油储量的90%,其驱替效率非常高。突破采收率 (79%)高出凝析气驱观测到的采收率。但是,突破之后,凝析气驱注入更有效,因为只注入2 PV便可产出全部的原始原油储量。

仔细观察图9发现,对凝析气驱模拟器能够正确地预测出气突破。而在蒸汽驱中,模拟器预测“预平衡”与“平衡”含气率匹配得很好直到含气率达到90%。接下来,模拟器预测含气率迅速达到100%,然而实验观测真实结果是直到2.6 PVI时含气率才达到100%。“预平衡”与“平衡”含气率在1.3～1.8 PVI之间有很小的差别,但它比凝析气驱时观测到的差别小很多。如蒸发气驱所预期,含气率平衡后大于平衡前。

图9 模拟与实验比较

5 讨论

模拟器无法预测采收率或是含气率走向,无论是凝析驱替还是蒸发气驱替。由于玻璃珠人造岩心为均质并且流体性能完善,这些都表明无论是在流体模拟方式 (相对渗透率作为界面张力函数的参数法)还是相间物质传递描述都存在问题。图10a和图10b比较了利用Coats相关式计算出的相对渗透率预测的含气率与实验观测“预平衡”流体在界面张力分别取值6.9 mN/m和0.6 mN/m时两种非混合驱替的含气率,可以看到两者吻合得很好。这说明多次接触混相驱油模拟和实验差别的根本原因在于模拟器模拟相间质量传递方式,尤其是对每个网格块相间瞬间平衡的假设。通过实验很清楚地了解到产生的流体并非处于平衡状态,同理反过来表明岩心内 (20 cm×10 cm×0.5 cm)的流体也不在平衡状态。由此可以推测,当典型网格块达到几百米长、若干米厚时,多次接触混相驱替油藏数值模拟将需要更加深入的研究。