降低油田开发能耗的提高采收率新工艺

张子玉冯鼎冯耀忠

（1.胜利油田分公司临盘采油厂；2.胜利油田分公司纯梁采油厂）

降低油田开发能耗的提高采收率新工艺

张子玉1冯鼎2冯耀忠

（1.胜利油田分公司临盘采油厂；2.胜利油田分公司纯梁采油厂）

为了推动节能减排和提高采油的经济效益，开发成功了一种评价油田注水开发期间不可逆能耗的数学模型。用该模型评价了油藏开发能耗：驱动原油沿地层运移的有用功和水沿地层运移的无用功；分析了水动力、物理化学提高采收率方法，注聚合物分散系统和限制油井水流等工艺的矿场应用效果。结果表明，堵水限制水沿地层渗滤和水流入井是降低油田开发时不可逆能耗的基础。采用聚合物分散系统可提高地层注水波及率和原油采收率。堵水限制水洗带的水运移，提高了注水波及率，是一种高效节能的提高采收率工艺。

油田开发 能耗 数学模型 聚合物分散系统 提高采收率

油田注水是提高采收率的一种主要方法，采收率达65%~75%，但是对难采储量进行注水开发时，其采收率会因注水波及率下降而降至30%~ 35%。对油饱和地层，强化注入水可提高油田注水开发的效果。在地层层状非均质条件下，最有效的工艺是非常规、点状和选择性注水，提高注水管线压力和加密井网。但是在非均质地层的开发晚期，所有的水动力方法均呈现这样的情况：尽管向地层注入了大量的水，但因较多的能量消耗在采出少量的原油上，导致采油无利润。由此可见，合理利用注入水和地层水的能量作地层注水开发时的载能体，是有效开发油田和提高采收率的主要条件。

1 评价油田开发不可逆能耗的数学模型

用注水方法开发油田与大量的能耗有关，特别是在须采出大量水的油田开发晚期。与开发初期相比，采1t原油的能耗急剧增加。为评价这一能耗，推荐以使流体沿地层运移的外力所做的功为标准。在评价任何采油工艺的效果时，均可采用该标准。

流体在孔隙介质中运移常伴随着能量衰减，即克服黏滞摩擦力的能量损失。整体说来，沿地层转变为每相的热能的能量衰减量为

式中：

Qo,Qw——分别为推动原油运移入井的有用功和使水沿地层运移的无用功，它们取决于采油工艺；流体在孔隙介质中运移的能量衰减Q=Qo+Qw，；

μo，μw——分别为地层条件下的油、水黏度；

T——时间；

Ω——克服黏滞摩擦力的能量损失；

vo，vw——分别为油水的渗滤速度；

ko，kw——分别为油、水的相渗透率。

在完全相同的油藏开发条件下，不可逆能量损失取决于地层的渗透率和流体的渗滤速度：渗滤速度越高和渗透率越低，作的功越多。然而这一渗滤指标又取决于采用的油藏开发方法和速度、地层的注水量，并可通过选择适当的油水井作业方法来减少。

对油藏开发的要求，即井网密度和井位、打开地层方法、油水井作业方法和提高采收率方法等的选择，应保证在给定的时间内，达到预定的采收率和使不可逆能耗最少。采用不可逆能耗数学模型，可评价包括采用不同的注水和调节含水带渗滤阻力工艺的油藏开发方案的能耗。

2 采用水动力提高采收率方法处理地层的效果

为降低水沿地层运移的无用能耗，须增大地层的注水波及率。提高采收率方法的效果通常可用下列指标来评价：地层的注水波及系数Ev和地层的水驱油系数ED。

用注水调节油田开发的水动力方法是油田采用的一种主要的提高采收率方法，其作用机理是提高地层未开发区的注水波及；但当油田含水高于80%时，其效果就会急剧下降，见表1。另外，在含水高于90%时，加密井网也不能使采收率提高。与大规模采用注水有关，含水层的原油储量也快速下降。由于大量的水沿地层运移的无用损耗，水动力提高采收率方法也将无利可图。

表1 各种地层处理方法的机理和适用的地层含水

3 物理化学提高采收率方法处理地层的效果

对矿场应用的物理化学提高采收率方法的效果分析表明，根据它们作用于地层的机理，可将其分为如图1所示的3个类型。借助于提高驱油介质黏度，或地层的油水饱和带的渗滤阻力来提高地层的注水波及范围。

图1 物理化学提高采收率方法的机理

目前最广泛采用的注聚合物工艺通过提高驱油介质黏度，即降低油水流度比，来提高驱油过程的地层波及率。此外，注聚合物也可同其他提高采收率方法结合应用：聚合物-碱、含表面活性剂的聚合物和注热聚合物等。

注入聚合物分散系统是通过提高地层水洗高渗透带的渗滤阻力来提高注水波及率的方法。聚合物与分散岩石颗粒在孔隙介质中相互作用生成的聚合物矿物组分，可大幅度提高地层含水带的渗滤阻力，降低地层的渗透率非均质性和提高地层注水波及率。它与注聚的区别在于可提高地层高渗透带的残余阻力系数。

对地层进行聚合物分散系统处理，可使液流沿地层剖面和区域再分配，使非开发小层投入开发，即提高驱油的波及率。采用该系统可使最终采收率提高1.5%~5%。属于同一作用机理的还有：注入胶体-分散系统、纤维-分散系统、硅酸盐-碱、注有机硅和高黏乳化液等，它们均可在地层条件下形成水不溶凝胶。这类工艺无须增加能量消耗，就可提高地层的注水波及率，从而可使注入1m3水的增油量最高。可同时提高注水波及率和驱油效率的组合工艺有：注入酸-碱溶液、聚合物分散系统和表面活性剂、聚合物分散系统+碱、聚合物分散系统+溶剂等。

俄罗斯鞑靼石油公司的油田，2001年采用提高采收率方法的增油量为4.06×106t，占其全年产油量的16.5%。其中的3.68×106t是用物理化学提高采收率方法采出的。

4 聚合物分散系统的地层注水数学模型

该方法的实质是向地层注入低浓度的聚丙烯酰胺溶液和含分散颗粒的水。将它们注入地层含水带形成的聚合物矿物组分可降低地层的非均质性。地层水洗带的传导性降低，就可限制水在地层中的运移，降低水沿地层运移的无用能耗，提高采出液含油。在俄罗斯西西伯利亚大规模实施了注聚合物分散系统，增油1.84×106t，减少产水118.3×106t。在乌拉尔-波沃尔日叶油田，该指标分别为3.23× 106t和84.1×106t。

下面进行注聚合物分散系统的地层模拟。采用两层互相渗滤的连续孔隙介质，其中一层与运动流体有关，另一层是非运动流体。这时可分出4种组分：油、水、聚合物和颗粒。

设m1=m1（x,y,z,t）——运移相占据的部分孔隙空间；m2=m2（x,y,z,t）——非运移相占据的部分孔隙空间。并且，m1+m2=m。在第二层连续带中单独研究两个体积：被堵塞的和死孔隙的部分孔隙空间；被集合体占据的部分孔隙空间m3=m3（x,y,z,t）。

在第一连续带，保持最大接近程度的相和组分质量的方程：

式中：

i——油或水；

j=1——聚合物，j=2——颗粒和集合体。

运移方程不仅要描述油、水和聚合物，还要描述同一液流中运移的颗粒和集合体。相运移方程采用通用达西定律形式：

μi=μi(C11,C12)——动力黏度；ki=kfi——相渗透率；k——地层绝对渗透率；fi——相对相渗透率。第二连续带的保持最大接近程度的相和组分质量方程：

式中：

可从运移连续相中除去的j组分的质量，由被孔隙骨架吸附组分、流体中已转为非运移状态的组分和可与其他组分相互作用的组分的质量组成。

为描述两连续带间的传质和受集合体沉淀过程制约的地层渗滤-吸收性能变化，可用孔隙按尺寸分布函数的方程：

式中：ur=C12S1w(2umD2/rL)13；参数un取决于对由不同直径的毛细管组成的孔隙介质模拟确定的集合体和孔隙通道尺寸。

地层渗滤吸收性能变化，可用理想孔隙介质模型描述。第一连续带与孔隙间的半透明度，根据下式变化：

因集合体沉积和孔隙堵塞引起的绝对渗透率变化，可用目前时刻的渗透率k1（x,y,z,t）来评价。

受孔隙空间堵塞制约的水由运移状态转变为非运移状态的强度，可由转变为第二连续带的孔隙空间分数确定，

原油由运移状态转变为非运移状态的强度，可描述为以下形式：

聚合物转变为非运移状态的强度：

式中：q21=∂a/∂t,a是被吸附的聚合物质量，由吸附等温曲线确定。

固体微粒转变为非运移状态的强度：

式中：q22=∂m3/∂t，是集合体沉淀强度。

推荐的聚合物分散系统的油层注水数学模型可以预报地层处理结果，确定地层储油性能在何处改变，它在何时和如何影响原油采收率，以及地层具体的地质-物理条件与注水模式的关系。

根据建立的模型可计算实施或不实施聚合物分散系统处理，改变开发单元中心渗滤阻力的开发方案。在油井含水达98.2%前，计算的原油采收率为43.5%，这时主要的残余储量集中在与油井邻近的单元边缘的地层低渗透部分。

地层经聚合物分散系统处理后，计算的单元中心的渗透率由600μm2降至30μm2。油井含水达95%前计算的原油采收率为43.5%，这时油田的开发时间缩短，剩余储量沿地层均匀分布。

由油田注聚合物分散系统的结果分析可知，实施聚合物分散系统处理，不仅可缩短油田开发时间，并可在相同的最终采收率下，降低整个能耗的11%，这时的注水量也由1.9PV降至1.1PV；并可使两种流体驱动的能耗再分配：用于水运移的能耗降低18.7%，用于原油运移的能耗增加21.7%，最终可缩短开发时间，达到较高的采油速度。

由此可见，对采用注聚合物分散系统工艺开发区域非均质地层的模拟表明，由它形成的屏障可提高地层的注水波及率，使更多的原油储量投入开发，并可降低油井含水，延长油田高效开发期和提高采收率。

理论和矿场研究证明，采用堵水化学剂和其他材料的物理化学提高采收率方法，限制水在地层含水带运移是提高地层注水波及率和最终采收率的有效方法。这时原油采收率的提高是通过改变注驱油剂工艺和注水方法来实现的。为了开采低渗透小层、透镜体、油水饱和区死油带等的难采储量，也开发出了一些根据其他处理地层机理的提高采收率方法。

提高地层的注水波及和驱油系数的物理方法，其原理是改变地层岩石结构和地层流体的流变性。这类方法有声波、振动、地震热力方法、地层水力压裂和在地层中建立电磁场等，采用这些方法可降低无用能耗和提高原油采收率。

用微生物提高采收率方法综合处理地层时，微生物可堵塞地层水洗带，限制水沿地层运移，微生物的生命活动产物还可进一步清洗原油，提高原油采收率。

5 限制油井水流的方法

为降低水沿地层运移的无用能耗，可在油井建井时通过对油层进行高质量的注水泥分隔来实现。限制油井水流可采用疏水物质处理低渗透层的近井地带，提高其油相渗透率。

研究表明，地层水、原油和岩石组分是在地层中形成堵塞物质，提高孔隙介质和水渗滤裂缝渗滤阻力的潜在源。为此，在含矿化水地层中将离子聚合物水解聚丙烯腈注入地层，在地层中形成具有半透膜性能的胶状结构体，可增大含水层的渗滤阻力。

采用石油硫酸混合物可在地层条件下形成高黏的含酸沥青和二水石膏，提高地层含水带的渗滤阻力。俄罗斯各油田在地层水饱和带采用水解聚丙烯腈和石油硫酸混合物等选择性堵水，已成功地限制油田产水119×106m3，增油5.8×106t。

向含低矿化度水和淡水的地层注入聚合物分散系统，其中的聚合物组分具有在岩石颗粒上絮凝的性质，可转化为堵水物质。采用可形成堵水物质的油层组分是降低含水层采油不可逆能耗的发展方向。

综上所述，在最大限度保证驱油的同时，封堵油水饱和层的水洗通道，限制驱油剂无效渗滤是提高采收率的有效方法。

6 结论

1）用开发的数学模型可评价油藏开发时的不可逆能耗。地层中的能耗是驱动原油沿地层运移的有用功和水沿地层渗滤的无用功之和，在油田开发初期驱油有用能耗超过水运移的无用能耗。

2）采用聚合物分散系统可提高地层的注水波及率和原油采收率，降低油井含水上升速度。

3）采用堵水剂和堵水材料限制水沿地层渗滤和水流入井是降低油田开发时不可逆能耗的基础。

4）降低水沿地层运移无效能耗的能力是判断提高采收率方法是否高效节能的标准。

[1] АШГазизов Научно-технические основы энерг осберегающихтехнологийповы-шениянефтеотдачи пластов.Нефт.Х-во，2007(3):60-64.

10.3969/j.issn.2095-1493.2012.010.002

2012-06-14）

张子玉，高级工程师，1984年毕业于中国石油大学（采油工程专业），从事采油工艺的科研和管理工作，E-mail：lpzzy@163.com，地址：山东省临邑县门刘临盘采油厂工艺所，253104。