稠油聚合物驱渗流速度及驱替效果影响因素分析

付 京, 宋考平, 王美楠, 尹洪军, 叶琬玥, 王胜男

（1. 东北石油大学石油工程学院，黑龙江 大庆 163318； 2. 中海石油(中国)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

稠油聚合物驱渗流速度及驱替效果影响因素分析

付 京1, 宋考平1, 王美楠2, 尹洪军1, 叶琬玥1, 王胜男1

（1. 东北石油大学石油工程学院，黑龙江 大庆 163318； 2. 中海石油(中国)有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津 塘沽 300452）

考虑稠油的非牛顿特性、聚合物的粘弹性、水相渗透率的下降、不可及孔隙体积以及残余油饱和度的降低等因素，建立并求解了稠油粘弹性聚合物驱渗流数学模型，分析了注入量及聚合物溶液的弹性对驱替速度和驱替效果的影响。结果表明：注入量一定的情况下，在聚合物溶液波及范围内，聚合物溶液弹性越大，注采井间的速度越大，驱替效果越好；聚合物溶液弹性一定的情况下，注入量越大，注采井间的速度越大，驱替效果越好。

稠油；聚合物驱；粘弹性；渗流速度

S油田属于典型的稠油油藏，水驱采收率仅为20%，而聚合物驱作为一种重要的三次采油技术，能够有效改善油水流度比、提高注入水的波及体积和洗油效率，采收率提高潜力巨大[1-4]。因而，有必要研究聚合物在多孔介质中的渗流特性及其对驱油效果的影响。渗流速度是聚合物溶液在地下渗流的重要表征，渗流速度的确定对于聚合物驱渗流规律的研究及聚合物驱稠油的调控具有重要作用[5-8]。为此，根据S油田常规稠油油藏的特点及聚合物的物化性质,建立了稠油粘弹性聚合物驱渗流数学模型，考虑稠油的非牛顿特性、聚合物的粘弹性、水相渗透率的下降、不可及孔隙体积以及残余油饱和度的降低等因素，研究注入量及聚合物溶液的弹性等因素对驱替速度和驱替效果的影响，为S油田稠油粘弹性聚合物驱渗流速度的确定提供技术依据。

1　稠油粘弹性聚合物驱数学模型

假设：①聚合物驱为等温驱替过程；②多相渗流满足广义达西定律；③流体由油水两相组成，油相中只有油组分，水相中有水和聚合物组分；④忽略聚合物对水溶液质量守恒的影响；⑤数学方程中不考虑组分的质量分数而直接使用质量浓度；⑥油水相对渗透率关系不随水相中组分的变化而变化；⑦忽略毛管压力和重力的影响。

1.1基本方程

基于上述假设条件、物质守恒定律以及 Darcy定律建立了各组分的物质平衡方程：

油组分：

水组分：

聚合物组分：

辅助方程：

初始条件：

内边界定产条件：

外边界条件：

式中：cp为聚合物溶液浓度，mg/L；ĉp为聚合物吸附质量浓度，kg/kg；Dp为聚合物溶液扩散系数，s-1；fp为可及孔隙体积分数，小数；K为绝对渗透率，m2；Kro、Krw分别为油相和水相的相对渗透率，小数；po、pw分别为油相和水相的压力，Pa；qo、qw分别为源和汇处油水注采强度，m3/（s·m3）；Rk为水相渗透率下降系数，小数；So、Sw分别为油和水的饱和度小数，小数；ρo、ρw分别为油相和水相密度，kg/m3；ρrb为岩石密度，kg/m3；µo、µwp分别为油相和水相的粘度，mPa·s；φ为孔隙度，小数。下标：i为原始，c为束缚。

1.2物化性质的数学描述

1.2.1稠油的非牛顿特性

稠油一般是指在地层条件下粘度大于50 mPa•s的原油，其相对密度大、粘度高、流动性差，常表现出非牛顿特性，这里采用幂律模式来描述稠油的非牛顿特性：

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

1.2.2聚合物溶液的粘度

在一定的温度条件下，聚合物溶液的零剪切粘度随浓度的增加而大幅度上升，聚合物溶液的零剪切粘度可表示为：

式中：μp0为聚合物溶液零剪切粘度，Pa·s；μw为纯水溶液粘度，Pa•s；A1，A2，A3为系数。

采用凯瑞模型描述聚合物溶液的粘弹性，则聚合物溶液粘度可表示为：

式中：μp∞为极限剪切速率粘度，Pa•s；λ为松弛时间，s；n为幂律指数。

1.2.3组分吸附滞留

组分吸附滞留是聚合物在多孔介质中的重要物化现象，这里采用 Langmuir 吸附等温来描述聚合物吸附量：

式中：ĉpmax为聚合物最大吸附质量浓度，kg/kg。

1.2.4水相渗透率下降系数

由于聚合物在孔隙表面的吸附，降低了孔隙半径，降低了水相相对渗透率，根据吸附量与渗透率下降系数之间的线性关系可得到水相渗透率下降系数为：

式中：Rmax为水相渗透率最大下降系数，小数。

1.2.5与聚合物弹性有关的残余油饱和度

聚合物除了可以增加水相粘度起到降低流度比的作用外，还具有弹性作用，可以通过拖拽、携带和形成稳定“油丝”通道的方式降低残余油饱和度，聚合物的弹性行为大小通常用法向应力差表征。因此，可以将聚驱残余油饱和度表征为毛管数和第一法向应力差的函数：

式中：Sor为残余油饱和度；Sorw为低毛管数时残余油饱和度；Sorh为高弹和高毛管数理想情况下残余油饱和度极限值；T1为实验参数，Pa-1；T2为实验参数；Nco为毛管数；σow为油水界面张力，mN/m；Np为第一法向应力差，Pa。

利采用有限差分方法求解稠油粘弹性聚合物驱渗流数学模型（1）-（19），采用隐式求解压力、显式求解饱和度、显式求解聚合物浓度的 IMPES方法。求解过程为：首先由压力方程，从初始条件出发，可求得n时刻的压力值。在每个时间步求得压力后，将求得的节点压力代入饱和度方程，可求得n时刻的各节点的水相饱和度值，再把水相饱和度值代入聚合物渗流方程可得到n时刻各节点的聚合物浓度值，如此可解得不同时间步的油藏压力、油相饱和度、水相饱和度和聚合物浓度值。

2　稠油聚合物驱渗流速度及驱替效果影响因素分析

根据S油田地层参数（见表1），建立注采井距为500m的五点法注采单元模型（见图1），研究聚合物溶液的弹性、生产时间及注入量等因素对稠油粘弹性聚合物驱渗流速度和驱油效果的影响。

图1　五点法注采单元示意Fig.1 Schematic diagram of five point method injection and production unit

表1　S油田地层参数Table 1 Formation parameters of S oilfield

模型运算采用的流体参数见表2。

表2　模型流体参数Table 2 Fluid parameters of the model

2.1聚合物溶液的弹性对注采井间渗流速度分布的影响

绘制了生产时间为40 d时不同弹性下注采井间速渗流度分布情况，如图2所示。由图2可知，在注采井之间，渗流速度的分布情况是井底附近大，中间小。在聚合物溶液波及范围内，聚合物溶液的弹性对渗流速度存在一定影响，弹性越大，注采井间速度越大。这是因为随着聚合物溶液弹性作用的增强，聚合物以拉伸流动为主，剪切流动退居次要地位，流变特性呈胀流型，弹性作用越大，渗流速度越高。

图2　不同弹性下注采井间速度分布Fig.2 Velocity distribution of different elastic between injection and production wells

2.2注入量对注采井间速度分布的影响

绘制了松弛时间λ为1.6 s不同注入量下注采井间渗流速度分布图，如图3所示。由图3可知，随着注入量的增加，注采井间的速度也随之增大。

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

2.3聚合物溶液的弹性对驱替效果的影响

松弛时间是表征聚合物溶液弹性的物理量，松弛时间越大，聚合物溶液弹性越大。因此，分析聚合物溶液的弹性对驱替效果的影响，就可以转化为分析松弛时间对驱替效果的影响。

应用表1和表2的基本参数，计算了水及不同松弛时间聚合物对采收率的影响，计算结果见表3。

由表3可知，注入量一定的情况下，聚合物溶液弹性的存在可以提高采收率，使得产油量增加。

2.4注入量对驱替效果的影响

这里分别计算了松弛时间λ为1.6s时不同注入量对驱替效果的影响，计算结果见表 4，表中列出了不同注入量下生产井附近的饱和度情况。

表3　聚合物溶液的弹性对驱替效果的影响Table 3 Impact of the elastic polymer solution on displacement efficiency

表4　注入量对驱替效果的影响Table 4 Impact of the injection amount on displacement efficiency

可见，聚合物溶液弹性一定的情况下，注入量越大，生产井附近的含油饱和度越低，含水饱和度越高，平均速度越大，说明驱替效果得到了改善，即聚合物溶液弹性一定的情况下，速度越大，驱替效果越好。

3　结 论

（1）考虑稠油的非牛顿特性、聚合物的粘弹性、剪切变稀、吸附、扩散、水相渗透率的下降、不可及孔隙体积以及残余油饱和度的降低等因素，给出了适用于稠油油藏的粘弹性聚合物驱渗流速度的确定方法。

（2）在注采井之间，渗流速度的分布情况是井底附近流速大，井间连线中间流速小。在聚合物溶液波及范围内，聚合物溶液的弹性对渗流速度存在影响，弹性越大，注采井间速度越大，这是因为随着弹性作用的增加，拉伸流动占据主导地位的结果。

（3）考虑聚合物溶液的弹性时，在聚合物溶液波及范围内注入量一定的情况下，在聚合物溶液波及范围内，聚合物溶液弹性越大，注采井间的速度越大，驱替效果越好；聚合物溶液弹性一定的情况下，注入量越大，注采井间的速度越大，驱替效果越好。

［1］牟雪江．用技术叫板稠油资源[J].中国石油企业，2010，6(12)：47．

［2］裴海华，张贵才，葛际江，等.化学驱提高普通稠油采收率的研究进展[J].油田化学，2010，27(3)：350-355．

［3］关丽群，费永涛，程娟，等．小断块普通稠油油藏聚合物驱开发实践与认识[J].西部探矿工程，2011(3)：65-68．

［4］张宏方，王德民，岳湘安，等. 利用聚合物溶液提高驱油效率的实验研究[J].石油学报，2004，25（2）：55-58.

［5］王新海, 赵郭平．幂律流体在多孔介质中的剪切速率[J].新疆石油地质，1998，19(4)：312-314．

［6］王新海．聚合物驱数值模拟主要参数的确定[J]. 石油勘探与开发，1990，17(3)：69-76．

［7］王美楠, 尹洪军, 钟会影．考虑二次梯度项及动边界的低渗透变形介质油藏渗流规律[J].大庆石油地质与开发，2014，33(1)：75-80．

［8］夏惠芬．粘弹性聚合物溶液的渗流理论及其应用[M].北京：石油工业出版社,2002．

国内树脂基复材产量可达530万吨

国内树脂基复材2015年产量预计达530万吨。据专家介绍，复合材料是由两种或两种以上不同物质以不同方式组合而成的，能够融合和发挥各种材料的优点，扩大材料的应用范围。树脂基复合材料就是其中的一大类。树脂基复合材料以有机聚合物为基体，添加相应的纤维增强体构成，也称纤维增强材料，是目前技术较为成熟、应用最为广泛的一类复合材料。根据纤维增强体的不同，树脂基复合材料可划分为玻璃纤维增强材料、碳纤维复合材料、芳纶纤维增强复合材料等。

据专家介绍，树脂基复合材料是多种物质的结合，具有多种物质的复合效应。首先是质轻、力学性能好，具有比强度高、比模量大、抗疲劳性能及减震性能好等优点。其次，树脂基复合材料的可设计性优良，能够通过改变纤维的质量分数和分布方向、添加适当添加剂使物质潜在的性能集中到必要的方向上。再次，树脂基复合材料的耐化学腐蚀性、电性能、热性能都表现出优良的状态。到2015年，国内树脂基复合材料产量将达到530万吨，其中热固性复合材料产量300万吨，热塑性复合材料用量230万吨。

将重点发展基础设施和建筑、能源及环保、交通运输及航天航空等相关的复合材料系列产品及其装备制造，特别注重新能源领域、海洋石油开发领域、电力建设领域、环保领域以及碳纤维复合材料为代表的先进复合材料的基础研究和应用研究与开发。然而目前，国内树脂基复材的研究和应用通常都具有时间紧、经费少、任务重的特点，往往缺乏从设计、制造到使用、维护全过程的成本精细模拟分析和评估，存在技术决策、最终成果预测不科学和定量预测结果少等问题，所以说，只有消除这些矛盾，才能确保复材科研工作顺利进行，以及研究成果的顺利推广。

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年国家级大学生创新创业训练计划项目“二类油层聚合物驱注入参数与油层的匹配性研究”（201310220011）。

2014-11-06

付京（1994-），女，黑龙江大庆人，东北石油大学石油工程学院，石油工程专业。E-mail：417430582@qq.com。

尹洪军（1964-），女，黑龙江大庆人，教授，博士，研究方向：渗流力学、提高采收率原理。E-mail：yinhj7176@126.com。