海上油田聚合物驱影响因素分析及参数优化设计

薛兆捷

（西安石油大学，陕西西安 710065）

水驱开发在海上油藏的开采过程中占据着重要的作用[1-4]。然而，对于大部分海上油藏，存在油藏厚度大，非均质性强的特点[5-7]。此类油藏在水驱开发的过程中，驱替液易沿着高渗通道渗流，形成无效注入循环，导致了较低的采收率[8-13]。而聚合物由于其黏弹性可以扩大波及系数，增加洗油效率，提高驱油效率，从而最终提高采收率[14-15]。因此对于海上非均质性的厚油藏，常使用聚合物驱油的方法来提高采收率。本文使用eclipse软件，采用数值模拟的手段，分析了聚合物驱油效果的影响因素，并优化了聚合物的注入参数。

1 聚合物驱油的影响因素研究

目前对于聚合物驱油影响因素的研究有很多，但大多只在聚合物本身的性质方面。本文从地层的角度，研究了地层的性质（韵律性和非均质性）以及聚合物与地层相互作用的性质（不可及孔隙体积和残余阻力系数）对聚合物驱油效果的影响。

1.1 模型建立

该地质模型为垂向二维概念模型，网格数量为30×1×30，网格尺寸为10 m×10 m×1 m，油藏的基本参数见表1。

表1 地质模型基础数据

该油藏于2005 年1 月18 日开始投入生产，在油藏的两端分别有一口生产井和一口注入井，两口井全部射通，井距300 m，油层总厚度30 m。以正韵律油藏为例，油藏的垂直剖面图见图1。

图1 正韵律地层二维地质模型示意图

由于海上平台寿命的时效性和开发投资的风险性，海上油田的寿命一般为20～25年，因此按油田寿命25 年算，取2030 年的采收率为最终采收率。空白水驱对照实验以0.05 PV/a 的速度恒速注水，直至2030 年1 月。聚合物驱是在水驱至含水率20%时转注聚合物溶液，连续注入聚合物溶液6年，共注入聚合物段塞体积0.3 PV，后续水驱至模型结束。

1.2 地层因素的影响

1.2.1 地层韵律的影响 分析该海上油田渗透率分布特点发现，该地层非均质性强，含油层段的地层韵律性复杂多样。根据该特点，设计了六组不同地层韵律性模型。模型以及最终采收率的数值模拟结果见表2。

表2 不同地层韵律下的采收率

由数值模拟结果（图2）可知：正韵律油藏水驱采收率最低，聚合物驱油效果较好。复合反韵律和反韵律油藏水驱采收率最高，聚合物驱增油效果最差。聚合物驱油增油效果最好的是复合正韵律和复合反正韵律油藏。

图2 不同沉积韵律的采收率示意图

1.2.2 地层纵向非均质性的影响 以正韵律油藏为例，保持平均渗透率不变，设计不同的渗透率变异系数，研究地层的纵向非均质性对聚合物驱提高采收率效果的影响，最终采收率的数值模拟结果见表3。

表3 不同渗透率变异系数下的最终采收率值

分析图见图3 可以得知，随着渗透率变异系数的增大，无论是水驱还是聚合物驱油，其最终采收率都在不断降低，且渗透率变异系数越大，最终采收率受其的影响也越大。聚合物驱相对于水驱的采收率增值随渗透率变异系数的增加呈现先增加后减小的趋势，并且渗透率变异系数越大，该趋势变化越明显。当渗透率变异系数在0.40～0.80时，采收率增值较大，此类地层适合采用聚合物驱油的方法来提高采收率，当渗透率变异系数为0.70 左右时，采收率增值出现最大值，此时聚合物驱油效果最好。

图3 渗透率变异系数对采收率的影响

1.3 聚合物-岩石相互作用的影响

聚合物的性质除了浓度、相对分子质量、黏度和溶解度等以外，还有一些特性是和岩石有关的，例如不可及孔隙体积和残余阻力系数。他们受岩石的孔喉分布，岩石的表面特性等因素的影响。研究这类性质对聚合物驱油效果的影响具有十分重要的意义。

1.3.1 不可及孔隙体积的影响 由于聚合物分子较大，地层中一些较小的孔隙只能允许水分子通过，聚合物分子不能通过。这部分孔隙体积占岩石的总孔隙体积的比值即为聚合物的不可及孔隙体积。保持其他条件不变，改变聚合物的不可及孔隙体积，最终的采收率结果见图4。

由图4 可知，聚合物驱的采收率增值随着不可及孔隙体积的增加而增加，并且增加的速率也越来越大。因为随着不可及孔隙体积的增加，注入地层的聚合物能够进入的小孔隙喉道越来越少，聚合物更容易进入大孔隙喉道，而这些大孔隙往往具有较高的渗透率，聚合物分子通过吸附和滞留作用能够降低高渗层的渗透率，减小地层非均质性对水驱油效果的影响，从而提高采收率。

图4 聚合物驱油采收率增值与不可及孔隙体积的关系图

1.3.2 残余阻力系数的影响 聚合物经过岩石表面后，由于吸附和滞留作用的影响，该岩石孔隙的渗透率会减小。残余阻力系数是指聚合物驱前后岩石水相渗透率的比值，它主要描述了聚合物降低渗透率的能力，因此又被称为渗透率下降系数。

聚合物驱采收率增值随残余阻力系数的影响见图5。可以看出随着残余阻力系数的增大，聚合物驱油的效果越来越好。由于聚合物分子总是优先进入渗透率较高的地层，残余阻力系数越大，高渗层的渗透性越容易被降低，从而缩小渗透率极差，减小非均质性对驱油效果的影响，从而提高采收率。

图5 聚合物驱油采收率增值与残余阻力系数的关系图

2 聚合物注入参数优化设计

许多文献表明，聚合物浓度越大，段塞体积多，注入时机越早，采收率越高。下面通过正交设计和模糊评判的方法来研究这些对聚合物驱开发效果的相互影响，并分析其主导因素。

2.1 正交设计

正交实验设计是研究多因素多水平的一种设计方法，主要采用正交表工具来进行整体设计、综合比较、统计分析。根据正交性从全面实验中挑选出部分有代表性的点进行实验，这些点具有“均匀分散，齐整可比”的特点，用正交表合理地安排实验，可以大大减少实验次数，提高了实验的效率[16]。

本次实验选取聚合物注入时机、聚合物浓度、聚合物段塞大小和注聚速度这4 个因素及其4 水平（表4），采用L9（34）正交表设计。共需做9 组实验，每组实验的参数设计见表5。

表4 聚合物驱正交设计因素水平表

表5 正交设计实验组数表

2.2 实验结果讨论

油田开发不仅要将油藏中的油尽可能采出，还需要考虑经济因素，因此对于正交设计实验的结果采用采收率增值和吨增油量两个指标来评价。并且通过模糊评判的方法，两个评价指标隶属度均取1/2，计算出了一个综合评判值作为综合评价指标，结果见表6。

表6 正交设计实验结果表

运用统计学方法，可以计算综合评价指标的各影响因素在各水平上的均值和方差，见表7。

表7 正交设计综合评判均值和方差计算表

通过分析，可以得出以下结论：在这4 种影响因素之中，对开发效果影响最大的因素是聚合物段塞体积，其次依次是注聚速度、聚合物注入时机以及聚合物浓度。最终优化的聚合物注入参数为：含水率10%时注聚，注入浓度为1 000 mg/L，注入段塞体积为0.2 PV，注聚速度为0.055 PV/a。

3 结论

（1）水驱采收率低的原因根本上就是由于存在地层非均质性。聚合物可以改善这种非均质性从而提高驱替效率，且聚合物的改善能力越强，驱油效果越好。

（2）聚合物驱油对采收率的提高随着不可及孔隙体积以及残余阻力系数的增加而增加。渗透率变异系数对聚合物驱油效果有着很大的影响，当渗透率变异系数在0.40～0.80时，聚合物增油效果较好。

（3）对于聚合物驱油的效果评价，不同的评价指标会有不同的结果，对于综合评价指标来说聚合物段塞体积是影响开发效果的主导因素。