高压注空气建模挑战

编译:孙瑞峰 李科 (大庆油田工程有限公司)

审校:金佩强 (大庆油田勘探开发研究院)

高压注空气建模挑战

编译:孙瑞峰 李科 (大庆油田工程有限公司)

审校:金佩强 (大庆油田勘探开发研究院)

对于水驱后深层高压轻油油藏来说,高压注空气 (HPAI)是潜在有吸引力的提高采收率方法。评价 HPAI的可应用性需要在油藏温度和压力条件下进行实验室试验,以便证实原油自燃和评价原油/储集岩系统的燃烧特性。随后估算在所考虑的油藏应用 HPAI提高采收率的数值建模。一般通过燃烧在地下产生的烟道气形成非混相气驱,在该气驱中,挥发组分的汽提是主要开采机理。因此,在某些实例中,应用状态方程 (EOS)法把HPAI模拟成等热烟道气驱,但是,这一方法忽略了燃烧及其对驱替和波及的影响。此外,EOS法不能预测何时在生产井出现氧突破或是否出现氧突破。在模拟中以计算时间和复杂性为代价,以有限的形式把燃烧考虑进去。在已有文献中一般在相当简化的条件下考虑燃烧,本文强调燃烧对 HPAI提高采收率的作用,用具有实际地质特性的3D模型进行数值模拟。为了更实际地捕捉到燃烧前缘的物理过程,使用了具有动态网格划分能力的油藏模拟器。动力学参数是在燃烧管实验室试验基础上获得的。通过比较等热 EOS-模拟和多组分燃烧运算,给出了燃烧对残余油、波及效率和预测的项目有效期限的影响。

高压注空气 数值模拟 动态网格划分 提高采收率

1 HPAI建模

用于燃烧管一维模拟的网格块尺寸比用于矿场规模模拟的网格块尺寸小几个数量级。细网格能够捕捉到燃烧前缘扩散。对于细网格来说,动力学参数不需要粗化。当使用粗网格时,随着大网格块的单位体积热容量吸收通过燃烧释放的能量,该前缘明显变得轮廓不清。使用拟活化能和指前因子,需要进行粗化以防止网格块烧尽效应的产生。

对于燃烧建模中过大温度梯度的挑战,以下两种粗化方法通常得到普遍认可:

◇强制执行反应物控制类型的反应,在这些反应中,反应以无限速率出现,并且反应物在限制这些反应。Lerner等把这一方法用于轻油。

◇通过调节指前因子和活化能,或把反应速率调整到燃烧前缘,或通过把温度降低到最低程度(拟动力学),调整Arrhenius类型反应。Kuhlman把这一方法用于轻油。

“粗化”这些反应的下降趋势是为了平衡逼真地预测耗氧量的能力。

令人惊讶的是,Kumar报道了用于其燃烧管和矿场规模模拟的相同反应动力学。在Arrhenius型动力学情况下使用热方法的参考文献没有提供如何进行“粗化”的深入信息。

模拟轻油燃烧中的另一个挑战是较高温度使轻组分大量汽化,这对相态性质有很大影响。粗化的反应动力学降低了燃烧温度,因此减少了原油汽化,并且增加了燃烧剩下的残余油。最终结果是模型低估了预测的燃烧前缘速度。

3项研究报道评价了20世纪90年代矿场实施HPAI的可行性。Sakthikumar等把这一过程模拟为非混相氮驱,Fraim等用黑油模型把该过程模拟为混相烟道气驱,Glandt等用10组分EOS模型把该过程模拟为等热烟道气驱。在这3种情况下,对采油增量的估算都是保守的。

Kuhlman评价了用不同模拟方法对稠油(Horse Creek)和重力稳定 (西 Hackberry)油藏的预测。该研究使用了热燃烧模型和烟道气 EOS模型,并且在黑油模型中注烃气。Kulhlman得出结论,优先使用热模型可以把 EOS模型用于热、厚、原油非常轻的油藏。这些结论是根据这样一些模型得出的,即对于每种方法来说,这些模型使用了相同的网格块尺寸并且对于热模拟来说包括了粗化的动力学。与热模拟相比,EOS模拟显示增加了产量。

2 改进的热方法

像以上讨论的那样,避免或设法避免粗化方法导致拟动力学和差的汽化预测。Christensen等给出了减少粗化需要的第一步——动态网格划分方法,该方法能够在热前缘周围用小比例表示。该算法的一个实例是ISC应用。在长100 m、宽45 m、高28 m的网格块内模拟了ISC。在该实例中,最小网格块的体积为20 m3(4 m×5 m×1 m),该网格块仍然需要粗化动力学。这些动态网格划分的一种复杂情况是最小的网格块决定了时间步长大小,因此提高分辨率需要较长的运算时间。Younis和Gerritsen提出了时间步长法,该方法把专门的时间综合法用于在孔隙介质中燃烧期间出现的不同物理过程。仅用一维燃烧管模拟证实了他们提出的方法。不断提高的计算机运算能力和改进的动态网格划分算法将有助于把燃烧前缘周围的网格划分细化到这样一些尺寸,即最终能够把试验中获得的反应动力学推广至全油田预测。

3 实例

针对一系列含有轻油的河流三角洲类型油藏,评价了HPAI三次采油的可行性。油藏温度在100℃以上,3 000 m深处的原始油藏压力约为 32 MPa。油藏渗透率从油藏差部位的几毫达西到高渗透河道的几达西。在实施三次采油工艺前,靠注水和活跃含水层已经采出了石油地质储量 (OIIP)的约50%。这些油藏的总厚度一般为100 m。作为非混相气驱,HPAI较适合于较薄的油层组,因为严重的重力上窜将导致差的垂向波及。

评价认为,HPAI是使未波及原油和残余油流动的潜在三次采油工艺。没有其他可供选择的气体(如烃气或CO2)能够作为该项目的气源。对小独立断块 (先导性试验候选对象)进行了连续注空气模拟。该断块约1 150 m长,300 m宽,总砂岩厚度为80 m。该断块三面以封闭断层为界,一面与活跃含水层连通,通过一口井产油。断块底部含水,水与活跃含水层连通。断块的最大油柱约为40 m。断块的静态地质模型条件为一口井钻遇了该断块,为了进行研究,把一口注气井布在距采油井的500 m处。

模拟使用的网格设计可以捕捉重力上窜和通过高渗透通道的指进,预计这两种现象可能来自驱替过程,例如气驱,在气驱中流度比是不利的。油柱中网格块尺寸为30 m×30 m×1 m,而水层中网格块高度增大。基本情况模拟模型中网格块总数为2.1×104个。

3.1 PVT

原油重度为API 36,GOR 62 m3/m3,地层体积系数1.3,114℃时的泡点压力9.14 MPa,黏度0.6 mPa·s。把原始井底油样PVT数据输入商用PVT序包。评价了样品数据质量后,用具有Peneloux体积校正的 Peng-Robinson状态方程表征原油。为了描述黏度,使用了 Lohrenz-Bray-Clark法。在表征原油的同时,把C11+馏分分裂成26个拟组分。在对试验数据进行回归过程中,对油和气性质进行了良好的总拟合。为了保证适当的井下特性,对以最高精度拟合饱和压力、原油密度和原油黏度给予了特别关注。发现表征原油正馏分的摩尔分布与碳数和沸点分馏数据吻合得很好,部分数据是用加速速率量热法 (ARC)和从燃烧试验中获得的。之后,把原油混合成5个烃组分(C1、C2～C6、C7～C15、C16～C26、C27+)和烟道气组分 (N2和COx)。选择这些组分使模型能够描述汽化过程 (由烟道气引起的)和燃烧过程。集总模型准确地描述了原油性质。再减少组分数量使汽化过程描述不能令人满意。后来用7组分模型获得所有组分的K值和热性质。根据在PVT程序包中完成的相互关系外推出提高温度后的K值。在燃烧模拟中,把氧和焦炭添加到了7组分模型中。

3.2 相对渗透率

Corey函数描述了两相油-水和气-油 (液)系统,把地层平均值 (原生水饱和度、残余油饱和度、Corey指数等)用于相对渗透率函数。用自用的预测工具获得了气-油参数。通过在两组两相相对渗透率之间线性内插生成了三相相对渗透率。直线连接等渗透率的润湿和非润湿相点,这些直线上的点提供了中间相的渗透率。在模拟中没有使用相对渗透率或毛管压力与温度的关系。另外,没有考虑滞后对相对渗透率的影响。

3.3 动力学模型

在燃烧模拟中使用的动力学模型是以Lin的模型为基础的。最近在Calgary大学进行的两项燃烧管试验中对该模型进行了调整。动力学模型包括一个裂化反应和3个燃烧反应。在燃烧反应中,一个反应描述了焦炭的燃烧,另外两个反应描述了原油轻馏分和中间馏分的燃烧 (表1)。两个液-油燃烧反应提供了热的主要来源,仅产生和燃烧了一小部分焦炭。通过调整指前因子和活化能,拟合了有关气体流出剖面、前缘温度、采液量和前缘速度的燃烧管结果。如图1所示,流出物组成、前缘温度和速度拟合得很好。像在图2中看到的那样,注空气后采液量的拟合较差。氮驱 (在前3.5 h进行的)的气突破和采油量拟合得相当好。注空气5 h后的开采情况拟合得不好。相对于试验数据,油带采出得太早。进行了几次调整以便改善这一拟合。进一步调整了相对渗透率模型、轻 (C7～C15)和中间(C16～C26)组分的K值和动力学参数,这也没有得到较好的采油量拟合。难以得到较好拟合是由于上述3个因素相互作用造成的。轻和中间原油馏分的K值影响了燃烧剩余的原油。与PVT特性和相对渗透率有关的较多和较好的温度数据将制约着拟合并且导致较实际的拟合。另外,使用动力学模型将省掉汽相燃烧和氧化反应。对于本项研究,拟合是可以接受的,尽管目前存在着缺点。

表1 反应模型

图1 燃烧管温度剖面和对应模拟结果

图2 燃烧管试验的累积产量和对应模拟结果

3.4 预处理和“不采取进一步措施”(NFA)的情况

为了得到有代表性的剩余油分布,根据生产井的压力和开采历史对该断块进行了预处理。预处理必须进行两次:一次是针对EOS模型,以后把该预处理用于EOS烟道气模拟;一次是针对K值模型,把该预处理用于热燃烧模拟。还模拟了NFA情况 (含水层驱动一次采油情况),见图4。

3.5 等热烟道气模拟

用Shell自用的模拟器 MoReS进行了等热EOS模拟。用CMG STARS进行了等热K值模拟并且使用了相同的一组K值,把这组K值用于以下描述的燃烧运算。把5年时间的连续注烟道气量定为0.14×106m3/d。图3示出了 EOS模型注5年烟道气后的饱和度分布。图4示出了两次等热运算的产油和产气剖面。

图3 注5年烟道气后的饱和度分布

图4 用EOS和K值模型描述的NF情况和注等热烟道气的采油剖面

4 燃烧模拟

燃烧模拟中使用了STARS的动态网格划分选项。如果温差超过了10℃的门限,那么加密网格块。在xyz方向加密3×3×1倍,得到10 m×10 m×1 m网格块,因此增加了网格块数量。在模拟中,燃烧前缘的网格通常是密的,而远离燃烧前缘的网格块是不加密的。不论什么时候都要加密井周围的网格。把预处理的动力学模型粗化成10 m× 10 m×1 m的网格块。用建模的第二种方法对反应进行了粗化。增大指前因子,减小活化能以保证约300℃的燃烧前缘温度,该温度是报道的实验室内稳定前缘温度。图5示出了燃烧模拟的采油剖面和采出气中的氧浓度。

图5 等热注烟道气的采油剖面和热燃烧情况

5 结论

HPAI建模有多种方法,从状态方程等热烟道气模型到粗和细网格燃烧模型 (该模型把K值用于相分配)。烟道气建模主要描述与轻油接触的大量烟道气的汽提和冷凝。

燃烧模型需要依靠详细的燃烧管 (CT)模拟以便萃取燃料沉积 (前缘扩散速率的拟合),描述热效应 (CT温度上升的拟合)和得到用于非常简化的动力学模型的化学计算描述。

CT试验的开采效果的历史拟合具有挑战性,因为汽化/冷凝过程,油带的宽温度范围和组分(黏度)变化对此有影响。

在把HPAI模拟成烟道气驱结时,因为不能充分地捕捉到主要汽提和冷凝 (黏度降低)机理,所以K值方法的结果是保守的。

HPAI的低温燃烧过程模拟提供了对氧突破和受影响生产井采取补救措施或关井需要的深入了解。但是,这一现象的定量预测模型需要详细的动力学,包括液相和气相反应以及导致较高黏度氧化原油产物的液相反应。在目前软件/硬件能力的情况下,对于矿场规模的模型来说,这是不可能的。

燃烧及其伴生的温度效应导致整个空气波及带的减饱和。此外,随着燃烧前缘接近生产井,中分子量组分 (C7～C15)以气相移动和采出,因此大幅度增加了峰值产量。

如今商业模拟器中的前缘跟踪动态网格划分大大有益于燃烧建模。但是,网格加密需要进一步提高,以便在不进行粗化的情况下直接获得实验的动力学数据。

资料来源于美国《SPE 113917》

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.6.004

2010-01-19)