气-油重力泄油提高采收率中的比例和敏感性分析

编译:雷欣慧 常素林 (西安石油大学)

审校:张冬冬 (西安石油大学)

气-油重力泄油提高采收率中的比例和敏感性分析

编译:雷欣慧 常素林 (西安石油大学)

审校:张冬冬 (西安石油大学)

油藏的采收率是由黏度、毛管力、重力、注气速度、产油量、油气密度差、油气相对渗透率、油的黏度和其他控制参数决定的。对这些参数的风险分析能够确定它们在重力泄油提高采收率 (EOR)过程中的相对优势。对不同控制参数相互作用的分析是通过控制驱替进程的比例组合来进行的。研究了这些定标组间的函数关系,以及它们对混相气驱重力泄油 EOR的影响,评估各比例组综合作用对油藏采收率的影响。通过油藏数值模拟分析展现各个无量纲比例组的有效组合对重力泄油 EOR的作用。

采收率 注气采油 无量纲分析 储层敏感性

1 气-油重力泄油 EOR

重力泄油是一个重力作为主要动力,同时气体进入孔隙并占据一定体积的过程。气-油重力泄油主要受注入气体和原始油藏流体密度差的影响。密度差越大,重力分离作用越有效,所以油在重力作用下下降。注气的方法基于重力泄油机理,气体通过定位在油藏顶部的垂直井或水平井被注入到生产区顶部。注入气分离形成一个气-油界面,然后界面被慢慢地向产层底部同时生产的水平井驱替。在这个过程中注入气和采出油体积是严格平衡的,因此整个油藏系统仍以重力分离的方式生产。这一过程称为气体辅助重力泄油提高采收率 (GA GDEOR)。

GAGD-EOR可以按照气体注入方式 (水驱之后的二次采油和三次采油)、地质构造类型 (塔礁油藏、倾斜和水平储层)、气体注入压力 (低于或高于最混相压力)、注入气体类型 (CO2、空气、氮气等)进行分类,或者依据 Schechter和 Guo(1996)提出的驱油机理 (重力泄油、重力稳定低速注气、自然重力泄油)来分类。

实际上提高采收率的重力泄油机理能够在油藏生产的任一阶段通过一个或多个方法来实现(Lewis,1944)。理想条件下开采油藏是通过注气。将油藏压力控制在油藏泡点压力之上,或者是在气顶中部分注气的同时通过控制注气速度和产量来实现。注气井及生产井压力的控制要贯穿在整个驱油过程中。可以通过油藏中的重力分离和重力泄油作用来获得较高的原油采收率。

基于实验研究或GAGD-EOR数值模拟得到的实验室结果,通过比例换算方法之后将在油藏现场工作中使用 (Gharbi,2002)。如果用这种方法分析,可以得到多相参数对重力泄油原油采收率的综合作用;这一结果可以用来评估油田规模提高采收率情况。本文通过量纲分析进行了比例研究,可以在油田规模范围内实施 GAGD-EOR;作业参数在整个数值范围上有规律地变化。

2 气-油重力泄油 EOR过程

特定油藏岩心样品驱替实验的传统实验模式是测试最适合油藏的原油驱替方法。实验结果不能直接应用,取决于油田规模。然而如果这些结果是以比例组合的形式给出的,那么它因与油田规模的联系可直接实施。比例计算是通过一种规模 (小规模的实验室试验)得到的结果应用到另一种规模 (较大规模)上的一个过程。它定义了被称为无量纲数据的无量纲组合,形成了不同规模间对比的基准。任何比例规律或组成无量纲比例组的模型都可以通过无量纲分析和目测分析得到。如今比例模型的发展给通过单一参数对油田最终采收率影响的分析提供了更有现实意义的方法。

无量纲分析是基于对油藏采收率有影响的变量的相关知识来进行的。无量纲分析中不需要过程描述方程,是实验室中模拟类似油藏规模的多相进程的高效的比例计算工具。研究了一些可变因素的综合影响而不是在组合中独立研究各个变量的影响。

孔隙介质中多相流比例换算很早就应用于混相驱和非混相驱EOR进程的研究中。2006年 Kulkarni和Rao基于非混相或近混相气体辅助重力泄油的实验数据和油田数据给出了无量纲组合对最终采收率的影响。

本文中 GAGD-EOR方法第一次通过无量纲比例组合进行定标,特别是使用了相应井中气体注入压力和生产压力,以及与注入井和生产井间的压力差有关的重力数。使用PALISADE’s@RISK软件进行风险分析,确定了 GA GDP-EOR方法中的主导参数。由于缺少实验数据,使用 IMEX模拟软件生成参数数据,然后使用无量纲组合通过改变它们的数值来研究参数的敏感性。改变参数值使最终的无量纲组合值保持恒定以验证 GAGD-EOR方法的有效性。

3 无量纲比例组合:GA GD-EOR

在本次研究中,对重力泄油机理提高采收率的研究是通过在无倾角的水平油藏中注入不互溶气体来完成的。由于 GAGD-EOR方法是一个自上而下的油气分离过程,所以垂向渗透率高的油藏作为候选油藏。由于这种开采方法是依靠重力驱动,所以比例换算中无量纲组合成为对重力 (密度)影响非常重要的因素。另外注入井和生产井的压力在整个GA GD-EOR注气过程中都要保持稳定。其他重要参数包括所有相态 (油、气、水)的相对流度和黏度、水和气的残余油饱和度。考虑与 GAGD-EOR方法有关的影响因素,通过无量纲分析得到比例组合。

以前在倾斜油藏的研究中采用精确的目测分析步骤来产生无量纲比例组合,而在本研究中这些比例组合经改进可用来指导水平油藏的敏感性分析。重力数 (重力与黏滞力之比)的二次水驱与注水速率有关。考虑到 GAGD-EOR过程要求稳定的注入井和生产井压力条件、注入剂 (CO2)的高压缩性,重力数经过改良后用于水平油藏。为了更好地量化油藏采收率,研究时将饱和度组合加入到比例组合之中。以下10个无量纲组合用于GAGD-EOR过程中的比例计算:有效纵横比

地层倾角

水油流度比

CO2-油流度比

重力数 (基于注气速率)

重力数 (基于注气压力和生产压力)

注入压力组合

生产压力组合

水油系统残余油饱和度

气油系统残余油饱和度

应用无量纲采收率 (RD)与无量纲时间 (tD)关系曲线分析了 GA GD-EOR作业性能。无量纲采收率是在GAGD-EOR阶段注气开始之前的原油采出量。改变相关参数值使最终无量纲组的值保持恒定,使用海洋地质学委员会的IMEX模拟软件对无量纲组的敏感性变化进行了研究。如果与无量纲时间相关的最终无量纲采收率以累积注气量和孔隙体积的比值形式给出,再与考虑条件相匹配,那么无量纲比例组合就可以按照比例充分地应用到GAGD-EOR过程中来。

4 作业参数风险分析

气-油重力泄油提高采收率过程中对作业参数作用的排序是通过PALISADE’s@RISK软件来实现的。基于该方法的相关式的应用也出于该目的。相关式中选择了三个无量纲组合,是重力数(Ng)、水油流度比 (Mwo)和气油流度比(Mgo)。

Monte Carlo数值模拟首次通过应用@RISK软件执行各个独立分量,然后累积到所有组合。风险分析的结果显示,重力数、垂向渗透率对紧随注入的CO2和原油密度之差的重力数影响最大。这与GAGD-EOR过程中的影响是一样的,因为储层原油被向下驱替到产层底部的水平生产井中,所以储层间良好的垂向连通是一个必要条件。同时储层原油和注入流体的密度差越大,重力分离作用的效果越明显,重力泄油的驱替效果越好。流体总的表面流速 (uT)和末端原油流度 (λro)随着垂向渗透率和密度差的变化而变化。流体总的表面流速转化为黏滞力,这一黏滞力反过来削弱重力的作用。

在无倾角地层油藏中应用 GAGD-EOR时要保持垂向渗透率为定值。由于非混相气体的注入,注入流体和地层原油之间的密度差也有轻微的变化,所以这些因素作为确定性参数 (常数)来对待。另外的重要参数 (流体总表面流速和油的末端流度比)在敏感性研究中则被当作可变参数来对待。

与流度比相比 (Mwo和 Mgo),原油黏度是最重要的参数。流度比与原油黏度的变化成比例,所以在注气 (CO2)采油中它的降低对提高采收率十分有利。而油和水的相对渗透率则被认为是水油流度比影响的第二个重要的因素。同时对于气油流度比来说,气体黏度则被视为第二重要影响因素。

5 GA GD-EOR敏感性分析

在敏感性分析中计算出 GAGD-EOR过程的每个比例组合。利用油藏数值模拟得到的每个独立变化的组合数据,可以得到在任何情况下无量纲时间(tD)内以分数形式表示的无量纲采收率 (RD)。无量纲采收率 (RD)是注入CO2后的可采出原油占地质储量的百分数,同样无量纲时间 (tD)是累积注入CO2的体积占孔隙体积的百分数。在所有的敏感性分析中,表1中的第二种情况在保持其他比例组合为常数的条件下作为比例组合中参数值变化的基础。

5.1 重力数组合

深度、高度、油藏垂向渗透率、相对渗透率和原油黏度、原油和注入气体密度差、流体总的表面流速组成了重力数,它是基于恒定的注气速度得到的。这些参数的风险分析表明,在垂向渗透率和注入气体与原油的密度差恒定的情况下表面流速是影响重力数最重要的一个因素。如表1所示,所以在重力数敏感性研究中进行IMEX模拟要与总的平均表面流速相适应。图1a给出流体总的表面流速与无量纲采收率的变化关系,表面流速随着注气速度的增大而增大;而对于一个特定的注入速度,它则是逐渐地增加到接近稳定的重力数,如图1b。随着注气前端向井眼中运移,表面速度以更高的速度增加。重力数进一步下降,与表面速度的变化相对应。在气侵后重力数陡增,随着后续的注气速度的增加,观察到重力数降低。这些结果表明,重力数与表面速度 (气体注入速率)的变化敏感,与对重力数的风险分析一致。重力泄油提高采收率各方面的分析是通过绘制无量纲采收率和无量纲时间的关系曲线来完成的 (图2a)。低重力数时获得高无量纲采收率 (情况1);高重力数时获得低的原油采收率 (情况3)。这表明无量纲采收率与重力数成反比。在所有情况下,由于重力泄油机理占主导使得重力数的变化并不十分重要。

表1 GAGD-EOR过程中的敏感性分析的多相作业参数(一个比例组合值改变,而其他组合值保持不变)

GAGD-EOR原油开采是基于注气速度恒定和原油生产压力不变进行的,因此基于这些参数的重力数是通过注气速度和生产压力限制的反转得到的。描述由黏滞力导致的油藏各部分间的差异项(uT、L/kv、λ)由注气井和生产井之间的压差(Pinj-Pprod)所代替。同时 3个基于重力数为17000、11600、8200的压力油藏模型建立起来。图2b描述了这些油藏模型中无量纲采收率的情况。与重力数相关的压力产生了非常相似的无量纲GAGD-EOR特性。

5.2 压力组合

使用了注入井压力和生产井压力的三个组合同时保持其他比例组合为定值 (第二种情况的组合列于表2)。这些组合分别是2800 psia(1 psi=6.895 kPa)和2650 psia,2750 psia和2550 psia,以及2700 psia和2450 psia;它们各自无量纲组合的计算结果显示,注入压力和生产压力组合越高,得到的采收率越低。经过7年的比较,发现压力组合越低,原油采收率降低得越快,气侵以后采收率曲线变得比较平缓。所以在GA GD-EOR过程中原油的驱替量与注气井和生产井的压力,也就是注入井和生产井的压力组合成反比。

图1 总的表面流速和重力数 (Ng)与无量纲采收率的关系

图2 GAGD-EOR过程中的无量纲采收率与无量纲时间的关系曲线 (a)注气速率重力数 (b)压力基重力数

5.3 无量纲比例组合的验证

在所有的敏感性分析中,无量纲比例组合和非混相GA GD-EOR特性的函数关系通过IMEX模拟器进行数值模拟后绘成图。如今通过比例组合得到的无量纲采收率的结果需要和其有效性相匹配。为了达到这一效果,组成无量纲有效组合的参数改变以保证所有比例组合的最终结果是恒定不变的。如果拥有相同无量纲比例的模拟油藏的无量纲采收率在任何时间都是相当接近的,那么这些比例组合将可以在油田规模内应用于 GAGD-EOR。

研究结果表明,三个模拟油藏产生的无量纲采收率数据经过调查都是正确的。可以看出在CO2突破之前它们彼此之间很接近,只有10%～12%的差距。这一结果表明无量纲特性结果是可以再生的。它们与规模无关,所以任何有着相同结果的无量纲组合的油藏,它们的最终采收率也是相同的。所以本次研究中采用无量纲组合分析得到的结果对GAGD-EOR应用是十分充分的。

三个油藏模型得到的非常相近的结果表明,研究中的比例组合可以用于 GAGD-EOR过程。

6 结论

本次研究中,GAGD-EOR过程与基于压力的重力数和水气两相的残余油饱和度成比例关系。在各种限制条件和假设的前提下,得出以下结论:

◇水油两相的残余油饱和度的微小变化将对GAGD原油采收率产生重要影响;

◇通过无量纲组合进行的无量纲原油采收率研究表明,基于压力的重力数与基于注气速度的重力数相比,前者更适合GAGD-EOR的应用;

◇研究中采用的比例组合有效性分析表明,这些组合适合 GAGD-EOR的应用,特别是应用于无倾角水平油藏。

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.3.002

资料来源于美国《SPE 115065》

2009-03-31)