稠油油藏尿素辅助蒸汽驱油数值模拟研究

任韶然，牛保伦，王冠杰，杨兆臣，赖 年

(1.中国石油大学(华东)，山东 青岛 255666;2.中油新疆油田分公司，新疆 克拉玛依 834000)

稠油油藏尿素辅助蒸汽驱油数值模拟研究

任韶然1，牛保伦1，王冠杰1，杨兆臣2，赖 年2

(1.中国石油大学(华东)，山东 青岛 255666;2.中油新疆油田分公司，新疆 克拉玛依 834000)

针对河南油田泌浅10块超稠油油藏蒸汽吞吐开发末期地层压力低、回采水效率低、井间剩余油多等特点，根据尿素辅助蒸汽驱油机理，在蒸汽中添加尿素以改善蒸汽驱的开发效果。利用物理模拟方法，建立了尿素分解模型，求取了分解反应动力学参数;利用数值模拟方法，建立了尿素辅助蒸汽驱数值模型，并进行了驱油机理分析。数值模拟结果表明，尿素辅助蒸汽驱是稠油油藏高轮次吞吐后进一步提高采收率的有效技术，可在蒸汽驱基础上提高采收率6.8个百分点。

稠油;尿素;数值模拟;蒸汽驱机理;河南油田泌浅10块

引言

河南油田泌浅10块属浅薄层、超稠油油藏，采用蒸汽吞吐方式，自1989年投入开发以来，平均单井吞吐8.1周期，采出程度为22%。目前地层压力过低，平均压力为1.0～1.5 MPa，地下存水率高，蒸汽吞吐已达到经济极限。常规气体辅助蒸汽驱油［1－4］已经取得了良好效果，如添加CO2、N2、烟道气及空气等，因受到气源及空气安全性等因素限制，直接注气辅助蒸汽驱并未得到大范围推广，因此通过化学剂反应间接生成气体，不仅缓解了气源紧张的问题，还可通过化学反应控制气体的作用时间，有利于控制蒸汽驱替速率。基于以上情况，针对泌浅10块油藏特征研究了尿素辅助蒸汽驱技术，进一步提高高轮次吞吐后的采出程度。碳酰二胺俗称尿素，其水溶性极好，生产价格较低，工艺技术成熟，利于现场实施。尿素在150℃高温下发生分解反应，释放出CO2和NH3。另外在尿素溶液中添加硝石等催化剂，可加速其分解反应速率。通过文献检索和现场应用资料表明［5－9］，尿素溶液在高温作用下产生的分解气，在蒸汽热效应基础上进一步降低稠油黏度及残余油饱和度，扩大蒸汽波及范围，有效提高油汽比及采收率，经济效益显著。

1 尿素辅助蒸汽驱油模型的建立

尿素辅助蒸汽驱油模型除常规的稠油黏度－温度模型、相渗－温度模型、井筒热损失模型等，主要研究了尿素分解模型、CO2溶解降黏模型、NH3降低界面张力模型以及吸附解析模型等。

1.1 尿素分解模型

尿素分解速率是控制分解气(CO2、NH3)作用时间的关键因素。在高温高压反应釜中注入尿素溶液，分别模拟150℃常压、3 MPa、14 MPa时的尿素分解规律。其中注入N2模拟不同压力下尿素分解后压力随时间的变化情况。实验结果表明，对于有气体产生的化学反应，压力的改变会使反应过程中平衡发生移动，从而影响达到平衡的时间。在大气压下，尿素在0.869 h后压力达到平衡，分解速率为0.829×10－3mol/(L·s);随着压力升高，尿素分解速率降低。当压力升高至4 MPa(浅层稠油油藏)，反应时间延长至2 h后压力达到平衡，分解速率降至0.332×10－3mol/(L·s);当系统压力升高至14 MPa(深层稠油油藏)，平均分解速率仅为0.117×10－3mol/(L·s)。因此随着油藏压力的升高，尿素溶液的分解反应速率逐渐降低，不利于尿素的快速分解。

尿素分解基本不受浓度的影响［10］，属于零级反应，依据上述实验结果，可由Arrhenius方程(1)得出其分解反应动力学参数:活化能为9.83 kJ/mol，预幂率指数为1×107L/(s·kPa)。

式中:px为气体的分压，Pa;t为时间，s;k0为预幂率指数，L/(s·kPa);E为活化能，J/mol;R为摩尔气体常量，8.314 J/(kmol·K);T为模型温度，K。

1.2 溶解降黏模型及碱驱模型

尿素对稠油降黏效果表现为CO2－NH3与稠油的相互作用。在油藏数值模型中，CO2－稠油溶解降黏模型通过常规PVT相态方程计算得出不同温度、压力条件下二者的溶解度;碱驱模型可通过输入不同浓度NH3·H2O对油水界面张力进行修正，并利用langmuir吸附等温模型描述NH3·H2O的吸附性能。依据建立的CO2－NH3－稠油综合降黏模型拟合了尿素对稠油的降黏实验，拟合结果较好，详见表1。

表1 尿素溶液热分解后对稠油降黏效果实验结果

2 超稠油油藏尿素辅助蒸汽驱数模研究

依据泌浅10区古近系核桃园组三段IV9层油藏参数，建立了4个反九点井网(图1)。井组在经

图1 模型井组井位示意图

过蒸汽吞吐井网加密阶段后，目前井距为70 m× 100 m，其中注入井4口，生产井21口。建立精细地质模型后，粗化成网格，划分为45×55×9的数学模型，步长为10 m。其中油层埋深为230.0～360.6 m，平均为294.6 m，地层倾角为12°，有效厚度为6.2～14.4 m，平均为9.4 m，孔隙度为20.6%～39.1%，平均为34%，渗透率为0.464～7.707 μm2，平均为2.28 μm2，原始含油饱和度为50.0%～88.5%，平均为75%，油层温度下脱气原油黏度为54 000 mPa·s，系浅层超稠油油藏。

基于生产历史拟合后的油藏模型，进行了蒸汽驱、尿素辅助蒸汽驱开发方式对比。蒸汽驱及尿素辅助蒸汽驱选用间歇汽驱，开发效果见表2。

表2 蒸汽驱及尿素辅助蒸汽驱开发效果对比

3 尿素辅助蒸汽驱油提高采收率机理分析

3.1 提高地层压力

尿素在地层分解后可产生大量分解气，1 t尿素分解可消耗0.3 t水，生成373 m3CO2和746 m3NH3(地面体积)，利于增压回采。目标井组蒸汽吞吐末期，平均地层压力仅为1 MPa左右，蒸汽驱在注入初期可以提高地层压力至1.3 MPa，在井间形成连通后，压力逐渐降低至0.5 MPa;对于尿素辅助蒸汽驱，地层压力可升高至1.9 MPa左右，汽窜后压力降低幅度低于蒸汽驱。同时地层压力的升高，可提高CO2在稠油中的溶解度，进一步降低稠油黏度。此外，压力的升高对冷凝水有进一步汽化作用，有利于保持蒸汽干度。

3.2 降低稠油黏度

稠油降黏率是稠油开发的重要指标。在蒸汽驱热效应基础上，尿素分解气通过溶解、乳化等作用，降黏率在30%以上。注入井周围降黏率较高，这是由于注入井井底压力较高，提高了CO2在稠油中的溶解度，同时也说明了尿素在注入井周围即可分解，形成了气体辅助蒸汽驱。

3.3 扩大蒸汽波及体积

蒸汽驱可在一定程度上扩大波及范围，提高原油产量，但是由于蒸汽黏度小，水油流度比大，扩散速度快，易产生汽窜，导致热利用率低。图2是蒸汽驱和尿素辅助蒸汽驱在30个开发周期后含油饱和度场图，图2中生产井的个数较多(红点表示注入井的位置)，主要是在历史拟合阶段存在的井，但在蒸汽驱方案设计中设置为关井。在蒸汽驱中加入尿素，由于尿素分解产生的气体可以迅速提高油藏压力，加大产油速度;同时CO2及NH3由于重力差异作用，携带蒸汽部分热量加热顶部油层，增加蒸汽腔体积 改善油层吸汽剖面 在蒸汽驱的基础上采收率提高了6.8个百分点。

图2 30个周期不同方式蒸汽驱前后IV9－3层含油饱和度场对比

4 结论

(1)通过尿素分解实验及PVT相态软件建立的尿素分解模型、降黏模型等能较好地符合室内实验，可用于模拟尿素辅助蒸汽驱开发过程。

(2)尿素在地层中分解后生成的 CO2和NH3，能有效提高地层压力，降低原油黏度，同时扩大了蒸汽的波及范围，数值模拟结果表明，尿素辅助蒸汽驱可在蒸汽驱基础上提高采收率6.8个百分点。

(3)尿素辅助蒸汽驱好于常规蒸汽驱效果，对高轮次吞吐后的稠油油藏有较好的适应性。

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Numerical simulation on urea－assisted steam flooding for heavy oil reservoir

REN Shao－ran1，NIU Bao－lun1，WANG Guan－jie1，YANG Zhao－chen2，LAI Nian2
(1.China University of Petroleum，Qingdao，Shandong255666，China; 2.Xinjiang Oilfield Company，PetroChina，Karamay，Xinjiang834000，China)

In the late life of cyclic steam stimulation for ultra－heavy oil reservoirs in the Biqian 10 block of Henan oilfield，reservoir pressure is low，water recovery rate is low，and interwell remaining oil is abundant.Based on the mechanism of urea－assisted steam flooding，urea is added into steam to improve steam flooding effect.A urea decomposition model is established through physical simulation to derive the kinetic parameters of decomposition reaction;and a numerical model of urea－assisted steam flooding is established to analyze oil displacement mechanism.The results of numerical simulation show that urea－assisted steam flooding is an effective way of enhancing heavy oil recovery after multiple cycles of steam stimulation，can further improve the recovery factor by 6.8%.

heavy oil;urea;numerical model;steam flooding mechanism;Biqian 10 block of Henan oilfield

TE357.46

A

1006－6535(2012)03－0111－03

10.3969/j.issn.1006－6535.2012.03.029

20110927:改回日期:20120315

山东省泰山学者建设工程基金(TSXZ2006－15);中石化河南油田“泌浅10断块热化学驱井网及注采参数优化研究”(G0503－09－ZS－035)

任韶然(1960－)，男，教授，博士，1982年毕业于华东石油学院钻井专业，1992年获得英国帝国理工医学院化学工程专业博士及DIC学位，主要从事提高采收率、CO2埋存及天然气水合物开发方面的研究。

编辑王 昱