高浓度聚合物驱油技术的数值模拟实现及应用

蒋 楠 王学军

(1.渤海石油装备承德石油机械有限公司，河北承德 067000;2.承德石油高等专科学校，河北承德 067000)

目前，很多油田都已进入注水开发后期阶段，由于地层的非均质性和油水性质的本身差异将导致储层内留有大量的剩余油，这些存在于地层中的剩余油，在中、高含水期阶段用水驱的常规方法已很难驱替出，如何提高油田的产量和延长油田的寿命，最大程度地提高油田采收率，已成为当前重要的研究课题。经过油田的生产试验和相关研究，发现聚合物溶液具有很好的黏弹效应，能够扩大波及体积，提高微观洗油效率，尤其是通过高浓度聚合物不同的段塞组合及注入时机的选择，形成一种新的提高非均质严重、高渗透的油藏原油采收率方法，可进一步提高油田的经济效益。根据不同段塞聚合物驱油的特性，将产生相应的结果，通过计算机数值模拟的方法对其进行描述，可最终得到提高原油采收率的最佳方案。

1 数值模拟技术的基本思想和实现过程

数值模拟是以实际工程问题或者真实生活中的实际问题为基础，借助数学的方法和计算机手段将其模型化，并最终以图形方式显示结果的过程。

数值模拟技术的实现过程，可以用图1来描述。

2 数值模拟技术在高浓度聚合物驱油技术中的应用过程

2.1 高浓度聚合物驱油在提高原油采收率方面的需求分析

根据目前大多数油田都已进入注水开发后期、利用原有方法已不能有效提高原油采收率等实际情况，通过改变聚合物的相对摩尔质量、浓度以及段塞组合，研究其对对原油采收率影响，得出相对摩尔质量高、浓度高的聚合物溶液具有较高的黏度和残余阻力系数以及驱油效果好的特性，可以大幅度提高原油采收率这一结论。再根据地层的非均质性和油水性质的本身差异等特点，针对三次采油的实际问题，将利用高浓度聚合物溶液对不同段塞的相互组合方式进行研究，从而得到有效提高原油采收率的最佳方案。

2.2 选取反映高浓度聚合物驱油技术问题的数学模型

国内外对聚合物溶液的流变性已经有了相当的研究基础，并且建立了Meter、Cross、Carreau、Ellis等模型，通过对模型间的比较、与实际采油生产实践的匹配实验等的分析，认为黑油模型非常适合于该问题。

黑油模型是描述含有非挥发组分的黑油和挥发性组分的原油溶解气两个系统在油藏中运动规律的数学模型，直观地阐述油、气、水三相流体在油藏中的渗流规律而假设的一系列情况下的油藏模型。这种模型可以通过达西定律来描述“油”在渗流规律和与油藏性质，便于进行油藏的模拟开发。

达西运动定律是在达西单相流公式的基础上，考虑三维空间的具体情况，加以推广得到的达西运动方程，该方程是用来描述三相流运动规律的。下面以油的渗流方程为例来说明描述过程:

其中:表示水的渗流速度，po表示水相气压，Kγo表示水的相对渗透率，▽表示微分算子

2.3 数值计算方法的确定

数学模型建立之后，需要解决的问题是寻求高效率、高准确度的计算方法。针对高浓度聚合物驱油分析可知，利用Eclipse数值模拟软件可以很好地处理该问题，尤其是该软件中的the polymer flood model模块，主要应用于聚合物驱油模拟方面的研究，该模块中包括19种不同于水驱模型的关键数据，可用来描述聚合物驱油的主要过程，包括聚合物溶液黏度、聚合物的吸附能力、残余阻力系数和不可及孔隙体积等方面的描述，为解决聚合物驱油的模拟实现解决了技术问题。

2.4 利用相应的实现手段得到数据

数据是实现数值模拟的基础，同时也是下一步生成图像的决定因素，根据采油工程的实践需要，通过对聚合物驱油不同组合方式进行研究，如对“相同聚合物、不同浓度、多段塞组合驱油效果”和“不同聚合物、不同浓度、多段塞组合驱油效果”等方面的研究和对比，得到相应的数据，为研究和生成图像奠定基础。

2.5 利用计算机技术形成图像

在确定数学模型和计算方法后，根据实验得到的数据，选取相应的坐标系后，就可以开始编制程序并进行计算了，其结果使用图形方式显示，该方式直观，同时还可将离散的数值连续化，得到在某个区间上的任何值，达到整个过程模拟的效果。

3 数值模拟技术在高浓度聚合物驱油技术中的应用举例

我国70年代初在大庆油田率先开始了聚合物的驱油试验，大庆油田是陆相沉积大型砂岩油田，与国内其他油田相比较，大庆油田具有开展聚合物驱油得天独厚的自然条件。自1972年以来，油田已先后开展了特高含水期注聚合物试验、厚层试验区特高含水期聚合物驱油试验、中区西部单层和双层聚合物驱油试验，以及北一区断西和喇嘛甸油田南块的工业性聚合物试验，试验取得了较好的增油降水效果。尤其是经过国家“七五”和“八五”重点科技攻关，形成了聚合物驱油配套研究能力和矿场应用配套技术，目前已进入大规模工业化应用阶段，为聚合物驱在国内其它油田推广应用展现出良好前景。

下面以大庆油田位于杏十三区聚驱工业区杏13－4－35井区为例，该试验区中河道砂大面积分布，是高弯度分流在侧向上迂回形成的复合曲流带，试验区水淹程度高，油层动用好，非常适合进行聚合物驱油的模拟研究，其数值模拟的研究过程如下。

3.1 数值模型的选取

根据杏十三区高浓度试验区的动、静态特征，包括井位、小层数据、沉积相成果、油水井井史、油水井措施、油水井测试等，充分其考虑非均质性、沉积相分布，对渗透率、孔隙度、厚度采用相内插值技术，对流体性质、相对渗透率进行合理分区，建立了试验区的精细数值模拟模型。根据对试验区面积、开采层、储量、有效厚度、有效渗透率及压力等各方面的考虑和研究，决定采用相对成熟的Eclipse模拟软件，运行主模块采用E100黑油模拟器计算模块。这是一个通用的、全隐式、三维、三相黑油模拟器。全隐式求解，保证了求解的精度，使得计算结果更加准确、可靠。

3.2 数值模拟的关键技术

1)试验区网格划分技术。根据试验区地址非均匀性、沉积相分布等特点，对其进行了相约束插值方法，按照孔隙性、渗透率、有效厚度等方面的因素建立了一系列网格，这些网格将真实地反映地层的变化趋势，通过研究，针对该试验区建立了55个小层，将这些独立的层划分成模拟实验区。

2)插值计算的选取。根据选取的试验区划分出的网格，利用静态数据插值计算方法，对每个网格的性质进行刻画，为保证插值结果的正确性，根据基础井网和一次井网的渗透值，对二次和三次井网的渗透率值进行了校正，使其更加合理，从而得到各个单层渗透值分布。

3.3 模拟实现的进行

根据聚合物的性质、浓度以及段塞的选取，进行模拟实验。

1)相同聚合物、不同浓度、单一段塞驱油效果实验。实验用油为现场原油和煤油按照一定比例配制而成的模拟油，聚合物采用炼化超高分2 500万、再创700万抗盐浓度混合配制而成，单一段塞驱油效果实验。结论为:随着聚合物溶液浓度的增加，溶液的粘度不断增大。通过聚合物溶液的较高粘度和粘弹特性，可以有效挖潜剩余油，提高采出程度。

2)相同聚合物、不同浓度、多段塞驱油效果实验。实验用油为现场原油和煤油按照一定比例配制而成的模拟油，采用炼化2 500万聚合物，注入2 500mg/L和2 000 mg/L的聚合物驱组合段塞进行驱油效果实验。结论为:组合段塞驱油与单一段塞聚合物驱油比较，第一段塞注入量越大(尤其是在油墙形成后)，增油效果显著。在相同聚合物组合段塞驱油中，随第一段塞注入量的增加，含水下降幅度不断增大，使得采收率提高幅度不断增大。

3)不同聚合物、不同浓度、多段塞驱油效果实验。实验用油为现场原油和煤油按照一定比例配制而成的模拟油，聚合物分子量采用2 500万注入浓度为2 500 mg/L、700万注入浓度为1 700 mg/L，制定成相应方案进行驱油效果实验。结论为:在总注入量不变的情况下，第一段塞注入大小相同时，不同聚合物组合注入驱油效果要好于相同聚合物组合注入。

实验证明:不同聚合物组合段塞驱油效果好于相同聚合物组合段塞驱油，相同聚合物组合段塞驱油效果好于单一段塞聚合物驱油。

4 结论

1)通过实验和数值模拟结果表明，多段塞组合注入方式对最终采收率具有一定的影响，其中第一段塞的设置尤为重要，通过不同方案对比优选出的最佳方案为第一段赛占整体的1/3，分层注聚效果好于笼统注聚，最佳分层实际的选择应该在含水下降期。

2)目前，随着大多数油田都已进入注水期开发后期阶段，采用聚合物驱油方式提高采收率是一个非常重要的手段和途径，利用数值计算方法对这个过程进行模拟实现模拟，将是一个非常有效的技术，同时也为相关工程的技术改进提供了思路。

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