（油气田开发工程专业论文）交联聚合物驱数值模拟研究.pdf

c o l l e g eo f p e t r o l e u me n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s tc h i n a ) i 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：辔篮肇 日期：0 2 川年月z 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者 指导教师签名 日期：io i 年 日期：0 川年 月日 石月2 日 摘要 目前，聚合物驱是一种应用广泛的三次采油方法，在开发条件较好的一类、二类油 藏已相继实施，且很多区块聚驱结束，进入了含水回升期。聚驱后油藏非均质状况变得 更加严重，不适合聚合物驱进一步提高原油采收率。另外，普通聚合物存在耐温抗盐能 力差、用量大的缺点，无法用于三类油藏提高采收率。为在聚驱后进一步提高原油采收 率，并扩大聚合物驱技术应用范围，降低聚合物用量，提高经济效益，国内外提出了交 联聚合物调剖驱油新技术。 本文在研究交联聚合物调剖驱油机理的基础上，建立了一个三维两相( 油相和水相) 五组分( 油、水、聚合物、交联聚合物和交联剂) 的交联聚合物驱数学模型。模型考虑了 交联聚合物体系各组分的增粘、吸附滞留、渗透率降低、不可及孔隙体积、分子扩散以 及交联反应动力学等物化现象，并重点研究了交联反应动力学的数学模型描述。 模型求解方面，首先采用常规的i m p e s 方法求解，即隐式压力、显式饱和度及浓 度方法，在此基础上提出了计算效率更高、更稳定的d o u g l a s 差分格式，利用分步降维 的思想达到了精确而高效地求解模型的目的。同时，对比了不同模型求解算法的求解效 率。为便于应用，研制了相应的交联聚合物驱数值模拟软件。 本文选取一个五点法井网的非均质模型，利用研制的交联聚合物驱数值模拟软件做 了水驱、聚驱及交联聚合物驱的参数敏感性研究。通过与商业化数值模拟软件c m g 作 模拟结果对比，表明提出的交联聚合物驱模型正确，验证了研制的交联聚合物驱数值模 拟软件的可靠性。 在上述研究成果的基础上，选取一个实际的油藏区块，运用研制的交联聚合物驱数 值模拟软件从单因素和多因素两方面进行了交联聚合物驱参数优选研究，所得研究结果 对交联聚合物调驱机理研究和矿场开发方案编制具有定的借鉴意义。 关键词：交联聚合物驱，数学模型，求解方法，敏感性研究，参数优选 j s t u d yo nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no f c r o s s l i n k e dp o l y m e r f l o o d i n g m ut i n g h u a ( o i lg a sf i e l dd e v e l o p m e n te n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f r o n gq i h o n ga n dp r o f h o uj i a n a b s t r a c t c u r r e n t l y , p o l y m e rf l o o d i n gi saw i d e l yu s e de o r m e t h o d t h ec l a s sia n di ir e s e r v o i r s w h o s ed e v e l o p m e n tc o n d i t i o n sa r eg o o dh a v es u c c e s s i v e l yc a r r i e do u tp o l y m e rf l o o d i n g ，a n d i nm a n yo i l f i e l d s ，p o l y m e rf l o o d i n gh a sb e e nc o m p l e t e d ，e n t e r i n gt h ew a t e rc u tr i s i n gp e r i o d a f t e rp o l y m e rf l o o d i n g ，t h er e s e r v o i rh e t e r o g e n e i t yb e c o m e sm o r es e r i o u s ，w h i c hc a u s e s p o l y m e rf l o o d i n gn o ts u i t a b l et of u r t h e re n h a n c eo i lr e c o v e r y a d d i t i o n a l l y , b e c a u s eo ft h e p o o ra b i l i t y o ft e m p e r a t u r ea n ds a l tr e s i s t a n c ea sw e l la st h es h o r t c o m i n g so fl a r g e c o n s u m p t i o no ft h eo r d i n a r yp o l y m e r , p o l y m e rf l o o d i n gc a n n o tb eu s e df o rc l a s si i ir e s e r v o i r t oi m p r o v eo i lr e c o v e r y i no r d e rt of u r t h e re n h a n c eo i lr e c o v e r ya f t e rp o l y m e rf l o o d i n g ，a n d t oe x p a n dt h ep o l y m e rf l o o d i n gt e c h n o l o g ya p p l i c a t i o nr a n g e ，r e d u c et h ep o l y m e ri n j e c t i o n a m o u n t , i m p r o v ee c o n o m i cr e t u r n s ，i nr e c e n ty e a r san e wt e c h n o l o g yo fo i ld i s p l a c e m e n ta n d p r o f i l e c o n t r o lw i t hc r o s s l i n k e dp o l y m e ri sp r o p o s e d b a s e do nt h es t u d yo fo i ld i s p l a c e m e n ta n dp r o f i l ec o n t r o lm e c h a n i s mw i t hc r o s s l i n k e d p o l y m e r , at h r e e d i m e n s i o n a lt w o p h a s e ( o l e i c ，a q u e o u s ) f i v ec o m p o n e n t s ( o i l ，w a t e r , p o l y m e r , c r o s s l i n k e dp o l y m e r , c r o s s l i n k e r ) m a t h e m a t i c a lm o d e lf o rc r o s s l i n k dp o l y m e rf l o o d i n gi s e s t a b l i s h e d t h em o d e lt a k e sm a n yp h y s i c a l - c h e m i c a lp h e n o m e n ao ft h ec r o s s l i n k e dp o l y m e r s y s t e mi n t oc o n s i d e r a t i o n ，s u c ha sv i s c o s i t y , a d s o r p t i o na n dr e t e n t i o n ，p e r m e a b i l i t yr e d u c t i o n , i n a c c e s s i b l ep o r ev o l u m e s ，m o l e c u l a rd i f f u s i o na n dk i n e t i c so fc r o s s l i n k i n gr e a c t i o nf o re a c h c o m p o n e n t ，a n di tm a i n l ys t u d i e s t h em a t h e m a t i c a lm o d e ld e s c r i p t i o no ft h e k i n e t i c so f c r o s s l i n k i n gr e a c t i o n f o rs o l v i n gt h em o d e l ，f i r s t l yw ea d o p tt h en o r m a li m p e sm e t h o d ，n a m e l yt h ei m p l i c i t p r e s s u r e ，e x p l i c i ts a t u r a t i o na n dc o n c e n t r a t i o nm e t h o d t h e ni tp r o p o s e sam o r ee f f i c i e n ta n d m o r es t a b l ed o u g l a sd i f f e r e n c es c h e m ew h i c hu s i n gt h es t e p - b y - s t e pr e d u c e d o r d e ri d e a r e a c h e dt h ep u r p o s eo fa c c u r a t e l ya n de f f i c i e n t l ys o l v i n gt h em o d e l a tt h es a m et i m e ，i t c o m p a r e st h es o l u t i o ne f f i c i e n c yo fd i f f e r e n ta l g o r i t h m s f o rc o n v e n i e n ta p p l i c a t i o n ，a c r o s s l i n k e dp o l y m e rf l o o d i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r ew a sd e v e l o p e d i nt h i sp a p e r , b a s e do na h e t e r o g e n e o u sm o d e l 、) l ，i 廿1f i v e - p o i n tw e l lt y p e ，i tc o n t r a s t st h e c r o s s l i n k e dp o l y m e rf l o o d i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r ea n dt h ec o m m e r c i a ls i m u l a t i o n s o f t w a r ec m g t h r o u g ht h es e n s i t i v er e s e a r c hr e s u l t so fw a t e rf l o o d i n g ，p o l y m e rf l o o d i n ga n d c r o s s l i n k e dp o l y m e rf l o o d i n g ，w h i c hs h o w st h a tt h ep r o p o s e dc r o s s l i n k e dp o l y m e rf l o o d i n g m o d e li sc o r r e c t ，a n dv e r i f i e st h er e l i a b i l i t yo ft h ec r o s s l i n k e dp o l y m e rf l o o d i n gn u m e r i c a l s i m u l a t i o ns o f t w a r e b a s e do nt h ea b o v er e s e a r c hr e s u l t s ，s e l e c t i n ga na c t u a lo i l f i e l db l o c k , w em a d et h e c r o s s l i n k e dp o l y m e rf l o o d i n gp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o ns t u d yf r o mb o t hs i n g l ea n dm u l t i p l e a s p e c t su s i n gt h e c r o s s l i n k e dp o l y m e rf l o o d i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r e t h e c o n c l u s i o n so ft h es t u d ya r eo fg r e a ts i g n i f i c a n c ef o rt h ed i s p l a c e m e n tm e c h a n i s ms t u d ya n d p i l o ts c h e m ed e s i g no fc r o s s l i n k e dp o l y m e rf l o o d i n g k e yw o r d s ：c r o s s l i n k e dp o l y m e rf l o o d i n g ，m a t h e m a t i c a lm o d e l ，s o l v i n gm e t h o d ， s e n s i t i v i t yr e s e a r c h ，p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n ， 目录 第l 章前言1 1 1 研究目的及意义1 1 2 国内外研究现状3 1 2 1 聚合物驱研究现状3 1 2 2 交联聚合物驱研究现状4 1 3 研究内容7 1 4 技术路线8 1 5 创新点8 第2 章交联聚合物驱数学模型9 2 1 交联聚合物驱驱油机理9 2 2 交联聚合物驱基本微分方程的建立。9 2 2 1 基本假设条件9 2 2 2 基本微分方程的建立1 0 2 2 3 辅助方程1 3 2 2 4 定解条件1 4 2 3 交联聚合物驱物化机理描述15 2 3 1 交联聚合物溶液粘度。1 5 2 3 2 交联聚合物组分的吸附滞留1 6 2 3 3 渗透率降低系数。1 6 2 3 4 不可及孔隙体积1 7 2 3 5 分子扩散系数1 7 2 3 6 交联反应动力学1 7 第3 章交联聚合物驱数值模型2 2 3 1 差分方程组的建立2 2 3 1 1i m p e s 求解方法2 2 3 1 2d o u g l a s 求解方法3 2 3 2 井处理方法3 6 3 2 1 定注采量3 7 3 2 2 定井底流压。3 8 3 3 线性方程组的解法。：3 9 3 3 1 直接求解法4 0 3 3 2 迭代法4 1 3 4 算法工作效率对比4 7 第4 章交联聚合物驱数值模拟软件编制及参数敏感性研究4 9 4 1 交联聚合物驱数值模拟软件编制4 9 4 1 1 软件设计流程图。4 9 4 1 2 程序模块说明5 0 4 2 交联聚合物驱参数敏感性研究5 0 4 2 1 基本地质模型概况5 l 4 2 2 水驱模拟计算结果对比5 2 4 2 3 聚合物驱参数敏感性研究5 4 4 2 4 交联聚合物驱参数敏感性研究6 0 第5 章交联聚合物驱参数优选研究6 2 5 1 油藏数值模型建立6 2 5 2 单因素参数优选6 3 5 3 多因素参数优选6 6 5 3 1 正交试验设计法6 6 5 3 2 模糊综合评判模型6 6 5 3 3 参数优选。6 7 结论7 1 参考文献7 2 攻读硕士学位期间取得的学术成果7 7 致谢7 8 v 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 研究目的及意义 第1 章前言 如今，世界上一些主要产油国的油田已处于油田开发的中后期阶段。虽然大多油田 经过一次、二次采油，采出程度有了大幅度提高，然而由于油藏的非均质性，油藏的水 驱平均采收率仅占油藏地质储量的i 3 ，也就是说还有2 3 的地质储量无法再通过常规 的注水开发来开采【l j 。近年来的勘探工作还表明，发现大型油田的可能性正逐年降低， 新增石油储量将十分有限。不过研究发现，开发利用好储层中大量剩余储量绝不亚于发 现一个新的油田1 2 。，为此，如何有效动用这一部分剩余储量成为石油工作者的奋斗目标。 目前，发展提高采收率技术已成为我国石油开发继续发展的一项迫在眉睫的任务。 三次采油技术主要可分为热采、气驱、微生物驱和化学驱四大类【3 1 。其中，化学驱是指 通过向地层注入能够降低油水界面张力或提高注水波及效率的化学药剂，以采出水驱残 余油的方法【4 j ，主要包括聚合物驱、表面活性剂驱、碱驱、泡沫驱和复合驱等。 油田开发中，注入液波及体积低是提高采收率的重要瓶颈，而油藏非均质性是导致 驱替液波及体积低的主要原因，驱替粘度大的原油时，由于水油流度比大，驱动水沿高 渗层指进，低渗透层注入液并未波及。为了提高波及体积，人们在注入液中加入各种增 粘剂来控制水油流度比，其中注聚合物便是国内最主要也是最成熟的一种方法，且在国 内大庆、胜利等油田达到了工业化应用的阶段【渊。 聚合物驱( 简称“聚驱”) p j 是指通过向注入液中加入水溶性高分子聚合物，增加水 相粘度，降低水相渗透率，改善水油流度比，从而使驱替前缘稳定，增加注入液波及体 积，达到改善非均质油田开发效果，提高原油采收率目的的方法。这种方法在中等非均 质、中等原油粘度以及存在不利水油流度比的油藏中最具潜力【引。 随着国内聚合物驱工业化应用的开展，开发条件较好的一类油藏及部分二类油藏已 相继实施聚合物驱，且很多区块已进入含水回升期，有的甚至已经聚驱结束，由于聚合 物驱适用温度范围小于8 5 。c 【9 j ，这样很大一部分高温、高矿化度的三类油藏及四类大孔 道油藏就无法有效实施聚合物驱。另外，聚驱主要在近井地带起作用【l o 】，聚驱油藏仍留 有较大的未波及区域，且在转后续水驱阶段后，油藏非均质性更强，无效水循环严重， 出现了聚合物驱稳产形势变差、含水上升较快以及产量大幅度递减等问题。因此，聚驱 后如何继续高效地开发这些油藏? 是否有可能进一步提高采收率? 这是保证我国石油 第1 章前言 工业可持续发展必需面对、且已迫在眉睫的严峻挑战，要求我们在深入认识聚驱后储层 岩石和流体性质变化规律以及剩余油分布变化规律的基础上，试验研究聚驱后进一步提 高原油采收率的新途径。 目前针对聚驱后进一步提高采收率的化学驱技术主要包括预交联增效聚合物驱、二 元复合驱和低张力泡沫复合驱等。交联聚合物驱油技术是聚合物驱油技术的完善和发 展，且交联聚合物在9 4 c 高温下具有良好的成胶性和改善吸水剖面的能力【9 】，另外，相 比其他技术，交联聚合物驱费用低，成了聚驱后二、三类油藏产量接替的理想技术。 交联聚合物驱是在聚合物驱基础上发展起来的一项提高原油采收率的新技术，该技 术将调剖与驱油有机结合，使用接近或低于聚合物驱浓度的聚合物溶液，并加入少量交 联剂，使之在地层内形成以分子内交联为主、分子间交联为辅的交联聚合物体系，大幅 度提高了驱替液的粘度、阻力系数和残余阻力系数，较大程度地改善了油藏的非均质状 况，对油藏高渗透层起到封堵作用，实现大剂量深部调剖，使后续注入液改向，最终扩 大了注入液波及体积，注入的弱交联和未交联聚合物溶液对多孔介质中的原油产生拖拉 推动作用而驱替原油，提高了注入液驱油效率和最终采收率【1 1 d 3 1 。相比普通聚合物，交 联聚合物溶液不仅有较高的粘弹性，而且在耐温性、抗盐性、抗剪切以及对氧和细菌的 耐受性都方面都有大幅度提高【1 4 - 1 7 1 。交联聚合物驱油在原油开采技术中有着广阔的应用 前景【1 8 。2 。 数学模拟在油田开发工作中具有突出优势【2 2 1 ，相比物理模拟，它不需要昂贵的实验 设备，且使开发过程变得可重复，减少了实验次数，缩短了实验周期，节省了实验时间 和费用；可以模拟岩心实验过程，解释实验结果，进行实验验证，协助制定岩心实验方 案；可以进行一些实验室无法完成的“理想实验”；可以逐级放大或外推岩心实验结果， 为现场试验方案制定提供必要的依据，且可对不同试验方案的效果进行预测和比较，从 中选出最佳方案；化学驱 2 3 1 方面还可以了解整个过程中的驱油机理和物化参数的相对重 要性，优化注采条件，对矿场试验成功至关重要。总之，数值模拟研究在室内实验和矿 场实际之间起到了很好的桥梁作用，成为油田开发工作中一个不可缺少的重要环节。 交联聚合物驱数值模拟研究是交联聚合物驱研究的一个重要方面。通过数值模拟研 究可以弄清交联聚合物驱状况，为编制矿场实施方案提供决策依据。所以，就交联聚合 物对油藏非均质性调整的应用前景来说，为了便于评价其驱油效果的影响因素、驱油机 理以及应用效果等方面而对其作数值模拟研究是很有必要性。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 1 2 1 聚合物驱研究现状 聚合物驱始于2 0 世纪五六十年代。美国【2 4 1 从1 9 6 4 年开始进行现场试验，1 9 6 4 1 9 6 9 年间共进行了6 1 个聚合物驱项目，1 9 7 0 - 1 9 8 5 年间共进行了1 8 3 个聚合物驱项目，1 9 9 8 年有1 2 个化学驱油项目，其中1 1 个聚合物驱项目，那时开展了如此多的聚合物驱项目 是因为当时国际油价的上升以及美国国内的优惠税收政策。除美国外，前苏联【2 5 1 的奥尔 良油田和阿尔兰油田、加拿大的h o r s e f l yl a k e 油田和r a p d a n 油田、法国的c h a t e a r e n a r d 油田以及德国、阿曼等国的油田均进行了聚合物驱工业化试验，原油采收率提高了 6 1 7 。近年来随着国际油价的下跌，国外的聚合物驱项目越来越少，9 0 年代后美国 的聚合物驱油技术的应用规模逐年减少【2 6 】，2 0 0 0 年聚合物驱实施方案只有1 0 个，2 0 0 2 开始已经完全停止矿场试验。目前，美国等西方国家基本上停止了聚合物提高采收率的 试验研究，只进行少量的室内研究【2 7 1 ，但应用聚合物调剖仍有广阔的发展前景，美国已 把聚合物调剖列为改进的二次采油( a s r ) 方法。 ： 在中国，聚合物驱油技术得到了充分发展。由于我国的油田大多数属于陆相沉积地 层，油藏非均质性较严重，地层渗透率变异系数大多在0 6 5 以上，且原油粘度较高，为 了提高原油采收率，聚合物驱成了我国近年来研究的主攻方向【2 矾。在国内的油田中，大 庆油田对聚合物驱的研究一直走在前列，并首先取得了成功【2 9 】。1 9 7 2 年大庆油田进行 了小井距聚合物驱先导试验，2 0 世纪8 0 年代初，大庆油田开展了以聚合物驱为重点的 三次采油科技攻关，从1 9 9 6 年起，聚合物驱油技术陆续步入工业化生产，到2 0 0 0 年底 大庆油田已投入聚合物驱区块共1 4 个，动用面积1 4 3 4 4 k m 2 ，地质储量2 5 6 9 0 1 0 a t ， 总井数2 3 6 8 口( 其中注入井1 0 9 4 口，生产井1 2 7 4 口) ，累积产油3 5 0 0 1 0 4 t 3 0 l 。胜利 油田1 9 9 2 年1 0 月在孤岛中区n 9 3 层开展了首次聚合物驱油先导试验【3 1 1 。1 9 9 4 - - 1 9 9 5 年在孤岛和孤东油田开展了聚合物驱扩大试验【3 2 1 ，并取得了显著效果。1 9 9 7 年开始， 聚合物驱油技术在胜利油田进入了工业化推广应用阶段。“八五、“九五期间，国内 在聚合物驱室内研究、数值模拟技术研究、注入工艺以及动态监测技术研究等方面做了 大量工作，为聚合物驱工业化应用推广莫定了基础。截至2 0 0 6 年【3 3 】，大庆油田已有3 5 个区块投入聚合物驱工业化应用，面积3 1 4 k m 2 ，动用地质储量5 1 9 1 0 s t ，聚合物驱年 产油量占年原油总产量的2 7 ，累积增油5 5 0 0 1 0 h ；胜利油田【3 4 】已有2 3 个区块实施 聚合物驱项目，动用地质储量2 7 9 x1 0 s t ，累积增油量已超过1 0 0 0 1 0 4 t 。目前，我国 3 第1 章前言 的聚合物驱矿场实施规模位居世界第一，在大庆、胜利、大港、河南、吉林等 均已进入工业化应用阶段【3 5 刁8 1 ，聚合物驱已发展成为一种较为成熟的、居主导 高采收率技术。 由于数值模拟研究在油田开发中的重要作用，随着聚合物驱实验研究的发展，自6 0 年代末、7 0 年代初以来聚合物驱数值模拟研究便得到了高度重视。聚合物驱数学模型从 早期一维两相多层的b u c k l e y l e v e r e t t 驱替模型发展到了现在的多维多相多组分模型， 并且考虑了影响聚合物驱油效果的多种因素。为了提高求解精度，减少计算时间，在数 学模型的数值求解算法方面也有很大突破。 目前，比较完整的聚合物驱数学模型可分为两种，即改进的黑油模型和组分模型。 改进的黑油模型是通过把水相中水组分和聚合物组分的流动参数按其各自的可流动饱 和度分配，运用较为成熟的非混相驱方法处理混相驱问题。这种方法的优点在于模型参 数较组分模型的少，计算所需的计算机内存少，计算时间短，同时，相应数值解法发展 成熟，可计算的网格节点多。该方法的缺点主要是不能精确描述聚合物段塞尾部水驱前 缘的推进状况，易出现负浓度等非物理现象。组分模型的主要缺点是组分对流扩散方程 的求解比较困难，且对计算机内存和处理速度等方面要求高。不过，随着计算机技术的 高速发展和数值算法的不断完普，组分模型得到了越来越广泛的应用。 比较有代表性的聚合物驱数值模拟软件有：l a n d m a r k 公司的v i p ，s c h l u m b e r g e r 公 司的e c l i p s e ，加拿大c m g 软件中的s t a r 模块和a u s t i n 大学的u t c h e m 等。另外， “七五 、“八五 攻关时期，我国在引进化学驱模型的基础上研制开发了适合于聚合物 驱的p o l y m e r 数值模拟软件，后来又将它与黑油模型结合，开发出了v i p p o l y m e r 数值模拟软件。 1 2 2 交联聚合物驱研究现状 大规模开展聚合物驱工业化应用后，随之而来地出现了一些问题，迫切需要试验研 究聚驱后进一步提高原油采收率的技术和方法。经过不懈努力，科研工作者们提出了一 项以改善水驱效果、提高原油采收率为目的交联聚合物驱油新技术【1 2 1 ，成为一种较为有 效的聚驱后接替技术。 国外，自2 0 世纪6 0 年代首次使用交联聚合物技术进行化学调剖堵水后 3 9 1 ，对交联 聚合物的研究不断。1 9 8 7 年n a m u m a l l a h l 4 0 】给出了一种评价弱凝胶表观拉伸粘度的实 用方法。1 9 8 8 年c s m c c o o l 4 1 】等对聚丙烯酰胺c r 3 + 交联体系的渗透率下降机理进行了 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 实验研究。2 0 世纪8 0 年代美国t i o r c o 公司的s m i t h l 4 2 】通过研究首次提出了胶态分散凝 胶( c d g ) 的概念，并于1 9 8 5 年投入了矿场试验。马拉松公司s y d a n s k 等人还发表了用聚 合物c ? + 冻胶处理裂缝油藏或基岩近井地带的有关文献【4 3 删。矿场应用方面，据统计， 化学驱实施高峰期，美国提高采收率矿场试验的3 5 是聚合物驱项目，而交联聚合物驱 项目占了其中的6 0 1 4 ”。由于交联聚合物驱具有较高的经济技术可行性，至1 9 9 7 年， 美国就实施c d g 项目3 7 个，2 9 个项目油水比降低，产量提高。其中t i o r c o 公司在 1 9 8 3 n 1 9 9 3 年间进行了2 9 个c d g 驱油矿场试验，1 9 个在经济上获得成功，3 个在技术 上获得成功【4 6 1 。较为典型的是怀俄明州a d o nr o a d 区块【4 7 1 ，连续2 0 个月注入8 0 3 v p 的c d g ，再注入7 9 1 v p 的聚合物后，采收率高达4 5 2 ，远远高于水驱采收率3 2 3 。 菲利蒲公司在堪萨斯西部老油田上应用c d g ，取得注1 t 调剖剂增油7 6 0 t 的好效果【1 0 4 引。 此外，m a r a t h o n 公司针对w y o m i n g 北部油田注水开发中出现的早窜现象进行了两次矿 场试验【4 9 】，并取得了明显的增油效果。 国内，尽管像辽河油田【5 0 弓1 1 、河南油田【5 2 。5 3 1 等油田都有不同程度的应用交联聚合物 技术驱油，但以胜利油田发展最早、最成熟、应用规模最大。胜利油田自2 0 世纪8 0 年代 中期开始开展交联聚合物驱配方体系的研究攻关，针对一类、二类油藏条件，研制出了 有机铬聚合物延缓交联体系【5 4 】，1 9 9 1 年开始进行矿场先导试验，1 9 9 2 年8 月起分别在孤 东【5 5 1 和孤岛【5 6 1 油田的3 个区块开展交联聚合物驱油矿场先导试验，取得了明显的降水增 油效果。1 9 9 4 年进入现场扩大试验，1 9 9 5 年起开始开展向注聚单元低压井添加交联剂配 套技术方面的研究工作，19 9 9 年开展交联聚合物驱工业化推广应用。2 0 0 0 年后，针对三 类高温高盐油藏开始了耐温抗盐交联体系研究，并于2 0 0 3 年开始进入先导试验。目前， 交联聚合物驱油体系主要有过渡金属有机交联聚合物驱油体系、醛类交联聚合物驱油体 系和复合交联聚合物驱油体系等。 数值模拟是评价、预测油田交联聚合物驱开发调整效果的有效方法，通过国内外专 家学者不懈努力，在数学模型建立和数值模拟器研制方面都取得了丰硕的研究成果。 b j t o d d 等于1 9 9 0 年首次提出凝胶聚丙烯酰胺的一维渗流数学模型，研究了凝胶 对岩石孔隙度变化影响的动力学模型。k a l l s a s 大学基于m c c o o l 和m a r t r 的渗滤假设理 论研究了氧化还原条件下聚丙烯酰胺地下交联反应的数学模型，该模型考虑了化学组分 的吸附滞留、交联反应动力学及渗透率降低等因素，是基于室内岩心驱替实验建立的一 维模型。h w g a o 5 刀等建立了三维三相延迟交联聚合物驱数值模拟器。1 9 9 2 年，k s s o r b l e l 5 9 】在化学驱油数值模拟理论和实践的基础上提出了聚合物交联防窜的三维二相六 s 第1 章前言 组分模型。另外，还有加拿大c m g 软件中的s t a r 模块以及a u s t i n 大学研制开发的 u t c h e m 等软件。国外软件的主要特点是规模大、功能全、主要用于工作站，而对调 驱机理描述不是很多。 国内在交联聚合物驱数值模拟方面做了大量工作。1 9 9 1 年，袁士义博士【5 9 1 提出了 聚合物地下交联调剖两维两相多组分的数学模型。1 9 9 5 年，北京石油勘探开发科学研究 院时富庚【6 0 j 博士提出y _ - 维两相六组分( 油、水、聚合物、交联剂、凝胶、有效盐离子) 的调剖堵水数学模型，并研制了相应的调剖数值模拟软件。1 9 9 5 年，江汉石油学院的刘 想平、刘翔鄂 6 h 等建立了一个两维两相五组分( 油、水、聚合物、交联、凝胶) 聚合物地 下交联调剖的数学模型。中国石油天然气总公司、中国科学院渗流流体力学研究所朱维 耀博士在1 9 9 6 年提出了适合于阴、阳离子聚合物交联防窜驱油的三维两相六组分( 水、 油、聚合物、总阴离子、钙离子、交联剂) 模型模拟器f p p l 6 2 1 ，并在大港油田港西四区 获得成功应用【6 3 】，在1 9 9 8 年首次提出了完备的适合于多重瞬时交联、缓交联的三维两 相七组分( 水、油、聚合物、总阴离子、二价阳离子、瞬时交联剂、缓交联剂) 的多重交 联聚合物防窜驱油组分模型模拟器晔l ，在1 9 9 9 年，又针对非等温高温油藏聚合物交联 聚合物防窜驱油数值模拟问题，首次建立了完备的非等温油藏聚合物交联聚合物防窜驱 油组分模型模拟器【6 5 】，并通过模拟研究，得到了非等温过程不可忽略的结论。2 0 0 0 年， 胜利石油管理局地质科学研究院的宋道万【6 6 】等人针对u t c h e m 软件中存在的缺陷、错 误以及算法求解方面的问题进行了改进和完善，形成了新的应用能力强的化学驱数值模 拟软件。2 0 0 3 年，宋立新【6 7 】在现有交联聚合物驱油机理及地下调剖研究成果的基础上 建立了三维三相七组分的交联聚合物调剖数学模型。2 0 0 4 年，李梅【6 8 j 等通过研究总结 国内外的有关凝胶深度调剖的数学模型，建立了新的三维三相八组分( 油、气、水、聚 合物、一价阳离子、二价阳离子、交联剂、凝胶) 的凝胶深度调剖数学模型。2 0 0 5 年， 冯其红【6 9 】等建立了油水两相多组分的可动凝胶深部调驱数学模型，并在此基础上推导了 考虑重力和毛管力的三维流线模型，实现了可动凝胶深部调驱的精确快速的模拟计算。 2 0 0 5 年，徐兵、程林松【7 0 】通过对渗流规律及物化机理作更加细致的描述推导，建立了 三维三相八组分的弱凝胶调驱数学模型。另外，石油大学的郎兆新研制出了交联聚合物 驱数值模拟软件。 由交联聚合物驱数值模拟的研究现状来看，目前国内交联聚合物驱数值模拟研究工 作还存在许多不足，要么考虑的是一维、二维情况下的交联聚合物驱数学模型，要么交 联聚合物驱过程中发生的物理化学现象描述的不够完善，或者物化机理描述过于复杂， 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 相关参数很难取到，还有算法选择导致的求解效率低等问题，这些均造成了实际运用的 困难。为此，考虑建立全新的交联聚合物驱数学模型，研制开发适于现场实际运用的交 联聚合物驱数值模拟软件很有意义。 1 3 研究内容 ( 1 ) 交联聚合物驱数学模型的建立 在充分调研交联聚合物驱油机理的基础上，明确交联聚合物的驱油过程及期间发生 的各种物理化学反应，综合考虑交联聚合物体系的增粘、吸附滞留、渗透率降低、不可 及孔隙体积、分子扩散以及交联反应动力学等物化机理，建立交联聚合物驱数学模型。 具体包括： 建立交联聚合物驱过程中油、水组分的质量守恒方程； 建立交联聚合物体系中聚合物、交联剂及交联聚合物组分的质量守恒方程； 物化参数研究。建立准确好用的交联聚合物体系物化机理描述，包括粘度、吸 附滞留、渗透率降低、不可及孔隙体积、分子扩散以及交联反应动力学等。 ( 2 ) 交联聚合物驱数学模型的求解及数值模拟软件的研制 油水相基本渗流微分方程差分方程的建立； 水相中其他组分基本渗流微分方程差分方程的建立； 交联聚合物驱数值模拟软件设计及软件编制； 交联聚合物驱数值模拟软件正确性验证。选取目前常用商业化数值模拟软件 c m g ，进行两者开发动态的模拟结果对比； 交联聚合物驱数学模型数值求解算法的改进。从渗流方程本身差分格式的选取 和差分线性方程组解法两方面，研究交联聚合物驱数学模型的精确高效求解方法。 ( 3 ) 交联聚合物驱参数敏感性分析及交联聚合物驱参数优化研究 运用研制开发的交联聚合物驱数值模拟软件对交联聚合物驱作如下两方面的研究： 交联聚合物驱参数敏感性分析研究。运用研制的交联聚合物驱数值模拟软件对 影响交联聚合物驱油效果的交联聚合物体系本身的性质参数，如聚合物吸附、不可及孔 隙体积、分子扩散及聚交比等进行分析研究； 交联聚合物驱参数优选研究。选取一矿场区块，运用研制的交联聚合物驱数值 模拟软件对影响交联聚合物驱油效果的交联聚合物驱注采动态参数，如注聚浓度、注入 速度、段塞大小及聚交比等进行参数优选研究。 7 第1 章前言 1 4 技术路线 根据上述研究内容，论文研究技术路线如图1 1 所示。 ( 1 ) 充分调研交联聚合物驱油机理，明确交联聚合物驱油过程及期间发生的各种物 理化学反应，建立考虑因素齐全的三维两相多组分交联聚合物驱数学模型； ( 2 ) 对所建立的交联聚合物驱数学模型作数值差分，建立交联聚合物驱数值模型； ( 3 ) 设计、编制交联聚合物驱数值模拟软件，并通过和商业化数值模拟软件c m g 作开发动态的模拟结果对比，验证数学模型的正确性以及软件的可靠性； ( 4 ) 运用研制开发的交联聚合物驱数值模拟软件进行交联聚合物驱参数敏感性研 究； ( 5 ) 选取一实际油藏区块，对影响交联聚合物驱开发效果的注采动态参数，从单因 素和多因素两方面开展交联聚合物驱参数优选研究。 i 望鎏薹奎垡坌查墨| 至巫互 竺d o u g l a 哥s 銎i jl 坠 分数步法i 交联聚合物驱数值模拟研究 交联聚合物驱数学模型 交联聚合物驱数值模型 交联聚合物驱数值模拟