（油气田开发工程专业论文）喇8182井区高Ⅱ118油层注聚数值模拟研究.pdf

n u m e r i c a ls i m u l a t i o ns t u d yo n p o l y m e rf l o o d i n g f o rgi i1 1 8o i ll a y e r sa tw e l lb l o c kl 8 1 8 2 a b s t r a c t i no r d e rt oe n h a n c et h er e c o v e r ye f f i c i e n c yo f t h r e ec l a s so i ll a y e r s ，i n c r e a s et h er e c o v e r a b l e r e s e r v e sa n ds e l e c tt h ep o t e n t i a ll a y e r sf o rp o l y m e rf l o o d i n g ，t h e p i l o tt e s tf o rp o l y m e rf l o o d i n g i ng a o t a i z io i ll a y e r si sl a u n c h e d t h ef e a s i b i l i t ys t u d yo fp o l y m e r f l o o d i n gi ng a o t a i z io i ll a y e r s i sc o n d u c t e dt h r o u l 曲n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fp o l y m e r f l o o d i n gi nt h et h e s i s t i l en u m e r i c a ls i m u l a t i o ns t u d yo nd i f f e r e n tp o l y m e rf l o o d i n gs c h e m e si ng i i1 1 8o f l 8 18 2 w e l lb l o c ko fl a m a d i a no i l f i e l di sp r e s e n t e di nt h et h e s i s b a s e do nt h et h o r o u g h r e s e a r c hi n t ot h eg e o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c s a n dc u r r e n td e v e l o p m e n ts t a t u so fp i l o tt e s tr e g i o n ， t h eg e o l o g i c a lm o d e l i n go fo i ll a y e r si sf i n i s h e db yt h ep r e p r o c e s sm o d u l eo fe c l i p s e ，t h e n ，t h e h i s t o r ym a t c h i n go fw a t e rf l o o d i n gi sc a r r i e do u t ，t h em a i ni n d e x e si n c l u d e ：g e o l o g i c a lr e s e r v e s ， r e c o v e r ye f f i c i e n c y , p r e s s u r e ，c o m p r e h e n s i v ew a t e r c u ta n dw a t e r c u to fs i n g l ew e l l d u r i n gt h e p r o c e s so fh i s t o r ym a t c h i n g ，i no r d e rt oe n h a n c et h em a t c h i n gp r e c i s i o n ，t h ew e l l sa r ed i v i d e d i n t ot h ef o l l o w i n gg r o u p s ：b a s i cw e l l s ，t h ef i r s ti n f i l l i n gw e l i s ，“8 - z i h a o ”w e l l so ff i r s ti n f i l l i n g ， t h es e c o n di n f i l l i n gw e l l s ，a n d 1 - z i h a o ”w e l l so fs e c o n di n f i l l i n g a f t e rt h em a t c h i n gp r e c i s i o n o fw a t e rf l o o d i n gm e e t st h er e q u i r e m e n t ，t h eg e o l o g i c a lm o d e li sm o d i f i e da e c o r d i n gt ot h ew e l l l o g g i n gi n t e r p r e t a t i o no fn e ww e l l s ，t h e nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ns t u d yo fp o l y m e rf l o o d i n gi s d o n e t h ep o l y m e rf l o o d i n gs c h e m e sa r ea sf o l l o w s ：t h ep r e d i c t i o n so fd i f f e r e n ts c h e m e si nt h e c o n d i t i o no fu n i f o r mm o l e c u l a rw e i g h ta n dc o n c e n t r a t i o n ；s h e i t l e so fd i f f e r e n tm e l o c u l a rw e i g h t a n dd i f i e r e n tc o n c e n t r a t i o n ；s h e m e so fd i f i f e r e n tp a r a m e t e r sf o rl a y e r sa n dm e l o c u l a rw e i g h t ；t h e o p t i m i z e ds c h e m e so fd i f f e r e n tp a r a m e t e r sf o rl a y e r sa n dm e l o c u l a rw e i g h t t h r o u g ht h e p r e d i c t i o na n dc o m p a r i s o no fa b o v ef o u rg r o u p so fs c h e m e s ，t h ep a r a m e t e r s ，s u c ha sm e l o c u l a r w e i g h t ，c o n c e n t r a t i o n 、i n j e c t i n gr a t e ，q u a n t i t yo fp o l y m e r , a r eo p t i m i z e d ，a n dt h ed e v e l o p m e n t i n d e x e sa n dt h er e c o v e r ye f f i c i e n c ya r ep r e d i c t e d p r o v i d i n gab a s i sf o rt h ep i l o tt e s tf o rp o l y m e r f l o o d i n gi ng i i1 1 8o i ll a y e r si nl 8w e l lb l o c k k e yw o r d s ：l a m a d i a no i l f i e l d ；gi i1 一1 8o i ll a y e r s ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；h i s t o r ym a t c h i n g ； p o l y m e rf l o o d i n g ；r e c o v e r ye f f i c i e n c y 大庆石油学院硕士研究生学位论文 第1 章前言 1 1 研究意义 聚合物驱油技术目前已经成为大庆油田提高原油采收率的关键技术措施之一，在我圈 第二大油田胜利油田也得到广泛应用，并取得了较好的开发效果。喇嘛甸油田属河流相沉 积的萨i il 十2 高i4 + 5 油层，将做为注聚开发的主要接替潜力层，进入工业化现场实施 阶段。此外的萨一组、高i6 及以下层系，属三角洲内、外前缘相沉积，砂体平面稳定发 育，非均质差异小，依靠水驱挖潜难度较大，目前采出程度在3 3 左右，剩余原油地质储 量约为1 0 8 1 0 8 t ，如何提高这部分油层的采出程度，增加剩余可采储量，是目前急需解 决的问题。随着油田开发的不断深入，如果非河流相油层成为聚驱接替潜力层，将为油用 今后产量的衔接发挥重要作用，因此有必要开展离台子油层聚合物驱油先导性矿场试验。 多年来人们一直探索开采水驱剩余油技术，如何在水驱基础t 提高石油采收率，满足 国家对石油的需求。聚合物驱油技术经过广大科技工作者的努力，在大庆已进入工业化阶 段，对大庆油田高产稳产做出了巨大贡献。但聚合物驱油和水驱相比，聚合物驱的周期长， ： 艺技术复杂，投资高，风险大。同时，在生产实践中也暴露出3 个问题：( 1 ) 聚驱后期 层间、平面矛盾仍然突出，含水、含聚浓度差异很：定；( 2 ) 聚合物段塞单一，化学剂用量 大，一般超过6 4 0 m g l p v ，调剖剂用量也较大，成本高：( 3 ) 注入压力高，部分井注入 困难，出现套损现象；因此，有待于提高聚驱开发效果。优化聚驱油藏方案是提高聚驱开 发效果的根本保证。可以根据精细地质研究成果，运用数值模拟技术优化井网、调剖、段 塞组合、注聚方式( 如分层注聚、周期注聚等) 和后续水驱设计。本文通过运用数值模拟 技术优化井网、调剖、段塞组合、注聚方式( 如分层注聚、周期注聚等) 等研究来优化聚 驱油藏方案，以提高聚驱开发效果，为聚驱提供借鉴，同时为喇嘛甸油f ；f 1 喇8 1 8 2 井区商 ：二组油层注聚现场试验提供数值模拟依据。 1 2 聚合物驱数值模拟研究现状 油藏数值模拟技术的发展和电子计算机的发展是分不开的。大体上看来，5 0 年代是 理论奠基时代，在模拟计算的方法方面做了大量的基础工作。6 0 年代起步，人们开始用 计算机解决油l 丑开发上的一些较为简单的问题。由于当时计算机的速度只有每秒j l 万到十 几万次，实际上只能做些简单的科学运算。7 0 年代有了大型标量机，计算速度达到l o o 5 0 0 万次，内存也最高增至约1 6 兆字节。而且黑油模型理论和方法也趋于成熟， d w p e a c e m a n 的油藏数值模拟基础毗及k a z i z 和a 。s e t t a r i 的油藏模拟等主要 著作都是在这个阶段出版的。软件也开始商品化，工业性应用也日益广泛。但是由于仍然 受到计算机速度和内存的限制，使用的方法一般仅限于i m p e s 及半隐式等，只能解决中、 小型油藏的模拟应用问题。8 0 年代则是数值模拟技术飞跃发展的年代，超级向量机的诞 生，使计算速度达到亿次，甚歪号称1 0 0 亿次，内存高达1 0 2 0 亿字节，各种型号的小 臣型机、并行机以及高性能工作站的相继涌现，性能价格比越来越好，为油减模拟技术的 发展和推广提供了极为有利的设备条件。与之相应的是，油藏模拟软件也有了惊人的发展， 可以概括为以下几个方面”1 ： 第一章前言 f1 ) 油藏模拟的成配套和模块化、集成化。随着计算机硬件的迅猛发展，油藏数值 模拟软件已基本形成了一整套能处理各种类型油、气藏和各种不同开采方式的软件系列。 黑油模型已被广泛用于各种常规油、气藏的模拟，如油、气田开发方案的优选、地下剩余 油分布状况的分析和老油田的开发调整等；裂缝油藏模型可用来解决除砂岩咀外的灰岩、 花岗岩、凝灰岩和变质岩的裂缝性油、气藏开发问题；组分模型用于凝析气藏、轻质油和 挥发油藏的开发设计和混相驱的研究；热采模型用于稠( 重) 油油藏蒸汽吞吐、蒸汽驱和 就地燃烧的设计；化学驱模型用于在注入水中添加聚合物、表面活性莉、碱等各种化学剂 进行三次采油提高采收率的计算和设计。这些软件以前都是单独使用的，近几年来油藏模 拟发展的一个明显趋势是它们的模块化和集成化，即把许多不同处理方法、不同功能、可 用于不同情况的模型以模块的形式结合到一个软件中，形成所谓多功能软件系列。例如： 这种软件系列可以包括： 按性质分：黑油模型、组分模型、混相驱模型、热采模型、化学驱模型等。 按油藏类型分：砂岩油田模型、裂缝性油田模型、气田模型、凝析气田模型、复杂断 块模型等。 按模型解法的隐式程度分：i h 卵e s 方法、半隐式、交替隐式、全隐式、自适应隐式等。 按线性方程组解法分：各种节点排序方法、各种直接解法以及各种迭代方法等。 井的处理方法上分：常规处理方法和隐式井底压力方法，并可对井、并组、区块及全 油田给定各种条件。 当然，这种作法并不是仅仅简单地把各种各样的模型“拼盘式”地集合到一起，得至0 一个各种模型和各种功能的算术总和，而是充分利用了备种模型的共性，尽量使这些模型 能共享最新成果。并且将各种不同功能有机地组合起来，形成远比这些功能的算术总和更 为强大和更为方便的新功能。可以处理更为复杂的情况。如模型的输入、输出部分是各种 模型必须有的。一旦将多种模型结合到一一起，就可以共享同一输入或输出模块，不仅减少 了工作量，而且方便了用户。线性方程组的求解程序，也是各种模型所必备的，实现了软 件的集成化以后，也就没有必要每个模型都带一个程序包了，而且各种求解方法都形成一 个个模块，便于按情况选用。在油田开发中，有时会遇到对同一油藏的不同区块采用不同 方式开采的情况，或者同一油藏先后采用不同的方法开采，如先注水后注化学剂进行三次 采油等，在这些情况下，集成化软件的不同功能就可以有机地结合起来，共同或依次完成 模拟计算。 ( 2 ) 工作站技术的广泛应用。随着3 2 位高档微机和网络技术的发展，油藏模拟计算 中工作站技术近年来发展十分迅速。它可以对油藏模型进行前、后处理，使模拟计算的实 际应用从大量的人工劳动中解放出来，极大地方便了用户。在用工作站进_ 亍前处理时，把 卡片输入和人工键盘输人改为图形和曲线的数字化桌输入，并进行网格系统的自动剖分和 各节点的数据自动赋值。近来，把它和数据库技术相结合，并考虑应用自动扫描输入，使 数据输入和处理工作更为简便。在进行后处理时，计算结果从打印机输出和大量繁杂的人 工整理改为彩色三维可视化图形显示和彩色硬考贝或绘图仪输出，既方便又美观，近来还 向动态显示方向发展，可以更为直观地对计算结果进行分析和研究。这些，使油藏模拟：e 作从手工方式中解放出来，真正达到现代化工业应用的水平。由于工作站计算机内存和速 度不断增加，近年来已出现了既做前、后处理工作，同时也进行模拟计算的油藏模拟一体 2 大庆石油学院硕七研究生学位论义 化的工作站。由于这类计算机性能价格比越来越好，使用方便，易于推广，发展前景未可 限量。 ( 3 ) 油藏数值模拟方法的新突破。随着计算机硬件的发展，在油藏模拟中使用的数 学方法也有不少新的突破和发展，包括：为了充分发挥超级向量机快速运算的优势向量 算法的出现和应用是软件设计上个划时代的发展；为了更快速、有效地解各种更为复杂 和困难的大型稀疏线性方程组，发展了一系列预处理共轭梯度型的新型算法，这类算法无 论在对各种难题的适用性方面，或是在计算速度方面都远远地超过了以往的各种迭代方 法；为了更为灵活地按需要进行嗣格的剖分，发展了静态和动态的局部网格加密技术；为 了自动地按需要来确定各节点的隐式程度，开发了自适应隐式方法；为了更好地进行井的 处理，发展了各种形式的井处理技术；为了更好地运行组分模型，各种状态方程在相态计 算中已得到广泛的应用。同时各种新的算法，如多重网格法、并行算法、混合有限元法等， 也都在探索和发展中。 ( 4 ) 行业性软件体系的形成。油藏数值模拟是油藏工程研究的一个组成部分，因此 为了提高整个油藏工程的研究水平，近年来，不仅用计算机进行油藏模拟研究的技术有了 迅猛发展，其他的各个环节包括：地震、测井、试井、油藏描述、采油工艺、地面集输、 经济评价等也都有了一系列软件。通过数据库技术的应用；以及上述各种软件的集成，形 成全行业的综合软件平台，将大大提高油田开发的整体研究水平。 随饕电子计算机技术、软件技术及油田开发中多种采油技术和理论的发艘，油藏模拟 技术正在不断完善和发展，模拟越来越复杂的采油工艺方法的软件不断地涌现和完善，目 前除广泛使用于水驱、气驱模拟计算的黑油模型外，还有描述多种热采方法的热采模型， 描述二氧化碳等气体混楣驱油方法的混相驱模型，描述聚合物驱、表面活性剂驱等化学方 法驱油的化学驱模型等。在化学驱模型基础上又根据研究和应用的需要，把聚合物模拟部 分独立出来而构成聚合物驱模型，应用聚合物驱模型，研究解决聚合物驱油工程中的理论 和实际问题，称作聚合物驱数值模拟。 大庆油田经过“七五”、“八五”攻关研究，在引进化学驱模型基础上，独立开发出适 应于聚合物驱模拟研究的“p o l y m e r ”模型，该模型有比较完善的油藏地质和开发动态 描述功能，有准确的快速计算功能“1 1 。在此基础上，又将它与黑油模型结合，研制出了新 软件“v i p p o l y m e r “模型，它保持黑油模型对浊藏地质和流体性能及开发动态过程详 细描述功能，又保留了“p o l y m e r ”模型对聚合物驱油机理比较全面描述功能。应用这 些软件在聚合物驱油机理、驱油效果影响因素、驱油条件优化选择、驱油方案设计及动态 研究、效果预测评价等计算研究等计算研究中取得了重要成果。但“p o i x m e r ”和 “v i p p o l y m e r ”存在一些不足，由于其理论模型受基本假设条件的限制，所预测的结 果与实际情况有较大的差异，特别是对油层非均质性、流体、岩石可压缩性、聚合物溶液 的粘弹性等因素的考虑过于简单，在预测不同地质条件、人工措施时，所得动态指标和最 终采收率值差别不大。另外，“p o l y m e r ”和“v 1 p p o l y m e r ”运算时闯长，所需存储 最大，在现场应用时受到一定的限制。 国外对三次采油数值模拟技术研究上给予了很大的重视，建立了几种比较广泛应用的 兰次采油方法的数学模型，并推出了一些商业性软件，e c l i p s e 就是比较出色的一个软件。 与完善、成熟的黑油模型相比，聚含物驱模型还有些需要改进的地方，例如：人为扩散 1 第一幸前言 和数值弥散所引起的数值误差：对粘度指标作进一步的考虑等。 4 大庆石油学院硕士研究生学位论文 第2 章聚合物驱油机理及数学模型 聚合物驱油就是在注入水中加入高分子聚合物达到增加水的粘度、改善水油流度比、 提高波及效率及微观驱油效率，从而提高采收率。在美国，聚合物驱开始于2 0 址纪5 0 年 代末，矿藏试验开始于6 0 年代中期。进入7 0 年代，前苏联、加拿大、英国、法国等相继 进行了聚合物驱矿藏试验。1 9 7 2 年，我国大庆油田进行了聚合物驱矿藏试验。现在聚合物 驱油已成为大庆油田高产稳产的重要技术手段” 数学模拟作为研究油藏的主要方法之一，其原理就是通过求解描述某一物理过程的数 学方程式( 组) 来研究这个物理变化规律的方法”。自然界的物理现象，常常可以用某一 数学方程式或方程组来加以描述，这种方程式或方程组就称为原现象的数学模型。因此， 所谓数学模型并不是一个实体模型，而是从物理现象中抽象出来，能够描述该现象物理本 质的一个数学方程式( 组) 。 2 1 聚合物的化学及物理性质 聚合物的化学物理性质决定了聚合物驱的效果，要认识分析聚合物驱油机理，必须搞 清楚聚合物的化学物理性质。这里只简要地介绍一下目前大量使用的人工合成聚合物 聚丙烯酰胺( p a m ) 。 2 1 1 聚台物的化学性质 由于注聚三次采油中几乎都是应用聚丙烯酰胺，这里的聚合物化学性质实质上指聚丙 烯酰胺的化学性质。聚丙烯酰胺有非离子型、阴离子型、阳离子型三种产品，其中工业用 于驱油的是阴离子型聚丙烯酰薮，也称为部分水解聚丙烯酰胺( h p a m ) ，其基本分子结构如 下： c h 2 一c h c = o n h 2 当聚丙烯酰胺作为添加剂加入水中形成聚合物水溶液驱油时它会与溶液中的离子发 生强烈反映形成部分水解聚丙烯酰胺。水解聚丙烯酰胺分子是柔性链结构，在高分予化学 中有的称为无规线圈。与黄原胶相比，聚两烯酰胺不像黄原胶的螺旋结构那样具有固定的 次级结构，能提供刚度。另外由于聚丙烯酰胺链是柔性的，它更容易受到水溶剂中的离子 强度影响，而且其溶液性质对盐度比更加敏感。 21 2 聚合物的物理性质 聚合物驱油主要是利用了把聚丙烯酰胺加入注入水中使聚合物水溶液的粘度增鸯l l ，从 而改善油水流度比以使波及体积增加，提高驱油效率。这鼙从聚合物驱油的目的出发，介 绍聚合物的增粘性、流变性、稳定性三方匝的物理性质。 i 聚合物的增粘性 注水驱油效果较差，原油采收率低，就是因为油井见水早，油层严重非均质性导致指 第二章聚合物驱油机理及数学模型 进现象严重，人们认为聚合物驱油会弥补注水驱油的这一一缺陷。事实上通过在水中添加高 分子聚合物可以增加水的粘度以及降低侵入区油层的渗透率，使驱替稳定，降低指进，增 加波及体积。由于聚合物是高分子化合物，而作为驱油应用的溶荆是水，高分子的聚丙烯 酰胺与低分子的水溶剂的分子的分予尺寸相差太大，导致分子运动速度的巨大差别。因此， 水溶剂能以比较快地渗入到聚丙烯酰胺内部，使聚合物体积膨胀，然后聚合物才均匀地分 敖在溶剂中，形成完全溶解的分子分散体系。在聚合物溶液中，偶极水分子通过吸附或氢 键在高分子周围形成溶剂化层或成为束缚水同时因带电基团闻的静电斥力而使聚合物分 子更加舒展无规线团体积增大，所有这些都使分子运动的摩擦增大，流动阻力增大，由此 增加注入聚合物水溶液的粘度。但文献”1 确认为聚合物溶液如何增粘还不很清楚，只能做 出这样的物理解释：聚合物链和水溶剂分子间的相互作用，沉降、扩散、碰撞、摩擦等导 致能量分散而增粘。这就说明聚合物增粘性的物理化学祝理有待深入分析研究。 聚台物溶液的粘度与聚丙烯酰胺的分子量、溶液粘度、水解度、温度、水的矿化度有 关，具体来讲：( i ) 粘度与分子量成正比：分子量越高，聚合物溶液的粘度越大；t 2 ) 粘 度与粘度成正比：聚合物溶液的粘度随着其浓度的增加而增大，并且增加的幅度随着浓度 增加而增加：( 3 ) 粘度与水解度成正比：聚丙烯酰胺的水解度越高，聚合物溶液的粘度越 高，当水解度达到一定程度后，粘度的增加趋缓：( 4 ) 粘度与温度成反比：聚合物溶液的 温度越高，其粘度越低，但在温度降解之前聚合物的粘度是可以恢复的；( 5 ) 粘度与矿化 度成反比：水溶荆中的矿化度越高，聚合物溶液的粘度越低。尤其需要注意的是高价阳离 子不但能够严重地降低聚合物溶液的糙度。而且它还会引起聚合物的交联，从而使聚合物 从水溶液中沉淀出来。因此，在聚合物溶液的配制时需考虑三方面的因素：油田水要满足 配制要求，高价阳离子含量不能过高：另一方面，在用聚合物溶液驱油时，要考虑地下油 藏高价阳离子的含量即地下水的矿化度、温度对聚合物溶液粘度的影响：晟后就是要注意 配制的聚合物溶液的分子量、浓度必须与聚合物驱油目的相一致“1 3 。 为了估计聚合物溶液的增粘效果，必须估计聚合物溶液的粘度。一方萄，可以直接应 用粘度计测量配制聚合物溶液的粘度；另一方面，可以从其物理属性考虑。因为在“定的 剪切速率下，聚合物溶液的粘度是其浓度和含盐量的函数，由下式表示 。= 。【1 + ( a i + a 2 c ：+ 爿 c ：) ( c 。，) 】 ( 2 1 ) 其中a 。、a ：、a ，、a 。为待定系数。但聚合物溶液驱油时其粘度与流动中受到的剪切应力 有关，即要考虑流动中的剪切速率。但聚合物溶液的粘度足够高时，聚合物溶液表现为非 牛顿特性。用密特( m e t e r ) 方程可表达在一一定含盐量c 。、一定浓度c ，下粘度p ，与剪切速 率y 的关系 。：生! 三( 2 - 2 ) p2 。1 + y y v _ 式中：。聚合物溶液粘度，m p a 。s 。水的粘度，m p a s ； 流变曲线外推至剪切速度为零时对应糕度鳓极限值； 大废石油学院硕匕研究生学位论文 y i 2 p ，降至( 。+ 以) 2 时的剪切速率，m s 。 2 聚合物的流变特性 三次采油驱替剂水中由于加入高分子聚丙烯酰胺后，水溶液的粘度增加，其流动性发 生变化。这里的聚合物流变性指在外力作用下，流动过程发生形变的一种特性。这种流变 特性的研究已非常清楚，通常都是做出不同聚合物分子量的流变曲线进行对比分析。这种 流变曲线在许多参考书上都可以查到，此处不再画出不同分子量流变曲线对比分析图。通 过对高分子聚合物溶液流变曲线的实验测定并结合理论分析，聚合物溶液属于非牛顿流 体，其剪切应力与剪切速率之间的关系，一般而言与时间无关或基本无关。它由第一牛顿 段、假塑段、极限牛顿段、粘弹段、降解段组成。 聚合物溶液在多孔介质中流动时的固有属性可以通过实验测定，从而估计聚合物驱油 的效率。这就是聚合物的粘弹性问题及其流动阻力系数的测定问题。后者包含阻力系数厂r 和残余阻力系数厂，。 ( 1 ) 粘弹性问题。为了方便地检测聚合物分子的粘弹性，j e n n i r t g s 等研制了一秘簿网 粘度计，模拟聚合物溶液在变径处的流动，用筛网系数 ，= p 3 ) 泉表征，其中f 。代表固定体积的聚合物溶液通过筛网所需时间，f 。代表等体积的溶剂( 通 常用水) 通过筛网所需的时间。筛劂系数与聚合物粘弹性之间有很好的对应关系。在研究 聚合物驱提高石油采收率时通常将筛网系数作为控制聚合物质量的一个重要参数，低的 筛网系数通常表现为聚合物溶液具有高的注入性。因此，常常要求聚合物具有高的增粘能 力和低的筛网系数。筛网系数实际上是聚合物分子在拉伸应力下所表现的应变，表征r 有 拉伸引起的粘度变化”1 “。 ( 2 ) 阻力系数f 问题。聚合物溶液在多孔介质中流动时，流体速度与压力梯度的关 系要比达蔼定律复杂得多，需要同对使用多孔介质模型和聚合物溶液的流变模型( 包括剪 切稀释和在高流速下的剪切增稠) 进行描述。p y e 最早提出了聚合物溶液在多孔介质中流 动的描述参数阻力系数f ，它被定义为注入水( 盐水) 的单相流动能力与聚合物溶液 单相流动能力之比“”6 1 f ：拿：垒( 2 - 4 )j ? x pk ? 或者 ，：生丝 。 心。u ， 式中：只注入聚合物溶液的注入压力降 蛾注入水的注入压力降 f 2 5 1 7 第二章聚台物驱油机理及数学模型 。注入水的流速，m s ； 。注入聚合物溶液的流速，m s 。 ( 3 ) 残余阻力系数 问题。聚合物溶液在多孔介质中渗流时的压力降不仅仅是聚合 物溶液的粘滞效应、粘弹效应以及渗透率降低引起的，还应当考虑聚合物的吸附和滞留效 应“。由于聚台物在岩石上的吸附以及在小孔隙中的围捕，减少了孔隙的水动力学半径流 动通道，造成了多孔介质渗透能力的永久降低。为了荤独考虑渗透率永久性的降低，可引 进残余阻力系数f ，它是聚合物溶液渗流前后盐水渗流速度之比 厶：竽：警垃( 2 - 6 ) “ 。，a p 。b “。 式中： 丑。聚合物溶液渗流前盐水渗流流度，m s 五。聚合物溶液渗流后盐水渗流流度，m s j d _ 聚合物溶液渗流前盐水渗流时的压力降 聚合物溶液渗流后盐水渗流时的压力降 。聚合物溶液渗流前盐水渗流速度，r i d s 。聚合物溶液渗流后盐水渗流速度，m s 。 显然，f ，系数表征了聚合物溶液造成的多孔介质渗透率的永久损失，它是聚合物溶液 封堵孔隙通道能力的度量，衡量聚合物驱时油层吸水剖面改善( 高渗透层渗透率的降低) 的一个标准。同样， 系数则是衡量聚合物驱时流度比改善的一个标准，其值的明显增加 表明聚合物溶液改善油水流度比的能力增强。 总而言之，聚合物的流变性从三方面亥画：( 1 ) 高分予聚合物溶液在拉伸力作用下所 表现的应变性，即筛网系数f 。筛网系数越小，聚合物溶液注入性越好。( 2 ) 阻力系数f 用于刻画聚合物溶液在油藏多孔介质中流动时总流度降低状况。要注意区别它与渗透率下 降系数r 。的不同，尺。是聚合物在多孔介质中降低渗透率的能力刻画。( 3 ) 残余阻力系数以 刻画了聚合物溶液在油藏多孔介质中流动因吸附和滞留效应所引起的多孔介质渗透率永 久损失。而前两方面确是聚合物在多孔介质中的粘弹性、粘滞性导致粘度的变化。 3 聚合物的稳定性 聚合物驱油的目的就是保持其适当的粘度，但在注入聚合物溶液h 寸由于各种原因聚 合物高分子链会提前出现断裂，破坏了大分子结构，达不到聚合物驱要求，这就是所谓的 聚合物降解“”。因此，为了保持聚合物溶液的稳定性以达到理想的驱油效果，我们必须研 究聚合物的稳定性。在聚合物驱采油中通常有以下三种降解：( 1 ) 生物降解，由于聚合物 高分子受到细菌作用所造成的聚合物降解如在聚合物溶液储存期间或注入聚合物溶液在 油藏内部。( 2 ) 机械降解，由于聚合物高分子受到较大剪坍应力引起聚合物分子链断裂所 8 大庆石油学硫硕士研究生学位论文 造成的聚合物降解，如在并筒附近的高流速区域，或在聚合物注入设备的某些地方如油嘴 等；( 3 ) 化学降解，由于氧化作用所引起的迅速化学反应或水解作用对分子骨架长期化学 作用造成聚合物分子链断裂所构成的聚合物降解。由于生物降解和机械降解可通过合理的 分子没计或合理的注入方案避免，所以化学降解研究才是保持聚合物稳定性的熏要方丽。 ( i ) 生物降解 细菌对离分子聚合物的破坏作用主要发生在聚合物储藏期闯以及油藏温度较低的地 方，防止生物降懈最基本的方法就是在聚合物溶液中加入生物杀菌剂如甲醛或其它化学制 品。但问题出在生物杀菌剂又会与其他保护聚合物的化学品发生反应，如杀菌剂与除氧剂 发生反应，从而依然破坏了聚合物的化学稳定性。如何合理地瓣决这对矛盾，需要更深入 的研究。例如，寻找合适的生物杀菌剂就是一个理想的解决途径。 ( 2 ) 机械降解 所谓机械降解指聚合物溶液因受到剪切应力或拉伸力使商分子聚丙烯酰胺的分子链 断裂而出现的降解。高分子线型柔顺的聚丙烯酰胺聚合物很容易发生机械降解。例如，聚 合物溶液在配制时、在输送过程中、在通过射孔炮眼注入时、在井筒附近的地层或整个油 层渗流过程中，都可能受到高应力作用而发生机械降解。 聚合物溶液自身性质也影响机械降解。聚合物溶液分子量大、阴离子度高的水动力学 体积较大，引起的摩擦力较大，所受张力也随之而增大，由此造成大分子出现断裂而发生 降解。m a r t i n 在直径1 9 e m ，长度为4 6 4 c m ，渗透率为8 5 0 1 0 31 - tm 2 ，孔隙度为2 1 的岩 心上，研究了各种不同分子量的聚合物注入速度与粘度关系：每一种分子量的聚合物都随 注入速度的增加，粘度下降，且分子量越高，粘度下降幅度越大，但在相同的情况下高分 子量聚合物仍比低分子量聚合物有较高的保留孝占度。另外就是聚合物溶液的浓度对机械降 解的影响。在低浓度范围内反映不明显，或机械降辑随聚合物浓度的增加略有加大：但但 聚合物溶液的浓度达到一定的临界值后聚合物的降解随溶液浓度的增加而降低。 水溶剂中矿化度会造成聚合物溶液的机械降解。当聚丙烯酰胺溶于水后，由于羧钠基 的离解，带负电的分子链吸引偶极分子形成扩散双电层，n a c i 的加入抑制了羧钠繁的离解， 减弱了双电层的电势，随着溶液中n a + 增加，扩散双电层的电势迅速降低使分子卷曲缩 小，分子水动力学体积减小，尤其是二价阳离子有更多的正电荷。这个作用更大。因此， 聚合物的降解随矿化度的增加丙加大。 ( 3 ) 化学降解 化学降解指高分子聚合物在一些化学因素( 热氧、残余杂质) 的作用下发生的化学 还原反应，使离分子链断裂或改变了高分子结构，由此导致聚合物的分子量下降，粘度降 低的现象。 化学降解主要是如下三方面所引起的，氧、聚合物中的添加剂( 如杀菌剂) 、金属或 金属离子( 如铁等) 。下面主要从这三方面讨论聚合物( 聚丙烯醺胺) 的化学降解问题。 当聚合物与空气接触时，在较低温度下，聚丙烯酰胺降解较小。例如2 0 0 0 m g l 的 d o w - 5 0 0 聚合物在4 6 的合成盐水中，其总矿化度为3 8 4 l m 叠，l ，c a ”和m 9 2 + 分别为1 3 m g 。 和6 m g l 内，在1 8 个月粘度下降了5 0 。降解程度还与温度p h 值有关，温度升高和p h 值降低都会使降解加剧。尤其使在有f e 2 + 、h 2 s 或还原物质存在时，聚丙烯酰胺会发生剧 烈降解。另外降解还与聚丙燎酰胺的水解度有关，非离予型聚合物在水溶激中处于无规 第二= 章聚含物驱油机理及数学模型 则线团状态，当阴离子度增加时，因羧基负离子间的静电排斥作用，大分子链就由无规则 线团状态逐渐舒展开来，这更容易受热和氧化作用，从而造成分子链断裂。 为了杀菌或抑制细菌生长，在聚合物溶液中常加杀菌剂如甲醛。甲醛引起的化学降解 机理虽然不十分清楚，但通过实验研究表明，甲醛浓度在2 0 0 4 0 0 m g l 时对聚合物溶液 韵稳定效果最好，浓度过高或过低都将使聚合物发生化学降解。 金属以及金属离子对化学降解有显著影晌。在无氧情况下，聚合物溶液中即使含有金 属或金属离子，它也比较稳定。但在有氧或空气接触时，其化学降解非常迅速。由于油藏 中f e ”、f e ”及h 2 s 是比较常见的物质，在有些聚合物驱中，对静态混合器和注入并井口 取样分析，f c 2 + 的含量分别在0 6 m g l 和l o m g l 左右，站内注入水中f e ”的含量平均在 4 m g l 左右。因此，聚合物驱采油中防j t 聚丙烯酰胺的化学降解非常重要。 2 2 聚合物驱油机理 对聚合物驱油效果解释存在者两种明显的观点：一种观点认为聚合物驱油主要作用在 于改变油水流度比，扩大波及体积，聚合物驱是一种改善的水驱，并不能提高驱油效率， 如赵永胜等“”就认为聚合物驱可以提高波及效率，但不能提高驱油效率；郭尚平等”利用 微观渗流模型，认为聚合物聚合物驱提高驱油效率的机理是由于聚合物溶液与油的剪切应 力大予水与油的剪切应力。另一种观点认为聚合物驱可以提高驱油效率，依据是聚合物驱 与水驱后检查井岩心分析的驱油效率所进行的直接对比，并力图通过粘弹性、流变学室内 研究证明聚合物水溶液提高驱油效率的具体数据，如王德民等“。1 根据微观渗流实验结果， 分析了聚合物溶液提高微观驱油效率的机理是聚合物溶液的粘弹性效应。王德民等通过 实验室岩心驱油实验，对水驱后的不同残余油类型进行了研究，并认为如果选择聚合物溶 液性能合理，即可提高微观驱油效率；夏惠芬等”通过理论分析和徽观渗流模型实验分析， 认为粘弹性的聚合物溶液均会不同程度地降低各类残余油量，从而提高微观驱油效率，但 第二种观点现在已普遍认可。 总地来说，聚合物驱油提高石油采收率的基本原理可概括为两点：( 1 ) 在水溶剂中加 入聚合物可增加驱替水的粘度。”，降低水的流度，由此极大地降低油水漉度比，以减缓水 驱指进现象，改善油层横向及微观孔隙结构的非均质状况，缓解窜流、绕流等现象，增加 驱替水的波及体积。( 2 ) 改善驱替水在垂向油层问分配比，调整吸水剖面，增强低渗透率 层和正韵律沉积层内上层部位吸水能力，从而减缓水沿高渗透层窜进的现象，改善驱替水 的波及体积。 2 3 聚合物驱油数学模型 为了把握聚合物驱油过程油藏动态特征，寻求最佳的油藏工程参数设计，最佳的聚合 物驱油开发动态控制，最佳的聚合物驱开发决策管理，以期获得最少投入、最大产出、最 高采收率的聚合物驱油开发，我们必须要对水驱结束时的油藏状态做出评价，对聚合物驱 进行室内模拟研究，对开发做出方案设计。这墨对聚合物驱驱油模拟研究至关重要，而研 究中的静动态指标计算决定者对聚合物驱开发效果的评价，也决定着最终是否实施聚合物 驱油。从聚合物驱油藏工程计算角度来看，整体聚合物驱油数学方法的应用，数学模型的 建立非常重要。从系统性、全局性考虑聚合物驱油，依据已知的聚合物瓤油机理，应用现 代数学方法，综合考虑备鼠素的影响，来建立整镰聚会物耀数攀模型。 l a 大庆石油学院硕士研究生学位论文 聚合物的运移性质、与岩石的相互作用和可能存在的化学反应以及非牛顿流变性，使 得聚合物在多孔介质中的渗流特征非常复杂。因此，无论进行室内实验还是用数值横拟软 件进行数值模拟，通常都希望知道聚合物驱油的如下物理特征及其指标值。 ( 1 ) 聚合物在多孔介质中流动时的表观糙度，这主要取决于聚合物在多孔介质中流 动期间的聚合物浓度及其流动速度。 ( 2 ) 聚合物的吸附、滞留、渗透率降低，这是影响聚合物驱油效果的重要量化值。 ( 3 ) 运移性质，聚合物在多孔介质中流动时聚合物高分子具有扩散、不可进和不t 玎 及孔隙体积效应，这取决于聚丙烯酰胺的高分子量。 ( 4 ) 化学反应，聚会物在油藏环境下可能会发生一些化学反应引起聚合物的化学降 解，由此导致聚合物粘度损失，或者油藏中的高价阳离子如三价铁离子发生交联反应生成 凝胶物质。 ( 5 ) 热效应，聚合物的某些性质如降粘速率与温度有关。 ( 6 ) 敏感性，聚合物溶液对油藏环境星的矿化度、p h 值等比较敏感。 如果同时考虑各种因素对聚合物驱油效果的影响，建立的数学模型势必非常复杂，因 此这里首先考虑在一维空间中建立聚合物驱油的数学模型以揭示聚合物驱油机理，并将结 论应用于聚合物驱油方案设计或了解聚合物驱未来动态。 2 3 1 模型假设条件 建立数学模型的假设条件为： ( 1 ) 流体为油水两相，水相中含水和聚合物两种组分； ( 2 ) 水与聚合物完全混溶，而油与水、油与聚合物完全非混溶： ( 3 ) 油、水、聚合物溶液在油藏内按达西定律流动； ( 4 ) 聚合物在孔隙表面上的吸附作用是瞬时完成的，忽略吸附作用对孔隙度的影响； ( 5 ) 流体和岩石不可压缩，并考虑奏力和毛管力的影响；考虑扩散、吸附等作用； ( 6 ) 忽略聚合物溶质对含水相密度的影响。 从物质守恒原理、压力变化机理、浓度变化过程三方面来描述聚合物驱数学模型。整 个聚合物驱基本数学模型是基于注入溶液的相和组分可压缩带吸附混溶和非混溶混合驱 动的数学模型。 2 3 2 数学模型 聚合物驱数学模型是基于如下基本方程： 1 质量守恒方程 在考虑粘性力、重力、毛管力以及物理弥散条件下，多组分化学渗流方程为”“ 旦+ v t ：h 。( = 1 , 2 ，a ，r ) ) 删 式中：k 组分序号； 见组分数： 睨组分七的质量浓度： 第二二章聚台物驱油机理及数学模型 r 达西速度和弥散项 以源汇项。 如果设单位孔隙体积中k 组分的总孔隙体积包括吸附的所有相之总和为，有 己= ( 一量k = 1 c 。) 粪s ，+ c 。，t = t z 人以 c z 固 公式( 2 - 7 ) 中组分k 的质量浓度可表示为 吼= 霰p 。 ( 2 9 ) 式中s ，f 相饱和度； n 纯k 组分在参考压力只下的密度( 参考压力通常为地面条件，0 1 m p a ) ： q 组分吸附浓度。 公式( 2 7 ) 中的弥散项可表示为 曩：羔风( c 。西一玩) ( 2 1 0 ) 对于弥散量，可假设为f i c k 定律形成( 下面的推导是x 方向，同样可推导y 和。方向) 西。= 筘，巧v c 。 ( 2 1 1 ) 瓦= 帮，瓦，7 c 。， ( 2 1 2 ) 它包括摩尔扩散( 巩) 矢量，计算如下 = 争屯+ 翻毛+ 警 陋渤 式中 吒，、相，在垂直和水平方向的弥散量； r 弯曲度； 鱿、吼相l 在、方向的达西流量； 回1 每一相的流量矢量，其大小( 模长) 为| 西l = 抓戛干蕊。 由此将式( 2 1 1 ) 代入式( 2 一1 0 ) 可得强散量表达式。 对于达西定律的相流量有 酉：一掣一v a ) ( 2 - 1 4 ) 大庆石油学院硕士研究生学位论文 式中：k 渗透率矢量； h 垂直深度； 相对渗透率： 综合式( 2 - 9 ) 、式( 2 一l o ) 、式( 2 - 1 1 ) 、式( 2 - 1 2 ) 便得到式( 2 - 7 ) 对于源汇项以，它是某组分所有速率项的组合，可表达为 h 。= s 州+ ( 1 一玩+ v 。 ，_ i 式中： v 。单位体积七组分的注入产出速率，m s ； 中的弥散相e 。 ( 2 15 ) y 。y h 相，和固体项的反应速率，m s 。 2 能量守恒方程 通过假设能量仅为温度的函数，且油相或液相中能量仅以对流和热传导方式进行，则 能量平衡方程为防“ ，一g 。= 昙 o 一妒，凤c 。+ 善n s c 。 丁+ v 善p 。c 叫q ，r 一丑v ，1 c z 一s ， 式中：t 油藏温度，； c 。，c 。固体和相l 在恒定体积下的热容； c 。相在恒定压力下的热容： 厶热传导率( 常假设为常数) ； ，单位体积含源项； g 。向上、下盖层及固体中的热损失。 3 眶力方程 将组分质量守恒方程( 2 - 7 ) 叠加，代入相应螅达西速度项和源汇项，可得到下面的