提高原油采收率原理

中国地质大学石油工程专业选修课,2010年11月10日,资源学院石油系YuanCaiping,第1页,提高原油采收率原理ENHANCEDOILRECOVERYTHEORY,袁彩萍2010.11.10,本章的重点：1、从微观和宏观上分析水驱油的形成机理；2、从平面、垂向上分析水驱油采收率低的主要原因；3、从驱油动力（粘滞力）和阻力（毛管力）因素着手，探讨提高水驱油采收率的主要途径。,2010年11月10日,资源学院石油系YuanCaiping,第2页,Chapter1水驱油机理,第一节油藏排驱过程中的力1、毛细管力（1）亲水毛管,2010年11月10日,资源学院石油系YuanCaiping,第3页,Chapter1水驱油机理,注水,水,r,对于亲水毛管，由于Pw。Pc方向指向非润湿油相方向，与水驱油方向一致，是动力。,毛管中，因为两种不互溶液体中的界面存在张力，在分界面上存在压力差，这个压力差称毛管压力。,界面张力（）:指表平面的单位表面长度上的作用力（mN/m）。油水是两种不互溶液体，其高达30-35mN/m。,（2）亲油毛管,2010年11月10日,资源学院石油系YuanCaiping,第4页,对于亲油毛管，由于90,必然有PoPw。Pc方向指向水相，与水驱油方向相反，是水驱油的阻力，要实现水驱油必须建立人工压差克服毛管力。,注水,水,r,Chapter1水驱油机理,Pc,2、粘滞力：孔隙介质中的粘滞力是以流体过介质时所出现的压降大小来反映的。计算粘滞力大小最简单近似的方法是把一束平行毛管作为多孔介质，则以层流的方式通过单根毛管的压降可由Poiseuille定律给出：,2010年11月10日,资源学院石油系YuanCaiping,第5页,P穿过毛细管的压降；L毛管长度；r毛管半径流体的粘度；V流体在毛细管中的平均速度；gc换算系数。,Chapter1水驱油机理,对一束尺寸相同的毛细管，渗透率可用下式表示：K=12.93107d2K毛管束的渗透率，m2；d毛管直径，cm；毛管束的有效孔隙度。孔隙介质中的粘滞力可根据达西定律表示为：,2010年11月10日,资源学院石油系YuanCaiping,第6页,P穿过孔隙介质的压降，P2-P1L孔隙介质的长度;K孔隙介质中的渗透率;孔隙介质中的孔隙度;流体的粘度;V流体在孔隙介质中的平均速度。,Chapter1水驱油机理,第二节微观水驱油机理注水驱油微观效率（ED）：ED等于从注入水波及过的单位孔隙体积中采出的油量（地面储罐条件下）除以注水开始时被水波及的单位体积的原油地质储量（地面储罐条件下）。,2010年11月10日,资源学院石油系YuanCaiping,第7页,Chapter1水驱油机理,当被波及的孔隙体积中含油饱和度降至残余油饱和度（Sor）时，油的地层体积系数（FVF）相等：,2010年11月10日,资源学院石油系YuanCaiping,第8页,Chapter1水驱油机理,例：一个油藏在钻井后即将注水开发。模拟油藏条件先所做的注水试验表明，岩心的剩余油饱和度为0.28，而其原始含油饱和度为0.67。如果原油的FVF为1.4且在注水过程中不变的话，试计算注水驱替效率。解:,微观上建立并联毛细管模型（1）不存在毛细管力的排驱机理：单根毛管中两相流公式：,2010年11月10日,资源学院石油系YuanCaiping,第9页,V油水界面推进速度；LA、B两点间的毛管长度；x油水界面距入口端A的距离；r毛管半径。,Chapter1水驱油机理,流速与毛管半径平方成正比。因为wo,随着油水界面位置x增加，分母变小，速度增加：,2010年11月10日,资源学院石油系YuanCaiping,第10页,Chapter1水驱油机理,并联毛管在r1r2情况下,2010年11月10日,资源学院石油系YuanCaiping,第11页,在x=L处也是Vr1附加毛管阻力附加毛管阻力与油滴长度无关，油滴越长，分布在毛管上的附加毛管阻力梯度越小，在一定的粘滞力作用下，油滴越容易被排驱。,Chapter1水驱油机理,2010年11月10日,资源学院石油系YuanCaiping,第25页,第三节宏观水驱油机理一、活塞式驱替活塞式前缘推进，是指排驱介质（水）一次性地排驱它接触到的油，在前缘后方不存在可流动的油（仅残余油）。,油水前缘：原始油带与水波及区之间的弯液面。它随注水继续进行而向前推进。,Qo,Chapter1水驱油机理,2010年11月10日,资源学院石油系YuanCaiping,第26页,1、活塞式推进的前缘速度活塞式推进的前缘速度服从达西定律：假设一个一维均质的水平油层模型，如图：,模型长度为L，渗透率为k，原油粘度为o，沿油层排驱方向取为x轴，在x=0时的边界上平行注水，水的粘度为w,注水压差为P1-P2。上图中油水前缘已达x。根据达西公式，分别写出水区和油区的渗流速度：,Chapter1水驱油机理,2010年11月10日,资源学院石油系YuanCaiping,第27页,Chapter1水驱油机理,（4）式表明油区的压力梯度是水区的M倍,式中：流度M流度比,2010年11月10日,资源学院石油系YuanCaiping,第28页,（7）式表明：压力梯度随距离变化，因而水驱油的速度亦随着距离而变化。,将（4）代入（5）式得：,w,Px,L,Chapter1水驱油机理,2010年11月10日,资源学院石油系YuanCaiping,第29页,将（7）代入（1）式，并将渗滤速度写成真实速度得：,Chapter1水驱油机理,物理意义：活塞式排驱的速度与渗透率和压差成正比，与沿油层产生的阻抗成反比,设：,2010年11月10日,资源学院石油系YuanCaiping,第30页,（1）对一定渗透率的油层，随前缘推进距离增加流速增加。排驱开始流速增加缓慢，前缘接近油层末端时流速急剧增加。（2）当油的相对阻抗一定时，在相同的前缘位置上，高渗透层的流速较大，而且高低渗透层流速差随距离增加而增加。（3）在其它条件相同的情况下，随油的阻抗增加流速下降。,Chapter1水驱油机理,2010年11月10日,资源学院石油系YuanCaiping,第31页,对于实际的油层，K一定时，设V0为入口速度，则不同油层位置X处的驱替速度，Vw(x):,一般来讲，M1，随着x增大，Vw(x)增大，说明随着驱替的进行，速度越来越快。,Chapter1水驱油机理,2010年11月10日,资源学院石油系YuanCaiping,第32页,二、非活塞式前缘推进1、非活塞式油水前缘,非活塞式推进是一种漏失排驱，油水前缘象一个带孔眼网格筛子，当它推进时，只能排驱部分油，另一部分油从“孔眼”中漏过。但漏掉的油继续受后面注入水漏失排驱。结果：在油水前缘的后方形成了油水两相流动区。随着前缘推进，两相流动区扩大，靠近油水前缘因洗涤时间短，含油饱和度下降不大，sw较低，孔隙内的油大部分还呈连续状。远离油水前缘的两相区内，洗涤时间长，含油饱和度下降大，含水饱和大，油多呈滴状存在。,Chapter1水驱油机理,2010年11月10日,资源学院石油系YuanCaiping,第33页,式中：xSw油层含水饱和度为Sw的剖面距注入端距离；A油层剖面面积；qt注水t时刻的体积流速；fw水的分流率；t注水时间；孔隙度；dxsw/dt饱和度为Sw的剖面的推进速度；dfw/dSw分流率fw对饱和度Sw的微商。饱和度为Sw的剖面的推进速度等于注入水的真实速度乘以水的分流率对饱和度的微商。,2、前缘驱动方程考虑均质线性油藏，孔隙的长度为L，横截面积为A，水驱时，每一含水饱和度Sw以相同速度在油藏中传播，传播速度用巴克利-莱弗里特传播推进方程（Buckley-Leverett）：,Chapter1水驱油机理,2010年11月10日,资源学院石油系YuanCaiping,第34页,油水已知，Kro,Krw是含水饱和度Sw的函数，这样，产水率fw是含水饱和度Sw的函数，可以作出fw与Sw的关系曲线，图解法求得分流率fw对含水饱度sw的微商，进而得到饱和度Sw的推进速度。,Chapter1水驱油机理,2010年11月10日,资源学院石油系YuanCaiping,第35页,第四节水驱油采收率,EV:宏观波及效率(macroscopic（volumetric）displacementefficiencyexpressedasafraction)；ED：微观驱油效率(microscopicdisplacementefficiencyexpressedasafraction)一、宏观波及效率（EV）在井网控制钻井控制的范围内，从注入井到生产井油区不能被注入水完全波及。波及效率：水波及体积占该油层体积的百分比。,式中：EA面积波及效率Eh垂向波及效率,Chapter1水驱油机理,2010年11月10日,资源学院石油系YuanCaiping,第36页,1、舌进现象：油水前缘沿高渗透层凸进的现象。在成层非均质油层中可见明显的舌进现象。（1）几种不同的舌进现象：,Chapter1水驱油机理,2010年11月10日,资源学院石油系YuanCaiping,第37页,C、均质厚油层的重力舌进水驱油，水将沿油层下部凸入油区,Chapter1水驱油机理,低速排驱,高速排驱,气驱油，气体将沿油层上部凸入油区,2010年11月10日,资源学院石油系YuanCaiping,第38页,底部水层，K高，水流动快；顶部油层，K低，水流动慢；（1）在平面上水淹面积大，含水上升快，在中低含水期间采出程度低。（2）在纵向上水洗厚度小，但水洗的层段驱油效率高。,（1）含水上升慢；（2）厚度大，无明显的水洗段，驱油效率低。,油,D、正韵律地层,Chapter1水驱油机理,2010年11月10日,资源学院石油系YuanCaiping,第39页,（2）、舌进现象的流动特征：A、高低渗透层的速度与它们的渗透率的级差成正比；B、随水驱的不断进行，K高地层油排驱，层内阻力减小，K低阻力变化不大；C、高、低渗透层阻力差不断增大，水阻力小垂向流动，Es下降；D、当层间K级差3-5倍，应作调剖堵水处理。(3)舌进分析：A、舌进的起因：层间非均质性，油水间粘度差；B、舌进的后果：舌进前缘提前突破，降低垂向波及系数；C、舌进区内存在粘性指进。,Chapter1水驱油机理,2010年11月10日,资源学院石油系YuanCaiping,第40页,2、粘性指进：指排驱过程中，微观排驱前缘不规则地呈指状穿入油区的现象。（1）它的后果不仅是使前缘提前突破，而且产生微观绕流，降低前缘的微观驱油效率。,Chapter1水驱油机理,主前缘速度,指进处速度,按达西定律：,2010年11月10日,资源学院石油系YuanCaiping,第41页,(2)粘性指进起因：油层内微观非均质性（渗透率差异）和排驱相的粘度低于被排驱相粘度。（3）指进后果：使指进前缘提前突破，降低了平面波及效率。,Chapter1水驱油机理,二、驱油效率驱油效率(ED)：注入流体波及区域内，采出油量与波及区内石油储量的比值。,2010年11月10日,资源学院石油系YuanCaiping,第42页,Soi注水前原始含油饱和度；Sor注入流体波及区内残余油饱和度。,达到经济极限时驱油效率可表示为：,Swc束缚水饱和度；Swlim经济极限产水率（fw=98%）时油层平均含水饱和度,Chapter1水驱油机理,2010年11月10日,资源学院石油系YuanCaiping,第43页,第五节提高水驱油采收率的途径一、影响水驱油因素1、油藏流体粘度：水驱油过程，油水粘度差是影响采收率的一个重要因素，其粘度比是一个相当重要的指标。对于相对均匀的天然岩心模型，o/w=10-50这个区间变化时，影响最大；但是，当o/w50以后，由于油水粘度比的影响基本上达到最大范围，其影响反而小。对层内非均质性突出的实际油层，油水粘度比的影响就更为明显，它可使层内的非均质性对开发效果的影响更加尖锐地反映出来。,Chapter1水驱油机理,2010年11月10日,资源学院石油系YuanCaiping,第44页,2、润湿性对采收率影响：有的岩石亲水或偏亲水，有的岩石亲油或偏亲油，或一部分亲水一部分亲油。目前据统计，亲油油层采收率45%左右，而亲水油层采收率80%。3、粘滞力和毛管力的影响：粘滞力/毛管力=毛管数，毛管数越大，采收率越高。原因：增加驱替相的驱替速度和粘度可以改变粘滞力。也可以将醇类加入流体可以减小界面张力，从而降低残余油饱和度。4、非均质性的影响（1）纵向上渗透率的非均质性：一是具各向异性的方向渗透率，另一个是非均质性从一点到另一点的渗透率不同。对于渗透率级差较大，舌进快，采收率低。（2）平面上各向的非均质性：对于平面非均质性严重，粘性指进发育，采收率低。,Chapter1水驱油机理,2010年11月10日,资源学院石油系YuanCaiping,第45页,5、油层的沉积韵律的影响：（1）正韵律油层：在平面上水淹面积大含水上升快，在中、低含水期间采出程度低；（2）反韵律油层：其特点是第一含水上升慢，第二厚度大，无明显的水洗段，驱油效率低；（3）复合韵律油层：如果高渗透带偏于下部，油层以正韵律为主时，具有层内驱油效率底部高、顶部低的特点。但与正韵律相比，其见水厚度要大，水窜现象要轻，水线推进较均匀，底部不出现水洗段；如果高渗透带偏于上部，油层以反韵律为主时，其油水运动特征与反韵律高渗透油层相似。但与反韵律油层相比，其见水厚度要不小的多，水窜现象要严重，水线推进速度要快。,Chapter1水驱油机理,2010年11月10日,资源学院石油系YuanCaiping,第46页,6、流度比对采收率的影响：,流度():流体的相渗透率（Ki）与该相流体的粘度（i）的比值，即：流度是反映流体流动能力大小的量度，对于水驱油，一般原油粘度要比注入水的粘度大得多，即水比油更易流动。流度比(M):是指驱替相(如注入水)流度与被驱替相(如原油)流度的比值。水驱油的流度比为：,M1时，定义为不利流度比。,Chapter1水驱油机理,7.井网对采收率的影响注采井的井网布署方式有很多，图中的井网均为规则井网，其中常用的有四点、五点、七点和九点井网。如果油藏较小，油藏形状不规则，而且断层较多，井网就不会是规则的。不同的井网模式导致不同的波及效率。,2010年11月10日,资源学院石油系YuanCaiping,第47页,不同注采井网模式,Chapter1水驱油机理,不同井网见水时面积波及效率(M=1),2010年11月10日,资源学院石油系YuanCaiping,第48页,七点井网的面积波及效率较高,为74-82;九点井网见水时面积波及效率为49-78;,Chapter1水驱油机理,直线和交错排列井网的波及效率取决于井排之间的距离和井排上井间距离，当二者比值为1时,见水时交错直线井排的面积波及效率为75。,2010年11月10日,资源学院石油系YuanCaiping,第49页,二、毛管数与残余油、采收率的关系1、毛管数定义：表示在一定润湿性和一定渗透率的孔隙介质中两相流动时，排驱油滴的动力（粘滞力）和阻力（毛管力）之比。,在典型的水驱油情况下，毛管数变化范围为10-7-10-5。2、残余油饱和度同毛细力和粘滞力的相关关系,式中v渗流速度;驱替流体的粘度;油与驱替流体之间的界面张力,Chapter1水驱油机理,2010年11月10日,资源学院石油系YuanCaiping,第50页,典型的毛管减饱和度曲线,水平段表示了典型水驱油毛管数范围，对应的残余油饱和度为30。如果将毛管数增加2-3个