用聚合物替换气体来提高CO2的驱替效果.docx
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用聚合物替换气体来提高CO2的驱替效果
用聚合物替换气体来提高CO2的驱替效果
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本文由世界石油工程师协会在2014年六月西班牙Trinidad所举办的两年一度的能源与资源大会发表
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1摘要
通过提高原油的采收技术，二氧化碳用于商业上从油藏中重新获取原油已经超过了40年。
目前，二氧化碳驱替是世界上仅次于蒸汽驱的第二大用于提高原油采收的工艺。
在控制流动性和改善二氧化碳驱替的体积波及效率上，水驱气是一种普遍采用的方法。
它平均提高采收率约为9.7％，而易混溶的水驱气所能提高的范围为6至20％。
尽管所有的水驱气井都取得了成功，但二氧化碳的驱替效率要达到一个更高的原油采收和很好的应用这项技术却是一个典型的挑战。
本文将提出一个新的联合方法，即聚合物驱气，它可以提高水驱气的体积波及效率。
这个新办法的特点是在水驱油的工艺过程中将聚合物添加到水里以用于提高其流动性。
在聚合物驱替气的工艺过程中，聚合物驱替和易混合/不易混合的二氧化碳驱替井将被联合在一起。
为了分析聚合物驱气工艺的可行性，我们建立易混合的以及聚合物驱替工艺的模块用以研究聚合物驱的性能。
本文研究了聚合物吸附和聚集的敏感性和包含不同渗透性、不同渗透性变化系数和不同流体油藏中聚合物驱替气体的可行新。
这里将用NorthBurbank单元的一个典型区块的油藏模型来比较聚合物驱气、水驱气和聚合物驱动之间的性能。
这个研究将证明聚合物驱气能显著提高均质和非均质油藏易混合/不易混合驱动的原油回收。
2引言
尽管二氧化碳驱替是一个很好建立的提高原油采收的技术，但对于二氧化碳工程而言二氧化碳的密度和粘性确是一个挑战。
低密度（0.5〜0.8克/立方厘米）将导致气体在油藏中向上攀升从而绕过油藏中较低的部分。
低粘度（0.02至0.08厘）会导致较差的体积波及效率。
在高渗透和断层的非均质油藏，这种情况更加严重。
几乎所有的经营的易混合气井都用水驱气来控制气体的流动性和缓和fingering的问题。
水驱气的气井要比不用水驱气的气井采收高在美国经营的水驱气井中80%都是经济的。
然而，最近的研究表明许多的区域都未能达到水驱气工艺期望的采收量，尤其对于那些高渗透层和断层的油藏，情况更加糟糕。
许多共同控制的严重的层考虑到使用凝胶。
作为阻塞剂的凝胶用来减少穿过油藏断层和高渗透层的通道。
在共同控制的石油工业中大多数凝胶应用系统都是加入络醋酸盐的水解聚酰胺。
Woods等人在1986年提供了一个为Arkansas的LickCreek区块的最早成功的凝胶应用。
在这次应用中，大量（10，000/桶）的络丙烯酰胺聚合物被用来提高二氧化碳驱替的性能。
这种凝胶应用的花费估计大约为6到8美元每桶，而这个措施的回报率为365%。
通常，在有垂直断层的油藏凝胶可以是水非常成功的锥进。
但是，带有凝胶的水在油藏的基底是很难形成锥进的。
另一方面，传统的泡沫材料被视为在基岩中使水锥进的有效剂，不过却不能用于断裂通道宽度大于0.5mm的油藏。
Bond和Holbrook在1958年首次提出用泡沫材料来控制流动性的想法。
从此，在二氧化碳驱替的采油工艺中带有表面活性剂的二氧化碳泡沫材料被用作最有效的减少流动性的材料。
从1997到2000年，位于Norwegian大陆架的Snorre区域的一个最大区块表明用于气体流动性控制的泡沫材料是辅助泡沫的水驱气工艺。
但是，该区块的经验表明带有表面活性剂的泡沫材料注入到水里会带来不少限制。
Enick等人在2012年推断出辅助泡沫材料水驱气带来的问题表现在以下几个方面：
（1）、二氧化碳泡沫将被随后注入的水稀释；
（2）、在包含断层和高渗透率的流动通道的结构中无效的泡沫将变得有用；（3）、在注入井、坏天气、冰和水合物结构的底波及深度，带有coinjection和其他未指明的操作问题的混合物不能接受的大规模降低。
为了解决气体穿透和严重的分离的问题，提出了一个新的联合方法。
这个称作聚合物驱替气的新方法，将联合气体驱替和聚合物驱替的特性去产生一个从化学上提高的水驱替方法。
加入二氧化碳的聚合物被期望于去提高当今水驱替的效率。
聚合物驱替的主要特性是聚合物和水通过整个水驱油工艺注入。
张等人2010年在Saskatchewan原油基础上做了在气驱替水中追踪聚合物的实验。
并且他们表示混合油二氧化碳的聚合物注入井比单纯的水驱替和聚合物驱替都能获得更高的采收和效率。
Majidaie等人在基于人造的均质模型基础上为轻质油做出第一个联合二氧化碳和聚合物的模拟研究。
这次研究表明聚合物驱替气和水驱替气采收几乎相同。
它同时表明加入表面活性剂和碱的聚合物明显的增加了原油的采收。
3聚合物驱替气体模型的工作流程
在这次研究中，我们讨论了基于人造模型上的轻质油的聚合物对气体的驱替。
商业软件CMG-WINPROP和STARS常被使用。
这个模型可以模拟注入工艺和聚合物驱替。
下面是这次研究的主要步骤：
1、建立一个人造的油藏模型并介绍用做研究的流体的性质。
2、定义聚合物的参数。
3、做聚合物参数敏感性研究。
4、做在不同油藏和流体条件下聚合物驱替气体可行性的研究。
5、在NBU的TR59中用聚合物驱替气体驱提高气体的驱替。
4人造油藏模型和流体性质
图1人造油藏模型3D图
用于这次研究的人造油藏模型由21×21×6网格块组成。
每个网格为50×50×10英尺，因此该油藏模型的长度为1050英尺，宽度为1050英尺，厚度为60英尺。
这个油藏太厚以至于可以看到重力分层。
这个油藏距离地表3000英尺并且没有倾斜。
这是一个砂岩的非均质油藏。
图1是这个人造油藏的模型。
垂直的注入井和生产井设置在该模型的对角线两端点。
在所有模拟中，注入率设置为气井1340000立方英尺/天，水井设置为800桶/天。
在提高原油采收的生产井底压力为1350Pa。
表1是油藏岩石组成和用于研究的流体属性。
我们用五个原油样本来研究在易混合/不易混合驱动和不同原油粘性下聚合物驱替气体的可行性。
这五个原油样本在原始油藏中的粘度分别为3,9,30,90和200厘泊。
图二是原油压力和粘度的相关曲线。
图三是各个样本混合参数（ω）和压力的相关曲线。
这些相关参数控制着易混合和非易混合之间的转化。
当ω=1时，注入的气体以活塞式的方式置换油；当ω=0时，这种置换方式变成非易混合置换（除非予以相应的渗透率）。
通过比较1井和2井的原油样本，发现在相同压力下1井有更高的ω，这就一闻着1井可能更好混合。
每一个井的最小混合压力分别为1700、1700、2500、2500和2500Pa。
在本次研究中。
最高注入压力为2100Pa，这就意味着1井和2井可能是混相驱，而3井到5井则被用于非混相驱研究。
5聚合物驱替参数
在聚合物驱替中最重要的两个参数就是岩石的吸附性和聚合物的粘度。
缺少聚合物的实验，在本次模拟中就假定聚合物的吸附和粘度参数。
图四是聚合物粘度和浓度的相关曲线，图五是聚合物吸附性和聚合物浓度的相关曲线。
对于应变量1，其最大吸附量为10
微克/（G岩）;对于应变量2，其最大吸附为50微克/（克岩石）;对于应变量3，其最大
吸附是200微克/（G岩）。
在本研究中我们同时假定残余阻力系数（RRF）的值每0.50是1.5磅/STB。
6聚合物参数的敏感性研究
为了做一个合理的研究，我们假定模型的参数应基于又一个含水率不超过98%的水驱油藏。
用水置换气注入井定义基本例子。
用聚合物置换气的注入井的化学元素定义聚合物置换气的例子。
将聚合物置换气的油藏性能与连续注入气水置换气进行比较。
对聚合物吸附和聚合物浓度这两个工艺影响最大的因素做敏感性研究。
表1油藏岩石和流体的属性
参数
值
参数
值
油藏尺寸，英尺
1050×1050×60
水的密度，1磅/立
方英尺
63.0
网格数
21×21×6
水的粘度，厘泊
0.5
孔隙度
0.2
原始含油饱和度
0.2
垂向/水平渗透率
0.01
原始含水饱和度
0.8
渗透率，mD
1至2000
矿化度，mg/L
7000
图2油粘度与压力的关系曲线
图解：
1、OilViscosity,cp：
油的粘度，厘泊
2、Press，psi：
压力，帕斯卡
3、Oilsample#i：
i井油样
图3混合参数ω与压力的关系曲线
图解：
1、Mixparameter:
混合参数
2、Press，psi：
压力，帕斯卡
3、Oilsample#i：
i井油样
6.1聚合物吸附性
图五表明在聚合物浓度为0.2磅/STB下，三个不同吸附性工艺的函数。
聚合物置换气体和谁置换气体按1：
1的比率并以每年0.1毛孔容量注入已经有20年的历史了。
图六图七表明减小聚合物的吸附性能显著地增加油的采收和降低水的采收。
图八表明搞得吸附性会降低提高原油采收的能力。
从溶液中滞留的聚合物将导致对流动性的有效控制降低。
而且如果聚合物量比较小或者聚合物的浓度较小使甚至会使整个聚合物驱替失效。
从这三个试运行的工艺中，我们可以发现较小的聚合物吸附可以带来较高的原油采收率和原油回收。
图4聚合物浓度和粘度的关系曲线
图解：
1、Polymerconcentration，lb/stb：
聚合物浓度，磅/标准桶
2、Polymerviscosity，cp：
聚合物，厘泊
图5聚合物吸附性函数曲线
图解：
1、Polymeradsorptionug/g：
聚合物吸附性，ug/g
2、Polymerconcentration，lb/stb：
聚合物浓度，磅/标准桶
6.2聚合物的浓度
与水置换气工艺相比较而言，聚合物置换气工艺的一个主要意图是通过增加注入水中的聚合物来控制水的粘度从而达到减低水的流动性的效果，这在高渗透率的油藏尤为明显。
聚合物驱替气最大的好处是能够降低水相的粘度，从而提高水的流动性。
高密度的聚合物将带来高粘度。
图九到图十一是不同聚合物浓度下水驱气和聚合物驱气的迷你结果。
这三组实验都采用了相同的聚合物注入量。
图十一表明聚合物浓度越高则原油的采收就越高。
不过事实上，聚合物浓度并不能无限的增加。
随着聚合物浓度增加，粘度会快速的增加。
在注入量保持稳定的情况下，注入井的压力也会相应的增加。
当注入井的压力达到足够大时，油藏的岩石将会被压裂。
图6不同吸附能力聚合物的产油率
图解：
1、Time,day：
时间，天
2、Oilrate,bbl/day：
产油率：
桶/天
图7不同吸附能力聚合物的含水率
图解：
1、Time,day：
时间，天
2、Waterctt，%：
含水率，%
7在不同油藏和流体条件下的聚合物驱替气可行性研究
为了找到对聚合物驱替气最合适的油藏和流体类型，对流体粘度、油藏渗透率和渗透率变化系数作了可行性研究。
（1）、在一个渗透率为500mD和渗透率变化系数为0.7的油藏做立体粘度的研究。
（2）、用2井的原油样本来研究均质和非均质油藏模型。
图8不同吸附性下聚合物驱替的采出程度
图解：
1、Polymeradsorptioncase：
聚合物吸附样本
2、Oilrecovery，%：
采出程度，%
图9不同浓度聚合物的产油量
图解：
1、Time,day：
时间，天
2、Oilrate，bbl/day：
产油量，桶/天
7.1粘度
聚合物驱动通常用于流体粘度为10厘泊到150厘泊的油藏，二氧化碳渠道则用于粘度低于10厘泊的轻质油藏。
通过改变油藏粘度值来对聚合物驱替的原油粘度的油藏性能敏感性研究。
所研究的五种原油粘度值分别为：
3、9、30、90和180厘泊。
在聚合物驱替工艺过程中，这五种模型的浓度设置为0.20磅/标准桶。
图12表明：
（1）、在水驱气工艺过程中底粘度可以带来较高的采收率；
（2）、聚合物驱替的采收率要比水驱替高出16-24个百分点；（3）、聚合物驱替的采收率要比水驱替气工艺高出10-13个百分点；（4）、不论是在涽相还是非混相中国聚合物驱替工艺都能显著提高原油的采收率。
7.2均质模型
我们研究了一个渗透率为50-1000mD的油藏。
表2是不同渗透率下聚合物注入的浓度。
图13表明：
（1）、当渗透率在50-1000mD范围内时，水驱替的原油采收率没有明显的不同；
（2）、当渗透率低于500mD时，聚合物驱替不能提高采收率（因为超过60%的低渗均质油藏在水驱下可以达到一个很高的采收率，然而对于低渗油藏中聚合物驱在注入方面却存在一个的问题）；（3）、对于渗透率高于500mD的均质油藏聚合物驱替的采收率要比水驱替高出7-15个百分点。
图10不同浓度聚合物的含水率
图解：
1、Waterctt，%：
含水率，%
2、Time，day：
时间/天
7.3非均质模型
垂直非均质结构会导致二氧化碳快速突进，尤其对于顶层渗透率高或渗透率变化系数高的结构。
本文研究了两组非均质模型。
第一组模型井底压力为100Pa，平均渗透率为100mD；第二组模型井底压力为1600Pa，平均渗透率为500mD。
两个模型的渗透率年华系数取值范围为0.5到0.9。
所有模型的聚合物浓度设定为0.2磅/标准桶。
图14表明：
（1）、不论是水驱替还是聚合物驱替，较低的渗透率变化系数能够产生较高的原油采收率；
（2）、聚合物驱替工艺的原有采收率要比谁驱替高18至29个百分点；
（3）、聚合物驱替工艺的原油采收率要比水驱替高7到13%；
（4）、聚合物驱替和谁驱替相比较发现聚合物驱替采出程度增量随着渗透率变化系数的增加而减小，这表明高聚合物浓度需要配合高渗透率和渗透率变化系数。
图15说明：
（1）、在水驱替、聚合物驱替工艺中低的渗透率变化系数可以产生较高的采收率；
（2）、聚合物驱替下的原油采收率要比谁驱替高21到25个百分点；
（3）、聚合物驱替下的原油采收率要比水置换气的高3到11个百分点；
（4）、聚合物驱替工艺与水置换气工艺相比较可以发现聚合物驱替下的采出程度增量随渗透率系数的增加而降低，这意味着低渗透率和高变化系数有利于聚合物驱替。
8案例研究
在NBU的TR59区块，我们用聚合物驱替来提高聚合物工艺的体积波及效率。
在NBU气驱的主要两个挑战是顶层的高非均质和高渗透性。
比较了聚合物驱和水驱之间的性能。
8.1NBU简介
NUE位于OklahomaCherokee北部的平台，1920年开始开发。
NUE有着很长的开发历史，经历了最初消耗，产气循环，注水和聚合物而致现在的高含水情况（见图17）。
根据最初估计的可采8240亿桶，NBU至今已累计产油3320亿桶。
现在NBU有含水率达99.5%的生产井360口，这360口生产井每天的产量大约为1400桶。
好的油藏区块都用二次采油，而考虑到在NBU的最小混合压力比破裂压力小这个问题和NBU有丰富的人造纯二氧化碳资源则宜采用二氧化碳驱动。
顶层高非均质性和高渗透性是NBU面临的主演两个挑战。
图11不同聚合物浓度下聚合物驱动的采出程度
图解：
1、Time,day：
时间，天
2、Oilrecovery，%：
采出程度，%
3、WAG：
水驱气
4、Concentrationilb/stb：
浓度，每标准桶i磅
图12四种方式在不同粘度下的采出程度
图解：
1、Oilsample#i：
样本i
2、Oilrecovery，%：
采出程度
表2聚合物的注入浓度
渗透率，mD
50
100
200
500
1000
浓度，1磅/标准桶
0.05
0.05
0.1
0.2
0.2
8.2油藏模型
给NBU建立一个全景3D地质模型以及由少数几口井来获得孔隙度/渗透率和二次采油/二次注入资料是一个十分严峻的挑战。
图13四种方式在不同浓度下的采出程度
图解：
1、Permeability：
渗透率
2、Oilrecovery，%：
采出程度，%
图14四种方式在高渗透层不同渗透率变化系数下的采出程度
图解：
1、VDPvalue：
渗透率变化系数
2、Oilrecovery，%：
采出程度，%
在本文中，TR59的典型区块用来证明在该油藏聚合物驱替是如何提高原油采收率的。
为了建立这样一个模型，TR59的每处的渗透率和孔隙度都用网格来描绘。
在这个假设模型中，油藏在X轴方向划分为50个网格，Y方向也为50个网格，Z方向为6个网格。
在X和Y轴上每个网格的长度是44英尺，Z轴上的网格长度为7到32英尺之间不等，产层厚度为89英尺。
图18是X轴的水平渗透率，气垂直渗透率是追平渗透率的0.01倍，Y方向的水平渗透率是X方向水平渗透率的3倍。
表3是该模型的岩石组成和流体性质。
图15四种方式在低渗透层不同渗透率变化系数下的采出程度
图解：
1、VDPvalue：
渗透率变化系数
2、Oilrecovery，%：
采出程度，%
图16NBU的地理位置图
图解：
1、LocationoftheNBUI（editedfromBrain2012）：
坐落在NBU（2012年根据Brain编制）
2、HighlightedtractsintheNBU：
在NBU中标注出
8.3模型的流体性质、井结构和其他参数
经过历时拟合之后，PVT软件便产生了一个黑油模型。
在对组合模型和假设易混合模型水驱气生产拟合之后，所有的餐宿曲线都呈现在图19中。
第二条曲线是根据图4和图5的到的聚合物参数曲线。
图20是经过对水驱替最优化后用来做聚合物驱替研究的井模型。
每年的流体注入为0.1孔体积（其中每年注入的气体和水一样多，即分别为0.05孔体积）。
水驱气的比率为1:
1（其中90天气注入之后又90天水注入，如此循环）。
8.4聚合物换气与水换气及聚合物驱替比较
在NBU的生产历程中，表面活性剂和聚合物驱替在1980年开始出现。
在1997年的一段时期中，在经济不太乐观下出现了商业化的实验性的聚合物和表面活性剂，尤其是对于那些高非均质区域。
在NBU的A区块（这里包有84口生产机和36口注入井），尽管当时油价大跌但新鲜水聚合物驱替工程却在科技和经济上取得了巨大的成功。
在这个工程中注入了42亿磅聚丙烯酰胺酸和40亿铝柠檬酸，而原油的采收超过了2,50万标准桶每天。
在这片区域去变焦聚合物驱和气驱很有价值。
图21是为了验证哪一种方法产生的采收率最大而采取的四种不同研究计划。
模式1（聚合物驱替）代表连续20年水和每标准桶0.10磅聚合物注入；模式2（聚合物和水联合注入）代表纯水注入10年后连续10年水和每标准桶0.10磅聚合物注入；模式3代表连续20用水换气注入；模式4（聚合物置换气）代表连续20年先用水和每标准桶0.06磅聚合物在用气和每标准桶0.06磅聚合物的方式注入。
其中模式2和模式3注入的聚合物体积相同。
图17NBU生产历史
图解：
1、BOPD：
桶/每日
2、Primarydevelopment：
开始生产
3、Recyclegasinjection：
循环气注入
4、Waterflooding：
注水开发
5、Wellshutinbecauseoflowoilprice：
因为油价下跌而关井
6、Wellre-open：
重新开井
图18每层X轴方向的水平渗透率
图解：
1、X-horizontalpermeability：
X轴水平渗透率
图22是我们预测的四种不同提高采收率工艺的油的产量。
其中最高的聚合物置换气工艺，它要高于水置换气工艺。
在注入开发之后再用注聚合物的方式开发可以再采出16.4%的原油，而图23和表4则表明在注入开发之后用聚合为-水驱替能够再采出的原油为12.7%。
以上结果表明我们所选择的油藏是研究聚合物具体的合适对象。
虽然模式2和模式4使用的是等量的聚合物，但模式4的采收率要比模式2高7%。
聚合物置换气的采出程度为19.7%，这比其他任何注入方式都要高出4到12个百分点。
这表明聚合物和气混合注入比以上所提到的任何方式都要好。
表3油藏岩石和流体属性
参数
值
参数
值
模型尺寸，英尺
2640×2640×88.9
水的密度，1磅/立方英尺
62.97
网格数
60×60×6
水的粘度，厘泊
0.5
渗透率变化系数
0.85
油的密度，1磅/立方英尺
50至52
水平渗透率
0.01
油的粘度，厘泊
2至4
孔隙度
0.15至0.27
原始含油饱和度
0.61至0.81
原始压力，Pa
1350
原始含水饱和度
0.20至0.39
渗透率，mD
6至230
图19混合参数和压力的关系曲线
图解：
1、Mixparameter：
混合参数
2、Pressure，psi：
压力，帕斯卡
图20井模型
9结论
本文提出了一种新的提高采收率的（称作聚合物混合气）方法，这种方法能够改善传统的水混合气工艺的效率。
下面是本次研究所得出的结论：
1、聚合物混合气驱替这种工艺对聚合物的吸附性十分敏感，吸附性越小其效果越好。
2、当聚合物混合气驱替工艺过程中如果出现注入困难，可以通过提高聚合物的浓度来提高采出程度。
3、通过比较在不同类型油中的效果发现，在易混合和不易混合驱动中聚合物混合气驱替工艺提高的采出程度最明显。
4、对于渗透率超过500mD的均质油藏，聚合物混合气驱替要比谁混合气驱替在提高采出程度上高出7到15个百分点。
5、对于渗透率变化系数在0.5到0.9之间的均质和非均质油藏聚合物混合气驱替都可以提高水混合气驱替的效果。
6、对这个案例的研究可以预测TR59在聚合物混合气驱替下的采出程度能够达到20%，这要比水混合气驱替高出12%。
每标准桶使用2.10磅的聚合物在经济上是最可行的。
图21四种方案的调配比例
图解：
1、Patterni：
i模式
2、Polymer：
聚合物
3、Water：
水
4、Gas：
气
图22不同注入模式油的产量
图解：
1、Time，day：
时间，天
2、Oilrate，bbl/day：
产油量，桶/天
3、Polymerflooding：
聚合物驱动
4、Polymer-waterflooding：
聚合物-水驱动
图23四种提高采收率方法的采出程度
图解：
1、EORmethod：
提高采收率方法
2、Oilrecovery，%：
产量，%
3、Polymerflooding：
聚合物驱动
4、Polymer-waterflooding：
聚合物-水驱动
表4每种模型情况
采出程度，%
聚合物注入量，106磅
增加的产油量，106标准桶
消耗的集合物量，磅/标准桶
聚合物驱动
16.4
2.25
1.56
1.44
聚合物水混合驱动
12.7
1.13
1.20
0.94
水置换气驱动
8.7
0.00
0.84
0.00
聚合物置换气驱
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