高壓注空氣建模挑戰(zhàn)

編譯:孫瑞峰 李科 (大慶油田工程有限公司)

審校:金佩強(qiáng) (大慶油田勘探開發(fā)研究院)

高壓注空氣建模挑戰(zhàn)

編譯:孫瑞峰 李科 (大慶油田工程有限公司)

審校:金佩強(qiáng) (大慶油田勘探開發(fā)研究院)

對(duì)于水驅(qū)后深層高壓輕油油藏來說,高壓注空氣 (HPAI)是潛在有吸引力的提高采收率方法。評(píng)價(jià) HPAI的可應(yīng)用性需要在油藏溫度和壓力條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn),以便證實(shí)原油自燃和評(píng)價(jià)原油/儲(chǔ)集巖系統(tǒng)的燃燒特性。隨后估算在所考慮的油藏應(yīng)用 HPAI提高采收率的數(shù)值建模。一般通過燃燒在地下產(chǎn)生的煙道氣形成非混相氣驅(qū),在該氣驅(qū)中,揮發(fā)組分的汽提是主要開采機(jī)理。因此,在某些實(shí)例中,應(yīng)用狀態(tài)方程 (EOS)法把HPAI模擬成等熱煙道氣驅(qū),但是,這一方法忽略了燃燒及其對(duì)驅(qū)替和波及的影響。此外,EOS法不能預(yù)測(cè)何時(shí)在生產(chǎn)井出現(xiàn)氧突破或是否出現(xiàn)氧突破。在模擬中以計(jì)算時(shí)間和復(fù)雜性為代價(jià),以有限的形式把燃燒考慮進(jìn)去。在已有文獻(xiàn)中一般在相當(dāng)簡(jiǎn)化的條件下考慮燃燒,本文強(qiáng)調(diào)燃燒對(duì) HPAI提高采收率的作用,用具有實(shí)際地質(zhì)特性的3D模型進(jìn)行數(shù)值模擬。為了更實(shí)際地捕捉到燃燒前緣的物理過程,使用了具有動(dòng)態(tài)網(wǎng)格劃分能力的油藏模擬器。動(dòng)力學(xué)參數(shù)是在燃燒管實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)基礎(chǔ)上獲得的。通過比較等熱 EOS-模擬和多組分燃燒運(yùn)算,給出了燃燒對(duì)殘余油、波及效率和預(yù)測(cè)的項(xiàng)目有效期限的影響。

高壓注空氣 數(shù)值模擬 動(dòng)態(tài)網(wǎng)格劃分 提高采收率

1 HPAI建模

用于燃燒管一維模擬的網(wǎng)格塊尺寸比用于礦場(chǎng)規(guī)模模擬的網(wǎng)格塊尺寸小幾個(gè)數(shù)量級(jí)。細(xì)網(wǎng)格能夠捕捉到燃燒前緣擴(kuò)散。對(duì)于細(xì)網(wǎng)格來說,動(dòng)力學(xué)參數(shù)不需要粗化。當(dāng)使用粗網(wǎng)格時(shí),隨著大網(wǎng)格塊的單位體積熱容量吸收通過燃燒釋放的能量,該前緣明顯變得輪廓不清。使用擬活化能和指前因子,需要進(jìn)行粗化以防止網(wǎng)格塊燒盡效應(yīng)的產(chǎn)生。

對(duì)于燃燒建模中過大溫度梯度的挑戰(zhàn),以下兩種粗化方法通常得到普遍認(rèn)可:

◇強(qiáng)制執(zhí)行反應(yīng)物控制類型的反應(yīng),在這些反應(yīng)中,反應(yīng)以無限速率出現(xiàn),并且反應(yīng)物在限制這些反應(yīng)。Lerner等把這一方法用于輕油。

◇通過調(diào)節(jié)指前因子和活化能,或把反應(yīng)速率調(diào)整到燃燒前緣,或通過把溫度降低到最低程度(擬動(dòng)力學(xué)),調(diào)整Arrhenius類型反應(yīng)。Kuhlman把這一方法用于輕油。

“粗化”這些反應(yīng)的下降趨勢(shì)是為了平衡逼真地預(yù)測(cè)耗氧量的能力。

令人驚訝的是,Kumar報(bào)道了用于其燃燒管和礦場(chǎng)規(guī)模模擬的相同反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。在Arrhenius型動(dòng)力學(xué)情況下使用熱方法的參考文獻(xiàn)沒有提供如何進(jìn)行“粗化”的深入信息。

模擬輕油燃燒中的另一個(gè)挑戰(zhàn)是較高溫度使輕組分大量汽化,這對(duì)相態(tài)性質(zhì)有很大影響。粗化的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)降低了燃燒溫度,因此減少了原油汽化,并且增加了燃燒剩下的殘余油。最終結(jié)果是模型低估了預(yù)測(cè)的燃燒前緣速度。

3項(xiàng)研究報(bào)道評(píng)價(jià)了20世紀(jì)90年代礦場(chǎng)實(shí)施HPAI的可行性。Sakthikumar等把這一過程模擬為非混相氮驅(qū),Fraim等用黑油模型把該過程模擬為混相煙道氣驅(qū),Glandt等用10組分EOS模型把該過程模擬為等熱煙道氣驅(qū)。在這3種情況下,對(duì)采油增量的估算都是保守的。

Kuhlman評(píng)價(jià)了用不同模擬方法對(duì)稠油(Horse Creek)和重力穩(wěn)定 (西 Hackberry)油藏的預(yù)測(cè)。該研究使用了熱燃燒模型和煙道氣 EOS模型,并且在黑油模型中注烴氣。Kulhlman得出結(jié)論,優(yōu)先使用熱模型可以把 EOS模型用于熱、厚、原油非常輕的油藏。這些結(jié)論是根據(jù)這樣一些模型得出的,即對(duì)于每種方法來說,這些模型使用了相同的網(wǎng)格塊尺寸并且對(duì)于熱模擬來說包括了粗化的動(dòng)力學(xué)。與熱模擬相比,EOS模擬顯示增加了產(chǎn)量。

2 改進(jìn)的熱方法

像以上討論的那樣,避免或設(shè)法避免粗化方法導(dǎo)致擬動(dòng)力學(xué)和差的汽化預(yù)測(cè)。Christensen等給出了減少粗化需要的第一步——?jiǎng)討B(tài)網(wǎng)格劃分方法,該方法能夠在熱前緣周圍用小比例表示。該算法的一個(gè)實(shí)例是ISC應(yīng)用。在長(zhǎng)100 m、寬45 m、高28 m的網(wǎng)格塊內(nèi)模擬了ISC。在該實(shí)例中,最小網(wǎng)格塊的體積為20 m3(4 m×5 m×1 m),該網(wǎng)格塊仍然需要粗化動(dòng)力學(xué)。這些動(dòng)態(tài)網(wǎng)格劃分的一種復(fù)雜情況是最小的網(wǎng)格塊決定了時(shí)間步長(zhǎng)大小,因此提高分辨率需要較長(zhǎng)的運(yùn)算時(shí)間。Younis和Gerritsen提出了時(shí)間步長(zhǎng)法,該方法把專門的時(shí)間綜合法用于在孔隙介質(zhì)中燃燒期間出現(xiàn)的不同物理過程。僅用一維燃燒管模擬證實(shí)了他們提出的方法。不斷提高的計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力和改進(jìn)的動(dòng)態(tài)網(wǎng)格劃分算法將有助于把燃燒前緣周圍的網(wǎng)格劃分細(xì)化到這樣一些尺寸,即最終能夠把試驗(yàn)中獲得的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)推廣至全油田預(yù)測(cè)。

3 實(shí)例

針對(duì)一系列含有輕油的河流三角洲類型油藏,評(píng)價(jià)了HPAI三次采油的可行性。油藏溫度在100℃以上,3 000 m深處的原始油藏壓力約為 32 MPa。油藏滲透率從油藏差部位的幾毫達(dá)西到高滲透河道的幾達(dá)西。在實(shí)施三次采油工藝前,靠注水和活躍含水層已經(jīng)采出了石油地質(zhì)儲(chǔ)量 (OIIP)的約50%。這些油藏的總厚度一般為100 m。作為非混相氣驅(qū),HPAI較適合于較薄的油層組,因?yàn)閲?yán)重的重力上竄將導(dǎo)致差的垂向波及。

評(píng)價(jià)認(rèn)為,HPAI是使未波及原油和殘余油流動(dòng)的潛在三次采油工藝。沒有其他可供選擇的氣體(如烴氣或CO2)能夠作為該項(xiàng)目的氣源。對(duì)小獨(dú)立斷塊 (先導(dǎo)性試驗(yàn)候選對(duì)象)進(jìn)行了連續(xù)注空氣模擬。該斷塊約1 150 m長(zhǎng),300 m寬,總砂巖厚度為80 m。該斷塊三面以封閉斷層為界,一面與活躍含水層連通,通過一口井產(chǎn)油。斷塊底部含水,水與活躍含水層連通。斷塊的最大油柱約為40 m。斷塊的靜態(tài)地質(zhì)模型條件為一口井鉆遇了該斷塊,為了進(jìn)行研究,把一口注氣井布在距采油井的500 m處。

模擬使用的網(wǎng)格設(shè)計(jì)可以捕捉重力上竄和通過高滲透通道的指進(jìn),預(yù)計(jì)這兩種現(xiàn)象可能來自驅(qū)替過程,例如氣驅(qū),在氣驅(qū)中流度比是不利的。油柱中網(wǎng)格塊尺寸為30 m×30 m×1 m,而水層中網(wǎng)格塊高度增大?；厩闆r模擬模型中網(wǎng)格塊總數(shù)為2.1×104個(gè)。

3.1 PVT

原油重度為API 36,GOR 62 m3/m3,地層體積系數(shù)1.3,114℃時(shí)的泡點(diǎn)壓力9.14 MPa,黏度0.6 mPa·s。把原始井底油樣PVT數(shù)據(jù)輸入商用PVT序包。評(píng)價(jià)了樣品數(shù)據(jù)質(zhì)量后,用具有Peneloux體積校正的 Peng-Robinson狀態(tài)方程表征原油。為了描述黏度,使用了 Lohrenz-Bray-Clark法。在表征原油的同時(shí),把C11+餾分分裂成26個(gè)擬組分。在對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸過程中,對(duì)油和氣性質(zhì)進(jìn)行了良好的總擬合。為了保證適當(dāng)?shù)木绿匦?對(duì)以最高精度擬合飽和壓力、原油密度和原油黏度給予了特別關(guān)注。發(fā)現(xiàn)表征原油正餾分的摩爾分布與碳數(shù)和沸點(diǎn)分餾數(shù)據(jù)吻合得很好,部分?jǐn)?shù)據(jù)是用加速速率量熱法 (ARC)和從燃燒試驗(yàn)中獲得的。之后,把原油混合成5個(gè)烴組分(C1、C2～C6、C7～C15、C16～C26、C27+)和煙道氣組分 (N2和COx)。選擇這些組分使模型能夠描述汽化過程 (由煙道氣引起的)和燃燒過程。集總模型準(zhǔn)確地描述了原油性質(zhì)。再減少組分?jǐn)?shù)量使汽化過程描述不能令人滿意。后來用7組分模型獲得所有組分的K值和熱性質(zhì)。根據(jù)在PVT程序包中完成的相互關(guān)系外推出提高溫度后的K值。在燃燒模擬中,把氧和焦炭添加到了7組分模型中。

3.2 相對(duì)滲透率

Corey函數(shù)描述了兩相油-水和氣-油 (液)系統(tǒng),把地層平均值 (原生水飽和度、殘余油飽和度、Corey指數(shù)等)用于相對(duì)滲透率函數(shù)。用自用的預(yù)測(cè)工具獲得了氣-油參數(shù)。通過在兩組兩相相對(duì)滲透率之間線性內(nèi)插生成了三相相對(duì)滲透率。直線連接等滲透率的潤(rùn)濕和非潤(rùn)濕相點(diǎn),這些直線上的點(diǎn)提供了中間相的滲透率。在模擬中沒有使用相對(duì)滲透率或毛管壓力與溫度的關(guān)系。另外,沒有考慮滯后對(duì)相對(duì)滲透率的影響。

3.3 動(dòng)力學(xué)模型

在燃燒模擬中使用的動(dòng)力學(xué)模型是以Lin的模型為基礎(chǔ)的。最近在Calgary大學(xué)進(jìn)行的兩項(xiàng)燃燒管試驗(yàn)中對(duì)該模型進(jìn)行了調(diào)整。動(dòng)力學(xué)模型包括一個(gè)裂化反應(yīng)和3個(gè)燃燒反應(yīng)。在燃燒反應(yīng)中,一個(gè)反應(yīng)描述了焦炭的燃燒,另外兩個(gè)反應(yīng)描述了原油輕餾分和中間餾分的燃燒 (表1)。兩個(gè)液-油燃燒反應(yīng)提供了熱的主要來源,僅產(chǎn)生和燃燒了一小部分焦炭。通過調(diào)整指前因子和活化能,擬合了有關(guān)氣體流出剖面、前緣溫度、采液量和前緣速度的燃燒管結(jié)果。如圖1所示,流出物組成、前緣溫度和速度擬合得很好。像在圖2中看到的那樣,注空氣后采液量的擬合較差。氮驅(qū) (在前3.5 h進(jìn)行的)的氣突破和采油量擬合得相當(dāng)好。注空氣5 h后的開采情況擬合得不好。相對(duì)于試驗(yàn)數(shù)據(jù),油帶采出得太早。進(jìn)行了幾次調(diào)整以便改善這一擬合。進(jìn)一步調(diào)整了相對(duì)滲透率模型、輕 (C7～C15)和中間(C16～C26)組分的K值和動(dòng)力學(xué)參數(shù),這也沒有得到較好的采油量擬合。難以得到較好擬合是由于上述3個(gè)因素相互作用造成的。輕和中間原油餾分的K值影響了燃燒剩余的原油。與PVT特性和相對(duì)滲透率有關(guān)的較多和較好的溫度數(shù)據(jù)將制約著擬合并且導(dǎo)致較實(shí)際的擬合。另外,使用動(dòng)力學(xué)模型將省掉汽相燃燒和氧化反應(yīng)。對(duì)于本項(xiàng)研究,擬合是可以接受的,盡管目前存在著缺點(diǎn)。

表1 反應(yīng)模型

圖1 燃燒管溫度剖面和對(duì)應(yīng)模擬結(jié)果

圖2 燃燒管試驗(yàn)的累積產(chǎn)量和對(duì)應(yīng)模擬結(jié)果

3.4 預(yù)處理和“不采取進(jìn)一步措施”(NFA)的情況

為了得到有代表性的剩余油分布,根據(jù)生產(chǎn)井的壓力和開采歷史對(duì)該斷塊進(jìn)行了預(yù)處理。預(yù)處理必須進(jìn)行兩次:一次是針對(duì)EOS模型,以后把該預(yù)處理用于EOS煙道氣模擬;一次是針對(duì)K值模型,把該預(yù)處理用于熱燃燒模擬。還模擬了NFA情況 (含水層驅(qū)動(dòng)一次采油情況),見圖4。

3.5 等熱煙道氣模擬

用Shell自用的模擬器 MoReS進(jìn)行了等熱EOS模擬。用CMG STARS進(jìn)行了等熱K值模擬并且使用了相同的一組K值,把這組K值用于以下描述的燃燒運(yùn)算。把5年時(shí)間的連續(xù)注煙道氣量定為0.14×106m3/d。圖3示出了 EOS模型注5年煙道氣后的飽和度分布。圖4示出了兩次等熱運(yùn)算的產(chǎn)油和產(chǎn)氣剖面。

圖3 注5年煙道氣后的飽和度分布

圖4 用EOS和K值模型描述的NF情況和注等熱煙道氣的采油剖面

4 燃燒模擬

燃燒模擬中使用了STARS的動(dòng)態(tài)網(wǎng)格劃分選項(xiàng)。如果溫差超過了10℃的門限,那么加密網(wǎng)格塊。在xyz方向加密3×3×1倍,得到10 m×10 m×1 m網(wǎng)格塊,因此增加了網(wǎng)格塊數(shù)量。在模擬中,燃燒前緣的網(wǎng)格通常是密的,而遠(yuǎn)離燃燒前緣的網(wǎng)格塊是不加密的。不論什么時(shí)候都要加密井周圍的網(wǎng)格。把預(yù)處理的動(dòng)力學(xué)模型粗化成10 m× 10 m×1 m的網(wǎng)格塊。用建模的第二種方法對(duì)反應(yīng)進(jìn)行了粗化。增大指前因子,減小活化能以保證約300℃的燃燒前緣溫度,該溫度是報(bào)道的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)穩(wěn)定前緣溫度。圖5示出了燃燒模擬的采油剖面和采出氣中的氧濃度。

圖5 等熱注煙道氣的采油剖面和熱燃燒情況

5 結(jié)論

HPAI建模有多種方法,從狀態(tài)方程等熱煙道氣模型到粗和細(xì)網(wǎng)格燃燒模型 (該模型把K值用于相分配)。煙道氣建模主要描述與輕油接觸的大量煙道氣的汽提和冷凝。

燃燒模型需要依靠詳細(xì)的燃燒管 (CT)模擬以便萃取燃料沉積 (前緣擴(kuò)散速率的擬合),描述熱效應(yīng) (CT溫度上升的擬合)和得到用于非常簡(jiǎn)化的動(dòng)力學(xué)模型的化學(xué)計(jì)算描述。

CT試驗(yàn)的開采效果的歷史擬合具有挑戰(zhàn)性,因?yàn)槠?冷凝過程,油帶的寬溫度范圍和組分(黏度)變化對(duì)此有影響。

在把HPAI模擬成煙道氣驅(qū)結(jié)時(shí),因?yàn)椴荒艹浞值夭蹲降街饕岷屠淠?(黏度降低)機(jī)理,所以K值方法的結(jié)果是保守的。

HPAI的低溫燃燒過程模擬提供了對(duì)氧突破和受影響生產(chǎn)井采取補(bǔ)救措施或關(guān)井需要的深入了解。但是,這一現(xiàn)象的定量預(yù)測(cè)模型需要詳細(xì)的動(dòng)力學(xué),包括液相和氣相反應(yīng)以及導(dǎo)致較高黏度氧化原油產(chǎn)物的液相反應(yīng)。在目前軟件/硬件能力的情況下,對(duì)于礦場(chǎng)規(guī)模的模型來說,這是不可能的。

燃燒及其伴生的溫度效應(yīng)導(dǎo)致整個(gè)空氣波及帶的減飽和。此外,隨著燃燒前緣接近生產(chǎn)井,中分子量組分 (C7～C15)以氣相移動(dòng)和采出,因此大幅度增加了峰值產(chǎn)量。

如今商業(yè)模擬器中的前緣跟蹤動(dòng)態(tài)網(wǎng)格劃分大大有益于燃燒建模。但是,網(wǎng)格加密需要進(jìn)一步提高,以便在不進(jìn)行粗化的情況下直接獲得實(shí)驗(yàn)的動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)。

資料來源于美國(guó)《SPE 113917》

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.6.004

2010-01-19)