南海西部油田可動微凝膠深部調驅模擬表征方法及應用

孟令強

(中海石油(中國)有限公司湛江分公司，廣東湛江 524057)

南海西部北部灣區域目前約一半以上的油田需要注水開發，但隨著注水開發程度深化，加之儲層的非均質性，注入水容易沿著高滲透層突竄，造成無效注水，波及體積低。目前南海西部90%以上注水油田已進入中高含水期，必須尋找能有效擴大注入水波及體積的方法進行穩油控水，進一步提高油田采收率。深部調驅是在現有井網層系下有效擴大注入水波及體積的重要技術措施，是注水油田中高含水期進一步提高水驅采收率的重要途徑之一[1-2]。韓大匡院士團隊提出的可動微凝膠(Soft Microgel，簡稱SMG)深部調驅技術就是其中的一項最新技術[3]，該項技術可有效克服傳統調驅技術在礦場應用中的一些不足[4-6]。目前對于SMG深部調驅的相關研究比較多，主要包括調驅體系的室內實驗評價、影響因素分析、參數優化等[7-11]，但SMG數值模擬研究相對較少[12-15]；目前商業數值模擬軟件還無法直接模擬表征其調驅機理，嚴重制約了深部調驅地質油藏方案的快速編制。針對以上問題，基于SMG調驅機理，將調驅過程劃分為生成、運移和封堵三個階段，然后利用ECL(ECLIPSE)數值模擬軟件分別對上述過程進行模擬表征，重點研究調驅效果影響規律，指導南海西部SMG深部調驅先導試驗。

1 可動微凝膠調驅模擬表征

1.1 調驅機理

可動微凝膠是指在儲層多孔介質中可以移動的納米-微米級凝膠。使用可動微凝膠提高水驅采收率的主要機理是：①調整驅動方向，通過可動微凝膠暫堵高滲透水流通道，使后續的注入流體轉向原來水驅沖洗強度較低和水驅未達到的部位，有效擴大波及體積和提高沖洗強度；②依靠后續的注入流體有效地驅替出所擴大波及范圍內的分散剩余油，從而提高水驅采收率。微凝膠對原來的老通道形成暫堵以后，可動微凝膠受到的壓力梯度會增加，當增加到一定程度后，使具有柔性的可動微凝膠突破暫堵部位并向前移動，直到在某個新的部位再次暫堵新的高滲透水流優勢通道，如此周而復始，可動微凝膠不斷重復“暫堵-突破-再暫堵-再突破”的過程，直至油藏的深部，不斷地擴大注入流體的波及體積，不斷地驅替出更多分散的剩余油[16]。

1.2 模擬表征方法

由可動微凝膠深部調驅機理可知，隨著注入水流動，調驅劑逐漸向地層深部運移，主要用于改變儲層的滲透率，尤其封堵高滲透通道。基于此，可將調驅過程劃分為生成(調驅劑注入到儲層)、運移(調驅劑在儲層中流動)和封堵(儲層滲透率發生改變)三個階段，利用數值模擬軟件ECL分別模擬上述三個階段近似表征可動凝膠深部調驅過程。

1.2.1 SMG生成和運移模擬表征

化學反應在ECL中主要用來表征模擬火燒油層、生物降解等機理。因此，SMG的生成可通過化學反應生成物來代替，運移的遠近可通過化學反應速率來表征，化學反應速率主要遵守阿倫尼烏斯方程：

(1)

式中：Rr為某一反應物在單位時間單位體積內反應消耗的質量，kg/(m3·d)；Ar為反應速率常數，(kg/m3)1-∑nri/d；Er為反應活化能，J/kg；R為通用氣體常數，J/(kg·K)；T為絕對溫度，K；Cri為反應物的密度，kg/m3；nri為與組分濃度相關的指數，f；i為組分個數，f。

化學反應方程主要包括化學反應配平系數和化學反應速率兩大部分，因此，模擬SMG的生成與運移需要以下三個步驟。

步驟一：定義組分

①定義生成物組分

CNAMES

OIL GAS DPOLY/

CVTYPE

1* 1* SOLID/

其中，CNAMES為定義生成物組分名稱；OIL代表油組分；GAS代表氣組分；DPOLY代表具有封堵能力的SMG固相顆粒；CVTYPE為定義生成物組分揮發類型；SOLID代表固相組分類型。

②定義反應物組分

WNAMES

WATER POLY/

CWTYPE

1* POLY/

其中，WNAMES為定義反應物組分名稱；WATER代表水組分；POLY代表反應物SMG分散相體系；CWTYPE為定義反應物組分類型。

步驟二：設置化學反應配平系數

①設置反應物配平系數

STOREAC

0 0 0 1 0/

其中，STOREAC為設置反應物配平系數。

②設置生成物配平系數

STOPROD

0 0 1 0 0/

其中，STOPROD為設置生成物配平系數。

步驟三：設置反應速率常數

REACRATE

0.1/

其中，REACRATE為設置反應速率常數。

反應速率常數的大小可以控制SMG運移的遠近。反應速率常數大，反應速度快，SMG主要堆積在近井筒附近，可用于模擬近井地帶的封堵；反應速率常數小，反應速度慢，SMG往深部運移，可用于模擬深部調剖。

1.2.2 SMG封堵能力模擬表征

SMG進入儲層之后，封堵能力通過流度倍乘系數來表征，見式(2)：

(2)

其中，流度倍乘系數為吸附濃度的函數，見式(3)：

ks=ksc(Ca)

(3)

式中：Ca為固相吸附濃度，mg/L；ksc(Ca)為吸附濃度的函數。

在ECL中，流度倍乘系數可通過關鍵字SOLIDMMC(設置流度倍乘系數與固相吸附濃度的關系)進行設置：

SOLIDMMC

0 1.00

0.0001 0.99

0.0005 0.80

0.001 0.75

0.005 0.36

0.01 0.10/

其中，關鍵字第1列為固相吸附濃度，第2列為流度倍乘系數。

2 調驅效果影響因素

確定表征方法之后，為了研究影響調驅效果的規律，建立1注1采調驅機理模型(圖1)，網格規模為10×10×10，網格尺寸為50 m×50 m×3 m，滲透率級差為10，頂部和底部為高滲層，中間為低滲層，地下原油黏度為2.5 mPa·s。利用該模型對儲層非均質性和SMG性質等進行敏感性分析。

圖1 調驅機理模型

2.1 儲層非均質性

采用滲透率級差來表征儲層非均質性，該參數是指最大滲透率與最小滲透率的比值，設置6個不同的滲透率級差(1、5、10、20、30、40)進行模擬。結果表明，滲透率級差越大，即儲層非均質性越強，水驅和調驅的采收率均越低，但SMG會優先進入高滲層，降低高滲層滲透率，從而改善水驅剖面，即滲透率級差越大，改善效果越明顯，相對于水驅，調驅采收率增幅則不斷增加(圖2)。這說明對于儲層非均質性越強的油藏，相對于水驅，調驅提高采收率值越大，效果越好。

圖2 滲透率級差對調驅效果影響

2.2 SMG性質

2.2.1 反應速率常數

反應速率常數的大小可以控制SMG運移的遠近，設置不同的反應速率常數(0.03、0.06、0.10、0.50、1.00)進行數值模擬研究發現，反應速率常數越小，反應速度越慢，SMG越往深部運移，調驅有效期變長，采收率增幅也隨之增加(圖3)。

圖3 反應速率常數對調驅效果影響

2.2.2 注入SMG濃度

注入SMG濃度是與SMG注入總量相關的參數，是影響調驅最終采收率的重要因素。數值模擬結果表明，SMG濃度對最終采收率的影響較大。隨著注入SMG濃度增加，相對于水驅，提高采收率值逐漸增大；但當SMG濃度超過一定值(本次模擬約為2 000 mg/L)后，采收率增幅會變小(圖4)。因此，在礦場應用時，由于要考慮經濟因素，必須對注入SMG濃度進行優化。

2.2.3 注入段塞尺寸

對于注入段塞尺寸，在相同的注入濃度條件下，隨著注入段塞尺寸增加，最終采收率也隨之增加，但段塞尺寸超過一定值(本次模擬為0.6 PV)后，曲線逐漸趨于平緩，提高采收率值的增大趨勢變緩(圖5)。考慮經濟因素，在進行調驅方案設計時需優化注入段塞尺寸。

圖5 注入段塞尺寸對調驅效果影響

通過以上敏感性分析可知，儲層非均質性越強，油水黏度比越大，深部調驅效果越好；同時，SMG性質是保證調驅效果的關鍵，因此在考慮經濟因素和工程因素的前提下，需要針對具體油藏類型進行優化選擇。

3 礦場應用

基于調驅效果影響規律的認識，優選南海西部儲層非均質性較強的典型井組(W油田A10井組)進行調驅先導試驗，該井組滲透率級差為23.8～194.1，地下原油黏度為4.0 mPa·s。2010年投入開發，2018年綜合含水已突破80%，注入水沿優勢通道突進嚴重，水驅不均，層內存在剩余油潛力。為控制含水過快上升，2019年12月對該井組(注水井為A10井，主要受效井為A4井)開展了在線調驅先導試驗，累計注入濃度為2 000 mg/L的SMG共9 896.6 m3。對于注水井，調驅后啟注壓力由調驅前的3.9 MPa逐漸增加至12.7 MPa，表明高滲通道封堵效果較好；對于采油井，主要受效井A4井含水下降10%，日產油增加15.00 m3(圖6)，截至2020年12月底已累計增油0.51×104m3，預計累計增油1.24×104m3，取得了較好的調驅效果。

圖6 W油田A10井組調驅效果

W油田A10井組調驅試驗的成功，進一步驗證了深部調驅對于非均質性較強油藏具有較好的調驅效果，也證實了該模擬表征方法的可靠性及實用性，為南海西部注水油田深部調驅進一步推廣應用提供了技術儲備和經驗借鑒。

4 結論

(1)基于SMG深部調驅機理，利用ECL數值模擬軟件中化學反應和關鍵字SOLIDMMC近似模擬SMG調驅的三個階段(生成、運移、封堵)，并將三個階段耦合得到模擬SMG調驅機理的表征方法。

(2)應用提出的模擬表征方法對各參數進行敏感性分析，結果表明，儲層非均質性越強，深部調驅效果越好；SMG性質對調驅效果影響較大，需針對具體油藏進行優化選擇。

(3)南海西部W油田A10井組的SMG深部調驅先導試驗取得較好效果，證實了該模擬表征方法的可靠性及實用性，為南海西部注水油田深部調驅進一步推廣應用提供了技術儲備和經驗借鑒。