任韶然，牛保倫，王冠杰，楊兆臣，賴 年

(1.中國石油大學(xué)(華東)，山東 青島 255666;2.中油新疆油田分公司，新疆 克拉瑪依 834000)

稠油油藏尿素輔助蒸汽驅(qū)油數(shù)值模擬研究

任韶然1，牛保倫1，王冠杰1，楊兆臣2，賴 年2

(1.中國石油大學(xué)(華東)，山東 青島 255666;2.中油新疆油田分公司，新疆 克拉瑪依 834000)

針對河南油田泌淺10塊超稠油油藏蒸汽吞吐開發(fā)末期地層壓力低、回采水效率低、井間剩余油多等特點，根據(jù)尿素輔助蒸汽驅(qū)油機理，在蒸汽中添加尿素以改善蒸汽驅(qū)的開發(fā)效果。利用物理模擬方法，建立了尿素分解模型，求取了分解反應(yīng)動力學(xué)參數(shù);利用數(shù)值模擬方法，建立了尿素輔助蒸汽驅(qū)數(shù)值模型，并進行了驅(qū)油機理分析。數(shù)值模擬結(jié)果表明，尿素輔助蒸汽驅(qū)是稠油油藏高輪次吞吐后進一步提高采收率的有效技術(shù)，可在蒸汽驅(qū)基礎(chǔ)上提高采收率6.8個百分點。

稠油;尿素;數(shù)值模擬;蒸汽驅(qū)機理;河南油田泌淺10塊

引言

河南油田泌淺10塊屬淺薄層、超稠油油藏，采用蒸汽吞吐方式，自1989年投入開發(fā)以來，平均單井吞吐8.1周期，采出程度為22%。目前地層壓力過低，平均壓力為1.0～1.5 MPa，地下存水率高，蒸汽吞吐已達到經(jīng)濟極限。常規(guī)氣體輔助蒸汽驅(qū)油［1－4］已經(jīng)取得了良好效果，如添加CO2、N2、煙道氣及空氣等，因受到氣源及空氣安全性等因素限制，直接注氣輔助蒸汽驅(qū)并未得到大范圍推廣，因此通過化學(xué)劑反應(yīng)間接生成氣體，不僅緩解了氣源緊張的問題，還可通過化學(xué)反應(yīng)控制氣體的作用時間，有利于控制蒸汽驅(qū)替速率?；谝陨锨闆r，針對泌淺10塊油藏特征研究了尿素輔助蒸汽驅(qū)技術(shù)，進一步提高高輪次吞吐后的采出程度。碳酰二胺俗稱尿素，其水溶性極好，生產(chǎn)價格較低，工藝技術(shù)成熟，利于現(xiàn)場實施。尿素在150℃高溫下發(fā)生分解反應(yīng)，釋放出CO2和NH3。另外在尿素溶液中添加硝石等催化劑，可加速其分解反應(yīng)速率。通過文獻檢索和現(xiàn)場應(yīng)用資料表明［5－9］，尿素溶液在高溫作用下產(chǎn)生的分解氣，在蒸汽熱效應(yīng)基礎(chǔ)上進一步降低稠油黏度及殘余油飽和度，擴大蒸汽波及范圍，有效提高油汽比及采收率，經(jīng)濟效益顯著。

1 尿素輔助蒸汽驅(qū)油模型的建立

尿素輔助蒸汽驅(qū)油模型除常規(guī)的稠油黏度－溫度模型、相滲－溫度模型、井筒熱損失模型等，主要研究了尿素分解模型、CO2溶解降黏模型、NH3降低界面張力模型以及吸附解析模型等。

1.1 尿素分解模型

尿素分解速率是控制分解氣(CO2、NH3)作用時間的關(guān)鍵因素。在高溫高壓反應(yīng)釜中注入尿素溶液，分別模擬150℃常壓、3 MPa、14 MPa時的尿素分解規(guī)律。其中注入N2模擬不同壓力下尿素分解后壓力隨時間的變化情況。實驗結(jié)果表明，對于有氣體產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)，壓力的改變會使反應(yīng)過程中平衡發(fā)生移動，從而影響達到平衡的時間。在大氣壓下，尿素在0.869 h后壓力達到平衡，分解速率為0.829×10－3mol/(L·s);隨著壓力升高，尿素分解速率降低。當(dāng)壓力升高至4 MPa(淺層稠油油藏)，反應(yīng)時間延長至2 h后壓力達到平衡，分解速率降至0.332×10－3mol/(L·s);當(dāng)系統(tǒng)壓力升高至14 MPa(深層稠油油藏)，平均分解速率僅為0.117×10－3mol/(L·s)。因此隨著油藏壓力的升高，尿素溶液的分解反應(yīng)速率逐漸降低，不利于尿素的快速分解。

尿素分解基本不受濃度的影響［10］，屬于零級反應(yīng)，依據(jù)上述實驗結(jié)果，可由Arrhenius方程(1)得出其分解反應(yīng)動力學(xué)參數(shù):活化能為9.83 kJ/mol，預(yù)冪率指數(shù)為1×107L/(s·kPa)。

式中:px為氣體的分壓，Pa;t為時間，s;k0為預(yù)冪率指數(shù)，L/(s·kPa);E為活化能，J/mol;R為摩爾氣體常量，8.314 J/(kmol·K);T為模型溫度，K。

1.2 溶解降黏模型及堿驅(qū)模型

尿素對稠油降黏效果表現(xiàn)為CO2－NH3與稠油的相互作用。在油藏數(shù)值模型中，CO2－稠油溶解降黏模型通過常規(guī)PVT相態(tài)方程計算得出不同溫度、壓力條件下二者的溶解度;堿驅(qū)模型可通過輸入不同濃度NH3·H2O對油水界面張力進行修正，并利用langmuir吸附等溫模型描述NH3·H2O的吸附性能。依據(jù)建立的CO2－NH3－稠油綜合降黏模型擬合了尿素對稠油的降黏實驗，擬合結(jié)果較好，詳見表1。

表1 尿素溶液熱分解后對稠油降黏效果實驗結(jié)果

2 超稠油油藏尿素輔助蒸汽驅(qū)數(shù)模研究

依據(jù)泌淺10區(qū)古近系核桃園組三段IV9層油藏參數(shù)，建立了4個反九點井網(wǎng)(圖1)。井組在經(jīng)

圖1 模型井組井位示意圖

過蒸汽吞吐井網(wǎng)加密階段后，目前井距為70 m× 100 m，其中注入井4口，生產(chǎn)井21口。建立精細地質(zhì)模型后，粗化成網(wǎng)格，劃分為45×55×9的數(shù)學(xué)模型，步長為10 m。其中油層埋深為230.0～360.6 m，平均為294.6 m，地層傾角為12°，有效厚度為6.2～14.4 m，平均為9.4 m，孔隙度為20.6%～39.1%，平均為34%，滲透率為0.464～7.707 μm2，平均為2.28 μm2，原始含油飽和度為50.0%～88.5%，平均為75%，油層溫度下脫氣原油黏度為54 000 mPa·s，系淺層超稠油油藏。

基于生產(chǎn)歷史擬合后的油藏模型，進行了蒸汽驅(qū)、尿素輔助蒸汽驅(qū)開發(fā)方式對比。蒸汽驅(qū)及尿素輔助蒸汽驅(qū)選用間歇汽驅(qū)，開發(fā)效果見表2。

表2 蒸汽驅(qū)及尿素輔助蒸汽驅(qū)開發(fā)效果對比

3 尿素輔助蒸汽驅(qū)油提高采收率機理分析

3.1 提高地層壓力

尿素在地層分解后可產(chǎn)生大量分解氣，1 t尿素分解可消耗0.3 t水，生成373 m3CO2和746 m3NH3(地面體積)，利于增壓回采。目標(biāo)井組蒸汽吞吐末期，平均地層壓力僅為1 MPa左右，蒸汽驅(qū)在注入初期可以提高地層壓力至1.3 MPa，在井間形成連通后，壓力逐漸降低至0.5 MPa;對于尿素輔助蒸汽驅(qū)，地層壓力可升高至1.9 MPa左右，汽竄后壓力降低幅度低于蒸汽驅(qū)。同時地層壓力的升高，可提高CO2在稠油中的溶解度，進一步降低稠油黏度。此外，壓力的升高對冷凝水有進一步汽化作用，有利于保持蒸汽干度。

3.2 降低稠油黏度

稠油降黏率是稠油開發(fā)的重要指標(biāo)。在蒸汽驅(qū)熱效應(yīng)基礎(chǔ)上，尿素分解氣通過溶解、乳化等作用，降黏率在30%以上。注入井周圍降黏率較高，這是由于注入井井底壓力較高，提高了CO2在稠油中的溶解度，同時也說明了尿素在注入井周圍即可分解，形成了氣體輔助蒸汽驅(qū)。

3.3 擴大蒸汽波及體積

蒸汽驅(qū)可在一定程度上擴大波及范圍，提高原油產(chǎn)量，但是由于蒸汽黏度小，水油流度比大，擴散速度快，易產(chǎn)生汽竄，導(dǎo)致熱利用率低。圖2是蒸汽驅(qū)和尿素輔助蒸汽驅(qū)在30個開發(fā)周期后含油飽和度場圖，圖2中生產(chǎn)井的個數(shù)較多(紅點表示注入井的位置)，主要是在歷史擬合階段存在的井，但在蒸汽驅(qū)方案設(shè)計中設(shè)置為關(guān)井。在蒸汽驅(qū)中加入尿素，由于尿素分解產(chǎn)生的氣體可以迅速提高油藏壓力，加大產(chǎn)油速度;同時CO2及NH3由于重力差異作用，攜帶蒸汽部分熱量加熱頂部油層，增加蒸汽腔體積 改善油層吸汽剖面 在蒸汽驅(qū)的基礎(chǔ)上采收率提高了6.8個百分點。

圖2 30個周期不同方式蒸汽驅(qū)前后IV9－3層含油飽和度場對比

4 結(jié)論

(1)通過尿素分解實驗及PVT相態(tài)軟件建立的尿素分解模型、降黏模型等能較好地符合室內(nèi)實驗，可用于模擬尿素輔助蒸汽驅(qū)開發(fā)過程。

(2)尿素在地層中分解后生成的 CO2和NH3，能有效提高地層壓力，降低原油黏度，同時擴大了蒸汽的波及范圍，數(shù)值模擬結(jié)果表明，尿素輔助蒸汽驅(qū)可在蒸汽驅(qū)基礎(chǔ)上提高采收率6.8個百分點。

(3)尿素輔助蒸汽驅(qū)好于常規(guī)蒸汽驅(qū)效果，對高輪次吞吐后的稠油油藏有較好的適應(yīng)性。

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Numerical simulation on urea－assisted steam flooding for heavy oil reservoir

REN Shao－ran1，NIU Bao－lun1，WANG Guan－jie1，YANG Zhao－chen2，LAI Nian2
(1.China University of Petroleum，Qingdao，Shandong255666，China; 2.Xinjiang Oilfield Company，PetroChina，Karamay，Xinjiang834000，China)

In the late life of cyclic steam stimulation for ultra－h(huán)eavy oil reservoirs in the Biqian 10 block of Henan oilfield，reservoir pressure is low，water recovery rate is low，and interwell remaining oil is abundant.Based on the mechanism of urea－assisted steam flooding，urea is added into steam to improve steam flooding effect.A urea decomposition model is established through physical simulation to derive the kinetic parameters of decomposition reaction;and a numerical model of urea－assisted steam flooding is established to analyze oil displacement mechanism.The results of numerical simulation show that urea－assisted steam flooding is an effective way of enhancing heavy oil recovery after multiple cycles of steam stimulation，can further improve the recovery factor by 6.8%.

heavy oil;urea;numerical model;steam flooding mechanism;Biqian 10 block of Henan oilfield

TE357.46

A

1006－6535(2012)03－0111－03

10.3969/j.issn.1006－6535.2012.03.029

20110927:改回日期:20120315

山東省泰山學(xué)者建設(shè)工程基金(TSXZ2006－15);中石化河南油田“泌淺10斷塊熱化學(xué)驅(qū)井網(wǎng)及注采參數(shù)優(yōu)化研究”(G0503－09－ZS－035)

任韶然(1960－)，男，教授，博士，1982年畢業(yè)于華東石油學(xué)院鉆井專業(yè)，1992年獲得英國帝國理工醫(yī)學(xué)院化學(xué)工程專業(yè)博士及DIC學(xué)位，主要從事提高采收率、CO2埋存及天然氣水合物開發(fā)方面的研究。

編輯王 昱