张朝琛-油藏物理化学环境与驱油体系的相互作用.ppt

油藏物理化学环境与驱油 体系的相互作用 （论纲）,报告人： 张朝琛,论纲目录,油藏采收系统和谐运行的有关要素及相互关系 储层地质环境非均质性要深入认知 从不同尺度研究采收的环境 重新审视石油复杂组成的可能影响 深入评估油藏采收过程中与水有关的各类相互作用 驱替动力学研究路漫漫兮有待求索 对驱替剂应进行战略性、科学性、经济性、 可行性的全面评价 若干意见与建议,I、油藏采收系统和谐运行的 有关要素及相互关系,一、五个要素 采收的对象油（包括溶解气）、游离气、 凝析物等 采收的环境 多孔介质（各类岩性储集层）-天然环境 井（不同注采井别及几何形状）人为环境 采收的工质驱替油气的工作介质 采收的能量油藏本身拥有的或人为引入的 采收的动力学过程渗流的、热动力的、物化的,渗流等动力学过程,驱替剂,能量,环境（多孔介质及井）,油,能量的类型、大小、利用与消耗大体 上可以估测 驱替剂的类型、组成是人为选择，可 测、可控 石油复杂组成的影响日益凸显，环境 与过程的作用和影响处于灰箱状态 储层的 各类非均质性的认识远非完善,二、三种接口（相互作用）,油 储层 驱替剂 储层 驱替剂 油,三、三类渗流动力学过程,驱替剂在不同井网下在储层中渗流 等动力学过程 油在不同井网下在储层中渗流等动 力学过程 驱替剂油的界面渗移、指进、 互溶、弥散等动力学过程, 一个采收系统的有效运行，取决于对 五个要素、 三种接口（相互作用）、 三类动力学过程 的认知程度和把握能力,II、储层地质环境非均质性 要深入认知,III、从不同角度研究储层的架构与采收环境,一、采收的环境：,天然环境：,储层架构储层描述（沉积学、地震、测井、 岩心分析、石油地质） 岩矿组成岩矿学、地球化学 各向异性与非均质性沉积学、构造学、 裂缝方法密度 空隙空间铸模、压汞、切片（Thin-section） 层析成像（Tomographic Image） 模型研究、统计研究,人为环境 ：,按几何格局布置的井网及注采井别 将储层人工切割为有界（流体力学 意义上）规定流向的区块,已被扰动（后水驱） 的储层环境 ：,受开发工程及注采格局影响后的储 层环境研究储层开发特性表征 （Reservoir Characterization）或 称所谓油藏精细描述，强调搞清井 间各向流动单元及注水驱后水层环 境的格局变化,二、从不同几何尺度考量储层, 纤观 微观 细观 直观 宏观 巨观 宇观,埃米级 纳米级 微米级 毫米级 厘米级 米级 千米级 兆米级, nm m mm cm m Km Mm,10-10 10-9 10-6 10-3 10-2 100 103 106,超微孔 孔内粘土 裂缝 岩屑 岩心 区块 地层 孔隙表面 孔洞,一次采油工程,二次采油工程,强化采油工程,残油分布研究,注： 剩油分布,孔隙表面 孔隙空间 岩心 油田开发 成藏成盆 分子学研究 研究 分析 工程研究 运移研究,渗流动力学研究,多相渗流,单相渗流,不同的工程有不同的视角和不同的尺度 不同阶段的采油方法召唤不同精细程度的研究,三、储层非均质性,岩心塞物性测定值的代表性 油藏物性数据（岩心分析、测井、试井）的统计特性 孔隙大小分布的非均质性微观 沉积相导致的非均质性宏观到巨观 局部沉积的相对均质性直观到宏观 非均质性是油藏开采不确定性的根由 岩性宏观非均 质性各向异性,岩性微观 非均质性,+,注采方位 注采强度,同向谐振,窜流早 波及少 剩油多,采收率 低下,+,驱替剂与 不配伍性,残油多 分散严重 驱涤差,采收率 低下,用数理化方法从不同尺度和参数 研究储层非均质性始终是一个既重 要又无奈，常说常新的命题,IV、重新审视石油复杂组成的可能影响,一、石油组成的复杂性, 分为四部分 饱和烃 芳香烃 胶质（或极性芳香烃 polar aromatics） 沥青烯（asphaltenes）, 大量异构烃 碳 数 C1-3 C4 C5 C6 C7 C8 异构数 1 2 3 4 9 18 碳 数 C9 C12 C15 C18 C25 异构数 35 355 4347 60523 36797588 碳 数 C40 异构数 62*1012 有时含微晶状石蜡（正构C16C20的烷烃）， 呈悬浊液相 含O、S、N的烃化合物胶质有极性， 与分子量有关, 沥青烯热解为可溶的碳烯（carbenes） 及不溶的carboids 沥青烯与胶质平均分子量从*102到 *103，最高可达104 沥青烯与胶质混合形成胶束，胶质在 沥青质外表 沉析固相中含有可溶的胶质, 沥青胶质含痕量的V、Ni、Fe的烃质化合物 沥青烯在戊烷，己烷及庚烷中有溶解作用 沥青烯 胶束 簇状胶束絮凝物 （稳定） （不稳定）, 沥青烯的分子结构有三类： 简化直观的三维立体模型，不能界定其规模 构架状模型，可标出键长和角度，但未能展 示分子构造上原子能分布情况 空间充填模型，可能是较如实的分子模型 胶质在沥青烯和油这两相中达到化学平衡的 必要条件是：根据热力学，组分在各相中的 化学势相等，即： 沥青烯胶质= 油胶质,二、有关石油复杂组成认知问题, 在油藏工程或相态计算时简化为C7+ 在数值模拟中简化为黑油模型，或将C7 的轻端 组分演化为组分模型 在相态研究中，已知C7+ 对相行为有影响 （Speight ,1994） 石油的结构（The structure of petroleum） 涉及沥青质胶束和沥青质稳定化的影响，胶束 大小又受沥青及胶质浓度、温度及溶剂类型性质的 影响而变, 含N、O、S等杂化原子的的烃类化合物 的结构，及其对沥青胶质的簇状胶束的 形成及分化有何影响。 ？ 含杂化原子的化合物的 复杂组分的烃类 在孔隙空间及表面的行为 ？ 对残油的分布、推移、并聚有何影响 ？ IOR与EOR的驱替介质的配伍性与相互 作用？,用传统的、简化的、宏观的认知 去对付微观的、复杂的、出现新 变数的EOR问题还有大量基础研 究有待进行,V、深入评估强化油藏采收进程中与 水有关的各类相互作用,一、油藏水的多样形态, 储层中含水状态：束缚水、共存水、注入水 储层水结构化成因： 水分子H2O的极性：由于H原子彼此旋转面不 是180，而是120 岩矿颗粒表面的吸附, 粘土矿物表面电荷大小不同对水分子的吸引 力差异，形成附着水，即靠化学作用耦合在 粘土矿物如蒙脱土的晶格上 较强附着水：粘土矿物边角上吸附较强的水层 中等附着水：颗粒表面强烈吸附的呈强结构化 的水层 松散附着水：颗粒表面松散吸附的一般结构化 水层 非附着水：在孔隙空间中部非结构化的游离水,粘土水孔隙界面的梯度化特性影响 超低渗粉状沙泥岩的孔隙度测定及驱替 剂的进入何通过,二、油藏水的化学配伍性, 化学成分：Na+、Ca+、Fe+、Ba+、Cl-、 CO3-、HCO3-、SO4- 水 型：NaHCO3、MgCl2、CaCl2 矿 化 度：*103-105ppm,三、 水垢沉积类型与影响因素,类型 影响因素,CaCO3 CO2分压、T、总矿化度 CaSO42H2O T、总矿化度 CaSO4 P BaSO4 T、总矿化度 SrSO4 FeCO3 FeS Fe(OH)2 Fe(OH)3 腐蚀、pH、溶解气 Fe2O3 （电化学）,、IOR和EOR过程除垢、防垢、二次成垢研究,四、问题, 水系列驱替剂与油藏水，已注入水的 相互作用？, 非烃的 气态驱替剂（空气、CO2、N2） 与油藏水、已注入水的相互作用, 这些与水有关的相互作用对储层岩矿及 孔隙空间结构的衍生影响,VI、油藏渗流物理的研究路漫漫兮有待求所,一、传统渗流模型及方法,依据: 多孔介质相对均质（细观、直观、宏观） 确定连续介质动力学方法 模型：球堆模型、毛管束模型、Hele-Shaw平行板裂缝模型 Buckley-Levertt 锥进模型 舌进模型（Deitg模型） 活塞式模型 流管模型 指进模型（Meurs模型） 样条（splines）模型,双液驱 替型,近代油藏工程应用及数值模拟的依据,二、统计性渗流物理方法, 依据：多孔介质微观非均质性 渗流通道的随机特性 统计力学方法 模型：随机漫步模型 随机介质模型 消散模型 图象模型 迷宫模型 Boltzmann点阵(Lattic) Dullien孔隙空间 模型 模型,三、弥渗模型（percolation models）理论方法, 又称交通疏堵模型（traffic model） 针对多孔介质微观非均质性引发的问题 可以处理：单相渗流 两相非定常流 多相定常流 孔调介质的孔隙分布 裂缝介质参数确定 电波、声波对多孔介质的作用 脉冲与交变流向对非均质导流特性影响,为强化采油研究残油分布及汇集提供理论基础,四、多层次孔隙介质（ Hierarchial porous media） 渗流物理方法, 超尺度从纤观（）到巨观（Km）孔隙介质物料 运移体系 非线性力学方法,五、非牛顿流体渗流物性,六、渗流化学及动力学方法,催化剂、分子筛研究的延伸与发展,VII、 对驱替剂应进行战略性、科学性、 经济性、可行性的全面评价,一、驱替剂类型系列 水系列： 凉水 热水 稠化水（各类聚合物溶液） 活性水（表面活性剂水溶液） 碳酸水 碱性水 胶束/微乳液,气系列：,空气（导压、低温氧化、高温氧化、混相） N2 CO2 烟道气（N2 85%、CO215%） 干气（CH4） 富气（C1C34）,组合型驱替流体系列, 水气交注（WAG） 泡沫（水+气+起泡活性剂+稳定剂） 碱性水/活性液/聚合物稠化水 三元复合泡沫体系 热水蒸汽（不同干度） 微生物复合菌液,二、 驱替剂的物化功能（流体力学、物理、 化学热力学）,正面：, 导压 增粘 传质 改善流度 稀释 扩大波及 降粘, 分流改向（divect) 降低或消除界面张力 油膨胀 微观替置 组分活化（碱水） 调整注采剖面（垂向） 烃类改性（upgrading）（细菌）,负面：, 对储层岩矿及结构的影响,速敏 水敏 酸敏 碱敏 盐敏,粘土溶胀 结构坍落 孔隙堵塞 润湿性逆转, 注意在近井与孔隙要塞部位负面影响的严重性, 对储层流体的影响,抽提 溶析 氧化 水沉析反应,石蜡沉析 沥青沉析 油水乳化堵塞 油品恶化 无机盐沉析,三、驱替剂的筛选与制备准则, 采收剩油或/和残油的针对性 与采收系统 主要因素（油、储层）的物化配伍性 驱替剂本身的物化稳定性 相关的渗流等动力学过程的持续和可控性 与后续采收方法的协调性 能否回收、循环使用的再生性 携带与传递能量（导压、传质）传导性 原料、价格、制备的技术经济可行性 环境保护（制备、采出液）的承受性 对采出原油品质及加工过程的干扰性,必须作出战略性、系统性、科学性 及经济性的研究及评估,VIII、几点意见,一、强化采油（EOR）是21世纪一项国际 化、高科技和高投资、高风险的产业， 涉及可持续发展和能源安全，是一个 方兴未艾的诱人领域,二、EOR的技术路线，一旦选定并实施就 踏上不归之路，极难改弦更张；技术 路线的选择必须因油藏而异，因地制宜,三、注水（气）驱油在储层的主要孔隙网络 轴向中心部位运行，基本上是一个力学 过程，受宏观非均质性所控制；注水留 下不同尺度剩油带及波及区域内残油。 传统渗流物理及工程方法基本满足需求。,四、强化采油对象是残油及小尺度剩油，受 微观非均质性和次一级更细孔隙网络和 表面物化特性控制，不单纯是力学过程， 需要在孔隙尺度及分子水平进行物化及 相互作用研究。,五、需要重新审视注水采油历程形成的思维 定势，需要探讨多相渗流物理、非线性 力学、表面特性、及弥渗理论模型；开 展强化采油的基础研究，为EOR提供新 的认知基础。,六、影响强化采油有诸多因素、诸多相互作 用和多种力学过程，要系统、和谐