Effects of Fracture Parameters on VAPEX Performance: A Numerical and Experimental Approach Utilizing Reservoir-On-The-Chip

本研究通过详细的实验和数值模拟，探讨了裂缝参数（如裂缝方向、长度、宽度、密度和位置）对VAPEX（溶剂萃取）效果的影响。研究使用微流控芯片模型模拟加拿大重油储层，并通过图像分析和数值模拟评估了重油采收率、残余油饱和度和溶剂腔扩展。实验中使用了纯丙烷和纯二氧化碳作为注入溶剂，研究发现所有裂缝（无论其特性如何）均能提高重油采收率，丙烷因其更高的溶解性和有效扩散性表现更优。最高采收率（65.81%）是在井对两侧设置两条宽垂直裂缝时获得的。通过数值模拟和实验结果的对比，误差分析显示平均绝对误差低于8%，验证了模拟的准确性。

CMG软件应用情况

研究中使用了CMG（Computer Modelling Group Ltd.）软件中的Winprop™模块来构建PVT数据集，并调整Peng-Robinson状态方程（EOS）的参数，以拟合实验测得的重油密度、粘度和溶解度数据。随后，利用CMG STARS™软件构建了储层模型，并进行了历史拟合和30种不同设计方案的模拟。通过调整扩散系数和相对渗透率等关键输入变量，实现了与实验数据的高精度匹配，平均绝对误差低于8%。

结论

  1. 溶剂效率：丙烷因其更高的扩散性和分散性，在重油采收率提升方面显著优于二氧化碳。
  2. 裂缝方向：垂直裂缝比水平裂缝更能提高采收率，主要归因于重力泄油机制的增强。
  3. 裂缝长度：增加裂缝长度显著提高了采收率，尤其是当裂缝延伸至储层较远区域时。
  4. 裂缝宽度：增加裂缝宽度也能提高采收率，但其效果不如裂缝长度显著。
  5. 裂缝密度：增加裂缝数量在一定程度上提高了采收率，但过多的裂缝可能导致溶剂被困在高渗透区，反而降低采收率。
  6. 裂缝位置：裂缝位置对采收率影响显著。位于井对之间的裂缝能显著增强重力泄油机制，而远离井对的裂缝效果较差。

作者单位

加拿大里贾纳大学工程与应用科学学院石油系统工程系

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Abstract

The present research carries out an in-detail study of the VAPEX process as one of the most recent solvent-based heavy oil recovery techniques in fractured reservoirs to evaluate the effect of fracture parameters on process performance. To achieve this purpose, several fractured patterns with distinct features were designed and engraved on glass pieces to manufacture state-of-the-art microfluidic models mimicking a typical Canadian heavy oil reservoir. A heavy oil sample of viscosity 1514 cP was utilized during the conducted experiments with pure propane and pure carbon dioxide as the injection solvents. A thorough image analysis operation was carried out over the experimental models to determine heavy oil produced, residual oil saturation, ultimate recovery factors, and monitor solvent chamber expansion. Numerical simulations of the same experiments were carried out for history matching and predicting other designed scenarios. Error analysis revealed average absolute errors of below 8%, showing convincing precision. Together with the simulation outcomes, a comprehensive data bank was obtained from the 30 scenarios designed and 18 VAPEX experiments conducted. The effects of fracture orientation, length, width, intensity, and position on process performance were identified and numerically evaluated. It was observed that all fractures, regardless of their properties, enhanced heavy oil recovery in comparison to the base case (no fractures) scenario. Moreover, propane proved more efficient owing primarily to its higher solubility and effective dispersion. The highest recovery factor, 65.81%, was obtained when implementing two wide vertical fractures on either side of the well pair. Almost equal to that, 64.93% was the process efficiency by positioning two long horizontal fractures between the wells.

 

背景知识

Reservoir-On-The-Chip（ROC）简介

Reservoir-On-The-Chip（ROC）是一种新型的微型化技术，通过在微流控芯片上模拟天然油藏岩石的孔隙结构，用于研究油藏中的流体流动和油藏开采。这种技术将孔隙网络蚀刻在硅基底上，并与玻璃覆盖层结合，形成完整的微流控芯片。

ROC的应用

  • 流体流动研究：ROC能够直接观察孔隙尺度的流体流动，帮助研究人员理解多相流、油-水-固相互作用以及微乳液的动态。例如，通过在模拟裂缝-洞穴碳酸盐岩油藏的微模型中进行气体-水流动机制的视觉研究，可以更好地理解流体在微观尺度上的行为。
  • 提高采收率（EOR）研究：ROC技术可用于筛选和评估不同的EOR化学品，如表面活性剂。通过在模拟碳酸盐岩油藏的微流控芯片上进行实验，可以快速评估表面活性剂配方在改变润湿性和降低油水界面张力方面的效果。此外，ROC还可以模拟实际油藏条件，如高温、高压和表面几何特性，从而更准确地预测EOR方法的效果。
  • 油藏模拟与预测：ROC可以模拟不同类型的油藏，如砂岩和页岩油藏。通过在芯片上复制实际油藏的孔隙结构，研究人员可以在短时间内评估化学添加剂对油藏产量的影响。这种技术还可以用于模拟和预测油藏的开采效率，为实际的油藏开发提供指导。
  • 实验重复性与可靠性：由于ROC芯片可以多次复制，因此在实验中可以保持相同的孔隙结构，只改变化学添加剂，从而提高实验的重复性和可靠性。

ROC的优势

  • 可视化：与传统的岩心驱替实验相比，ROC技术可以直观地观察流体在孔隙中的流动和相互作用。
  • 快速评估：ROC能够在短时间内完成对化学添加剂的评估，大大缩短了研究周期。
  • 可重复性：通过芯片制造过程，可以轻松复制相同的孔隙结构，确保实验的可重复性。
  • 模拟实际条件：ROC可以模拟实际油藏的高温、高压和化学环境，使实验结果更接近实际情况。

ROC的挑战

  • 数据分散和实验重复性验证：在使用ROC数据进行定量油回收结论时，需要解决数据分散和实验重复性验证的问题。
  • 复杂油藏结构的模拟：对于一些复杂的油藏结构，如裂缝性油藏和非常规油藏，ROC技术可能需要进一步发展以更准确地模拟其孔隙结构。

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