GasAssisted Gravity Drainage (GAGD) Process cho thu hồi dầu

IPTC 13244
Gas-Assisted Gravity Drainage (GAGD) Process for Improved Oil
Recovery
Norollah Kasiri and A. Bashiri, Iran University of Science & Technology
Copyright 2009, International Petroleum Technology Conference
This paper was prepared for presentation at the International Petroleum Technology Conference held in Doha, Qatar, 7–9 December 2009.
This paper was selected for presentation by an IPTC Programme Committee following review of information contained in an abstract submitted by the author(s). Contents of the
paper, as presented, have not been reviewed by the International Petroleum Technology Conference and are subject to correction by the author(s). The material, as presented,
does not necessarily reflect any position of the International Petroleum Technology Conference, its officers, or members. Papers presented at IPTC are subject to publication
review by Sponsor Society Committees of IPTC. Electronic reproduction, distribution, or storage of any part of this paper for commercial purposes without the written consent of
the International Petroleum Technology Conference is prohibited. Permission to reproduce in print is restricted to an abstract of not more than 300 words; illustrations may not
be copied. The abstract must contain conspicuous acknowledgment of where and by whom the paper was presented. Write Librarian, IPTC, P.O. Box 833836, Richardson, TX
75083-3836, U.S.A., fax +1-972-952-9435.

ABSTRACT

Bơm luân phiên khí nước (WAG) hoặc bơm đồng thời khí nước (SWAG) đã được đề xuất như
là giải pháp rất tốt để vượt qua phân dị lực hấp dẫn và hiệu suất tốt hơn trong EOR so với bơm
khí liên tục thông thường (CGI). Tuy nhiên quá trình WAG gây ra một số vấn đề liên quan với
tăng độ bão hòa nước bao gồm khí bơm giảm. Là một thay thế hiệu quả cho WAG, bơm ép khí
có hỗ trợ của phân dị trọng lực (GAGD) cho các tầng chứa thông thường đã được phát triển
(US Patent 2006/0289157) mà lợi dụng sự phân dị tự nhiên của khí hydrocarbon lỏng từ khi
bơm. Quá trình GAGD bao gồm việc đặt một giếng sản xuất ngang gần phía dưới của bể dầu
và bơm khí qua giếng thẳng đứng hiện tại. Khi khí bơm tăng tạo thành một khu vực khí đốt, dầu
mỏ phân dị xuống cho giếng sản xuất ngang. Áp dụng cho GAGD IOR trong tầng chứa tự nhiên
bị gãy được thảo luận ở đây dựa trên một số sự kiện và con số.
KEYWORDS: Gravity Drainage, Improved Oil Recovery, Fractured Reservoir, Simulation

1. INTRODUCTION

Các cuộc điều tra trên toàn thế giới Oil and Gas Journal (ngày 21 tháng tư năm 2008) trong

hai thập kỷ qua cho thấy rõ ràng tính phổ biến và sản xuất tăng của quá trình bơm khí trên
thế giới. Tổng kết kinh nghiệm cho thấy hiệu suất quét & hiệu suât thay thế là vấn đề lớn
đối với bất kỳ trình EOR thành công. Hiêu suất đẩy (như mức độ di động các bẫy tầng chứa
dầu dư) là một chức năng của số lượng mao mạch (Ca) là tỷ lệ lực nhớt với lực mao dẫn.
Mặt khác, quét thể tích, định nghĩa là tỷ lệ phần trăm của các hồ chứa chứa các chất lỏng
được bơm, được điều chỉnh bởi tỷ lệ di động và hồ chứa không đồng nhất (Willhite et al.,
1998):
Ca =

µDνD
σ

M=

λD


λ

(1)

d

(2)
λ=
kl
l

µl

(3)


Để tối đa hóa hiệu quả bất kỳ quá trình EOR, số mao dẫn nên được tối đa trong khi giảm thiểu tỷ lệ di
IPTC

động. Quy trình EOR bơm khí là tuyệt vời trong hiệu suất thay thế do lực căng bề nhỏ giữa khí bơm và
dầu chứa, mà có thể được giảm hơn nữa về 0 để khi bơm có thể trộn làm tăng giá trị số mao dẫn.
Nhưng hiệu quả quét thể tích của các quá trình này là thiếu sót lớn (Satter et al, 2008.). Độ nhớt của
chất khí thường được bơm như carbon dioxide và các hydrocarbon là khoảng một phần mười của chất
lỏng chứa nhớt mà sẽ gây ra tỷ lệ di động không thuận lợi và phân dị trọng lực khí - dầu nghiêm trọng
với khu vực tầng chứa hiệu suất quét không lớn. May mắn thay một số công cụ dự báo trọng lực, độ
nhớt có thể được sử dụng để đánh giá vấn đề này (Green et al., 2000). Để nâng cao hiệu quả quét của
bơm luân phiên khí nước (WAG) thực hiện giảm đồng thời cho các yêu cầu khí bơm. Mặc dù khái niệm
âm thanh, quá trình WAG đã không đo theo mong đợi bằng chứng là (5-10%) thu hồi thấp trong 59 lĩnh
vực ứng dụng (Kulkarni et al., 2006). Cải thiện tỷ lệ di động không hoàn hảo và tăng độ bão hòa nước di
động có tạo ra màng chắn nước (các lớp màng nước ngăn chặn dầu khí tiếp xúc trực tiếp và dùng để
bơm khí trộn lẫn, trì hoãn sự khởi hòa trộn) có thể biện minh cho việc thu hồi kém này trong vòng quy
trình WAG. Hệ thống phân dị trọng lực của dầu, hoặc thông qua việc mở rộng mũ khí hoặc bơm khí trên
đỉnh của hồ chứa, đã được chứng minh là một phương pháp bơm khí hiệu quả (với corefloods đáng kể
và nộp tra) vì nó có thể làm giảm độ bão hòa dầu dư về giá trị rất thấp. Thu hồi cao như 85-95% OOIP
(Original Oil in Place) đã được báo cáo trong các lĩnh vực thử nghiệm và gần 100% hiệu quả thu hồi đã
được quan sát thấy trong phòng thí nghiệm (Ren, 2002). Bơm khí ổn định trọng lực lợi dụng sự chênh
lệch mật độ giữa khí và chất lỏng bơm gây ra các vấn đề về hiệu suất quét nghèo và trọng lực đè trong
lũ khí ngang (như WAG). Khái niệm này đã được sử dụng trong các phần tiếp theo để giới thiệu quá
trình EOR trong tầng chứa nứt nẻ tự nhiên.
2. GAS–OIL GRAVITY DRAINAGE (GOG D) IN NFR
Trong vỉa nứt nẻ tự nhiên (NFR), có hầu hết lượng dầu được bao quanh bởi một hệ thống khe nứt rất ít
thề tích nhưng có tinh thấm (không phải cho tất cả các loại tầng chứa nứt nẻ nhưng Type II đó là hay
gặp phải ở phía nam của Iran):

Table1: Classification of Naturally Fractured Reservoir (Nar et al., 2006)
NFR TYPE

DEFINITION

TYPE1

Fractures provide essential porosity
and permeability

TYPE2

Fractures provide essential permeability

TYPE3

Fractures provide a
permeability assistance

EXAMPLES
Amal, Libya
Edison, California
Agha Jari,
Iran Haft kel,
Iran
Spraberry Trend Area, Texas
Kirkuk, Iraq
Dukhan,Quatar

Trong hồ chứa như vậy, rất khó áp dụng chênh lệch áp suất trong ma trận để khôi phục lại dầu do quá

trình dịch chuyển thông thường vì chất lỏng bơm chảy qua các hệ thống nứt nẻ bỏ qua dầu trong ma
trận. Tuy nhiên các hệ thống nứt nẻ như vậy có ranh giới khí – dầu(GOC) rõ rệt hơn so với GOC trong
ma trận, sau đó là một sự mất cân bằng thủy tĩnh được tạo ra. Dầu trong ma trận trên chỗ GOC được
bao quanh bởi khí và buộc phải thoát xuống do mật độ cao hơn của nó cuối cùng vào rãnh khe nứt dầu.

3


Như các rãnh dầu từ các ma trận nó được thay thế bởi khí và dầu thu thập trong các hệ thống khe nứt
sau đó có
4 thể được khai thác. Quá trình này được gọi là hệ thống thoát nước trọng lực khí-dầu (GOGD).IPTC
Hình 1. Cho thấy khuôn khổ toán học cho hệ thống phân dị trọng lực từ khối duy nhất trong một tầng
chứa bị vỡ được. Van Golf-Racht (1982) cho phân dị trọng lực đổi chỗ của dầu bằng khí sẽ chỉ bắt đầu
nếu các cột khí trong khe nứt (Hg) là cao hơn so với chiều cao ngưỡng vì trong khi đổi chỗ áp lực mao
dẫn có ảnh hưởng tiêu cực đến sản xuất và dầu có thể được sản xuất đến mức lực hấp dẫn lớn hơn lực
mao dẫn. Sự phân dị trọng lực trong một tầng chứa nứt nẻ tự nhiên ảnh hưởng mạnh mẽ bởi mức độ
liên tục của mao dẫn giữa các khối ma trận trên khe nứt, và do quá trình xâm nhập ngược dầu từ khe
nứt cho các khối ma trận (Kleppe, 1996):
Fig.1. Oil Displacement by Gas oil Gravity Drainage within Matrix Block of Fractured Reservoir
Một trong những vấn đề rất quan trọng trong việc nghiên cứu một tầng chứa nứt nẻ tự nhiên là điều tra sự hiện diện
và mức độ của các mao mạch liên tục trong cấu trúc tầng chứa (Tham khảo Hình. 2 cho khác nhau có thể tương tác
gãy-matrix). Một số tác giả đang ủng hộ sự hiện diện của mao mạch liên tục (Block-Block Interaction) trong tầng
chứa nứt nẻ nhưng kết luận của họ chủ yếu dựa trên các kết quả của các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm 1 cách
hời hợt và đơn giản hoặc quan sát mô phỏng (Saidi, 2006) là không hợp lệ cho nghiên cứu mô phỏng thực tế .

Fig.2. Schematic Representation of Different Types of Matrix-Fracture Interaction (Saidi, 1987)

Ví dụ, nếu mao mạch liên tục tốt tồn tại giữa các khối, nén một tầng chứa nứt nẻ bằng cách bơm khí sẽ
chủ yếu cung cấp cho các lợi ích bão hòa dầu dư. Trong khi đó nếu mao mạch liên tục kém tồn tại trong
một tầng chứa, khí nén sẽ cải thiện đáng kể thu hồi dầu và giảm sức căng bề và do đó đạt chiều cao

ngưỡng của ma trận. Sự hiện diện và mức độ liên tục của mao dẫn có thể được ước tính bằng cách
phân tích sự biến động của tỷ lệ sản xuất dầu so với sự thay đổi của độ dày cột dầu hoặc các biến thể
của hệ khí-dầu trong một hồ chứa (Saidi, 1987). Ngoài ra nếu khe nứt ngang đang dần lấp đầy với các
vật liệu không thấm nước sau đó một mao mạch nghèo liên tục nên được kỳ vọng. Do đó xác định mao
mạch liên tục (và mức độ của nó) trong một hồ chứa nứt nẻ là quan trọng hơn so với mô hình toán học
của nó.


An important aspect in gas-oil gravity drainage of fractured reservoirs (with direct impact on gravity drainage and
EOR processes
such as gas assisted gravity drainage) is reinfiltration process when drained oil from an upper matrix block
IPTC
enters (totally or partially) into lower one (Fig.2). The flow from one block to another (reinfiltration) is either achieved by film
flow across contact points or by liquid bridges. The reinfiltration mechanism is also time dependent, since liquid bridging
provides the main transmissibility in the initial stage of the gravity drainage process. Later the oil saturation in the fractures
will be very low and the main liquid transmissibility from block to block is due to film flow. This final period is of long
duration and is very important for the overall recovery. Therefore EOR process in NFR such as Gas Assisted Gravity
Drainage (GAGD) that refers to gravity drainage as main recovery mechanism should pay attention to mathematical
modeling of these complex reservoirs.
Một khía cạnh quan trọng trong hệ thống phân dị trọng lực khí-dầu của các tầng chứa nứt nẻ là quá
trình xâm nhập ngược khi ráo dầu từ phía trên khối ma trận (hoàn toàn hoặc một phần) vào một thấp
hơn (Hình 2). Các dòng chảy từ một khối khác (xâm nhập ngược) hoặc đạt được dòng qua các điểm
tiếp xúc hoặc bằng cầu lỏng. Cơ chế xâm nhập ngược phụ thuộc thời gian, kể từ khi chuyển tiếp chất
lỏng trong giai đoạn đầu của quá trình phân dị trọng lực. Sau đó bão hòa dầu trong khe nứt sẽ rất thấp
và sự lan truyền chất lỏng chính từ khối để chặn lưu lượng chảy. Giai đoạn cuối cùng này có thời gian
dài và rất quan trọng đối với sự thu hồi tổng thể. Vì vậy quá trình EOR trong NFR như bơm ép khí có hỗ
trợ của phân dị trọng lực (GAGD) đề cập đến hệ thống phân dị trọng lực như cơ chế thu hồi chính nên
chú ý đến mô hình toán học của các tầng chứa phức tạp.
3. GAS ASSISTED GRAVITY DRAINAGE IN NATURALLY FRACTURED RESERVOIR (GAGD trong tầng chứa
nứt nẻ):

Quá trình bơm ép khí hỗ trợ phân dị trọng lực (GAGD) (Rao et al., 2008) cung cấp một quá trình mà
ngoại suy rất thành công. Quá trình GAGD bao gồm việc đặt một giếng sản xuất ngang phía dưới của
vùng chứa dầu và bơm khí thông qua giếng thẳng đứng (vào nắp khí) để cho lực hấp dẫn di dời và quét
toàn tầng chứa. Quá trình này mất lợi thế của hiệu ứng phân dị trọng lực và giếng ngang công nghệ với
nhiều loại khác nhau của tầng chứa. Giếng ngang có lợi thế cho năng suất cao (do tiếp xúc lớn với các
tầng chứa). Hơn nữa, giếng ngang rất lý tưởng cho các quá trình phân dị trọng lực (Rao et al, 2004).
Ưu điểm chính của việc đặt ngang phía dưới của vùng dầu trong GAGD là khi dẫn dầu từ nắp khí hoặc
giải pháp dẫn đã bị cạn kiệt, lực trọng lực sẽ tạo sản lượng dầu tiếp. Một lợi thế thứ hai của giếng
ngang là họ có thể trì hoãn đột phá khí và xâm lấn của nước:
Fig. 3: Schematic of Gas Assisted Gravity Drainage Process (US Patent 2006/0289157)

The only published experimental data (immiscible Injection) related to GAGD within a simple fractured core with only
two vertical fractures (Mahmoud et al., 2007) have been checked here with an in-house numerical code for fractured
reservoir simulation. Due to nature of the code which is developed for well-fractured reservoir and estimation of some data
that was not reported for mentioned fractured core it is interesting that good agreement is available between
predicted and actual data. Regardless of simulation results and refer to experimental trend within this example (Fig. 4)
and importance of gas-oil gravity drainage within NFR as major recovery mechanism it can be stated that GAGD
should be considered as competitive IOR candidate for naturally fractured reservoir with deep oil column. Kulkarni et al.
(2006) introduced a new dimensionless group as "gravity Drainage Number" with corresponding approximate correlations
for GAGD oil recovery (miscible and immiscible) based on some 2D physical model, 1D Core Floods and 3D Filed data:

5


Các dữ liệu thực nghiệm được công bố (bơm không hoà trộn) liên quan đến GAGD trong một mẫu lõi
nứt nẻ với
6 hai vết nứt thẳng đứng (Mahmoud et al., 2007) đã được kiểm tra trong mô phỏng tầng chứaIPTC
nứt nẻ. Do tính chất của mật mã được phát triển cho giếng tầng chứa nứt nẻ và ước lượng một số dữ
liệu đã không được báo cáo cho đề cập mẫu lõi nứt nẻ, nó là thú vị rằng thỏa thuận dữ liệu tốt có sẵn
giữa dự đoán và thực tế. Bất kể kết quả mô phỏng và tham khảo xu hướng thử nghiệm trong ví dụ này

(Hình. 4) và tầm quan trọng của hệ thống phân dị trọng lực khí-dầu trong NFR như là cơ chế thu hồi lớn
có thể khẳng định rằng GAGD nên được coi là ứng cử viên cạnh tranh với IOR trong tầng chứa nứt nẻ
tự nhiên. Kulkarni et al. (2006) đã giới thiệu một nhóm thứ nguyên mới như "Số phân dị trọng lực" tương
ứng để thu hồi dầu GAGD (có thể trộn và không thể trộn lẫn) dựa trên một số mô hình vật lý 2D, 1D và
3D:
q (
)
NGD = NG + [ g N + N ]
o
¢
B
q

( )
4


Trong đó NB (Bond Number) đo lực tương đối của trọng lực và lực mao dẫn và NG là một sự kết hợp của
sự liên kết và mao mạch. Cấu trúc của NGD chỉ ra rằng k (độ thấm tuyệt đối) là nguồn gốc của sự khác
biệt giá trị giữa các tầng chứa nứt nẻ. Trêncơ sở này tầng chứa nứt nẻ có thể có độ thấm tuyệt đối cao
hơn so với một quy ước (nói chung), dữ liệu thử nghiệm trong hình. 4 trở nên hợp lý. Cũng đề cập đến
mối tương quan gần đúng (Equation7 & 8) và định nghĩa của số lượng phân dị trọng lực có thể nói rằng
GAGD có thể mang lại sự thu hồi tổng thể tốt hơn trong tầng chứa nứt nẻ do sức căng bề mặt nhỏ (gần
bằng không) phát triển hệ giữa khí bơm và chất lỏng chứa, trong điều kiện này làm tăng số lượng mao
dẫn và giá trị liên kết.
k
Δqg ( )
$
NB =
o

(5)

og

k
Δqg ( )
$
NG = µ r
o d

(6)

( )
(
)
Rimmiscib1e % = 4.59 ln NGD + 32.3

(7)

100
90
80
70
60
50
40
30
Fra ctured Core Experimental
Fra ctured Core Simulation Unfra ctured Core

20
10
0
0
50

100

150

200

Recovery, min

250
300

( )
(
)
Rmiscib1e % = 4.57 ln NGD + 55.39

(8)

Re
ry,

Fig. 4: Numerical and Experimental Prediction of GAGD within a simple fractured core (Core Data from Mahmoud et al., 2007)

4. CONCLUSION

Ứng dụng của bơm ép khí hỗ phân dị trọng lực (GAGD) trong tầng chứa nứt nẻ tự nhiên (NFR) đã
được thảo luận trong bài viết này. Có thể nói rằng quá trình GAGD trong một tầng chứa nứt nẻ đối
với khí có thể hoà trộn giúp thu hồi tốt hơn so với một khí không thể hoà trộn nhưng mật độ tương
đối của khí bơm và chất lỏng chứa là một vấn đề khác cần được xem xét cẩn thận trong quá trình
lựa chọn khí bơm.


NOMENCLATURE
Ca: Capillary Number
λD: Mobility of the displacing fluid phase
λd: Mobility of the displaced fluid phase
λl: Mobility of the fluid
kl: Effective Permeability of Phase l, mD


µl: Visocity of Phase l, Pas.
sec σ: Interfacial Tention, N/m
ν: Darcy Velocity, m/sec
M: Mobility Ratio, Dimensionless
µD: Displacing Fluid Viscosity, Pas. Sec

REFERENCES
Christensen, J. R., Stenby, E. H., Skauge, A., 2001.Review of the WAG field experience, SPE Reservoir Evaluation & Engineering
(SPE 71203), Vol. 4, No. 2: 97-106
Chugh, S., Baker, R., Cooper, L., Steven, S., 2000.Simulation of Horizontal Wells to Mitigate Miscible Solvent Gravity Override
in the Virginal Hills Margin, Journal of Canadian Petroleum Technology, Vol. 39, No.2: 28-34
Fung, L.S-K., 1991.Simulation of Block-to-Block Processes in Naturally Fractured Reservoirs", SPE Reservoir Engineering, Vol. 6, No.
4: 477-484

Fung, L.S-K, 1993.Numerical Simulation of Naturally Fractured Reservoirs, SPE 25616, Middle East Oil Show, Society of
Petroleum Engineers, Bahrain, pp. 203-213
Green, D.W., Willhite, G.P., 1998.Enhanced Oil Recovery, SPE, Texas, USA, 545 pp.
Kleppe, J., Uleberg, K., 1996. Dual Porosity, Dual Permeability Formulation for Fractured Reservoir Simulation, Norwegian University of
Science and Technology (NTNU), Trondheim RUTH Seminar, Stavanger
Kulkarni, M. M., Rao, D.N., 2006. Characterization of Operative Mechanisms in Gravity Drainage Field Projects through Dimensional
Analysis, SPE 103230, SPE Annual Technical Conference and Exhibition, San Antonio, Texas, USA,
Mahmoud, T.N., Rao, D.N., 2007.Mechanisms and Performance Demonstration of the Gas-Assisted Gravity Drainage Process Using
Visual Models, SPE 110132, SPE Annual Technology Conference and Exhibition, California, USA
Narr, W., Schechter, D.W., Thompson, L.B., 2006.Naturally Fractured Reservoir Characterization, Society of Petroleum Engineers,
Texas, USA, 112 pp.
Rao, D.N., Sharma, A.P., 2008. Scaled Physical Model Experiments to Characterize the Gas-Assisted Gravity Drainage EOR Process,
SPE 113424, SPE/DOE Symposium on Improved Oil Recovery, Oklahoma, USA
Rao, D. N., Ayirala, S. C., Kulkarni, M.M., Sharma, A. P., 2004.Development of the Gas Assisted Gravity Drainage (GAGD) Process for
Improved Light Oil Recovery”, SPE 89357, SPE/DOE Fourteenth Symposium on Improved Oil Recovery, Tulsa, Oklahoma, USA
Ren, W., 2002.Application of the Gravity Assisted Tertiary Gas Injection Process, M.Sc. Thesis, University of Alberta, Edmonton,
Canada, 2002
Saidi, A.M., 2006. Status of Dual Porosity Reservoir simulation and expected features of a new rigorous model, Technical Presentation,
Petroleum Engineering and Development Company, Tehran-Iran
Saidi, A.M., 1987. Reservoir Engineering of Fractured Reservoirs, TOTAL Edition press, 864 pp.
Satter, A., Bushwalter, J.L., Lgbal, G.M., 2008.Practical Enhanced Reservoir Engineering: Assisted with Simulation Software, PennWell
Corporation, Tulsa, Oklahoma, USA, 706 pp.
Van Golf-Racht, T.D., 1982.Fundamentals of Fractured Reservoir Engineering, Elsevier Scientific Publishing Company, New York, USA,
710 pp.