新疆油田CO2驅提高原油采收率與地質埋存潛力評價

王 歡， 廖新維， 趙曉亮， 劉姣姣， 李小鋒

(1.中國石油大學(北京) 石油工程教育部重點實驗室， 北京 昌平 102249； 2.中國石油長慶油田分公司 蘇里格氣田研究中心， 陜西 西安 710018)

0 引言

二氧化碳驅已經(jīng)成為全球石油工業(yè)普遍采用的提高原油采收率的方法[1].同時，將二氧化碳注入到已開發(fā)的油氣藏中可以減少其在大氣中的濃度，從而減緩溫室氣體效應[2]，是解決全球氣候變暖的有效途徑之一.二氧化碳驅提高原油采收率和地質埋存技術在國內外已有廣泛研究，在許多油田進行了礦場實施[3-7].

目前對于二氧化碳驅提高原油采收率和埋存潛力的評價，一般都是應用室內實驗和數(shù)值模擬的方法[8-12].這些方法主要基于油田后期詳細的開發(fā)方案設計，評價所需數(shù)據(jù)較多，過程繁瑣，而且如果要在較短時間內進行大規(guī)模的CO2驅提高原油采收率和地質埋存潛力評價，這些方法會表現(xiàn)出許多不足.

本論文基于分流理論，提出一套CO2驅提高原油采收率與埋存潛力評價方法，并對新疆油田進行了二氧化碳驅提高原油采收率和地質埋存潛力的評價，這可為新疆油田后期提高原油采收率開發(fā)決策提供一定的參考依據(jù).

1 CO2驅提高原油采收率與地質埋存潛力評價模型理論基礎

要建立CO2驅提高原油采收率與埋存潛力評價軟件，首先需要建立相應的評價模型，下面是模型的基本假設和理論基礎[13].

模型的假設條件為：①流體流動過程中，油與水都不揮發(fā)到氣相中去，注入氣與原油一次接觸混相；②驅替是等溫過程；③用Koval系數(shù)描述粘性指進；④當注入方式為水汽交替時，水和CO2以一定的WAG比例同時注入；⑤油藏沒有大的裂縫，注入CO2沒有泄露；⑥沒有自由氣存在(非混相驅沒有這一項).

根據(jù)質量守恒定律，可以得到組分濃度與分流量的關系方程為：

(1)

Ci=Ci1S1+Ci2S2+Ci3S3,i=1,2,3

(2)

Fi=Ci1f1+Ci2f2+Ci3f3，i=1,2,3

(3)

Cij—j相中組分i的濃度.根據(jù)油與水都不揮發(fā)到氣相中去的假設條件，則上式中C33=1，C13=C23=0.j=1—水相；j=2—油相；j=3—氣相；Sj—j相飽和度；fj—j相分流.

以上模型是非混相的模型，當為混相時，方程(2)中Ci3S3這一項為0，方程(3)中Ci3f3這一項也為0，并且i=1,2.

在模型中，油及注入氣的突破和采收率是通過修正后的分流理論來計算，修正后的分流理論考慮了粘性指進、面積波及系數(shù)、縱向非均質性及重力分異等因素的影響，用特征線方法對模型進行求解.

模型中用Koval系數(shù)描述粘性指進、縱向非均質性等因素對分流的影響；由于注入氣的密度小于油和水，注入氣有向油層頂部移動以及在油層較低部位發(fā)生超覆或繞流的傾向，因此模型中用增大Koval系數(shù)的方法來修正重力的影響.模型通過流管模擬，利用分流理論將二維平面驅替計算轉化為一維的驅替計算，從而獲得高效、相對準確的滲流計算模型.應用該模型可以預測油、氣前緣突破時間和原油采收率及地質埋存系數(shù)等參數(shù).

CO2地質埋存量的計算模型如下：

Me=N*Rsco2

(4)

式中：Me—油藏中CO2有效埋存量，t；N—油藏中原油的地質儲量，t；Rsco2—CO2地質埋存系數(shù)，t/t，即CO2埋入地下的量與原油地質儲量的比值.

2 CO2驅提高原油采收率與地質埋存潛力評價步驟

2.1 評價所需參數(shù)

在應用CO2驅提高原油采收率與埋存潛力評價軟件，進行CO2驅提高原油采收率和地質埋存量評價時，評價所需參數(shù)有：(1)油藏地質儲量；(2)相對滲透率數(shù)據(jù)，包括油水、油氣相對滲透率數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是通過巖心油水、氣水驅替實驗獲得的；(3)通過高壓物性(PVT)實驗得到流度數(shù)據(jù)，如原油粘度，水粘度，原油體積系數(shù)，CO2相對密度，油的密度(地面)，溶解汽油比；(4)儲層及流體數(shù)據(jù)，如溫度，地層壓力，非均質性系數(shù)，滲透率，儲層厚度，孔隙度，層數(shù)，原始含油飽和度，原始含水飽和度，原始含氣飽和度，垂直與水平滲透率比值，水的礦化度.這些數(shù)據(jù)通過測井、試井以及巖心實驗獲得；(5)最小混相壓力，通過下文提出的最小混相壓力模型計算得到；(6)井網(wǎng)數(shù)據(jù)，如井距、排距；(7)注入數(shù)據(jù)，如注入階段數(shù)，注水速率，注CO2速率，注入比，注入量(HCPV).

2.2 關鍵參數(shù)最小混相壓力(MMP)的確定

在進行CO2驅提高原油采收率和地質埋存潛力評價之前，首先要確定目標油藏的最小混相壓力(MMP)，以判斷是否能夠實現(xiàn)混相[14-16]，因此，最小混相壓力是用該方法評價的關鍵參數(shù).

目前最小混相壓力的確定方法歸納起來主要有：經(jīng)驗公式計算法、實驗法(細管實驗、升泡儀)和狀態(tài)方程法.對于一個油田的幾十個甚至上百個油藏進行評價，不可能對每個油藏都做最小混相壓力實驗，所以本文采用細管實驗與經(jīng)驗公式相結合的方法，既保證了求取的最小混相壓力的準確性，又保證了其便捷性.

以細管實驗結果結合美國能源部的NPC方法[17]，可以通過油藏溫度及原油中的C5+分子量來預測MMP，下式是適合于新疆油田的最小混相壓力計算模型.

MMP=-329.558+(7.727*MW*1.005T)-(4.377*MW)

(5)

2.3 典型區(qū)塊評價步驟

下面以目標油田AA開發(fā)單元評價為例，詳細說明CO2驅提高原油采收率和地質埋存潛力評價步驟.

(1)評價基礎參數(shù)確定

AA開發(fā)單元的儲層數(shù)據(jù)、流體數(shù)據(jù)等如表1所示.

(2)最小混相壓力的計算

將AA開發(fā)單元油藏溫度62 ℃，油的密度(地面)838 kg/m3代入上文提出的最小混相壓力計算模型，計算得到了其最小混相壓力為18.74 MPa，對比表1中給出的AA開發(fā)單元的原始地層壓力25.5 MPa，可知該開發(fā)單元可以實現(xiàn)CO2混相驅開發(fā).

(3)相滲數(shù)據(jù)的測定

通過AA區(qū)塊的巖心驅替實驗，得到油水相滲曲線，油氣相滲曲線通過Corey模型計算得到，分別如圖1和圖2所示.

圖1 油水相滲曲線

圖2 油氣相滲曲線

(4)預測方案設計及評價結果

AA開發(fā)單元采用反五點井網(wǎng)，井距和排距都為350 m.設定兩個注入方案.方案一：注水開發(fā)，注水速率為60 m3/d，注入量為1.2HCPV；方案二：先以60 m3/d的速率注0.6HCPV的水，再轉注CO2，注氣速率為2×104m3/d(地面)，注入量為0.6HCPV.方案一和方案二的評價結果分別如圖3和圖4所示. 由圖3可知，方案一以連續(xù)注水1.2HCPV的方式進行開發(fā)，原油最終采收率為32.24%.由圖4可知，方案二以先注入0.6HCPV的水，再轉注0.6HCPV的CO2的方式進行開發(fā)，原油最終采收率為41.6%.由此可知,水驅后轉CO2氣驅比連續(xù)水驅具有更好的開發(fā)效果，可以提高采收率9.36%.由圖5可知，在CO2驅過程中可以埋存的CO2量為1 098.3×104t，埋存系數(shù)為0.347.

圖3 方案一原油采收率

圖4 方案二原油采收率

圖5 方案二CO2累計注入量與地質埋存量對比圖

3 新疆油田CO2驅潛力評價及結果分析

新疆油田所在的準噶爾盆地位于我國新疆維吾爾族自治區(qū)北部，盆地面積為13.487×104km2.是在前寒武紀結晶基底和晚元古代——古生代臺相沉積的基礎上形成的一個以晚古生代和中、新生代陸相沉積為主的大型疊合盆地，由于構造運動的多次疊加，形成擠壓環(huán)境下的復合疊加盆地.構造上主要表現(xiàn)為受斷裂遮擋的單斜、被斷裂簡單切割或保存完整的背斜以及復雜斷塊等特點.油藏埋深變化大，一般淺者300 m左右，深者可達4 500 m左右.儲層孔隙結構復雜，孔隙度和滲透率較低，在平面、剖面上具有較嚴重的非均質性.

新疆油田是中國西部重要的油氣田，有很好的地質圈閉，以及完備的注采設施，并且很多油藏已經(jīng)進入水驅開發(fā)的后期，水驅效果變差，CO2驅作為一項頗具應用前景的提高原油采收率方法，其有可能是新疆油田未來提高原油采收率的重要方法之一.因此，對新疆油田進行CO2驅提高原油采收率和地質埋存潛力評價具有重要的實際意義.

應用前文提出的評價方法及步驟， 針對新疆油田挑選了20個具有代表性的典型油藏區(qū)塊(混相區(qū)塊和非混相區(qū)塊各10個)，如圖6所示，進行了水驅(0.6HCPV)后轉CO2氣驅(0.6HCPV)提高原油采收率和地質埋存量的潛力評價，評價結果如表2所示.

圖6 典型油藏區(qū)塊分布圖

表2 新疆油田典型區(qū)塊CO2提高原油采收率和地質埋存量平價結果表

續(xù)表1

通過以上評價結果可知，(1)10個典型混相區(qū)塊水驅后轉CO2驅提高原油采收率的平均值為14.19%，CO2埋存系數(shù)的平均值為0.35 t/t;10個典型非混相驅塊水驅后轉CO2驅提高原油采收率的平均值為7.58%，CO2埋存系數(shù)的平均值為0.25 t/t.(2)CO2混相驅比非混相驅原油采收率能提高6.61個百分點.(3)CO2混相驅比非混相驅的埋存系數(shù)要大.分析其主要原因為：混相驅時CO2與原油達成混相，驅替出更多的原油，讓出更多的空間，作為CO2的儲集空間.

進一步應用本文提出的最小混相壓力計算模型，對新疆油田的275個開發(fā)單元進行了初步篩選，確定出其中139個開發(fā)單元適合混相驅，地質儲量87 495.24×104t；136個開發(fā)單元適合非混相驅，地質儲量75 649.78×104t.

用前文評價出的典型混相和非混相區(qū)塊水驅后轉CO2氣驅平均提高原油采收率幅度和埋存系數(shù)進行計算，新疆油田139個CO2混相驅開發(fā)單元水驅后可額外采出原油12 415.57×104t，CO2埋存量30 623.33×104t；136個非混相開發(fā)單元水驅后可額外采出原油5 734.25×104t，CO2埋存量18 912.45×104t.總計新疆油田275個開發(fā)單元水驅后CO2驅可額外采出原油18 149.82×104t，CO2埋存量49 535.78×104t.

4 結束語

(1)本文提出了一套以分流理論為基礎的CO2驅提高原油采收率與埋存潛力評價方法，該方法較常規(guī)數(shù)值模擬方法簡便，所需數(shù)據(jù)比較容易獲得，這些數(shù)據(jù)一般在油田數(shù)據(jù)庫中都能找到.文中所用的評價方法也可用于其它油田類似的潛力評價.

(2)通過新疆油田典型區(qū)塊的評價可知，水驅之后轉CO2混相驅提高原油采收率的平均值為14.19%，CO2埋存系數(shù)的平均值為0.35 t/t；水驅后轉CO2非混相驅提高原油采收率的平均值為7.58%，CO2埋存系數(shù)的平均值為0.25 t/t.

對新疆油田的275個開發(fā)單元進行評價得出，適合CO2混相驅的開發(fā)單元139個，適合CO2非混相驅的開發(fā)單元136個.275個開發(fā)單元水驅后轉CO2驅可額外采出原油18 149.82×104t，CO2埋存量49 535.78×104t，CO2驅提高原油采收率和地質埋存在新疆油田具有很好的應用前景.

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