低滲油藏CO2混相驅(qū)啟動壓力梯度實(shí)驗(yàn)研究

章 星，楊勝來，文 博，李芳芳，陳 浩，聶向榮，丁景臣

(中國石油大學(xué)石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249)

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)特征，低滲透油藏主要分為低滲透(K=50×10－3～10×10－3μm2)、特低滲透(K=10×10－3～1 ×10－3μm2)、超低滲透(K=1 ×10－3～0.1 ×10－3μm2)和非滲透(K ＜0.1 ×10－3μm2)油藏[1－4］。在開發(fā)過程中，由于低滲透油藏巖心具有孔喉小、比表面大等特點(diǎn)，使得流體的滲流偏離達(dá)西定律，即流量—壓力梯度曲線的直線段延長線不通過坐標(biāo)軸原點(diǎn)，存在啟動壓力梯度[5－13］。

低滲油藏開發(fā)時由于存在啟動壓力高、注水開發(fā)困難等問題，一般通過注氣方式開發(fā)。其中注CO2就是一種有效的注氣方式，CO2混相驅(qū)在提高低滲透油藏采收率上是很有前景的[14－20］。在混相驅(qū)替的前提下，本文提出其驅(qū)替過程可以分為4個驅(qū)替相帶:原始油相帶、注氣前緣帶、混相油帶、注氣后緣帶。通過室內(nèi)物理模擬實(shí)驗(yàn)，研究地層條件下CO2混相驅(qū)不同巖心中各個驅(qū)替帶如何啟動，確定其啟動壓力梯度的大小，分析不同驅(qū)替相帶啟動壓力梯度的影響因素。

1 實(shí)驗(yàn)介紹

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

主體實(shí)驗(yàn)裝置為南通華興石油儀器有限公司生產(chǎn)的SYS－Ⅲ多級超高溫兩相驅(qū)替系統(tǒng)，恒溫箱體內(nèi)分成多個恒溫空間，能夠滿足不同溫度的實(shí)驗(yàn)要求。附屬設(shè)備包括:美國生產(chǎn)的RUSKA無汞PVT儀(型號2730)、美國生產(chǎn)的ISCO－260D高精度驅(qū)替泵、氣體流量計等。

表1 實(shí)驗(yàn)巖心數(shù)據(jù)Table 1 Data of experimental cores

1.2 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)巖心取自吉林油田[21－22］黑79區(qū)塊，具體參數(shù)見表1。實(shí)驗(yàn)所用的原始油和水樣是根據(jù)油田的要求，以某生產(chǎn)井實(shí)際數(shù)據(jù)為主配制而成;實(shí)驗(yàn)的其他用油按照實(shí)驗(yàn)要求配制。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)原理是利用“壓差—流量”關(guān)系，通過改變巖心兩端流體壓差并測量其通過巖心的流量來求得“壓差—流量”曲線，從而延長曲線線性段與壓力梯度坐標(biāo)軸上得到的截距值即為巖心的啟動壓力梯度。

步驟如下:(1)根據(jù)實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計，連接好實(shí)驗(yàn)裝置，升至地層溫度;(2)巖心夾持器中裝入相應(yīng)測試巖樣，加載所需的實(shí)驗(yàn)圍壓和回壓;(3)飽和地層水，飽和實(shí)驗(yàn)流體造束縛水，穩(wěn)定壓力;(4)打開實(shí)驗(yàn)流體釜，調(diào)節(jié)進(jìn)口壓力;(5)按照升壓力順序進(jìn)行，每個壓力穩(wěn)定30 min，記錄出口流體流量及其所對應(yīng)實(shí)際壓力，測量3次，流量誤差小于4%為合格。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 啟動壓力梯度

如圖1所示，H－30的壓力梯度—流量曲線分為非線性段和線性段。在壓力梯度為0.072 6 MPa/m，出口流體流量為0.018 mL/min時，曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)。當(dāng)壓力梯度小于0.072 6 MPa/m時，壓力梯度與流量呈非線性變化，且變化較為平穩(wěn)，原始油在大孔隙中流動，流體有效滲流能力較低。此時原始油在巖心孔隙中呈現(xiàn)非線性流動特征，不符合液體流動的達(dá)西定律。當(dāng)壓力梯度大于0.072 6 MPa/m時，壓力梯度與流量呈線性增長變化，此時的液體流動符合達(dá)西定律。

從圖1中還可以看出，隨著巖心滲透率的減小，其壓力梯度與原始油流量關(guān)系曲線線性段的斜率逐漸減小，線性段交于壓力梯度坐標(biāo)軸的值逐漸增大。巖心滲透率越小，原始油在巖心中流動的阻力越大，原始油在巖心中的啟動壓力梯度越大。原始油非線性流動階段隨滲透率減小而增長，原始油從非線性流動轉(zhuǎn)換為線性流動需要的壓力梯度逐漸增大，曲線的曲率逐漸減小，啟動壓力梯度明顯變大。

圖1 不同巖心原始油相帶的壓力梯度與流量關(guān)系曲線Fig.1 Relationship between threshold pressure gradient and flow rate in original oil phase zone of different cores

注氣前緣帶是指CO2與地層油或者是CO2及富含輕烴的流體與地層油混合后形成的驅(qū)替帶，其主要特點(diǎn)是地層油中溶解有CO2氣體。混相油帶是指地層油溶解了充足的CO2，此時地層油與CO2呈單一流體形態(tài)。注氣后緣帶是指CO2驅(qū)替巖心中的殘余地層油，殘余地層油是未與CO2氣體混合形成混相油從而未被CO2驅(qū)替出的剩余地層油。測定不同滲透率巖心不同驅(qū)替相帶的啟動壓力梯度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

2.2 驅(qū)替相帶

巖心H－30在3個驅(qū)替相帶的實(shí)驗(yàn)過程中其滲透率是一致的，因此排除了巖心滲透率對啟動壓力梯度的影響。從圖2可以看出，曲線斜率從小到大依次為:原始油相帶、注氣前緣相帶、混相油帶。這表明在相同壓力梯度下，出口端流量從小到大的驅(qū)替相帶依次為:原始油相帶、注氣前緣相帶、混相油帶。

形成這一現(xiàn)象的原因主要是每個驅(qū)替相帶的氣油比不一樣，直接影響到實(shí)驗(yàn)流體的物理性質(zhì)。隨著氣油比的增大，流體的粘度顯著下降，密度有小幅度下降，流體流動能力更強(qiáng)，使得流體由非線性流動到線性流動所需要的壓力差越小，啟動壓力梯度也就越小。

表2 不同巖心不同驅(qū)替相帶的啟動壓力梯度數(shù)據(jù)Table 2 Experimental data of threshold pressure gradient in different phase zones of different cores

圖2 巖心H－30不同驅(qū)替相帶的壓力梯度與流量關(guān)系曲線Fig.2 Relationship between threshold pressure gradient and flow rates in different phase zones of core H－30

2.3 滲透率

如圖3，對3塊巖心在混相油帶中的散點(diǎn)值進(jìn)行回歸，啟動壓力梯度與巖心滲透率成冪函數(shù)關(guān)系，方程式為:y=0.106 1x－0.4821，相關(guān)系數(shù)為:R2=0.989 4。隨著巖心滲透率變小，啟動壓力梯度變大。當(dāng)滲透率小于1×10－3μm2時，啟動壓力梯度顯著增大，超過0.14 MPa/m。當(dāng)巖心滲透率大于30×10－3μm2時，啟動壓力梯度則十分小，小于0.02 MPa/m，且平穩(wěn)變化。此時只需要較小的流動壓差，流體就能從非線性流動轉(zhuǎn)變成線性流動。

巖心滲透率對各個驅(qū)替相帶的啟動壓力梯度影響較大。巖心的孔隙大小、孔隙喉道結(jié)構(gòu)及其分布都會影響流體的滲流速度。低滲透儲層孔隙很小，喉道很細(xì)，孔隙連通性差，孔喉比也較大，滲透率的貢獻(xiàn)值主要由占孔隙體積比例較小、較粗的喉道提供。而孔隙較小、喉道較細(xì)、孔隙連通性差是造成低滲透非達(dá)西滲流的重要因素。

圖3 混相油相帶的啟動壓力梯度與滲透率關(guān)系Fig.3 Relationship between threshold pressure gradient and permeability in miscible oil phase zone

3 結(jié)論

1)實(shí)驗(yàn)表明，低滲透巖心的壓力梯度與流量關(guān)系圖都呈凹型分布，存在非線性流動階段和線性流動階段，2個流動階段之間存在一個拐點(diǎn)，存在啟動壓力梯度。

2)各個驅(qū)替相帶主要是由于具有不同的流體粘度、有效滲透率、密度、氣油比等，進(jìn)而通過這些因素來影響其啟動壓力梯度。

3)啟動壓力梯度與巖心滲透率成冪函數(shù)變化，指數(shù)為－0.482。對于低滲透油藏，只要確定相應(yīng)的回歸系數(shù)和指數(shù)值，就可以確定其數(shù)學(xué)表達(dá)式，從而研究啟動壓力梯度對低滲透油田開發(fā)指標(biāo)的影響。

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