淺層稠油油藏CO2吞吐控水增油機(jī)理研究*

孫 雷，龐 輝，孫 揚(yáng)，侯大力，潘 毅

“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)，四川 成都 610500

淺層稠油油藏CO2吞吐控水增油機(jī)理研究*

孫 雷，龐 輝，孫 揚(yáng)，侯大力，潘 毅

“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)，四川 成都 610500

針對(duì)低稠油油藏和稠油油藏注水開發(fā)中后期含水上升快、原油采收率的低等問題，開展了CO2吞吐控水增油的室內(nèi)物理模擬實(shí)驗(yàn)和單井CO2吞吐控水增油的數(shù)值模擬。為了研究CO2吞吐控水增油的機(jī)理及可行性，在室內(nèi)分別開展了CO2與地層原油/地層水配伍性實(shí)驗(yàn)和CO2吞吐控水增油長(zhǎng)巖芯實(shí)驗(yàn)。CO2與地層原油/地層水配伍性實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：CO2對(duì)原油有增容膨脹和降黏作用；一定溫度下，隨著壓力的降低，飽和CO2的地層水的體積膨脹，CO2在地層水中的溶解度降低，CO2吞吐過程中，地層水遇到狹小孔隙受阻，產(chǎn)生賈敏效應(yīng)，控制水的產(chǎn)出。長(zhǎng)巖芯實(shí)驗(yàn)也表明，CO2吞吐有明顯的控水增油的作用。單井CO2吞吐控水增油的數(shù)值模擬結(jié)果同樣證實(shí)了CO2吞吐具有良好的控水增油顯著。

淺層稠油油藏；CO2吞吐；控水增油；提高采收率；數(shù)值模擬

孫 雷，龐 輝，孫 揚(yáng)，等．淺層稠油油藏CO2吞吐控水增油機(jī)理研究[J]．西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014，36（6）：88–94．

Sun Lei,Pang Hui,Sun Yang,et al．Mechanism Study on Water Control and Enhanced Oil Recovery by CO2Huff-puff for Shallow Heavy Oil Reservoir[J]．Journal of Southwest Petroleum University：Science&Technology Edition，2014，36（6）：88–94．

引言

中國油藏大部分是陸相湖盆沉積，油層非均質(zhì)性嚴(yán)重，層間和層內(nèi)滲透率差異較大，而且許多油田已進(jìn)入注水開發(fā)中后期，如大慶油田，大港油田，勝利油田，長(zhǎng)慶油田等，含水率較高，原油采收率較低[1-4]。因此，有必要開展控水增油技術(shù)[5]。

控水調(diào)剖技術(shù)近些年發(fā)展迅速，主要包括完井技術(shù)[5-11]，注入聚合物和表面活性劑[12-15]以及N2泡沫[16-20]技術(shù)等，這些技術(shù)對(duì)稀油油藏控水增油效果較好，但對(duì)于低稠油油藏和稠油油藏控水增油效果未見相關(guān)報(bào)道。因此，在調(diào)研國內(nèi)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，探索低稠油油藏和稠油油藏在控水的基礎(chǔ)上能夠增油的技術(shù)。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，CO2吞吐不但有降黏和補(bǔ)充能量的作用，還有控水和改善儲(chǔ)層作用[21-23]，但是否對(duì)水驅(qū)后的低稠油油藏和稠油油藏控水增油產(chǎn)生顯著的效果還有待于探索。

基于上述認(rèn)識(shí)，進(jìn)行了CO2與地層原油/地層水的配伍性實(shí)驗(yàn)及長(zhǎng)巖芯實(shí)驗(yàn)，水驅(qū)后單井CO2吞吐對(duì)稠油油藏控水增油的效果分析和礦場(chǎng)CO2吞吐實(shí)踐表明：CO2吞吐對(duì)稠油油藏控水增油的效果顯著。

1 實(shí)驗(yàn)研究思路

CO2吞吐控水增油機(jī)理研究主要從以下幾個(gè)方面考慮：（1）CO2與地層原油配伍性實(shí)驗(yàn)，主要是為了研究CO2與地層原油增容膨脹作用，從而增加地層的彈性能量，進(jìn)而達(dá)到增油的目的；（2）CO2與地層水配伍性實(shí)驗(yàn)，主要測(cè)試CO2在地層水中溶解度以及體系膨脹等參數(shù)，目的是研究CO2吞吐控水機(jī)理；（3）在上述的基礎(chǔ)上研究多孔介質(zhì)中CO2吞吐控水增油的效果；（4）結(jié)合礦場(chǎng)實(shí)踐，驗(yàn)證CO2吞吐控水增油的效果。

鑒于以上考慮，本文實(shí)驗(yàn)研究的技術(shù)路線圖如圖1所示。首先，在實(shí)驗(yàn)室把X油田G104井的地面分離器氣和分離器油復(fù)配成地層流體樣品，復(fù)配時(shí)嚴(yán)格按照中國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5542—2009進(jìn)行。接著，將復(fù)配好的地層流體樣品進(jìn)行單次閃蒸實(shí)驗(yàn)，將閃蒸的油和氣進(jìn)行組分組成分析，并根據(jù)氣油比推算出流體樣品的井流物組分（表1）。地層水取自現(xiàn)場(chǎng)的水樣，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室的離子分析儀分析出地層水的離子組成（表2）。然后，研究注入不同比例CO2與地層原油/地層水的配伍性實(shí)驗(yàn)。最后，通過CO2吞吐控水長(zhǎng)巖芯實(shí)驗(yàn)來研究CO2控水增油的效果。

圖1 技術(shù)路線圖Fig.1 Technology roadmap

表1 G104–5P115井流體組分Tab.1 The composition of Well G104–5P115

表2 地層水的性質(zhì)Tab.2 The properties of formation water

2 CO2吞吐控水可行性室內(nèi)評(píng)價(jià)

2.1 CO2與地層原油配伍性實(shí)驗(yàn)

地層溫度（65°C）下，CO2與地層原油配伍性實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2～圖5示?？梢钥闯?，隨著CO2含量的增加，地層原油的飽和壓力、膨脹系數(shù)、氣油比和體積系數(shù)均增加，說明CO2溶解后，地層原油體系膨脹，地層原油的飽和壓力增大。

圖2 CO2對(duì)原油飽和壓力的影響Fig.2 Effect of CO2on oil saturation pressure

圖3 CO2對(duì)原油膨脹系數(shù)的影響Fig.3 Effect of CO2on oil swelling factor

圖4 CO2對(duì)原油氣油比的影響Fig.4 Effect of CO2on oil GOR

圖5 CO2對(duì)原油體積系數(shù)的影響Fig.5 Effect of CO2on volume factor of oil

當(dāng)注入CO2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)達(dá)到30%，地層原油的飽和壓力為24.52 MPa，膨脹系數(shù)為1.08，說明CO2對(duì)原油增容膨脹作用明顯，表明CO2與原油配伍性較好。

2.2 CO2與地層水配伍性實(shí)驗(yàn)

圖6和圖7給出了地層溫度（65°C）下，飽和了CO2的地層水在不同壓力下體積系數(shù)及氣油比的關(guān)系曲線，由圖可以看出，在一定溫度下，隨著壓力的下降，飽和CO2的地層水的體積系數(shù)上升，飽和CO2的地層水的氣水比下降（CO2在地層水中溶解度下降）。這就表明降壓過程中，一部分溶解CO2的地層水中的CO2被釋放出來，地層水的體積隨著壓力降低而膨脹，使得地層水流到狹小的孔隙時(shí)，產(chǎn)生賈敏效應(yīng)，讓地層水不易流出，起到了良好的控水作用。

圖6 飽和CO2的地層水的體積系數(shù)隨壓力的變化Fig.6 Volume factor of reservoir water saturated with CO2vs.pressure

圖7 飽和CO2的地層水的氣水比隨壓力的變化Fig.7 GWR of reservoir water saturated with CO2vs.pressure

2.3 CO2吞吐控水長(zhǎng)巖芯實(shí)驗(yàn)

2.3.1 巖芯實(shí)驗(yàn)裝置

CO2吞吐控水增油物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置主要設(shè)備包括：長(zhǎng)巖芯夾持器、地層流體復(fù)配器、恒溫空氣浴、高壓驅(qū)替泵、回壓控制器、氣量計(jì)等核心設(shè)備和一些附屬設(shè)備（圖8）。

圖8 長(zhǎng)巖芯驅(qū)替實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.8 The device chart of the long-core displacement test

2.3.2 巖芯準(zhǔn)備

首先將從現(xiàn)場(chǎng)所取的巖芯經(jīng)打磨、清洗、烘干后對(duì)巖芯的基本物性參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)滲透率和孔隙度情況，篩選出總長(zhǎng)約為69.00 cm的短巖芯組合起來，用于長(zhǎng)巖芯實(shí)驗(yàn)。然后，將這些巖芯按調(diào)和平均的排列方式進(jìn)行串聯(lián)巖芯組合排序，排序結(jié)果見表3。串聯(lián)巖芯的調(diào)和平均滲透率377.00 mD，平均孔隙度29.77%，巖芯總孔隙體積98.06 cm3，束縛水飽和度39.04%。

表3 巖芯驅(qū)替實(shí)驗(yàn)巖芯排序結(jié)果表Tab.3 Core parameters used in the long-core displacement test

2.3.3 長(zhǎng)巖芯驅(qū)替實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次長(zhǎng)巖芯實(shí)驗(yàn)主要目的是研究CO2吞吐控水增油的效果，為此，長(zhǎng)巖芯實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了3個(gè)方案：方案1模擬油藏未注水或注氣前，自然衰竭開采的過程，即模擬地層從原始地層壓力（25.0 MPa）衰竭到泡點(diǎn)壓力（17.1 MPa）的過程；方案2模擬油藏衰竭開采后，注水開發(fā)的過程，即由模擬原始地層壓力衰竭至泡點(diǎn)壓力和注水保持泡點(diǎn)壓力驅(qū)替的過程；方案3模擬油藏衰竭開采，注水開發(fā)的中后期，含水率較高時(shí)，采用CO2吞吐的手段進(jìn)行控水增油（采用衰竭至泡點(diǎn)壓力+注水保持泡點(diǎn)壓力驅(qū)替+CO2吞吐+水驅(qū)）。

2.3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

按照驅(qū)替實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到方案1、方案2和方案3的驅(qū)油效率分別為3.31%，56.75%和63.35%。方案2的采收率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于方案1的采收率，表明注水可以有效地提高稠油油藏的采收率。

圖9為長(zhǎng)巖芯驅(qū)替實(shí)驗(yàn)采出程度曲線?？梢钥闯?，在水驅(qū)注入水未突破前，原油的采收程度增幅較大，但當(dāng)含水率較高的時(shí)候，原油的采收率增幅不明顯。

圖9 長(zhǎng)巖芯驅(qū)替實(shí)驗(yàn)采出程度曲線Fig.9 Contrast curves of recovery percent in long-core test

圖10為長(zhǎng)巖芯驅(qū)替實(shí)驗(yàn)含水率曲線，對(duì)照?qǐng)D9可以看出，CO2吞吐后，原油采收率有明顯的提升，含水率明顯下降且上升較慢，當(dāng)?shù)貙铀⑷塍w積為1.0 HCPV（烴類孔隙體積）時(shí)，含水率為90%左右；而衰竭后一直水驅(qū)的方案2，在地層水注入體積為1.0 HCPV時(shí)，含水率為99%左右，說明CO2吞吐有明顯的控水增油的效果。

圖10 長(zhǎng)巖芯驅(qū)替實(shí)驗(yàn)含水率曲線Fig.10 Contrast curves of water cut in long-core test

3 實(shí)例分析

在上面室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)區(qū)塊進(jìn)行CO2吞吐控水增油單井?dāng)?shù)值模擬。以G104–5P115單井 CO2吞吐控水增油數(shù)值模擬模擬為例，來評(píng)價(jià) CO2吞吐控水增油的效果。G104–5P115單井CO2吞吐控水增油數(shù)值模擬結(jié)果如圖11，圖12所示。

數(shù)值模擬結(jié)果顯示（圖11），隨著CO2的注入，部分氣體溶解到原油中，原油黏度降低，隨著開采的進(jìn)行這些原油被采出，CO2吞吐結(jié)束后井區(qū)的一小部分區(qū)域形成一個(gè)“空腔”。

從生產(chǎn)曲線和預(yù)測(cè)曲線（圖12）可見，CO2吞吐數(shù)值模擬數(shù)據(jù)與實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)基本吻合。G104–5P115井 CO2在吞吐前 95 d，累計(jì)產(chǎn)液4867.64t、累計(jì)產(chǎn)油103.12t、累計(jì)產(chǎn)水4765.20t、平均含水率97.90%，平均產(chǎn)油1.09 t/d，產(chǎn)水50.16 t/d。從2011–01–19開始注CO2，CO2累計(jì)注入275 t，分3 d注入，之后燜井22 d，2011–02–20開井生產(chǎn)（實(shí)際燜井29 d），前幾天產(chǎn)油量急劇增長(zhǎng)達(dá)到最大19.97 t/d，產(chǎn)水量下降幅度也非常大（最低為17.1%），且高日產(chǎn)油量（大于10 t）生產(chǎn)持續(xù)32 d；從2011–04–01開始進(jìn)入高含水（含水率＞90%）階段，日產(chǎn)油量下降到幾乎為零，整個(gè)階段持續(xù)56 d，累計(jì)產(chǎn)液 1 455.83 t、累計(jì)產(chǎn)油 577.76 t、累計(jì)產(chǎn)水877.90 t、平均含水率60.30%；CO2的換油率為1.879（質(zhì)量比）。

圖11 CO2吞吐數(shù)值模擬3D結(jié)果圖Fig.11 3D graphics of CO2huff and puff numerical simulation

圖12 G104–5P115井CO2吞吐生產(chǎn)動(dòng)態(tài)曲線Fig.12 The device chart of the long-core displacement test

4 結(jié) 論

（1）CO2與地層原油配伍性實(shí)驗(yàn)表明，CO2對(duì)原油有增容膨脹作用，當(dāng)注入CO2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)達(dá)到30%，地層原油的飽和壓力為24.52 MPa，原油的體積膨脹1.08倍，表明CO2與原油配伍性較好。

（2）CO2與地層水配伍性實(shí)驗(yàn)表明，在一定溫度下，隨著壓力的下降，飽和CO2的地層水的體積系數(shù)上升，飽和CO2的地層水的氣水比下降，一部分溶解在地層水中的CO2逸出，加上地層水的體積隨壓力降低而膨脹，導(dǎo)致地層水流到狹小的孔隙時(shí)，產(chǎn)生了所謂的賈敏效應(yīng)，令地層水不易流出，起到了控水作用。

（3）從長(zhǎng)巖芯實(shí)驗(yàn)看出，衰竭的采收率僅為3.31%；衰竭后一直持續(xù)注水驅(qū)的采收率為56.75%，衰竭后一直持續(xù)注水驅(qū)至含水率較高時(shí)，進(jìn)行CO2吞吐的采收率為63.35%，這表明注水可以有效地提高稠油油藏的采收率，CO2吞吐有明顯的控水增油的效果。

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編輯：王旭東

編輯部網(wǎng)址：http：//zk.swpuxb.com

Mechanism Study on Water Control and Enhanced Oil Recovery by CO2Huff-puff for Shallow Heavy Oil Reservoir

Sun Lei,Pang Hui,Sun Yang,Hou Dali,Pan Yi
State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation，Southwest Petroleum University，Chengdu，Sichuan 610500，China

To solve the problems of rapidly increase water cut and low oil recovery in the later water-flooding of low heavy oil and heavy oil reservoirs，we conducted laboratory physical simulation experiments and single well numerical simulation of CO2huff and puff in water control and oil enhancement.To find out the mechanism and feasibility，CO2and reservoir oil/water compatibility experiment and long core experiment of CO2huff and puff are carried out respectively.The former has shown that CO2hascapacityexpansionandviscosityreductioneffectsontheheavyoil.Atacertaintemperature，asthepressuredecreases，the volume of reservoir water saturated with CO2expands and the solubility of CO2in reservoir water declines which indicates that in CO2huff and puff，water is trapped by the small core thus causing Jamine Effect，and preventing the water from being produced.The long core experiment has also shown that CO2huff and puff has a significant effect on controlling the water and enhancing the oil recovery.This has also been demonstrated by single well numerical simulation of CO2huff and puff.

shallow heavy oil reservoir；CO2huff and puff；water control and oil increase；EOR；numerical simulation

http：//www.cnki.net/kcms/doi/10.11885/j.issn.1674-5086.2014.03.26.01.html

孫雷，1954年生，男，漢族，遼寧遼陽人，教授，主要從事油氣藏流體相態(tài)、油氣田開發(fā)工程、注氣提高采收率技術(shù)及碳酸鹽巖油藏開發(fā)機(jī)理物理模擬技術(shù)等研究工作。E-mail：sunleiswpi@163.com

龐輝，1987年生，男，漢族，陜西西安人，碩士研究生，主要從事油氣田開發(fā)滲流機(jī)理和注氣開發(fā)分析方面的研究。E-mail：huoyuanjia2222@qq.com

孫揚(yáng)，1984年生，女，漢族，四川南充人，博士研究生，主要從事注氣提高油氣藏?zé)N類流體采收率以及CO2地下封存方面的研究。E-mail：sakyana@126.com

侯大力，1983年生，男，漢族，遼寧丹東人，博士研究生，主要從事油氣藏相態(tài)、油氣藏?cái)?shù)值模擬及注氣提高采收率技術(shù)研究。E-mail：houdali08163.com

潘毅，1981生，男，漢族，四川仁壽人，博士，主要從事油氣藏相態(tài)、氣藏工程、注氣提高采收率技術(shù)及碳酸鹽巖油藏開發(fā)技術(shù)方向研究。E-mail：panyiswpu@126.com

10.11885/j.issn.1674-5086.2014.03.26.01

1674-5086（2014）06-0088-07

TE341

A

2014–03–26 < class="emphasis_bold"> 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：

時(shí)間：2014–11–21

國家科技重大專項(xiàng)（2011ZX05016–005）。