特低滲透油藏CO2驅(qū)注采參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

文 星， 劉月田， 田樹(shù)寶， 劉彥鋒， 劉 波

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

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特低滲透油藏CO2驅(qū)注采參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

文 星， 劉月田*， 田樹(shù)寶， 劉彥鋒， 劉 波

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

以大慶油田外圍某特低滲透油藏為研究對(duì)象,根據(jù)實(shí)際油藏的地質(zhì)特征及注水開(kāi)發(fā)難以實(shí)現(xiàn)的情況，利用數(shù)值模擬方法對(duì)CO2驅(qū)開(kāi)發(fā)方式進(jìn)行了研究.研究表明，周期注氣為CO2驅(qū)的合理注入方式.采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，以累計(jì)產(chǎn)油量和換油率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，得到了影響開(kāi)發(fā)效果的主要注采參數(shù)依次為注氣速度、注氣周期、生產(chǎn)壓力和采油方式等；確定了最優(yōu)注采參數(shù)組合方案：注氣速度為500 m3/d、注氣周期為注2個(gè)月關(guān)1個(gè)月、生產(chǎn)壓力為4 MPa、采油方式為連續(xù)采油.這為現(xiàn)場(chǎng)CO2驅(qū)開(kāi)發(fā)方案的制定提供了理論指導(dǎo)和技術(shù)支持.

特低滲透油藏； CO2驅(qū)； 周期注氣； 正交設(shè)計(jì)； 注采參數(shù)優(yōu)化

0 引言

我國(guó)低滲透油藏資源十分豐富，現(xiàn)已探明的低滲透油藏原油儲(chǔ)量為63.2億噸，但目前其動(dòng)用率不足50%[1,2].特低滲透油田儲(chǔ)層物性致密,衰竭、注水開(kāi)發(fā)效果差,而黏度低、密度小且易流動(dòng)的CO2在特低滲透油藏開(kāi)發(fā)中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[3].

CO2驅(qū)油能夠大幅度提高原油采收率.多年的生產(chǎn)實(shí)踐表明,CO2驅(qū)可以提高采收率15%～25%[4].此前關(guān)于CO2驅(qū)油的研究大部分集中于低滲透未開(kāi)發(fā)油藏，多采用水氣交替注入方式，交替注入小段塞CO2和水綜合了注水和注氣的優(yōu)點(diǎn)，是目前現(xiàn)場(chǎng)最主要的開(kāi)發(fā)方式[5-9].

但是，對(duì)于特低滲透油藏而言,由于油藏滲透率極低,實(shí)施水氣交替注入會(huì)面臨水、CO2均難以有效注入的問(wèn)題[10].因此,本文提出了采用周期注氣的注入方式.以大慶油田外圍某特低滲透油藏為研究對(duì)象，應(yīng)用數(shù)值模擬軟件組分模擬器，結(jié)合正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，優(yōu)化CO2驅(qū)周期注氣的注采參數(shù)，確定了最優(yōu)的注采參數(shù)組合方案.

1 油藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)概況

P油藏扶余油層中部埋深1 670 m、原始地層壓力18.2 MPa、油層平均厚度1.87 m、平均滲透率1.03×10-3μm2、平均孔隙度8%，屬于具有正常壓力系統(tǒng)的低孔特低滲透油藏.其飽和壓力5.34 MPa、原油密度0.863 g/cm3、地層原油粘度3.62 mPa·s、原油體積系數(shù)1.12、束縛水飽和度44.5%.

該油藏含油面積0.96 km2,動(dòng)用地質(zhì)儲(chǔ)量64×104t,均采用1注4采的300 m×200 m矩形井網(wǎng)，有12口注水井和22口采油井.由于該特低滲透油藏很難有效注水，注水井全部關(guān)閉.

2 數(shù)值模擬模型的建立

根據(jù)油藏地質(zhì)特征，建立能夠代表油藏滲流特征的典型模型.該模型采用300 m×200 m矩形井網(wǎng)，以一個(gè)單砂層為注采單元，厚度為1.87 m，網(wǎng)格劃分采用平面31×21×10的塊狀網(wǎng)格系統(tǒng).

應(yīng)用ECLIPSE模擬軟件的PVTi模塊，將P油藏流體的28個(gè)組分按照組分性質(zhì)相近原則，重組為6個(gè)擬組分：C1+N2、C2～C7、C8～C12、C13～C18、C19～C21及C22+,各組分的摩爾分?jǐn)?shù)如表1所示.

通過(guò)對(duì)擬組分進(jìn)行注CO2膨脹實(shí)驗(yàn)(SWELL)的擬合，確定了符合實(shí)際流體性質(zhì)的組分模型PVT參數(shù).模擬得到CO2最小混相壓力為28.6 MPa，而地層壓力為18.2 MPa,因此只能進(jìn)行CO2非混相驅(qū).注CO2膨脹實(shí)驗(yàn)擬合結(jié)果如圖1所示.該模型選用實(shí)際油藏的基本物性參數(shù)，經(jīng)過(guò)歷史擬合，與實(shí)際生產(chǎn)符合程度較高，能夠真實(shí)地反映地層特征.

表1 P油藏流體各組分摩爾分?jǐn)?shù)

(a)飽和壓力擬合

(b)原油膨脹系數(shù)擬合

3 CO2驅(qū)注采參數(shù)優(yōu)化

3.1 優(yōu)選合理的注氣方式

注CO2驅(qū)油已成為提高油藏開(kāi)發(fā)效果的一種有效方法,特別是對(duì)于注水難以建立起有效驅(qū)動(dòng)體系的特低滲透油藏.眾所周知,在注氣開(kāi)發(fā)油藏中,防止氣竄是非常必要的,而注入方式的改變則能夠有效防止氣竄.在注CO2驅(qū)油時(shí),CO2注入儲(chǔ)層的方式主要包括連續(xù)注氣、周期注氣(SAG)、水氣交替注入(WAG)、CO2吞吐、重力穩(wěn)定驅(qū)替等.

根據(jù)實(shí)際油藏的地質(zhì)特征及注水開(kāi)發(fā)難以實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，選取了連續(xù)注氣和周期注氣進(jìn)行對(duì)比研究：周期注氣的注氣速度為500 m3/d，注一個(gè)月停一個(gè)月；連續(xù)注氣的注氣速度為250 m3/d，其它參數(shù)不變.兩種方案各自生產(chǎn)10年的生產(chǎn)指標(biāo)如表2所示.

從表2可以看出，在相同注氣量的前提下，周期注氣的累計(jì)產(chǎn)油量和換油率均大于連續(xù)注氣.連續(xù)注氣可能導(dǎo)致生產(chǎn)井過(guò)早氣竄，大部分剩余油難以動(dòng)用，換油率低；周期注氣在關(guān)井浸泡時(shí)，由于CO2的擴(kuò)散和溶解作用，原油體積增大，粘度降低，能夠提高波及系數(shù)(如圖2所示).周期注氣改善了特低滲透油藏的開(kāi)發(fā)效果[10].因此,該油藏CO2驅(qū)的注氣方式優(yōu)選為周期注氣.

表2 不同注氣方式的生產(chǎn)指標(biāo)

(a)連續(xù)注氣含油飽和度分布

(b)周期注氣含油飽和度分布

3.2 正交試驗(yàn)參數(shù)確定與方案設(shè)計(jì)

由于地層中CO2的粘度和密度遠(yuǎn)低于原油和水，注入的CO2容易發(fā)生粘性指進(jìn)和重力超覆現(xiàn)象，造成氣竄，使得CO2波及系數(shù)減小，驅(qū)油效果變差[11].周期注入CO2可以有效改善流度比，延緩CO2突破時(shí)間，減緩氣竄的發(fā)生，擴(kuò)大波及面積，提高驅(qū)油效果.注入?yún)?shù)和生產(chǎn)參數(shù)均會(huì)影響周期注氣開(kāi)發(fā)效果．注氣速度過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)氣油比不易控制，過(guò)早出現(xiàn)CO2突破; 注氣速度過(guò)小，地層壓力會(huì)迅速降低，驅(qū)油效果不明顯.注氣周期不同，總注氣量和浸泡時(shí)間會(huì)隨之變化，對(duì)驅(qū)油效果產(chǎn)生影響.采油方式和生產(chǎn)壓力的變化有助于控制氣竄，提高原油采收率.

為了合理評(píng)價(jià)CO2驅(qū)油效果，引入累計(jì)產(chǎn)油量和換油率作為評(píng)價(jià)指標(biāo).累計(jì)產(chǎn)油量是指水驅(qū)結(jié)束后轉(zhuǎn)為CO2驅(qū)生產(chǎn)十年采出的原油量；換油率是指注入每噸CO2生產(chǎn)出的原油.

基于以上對(duì)影響CO2驅(qū)周期注入開(kāi)采效果的主要因素的分析,并結(jié)合國(guó)內(nèi)外注采參數(shù)研究現(xiàn)狀和現(xiàn)場(chǎng)采油工藝技術(shù)[12,13],確定優(yōu)化參數(shù)分別為注氣速度、注氣周期、采油方式和生產(chǎn)壓力.每個(gè)參數(shù)設(shè)計(jì)4個(gè)水平值(如表3所示).根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理[14-16]，設(shè)計(jì)出4因素4水平值的優(yōu)化方案.應(yīng)用ECLIPSE組分模擬器E300對(duì)上述正交設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模擬計(jì)算,得到了各個(gè)方案的累計(jì)產(chǎn)油量和換油率，如表4所示.

3.3 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

3.3.1 注采參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)表4結(jié)果,分別以各參數(shù)的4個(gè)水平值為橫坐標(biāo),以油藏累計(jì)產(chǎn)油量和換油率為縱坐標(biāo),做單因素雙指標(biāo)評(píng)價(jià)參數(shù)交會(huì)圖，如圖3所示.

表3 注采參數(shù)及水平值

表4 周期注氣注采參數(shù)方案設(shè)計(jì)及模擬計(jì)算結(jié)果

續(xù)表1

方案注氣速度/(m3/d)注氣周期采油方式生產(chǎn)壓力/MPa累計(jì)產(chǎn)油量/t換油率/(t/t)F13700注1個(gè)月關(guān)2個(gè)月間歇采油4573.680.336F14700注1個(gè)月關(guān)1個(gè)月異步注采21082.620.413F15700注2個(gè)月關(guān)1個(gè)月同步注采8892.260.262F16700注3個(gè)月關(guān)1個(gè)月連續(xù)采油61105.580.292

(1)隨著注氣速度的增大，累計(jì)產(chǎn)油量幾乎呈線性增加，但注氣速度超過(guò)500 m3/d后，增加的趨勢(shì)變緩.提高注氣速度有利于地層能量的補(bǔ)充，能夠驅(qū)替出更多的原油，但過(guò)高的注氣速度會(huì)造成CO2過(guò)早氣竄，導(dǎo)致CO2換油率急劇降低.因此，最佳注氣速度為500 m3/d.

(2)隨著注關(guān)比的增大，累計(jì)產(chǎn)油量和換油率均出現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，可確定最優(yōu)注氣周期為注2個(gè)月關(guān)1個(gè)月.

(a)注氣速度評(píng)價(jià)曲線

(b)注氣周期評(píng)價(jià)曲線

(c)采油方式評(píng)價(jià)曲線

(d)生產(chǎn)壓力評(píng)價(jià)曲線

(3)采油方式的變化對(duì)CO2的波及程度和驅(qū)油效率有一定的影響.綜合分析認(rèn)為，采用連續(xù)采油的方式更合理.

(4)當(dāng)生產(chǎn)壓力為4 MPa時(shí)，累計(jì)產(chǎn)油量和換油率均達(dá)到最大值，開(kāi)發(fā)效果最理想.故建議生產(chǎn)井井底流壓為4 MPa.

綜上所述，在給定參數(shù)水平中，周期注氣最優(yōu)注采參數(shù)組合方案為：注氣速度為500 m3/d、注氣周期為注2個(gè)月關(guān)1個(gè)月、采油方式為連續(xù)采油、生產(chǎn)壓力為4 MPa.針對(duì)該方案進(jìn)行模擬計(jì)算，得到累計(jì)產(chǎn)油量和換油率分別為1 417.86 t和0.62 t/t，其采出程度比水驅(qū)開(kāi)發(fā)提高了15.65%.

3.3.2 直觀分析法

利用正交試驗(yàn)所得數(shù)據(jù), 分別計(jì)算各注采參數(shù)不同水平的綜合指標(biāo)均值及各指標(biāo)均值極差,對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析,如表5所示.根據(jù)表5的極差值大小,可評(píng)價(jià)各注采參數(shù)影響評(píng)價(jià)參數(shù)的主次順序.各參數(shù)對(duì)累計(jì)產(chǎn)油量和換油率的影響由大至小的順序均為：注氣速度>注氣周期>生產(chǎn)壓力>采油方式.CO2注入速度對(duì)開(kāi)發(fā)效果的影響最大，其次是注氣周期，其它2個(gè)因素的影響不明顯.

3.3.3 方差分析法

方差分析是利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)中F檢驗(yàn)法[17]判斷各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響的顯著程度和可信程度.利用F分布表確定F的臨界值,通過(guò)比較各因素F值與臨界F值大小關(guān)系,判定各因素對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響是否顯著:大于臨界值時(shí)影響顯著,小于臨界值時(shí)影響不顯著,進(jìn)而確定影響評(píng)價(jià)指標(biāo)的主次順序,最終優(yōu)選出最佳方案[18].

利用方差分析法對(duì)正交數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn),其中臨界值F0.05(3，3)=9.28，方差分析結(jié)果如表6所示.表6再次驗(yàn)證: CO2注入速度和注氣周期對(duì)累計(jì)產(chǎn)油量和換油率的影響最為顯著.

表5 周期注氣注采參數(shù)計(jì)算結(jié)果直觀分析

表6 周期注氣注采參數(shù)計(jì)算結(jié)果方差分析

4 結(jié)論與建議

(1)針對(duì)特低滲透油藏的地質(zhì)特征及注水開(kāi)發(fā)困難的特點(diǎn)，采用CO2驅(qū)開(kāi)發(fā)方式可有效提高油田采收率.

(2)數(shù)值模擬研究結(jié)果表明，周期注氣的累計(jì)產(chǎn)油量和換油率均大于連續(xù)注氣.因此，特低滲透油藏CO2驅(qū)注氣方式優(yōu)選為周期注氣.

(3)確定P油藏CO2周期注氣最優(yōu)注采參數(shù)組合方案為：注氣速度為500 m3/d、注氣周期為注2個(gè)月關(guān)1個(gè)月、采油方式為連續(xù)采油、生產(chǎn)壓力為4 MPa.

(4)正交試驗(yàn)直觀分析法和方差分析法均可驗(yàn)證注采參數(shù)對(duì)開(kāi)發(fā)效果的影響由大至小的順序?yàn)椋鹤馑俣?注氣周期>生產(chǎn)壓力>采油方式.故建議在制定CO2驅(qū)開(kāi)發(fā)方案時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮注氣速度和注氣周期.

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Injection-production parameters optimization of CO2flooding in extra-low permeability reservoir

WEN Xing， LIU Yue-tian*， TIAN Shu-bao， LIU Yan-feng， LIU Bo

(MOE Key Laboratory of Petroleum Engineering, China University of Petroleum(Beijing), Beijing 102249, China)

According to the geological characteristics of the reservoir and the actual problems of water injection,CO2flooding has been studied for a special peripheral extra-low permeability reservoir of Daqing Oilfield by using numerical simulation methods.Research shows that cyclic gas injection is the reasonable gas injection manner of CO2flooding.On the basis of the principle of orthogonal experimental design,the importance order of the influence of injection-production parameters on oil increment and oil drainage rate is as follows:injection rate,the injection cycle,production pressure and oil extraction manner;meanwhile the best combination of injection-production parameters has been optimized:gas injection rate of 500 m3/d,opening two months off a month,production pressure of 4 MPa,continuous oil extraction,thus providing theoretical instruction and technical support for mine program development of CO2flooding.

extra-low permeability reservoir; CO2flooding; cyclic gas injection; orthogonal design; injection-production parameters optimization

2014-12-30

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51374222)； 國(guó)家重大科技專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目(2011ZX05009-004-001)

文 星(1989-)，男，湖北天門(mén)人，在讀碩士研究生，研究方向：油藏?cái)?shù)值模擬通訊作者:劉月田(1965-)，男，河北無(wú)極人,教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：油藏滲流力學(xué)、油氣田開(kāi)發(fā)，lyt51@163.com

1000-5811(2015)03-0116-05

TE348

A