二氧化碳驅(qū)油注入方式優(yōu)選實(shí)驗(yàn)

王維波，師慶三，余華貴，黃春霞，陳龍龍

（1.陜西延長石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司研究院，陜西 西安 710075；2.新疆大學(xué)地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046）

0 引言

二氧化碳（CO2）驅(qū)油技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展，已成為常見的氣驅(qū)提高原油采收率的開采方式之一。在低滲透、特低滲透及非常規(guī)油藏中，由于儲層滲透率低、流動形式復(fù)雜[1]、存在賈敏效應(yīng)[2]、強(qiáng)非均質(zhì)性[3]等原因，與簡單地利用水驅(qū)方式相比，注CO2驅(qū)油適用性較好[4]。

CO2驅(qū)分為混相驅(qū)和非混相驅(qū)[5]，CO2混相驅(qū)也是目前規(guī)?；瘧?yīng)用的氣驅(qū)技術(shù)[6]。依據(jù)油藏構(gòu)造，CO2注入方式分為水氣交替注入和重力穩(wěn)定注入。取決于儲層性質(zhì)的水氣交替注入方法，又有連續(xù)注入、簡單注入、錐形注入等方式[7]。按照作用機(jī)理，注入方式還有周期注氣、CO2吞吐等。不同注入方式有著各自的優(yōu)缺點(diǎn)，決定其效果的影響因素也不盡相同[8]。

室內(nèi)巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，低滲透油藏采用CO2水氣交替驅(qū)能提高驅(qū)油效率[9]。均質(zhì)模型中，氣驅(qū)后水氣交替驅(qū)時，水段塞為主要驅(qū)油段塞；非均質(zhì)模型中，氣驅(qū)后水氣交替驅(qū)時，氣體段塞是主要驅(qū)油段塞[10]。而周期注氣綜合了連續(xù)注氣、水氣交替和注氣吞吐的優(yōu)點(diǎn)，能夠增大CO2的波及系數(shù)，緩解層間矛盾[8]。數(shù)值模擬研究表明，超前注氣、周期注氣、注輕烴段塞、水平井注氣4種措施相結(jié)合，可以有效地改善注CO2驅(qū)油的開發(fā)效果，提高油藏的采收率[11]。對于不同注氣方式，例如水氣交替，其驅(qū)油效率、注入特征、注入效果，目前已經(jīng)開展了不少室內(nèi)研究[12-15]，并進(jìn)行了礦場實(shí)踐[16]。

注CO2驅(qū)油過程中客觀存在的氣竄現(xiàn)象，大大降低了驅(qū)油效率。為改善驅(qū)油效果，有必要對注入方式、注入?yún)?shù)篩選優(yōu)化。對連續(xù)注氣、水氣交替注入、周期注氣3種方式的主要參數(shù)進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究，并比較驅(qū)油效果，據(jù)此對注入方式方案進(jìn)行優(yōu)選。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 巖心參數(shù)

實(shí)驗(yàn)所用巖心參數(shù)見表1。

表1 巖心參數(shù)

1.2 連續(xù)注氣實(shí)驗(yàn)方案

連續(xù)注氣過程的主要參數(shù)為注氣壓力、速度，在實(shí)驗(yàn)過程中對其進(jìn)行最優(yōu)化，回壓設(shè)定為10 MPa。具體方案如下：

1）注入壓力實(shí)驗(yàn)。分別在注入壓力為14，18，22，26，28 MPa下，連續(xù)注氣 1.00 PV。

2）注入速度實(shí)驗(yàn)。分別在注入速度為0.3，0.6，1.2，1.8，2.4 cm3/min 下，連續(xù)注氣 1.00 PV。

1.3 水氣交替注入及周期注氣實(shí)驗(yàn)方案

1）水/CO2交替。關(guān)鍵參數(shù)主要是水氣交替比例與段塞大小。

——水氣比例。 分別按2∶1，1∶2，1∶1等3種水氣比例實(shí)驗(yàn)。注入段塞為0.20 PV，注入速度為0.6 cm3/min。

——段塞大小。在水氣比為1∶1的條件下，設(shè)計了5 種不同的注入段塞，分別為 0.05，0.10，0.20，0.30，0.40 PV。注入速度為0.6 cm3/min。

2）周期注氣。假定關(guān)井時間和注氣時間相同，只研究周期注氣段塞大小這一關(guān)鍵參數(shù)。注氣段塞實(shí)驗(yàn)每周期分別注入 0.01，0.03，0.05，0.10 PV 氣體，注入速度為0.6 cm3/min。

2 連續(xù)注氣實(shí)驗(yàn)及分析

2.1 不同注入壓力實(shí)驗(yàn)結(jié)果

繪制不同驅(qū)替壓力下各累計注入孔隙體積倍數(shù)對應(yīng)的采出程度曲線（見圖1）。

圖1 不同驅(qū)替壓力下的采出程度

從圖1中可以看出：

1）不同驅(qū)替壓力下CO2驅(qū)的采出程度差別較大，注入壓力越高，最終采出程度越高。注入壓力14 MPa時驅(qū)替的采出程度最低，為39.03%；注入壓力28 MPa時驅(qū)替的采出程度最高，為67.84%。但26 MPa和28 MPa壓力下驅(qū)替時，采出程度隨累計注入孔隙體積倍數(shù)變化曲線基本重合，且最終采出程度差別不大；驅(qū)替壓力達(dá)到26 MPa后繼續(xù)增大注入壓力，采出程度變化不大，表明該壓力范圍已經(jīng)達(dá)到了混相狀態(tài)。在地層條件下，壓力越高，原油中溶解的CO2越多，原油黏度降低得越顯著，從而使流度增加，增加了流動性；同時，高壓力下CO2與原油之間的界面張力減小，并且壓力越高，界面張力降低得越多，混相效應(yīng)越明顯，驅(qū)替阻力減小，毛細(xì)管數(shù)增加，采出程度更高。然而，現(xiàn)場實(shí)施中，注入壓力越高，對設(shè)備的要求也越高，并受到地層破裂壓力的限制。

2）隨著注入氣體孔隙體積倍數(shù)增加，采出程度曲線逐漸平緩。原因是，氣體突破后形成了竄流通道，壓力有所降低，氣體與油相作用減弱，驅(qū)油效果變差。從采出程度來看，在氣體突破前，驅(qū)替壓力越大，采出程度越高。

2.2 不同注入速度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

進(jìn)行5組實(shí)驗(yàn)，連續(xù)注氣1.00 PV，注入速度分別為 0.3，0.6，1.2，1.8，2.4 cm3/min。 為分析不同注入速度的影響，分別從以下方面進(jìn)行對比。

2.2.1 采出程度

繪制不同驅(qū)替速度下各累計注入孔隙體積倍數(shù)對應(yīng)的采出程度曲線（見圖2）。從圖2可以看出：

1）隨著注入速度的增加，采出程度增加。注入速度為0.3 cm3/min時，采出程度為53.54%；注入速度為1.2 cm3/min時，采出程度增加到63.94%。其原因是，在同樣的注氣量下，注入速度越大，注入壓力升高越快，地層油中溶解CO2越多，黏度降低幅度越大，油氣界面張力越低，而且越接近混相驅(qū)，采出程度越高。

2）注入速度為 1.2，1.8，2.4 cm3/min 時，其采出程度明顯高于0.3，0.6 cm3/min注入速度的采出程度。這是因?yàn)?，這些注入速度所保持的注入壓力接近于混相壓力，近混相效應(yīng)明顯。

圖2 CO2驅(qū)采出程度曲線

2.2.2 換油率

繪制不同驅(qū)替速度下各累計注入孔隙體積倍數(shù)對應(yīng)的換油率曲線（見圖3）。

圖3 CO2驅(qū)換油率曲線

從圖3可以看出：初期，在不同注入速度下，換油率差別較大，注氣速度越快，換油率越大，并且換油率隨注入量增加而升高；后期，隨著注入量增加，換油率的差別逐漸減小，如注入速度分別為0.3，1.2，2.4 cm3/min時，氣體突破前平均換油率分別為0.23，0.25，0.36。其原因在于：注入的CO2會溶解于原油和地層水中，注入速度小，不利于發(fā)揮補(bǔ)充氣體和改善流度比的作用；隨著CO2注入量增加，注入的CO2暫時積累，地層內(nèi)壓力增加，從而產(chǎn)生了高壓力效應(yīng)；注入壓力越高，越接近混相壓力，改善流度比和降低界面張力的作用越明顯，采出程度越高，并且采出程度增加的幅度大于CO2注入量的增加幅度。在后期氣體突破后，氣體驅(qū)油效果變差，各驅(qū)油速度下?lián)Q油率會相應(yīng)地大幅度減小。

3 水氣交替注入實(shí)驗(yàn)及分析

3.1 水氣交替比例篩選

水氣比是指在水氣交替注入過程中注入的水和氣體在地層條件下的體積比。實(shí)驗(yàn)注入段塞為0.20 PV，注入速度為 0.6 cm3/min，水氣比分別為 2∶1，1∶1，1∶2。

1）采出程度。由圖4可見：隨著水/CO2交替驅(qū)注入量增加，采出程度增加；在同樣注入量下，隨著水氣比增加，采出程度有所下降。這是因?yàn)?，在水氣比增加的同時，巖心出口也易過早見水，反而降低了采出程度。

圖4 水/CO2交替驅(qū)采出程度曲線

2）見水/見氣時間。由于注入速度為恒定值，因此，注入量可以表示注入時間的長短。從表2看出：隨著水氣比增加，氣體突破時間及見氣采出程度存在波動，水突破時間縮短，見水采出程度降低；水氣比為2∶1，1∶1時，水、氣突破時間最為接近，但水氣比為1∶1，水、氣突破時，采出程度都比較高，最終采出程度最高。

綜合考慮，水/CO2交替驅(qū)時，選擇水氣比1∶1，驅(qū)油效果最好。

表2 不同水氣比交替驅(qū)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2 水氣交替段塞篩選

在水氣比為1∶1的條件下，設(shè)計了5種不同的注入段塞，分別為 0.05，0.10，0.20，0.30，0.40 PV，注入速度為0.6 cm3/min。

繪制不同段塞的采出程度曲線（見圖5）。從圖中可見：0.05，0.10，0.20 PV段塞注入時，最終采出程度分別為54.46%，71.03%，71.78%，即較小注入段塞時，隨著段塞增加，最終采出程度增加；但當(dāng)水氣段塞達(dá)到0.30，0.40 PV后，最終采出程度分別為69.82%，52.48%，即隨著段塞增加，最終采出程度開始降低。水氣交替段塞為0.05，0.40 PV的采出程度，明顯低于其他3個段塞，而段塞0.20 PV的最終采出程度最高。其原因在于：注入段塞過小，水形成連續(xù)相，不利于發(fā)揮控制流度的作用；段塞過大，注入氣體容易過早突破。因此，在利用水氣交替注氣開發(fā)中，最佳段塞為0.20 PV。

圖5 不同段塞水/CO2交替驅(qū)采出程度曲線

4 周期注氣實(shí)驗(yàn)及分析

注氣段塞實(shí)驗(yàn)每周期分別注入0.01，0.03，0.05，0.10 PV氣體，注入速度為0.6 cm3/min。不同段塞周期注氣實(shí)驗(yàn)見水/見氣數(shù)據(jù)及采出程度數(shù)據(jù)見表3和圖6。

表3 周期注氣實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表3和圖6可以看出：

1）周期注氣最終采出程度隨著注氣段塞的增加而增大。周期注氣段塞為0.01 PV時，最終采出程度為65.58%，此時注氣1.42 PV；周期段塞為0.05 PV時，最終采出程度為70.65%，注氣1.70 PV；周期段塞為0.10 PV時，最終采出程度為72.05%，注氣2.90 PV。

2）隨著周期注氣段塞的增大，見氣周期數(shù)減小。周期注入0.01 PV時，見氣周期為第71周期；周期注入為0.10 PV時，見氣周期為第4周期：這說明小周期注入量有利于推遲見氣。周期注氣量少，壓力低，壓力向生產(chǎn)井傳播慢，同時油中溶解的氣量少，降壓采油階段膨脹能比較小，因此見氣比較晚。

3）見氣時采出程度隨著段塞增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，周期注入0.03 PV時的見氣采出程度最高。

圖6 不同周期注氣采出程度曲線

由此可見，周期注氣最終采出程度隨著注氣段塞的增加而增大，但適當(dāng)減小周期段塞有利于推遲見氣，有利于提高見氣采出程度。值得注意的是，雖然周期段塞為0.10 PV時的最終采出程度比0.05 PV段塞高出5%，但考慮到0.10 PV時注入氣體孔隙體積倍數(shù)要遠(yuǎn)高于0.05 PV和0.01 PV，在礦場條件下，考慮到儲層非均質(zhì)性、生產(chǎn)制度和生產(chǎn)條件的影響，難以達(dá)到本實(shí)驗(yàn)中的2.90 PV注入氣體量。從見氣采出程度和最終采出程度綜合考慮，選擇周期注入段塞0.03 PV為佳。

5 結(jié)論

1）連續(xù)注氣實(shí)驗(yàn)中，隨著驅(qū)替壓力及注入速度增加，見氣采出程度和最終采出程度逐步增大后趨于穩(wěn)定。最佳注入壓力為26MP，最佳注入速度為2.4cm3/min。

2）水氣交替水氣比實(shí)驗(yàn)中，相同注入量情況下，隨著水氣比增加，最終采出程度及見水/氣時間先增大后減小。水氣比為1∶1時，最終采出程度最高，水、氣突破時間較為接近。

3）水氣交替段塞優(yōu)選實(shí)驗(yàn)中，從最終采出程度看，最佳段塞為0.20 PV。

4）周期注氣實(shí)驗(yàn)表明，周期注氣最終采出程度隨著注氣段塞的增加而增大，并且小周期注入量有利于推遲見氣。從見氣采出程度和最終采出程度綜合考慮，選擇周期注入段塞0.03 PV為佳。

[1]Javadpour F.Nanopores and apparent permeability of gas flow in mudrocks （Shales and Siltstone）[J].Journal of Canadian Petroleum Technology，2009，48（8）：16-21.

[2]張春榮.低滲透油田高壓注水開發(fā)探討[J].斷塊油氣田，2009，16（4）：80-82.

[3]潘凌，方全堂，段永剛.低滲油藏非均質(zhì)性對采收率的影響因素研究[J].西南石油大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2012，34（3）：111-115.

[4]劉仁靜，劉慧卿，李秀生，等.延長油田特低滲透淺層油藏注CO2提高采收率技術(shù)研究[J].西安石油大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010，25（4）：62-65，112.

[5]沈平平，江懷友，陳永武，等.CO2注入技術(shù)提高采收率研究[J].特種油氣藏，2007，14（3）：1-4，11.

[6]王友啟，周梅，聶俊.提高采收率技術(shù)的應(yīng)用狀況及發(fā)展趨勢[J].斷塊油氣田，2010，17（5）：628-631.

[7]江懷友，沈平平，鐘太賢，等.二氧化碳埋存與提高采收率的關(guān)系[J].油氣地質(zhì)與采收率，2008，15（6）：52-55.

[8]何應(yīng)付，周錫生，李敏，等.特低滲透油藏注CO2驅(qū)油注入方式研究[J].石油天然氣學(xué)報，2010，32（6）：131-134.

[9]杜朝鋒，武平倉，邵創(chuàng)國，等.長慶油田特低滲透油藏二氧化碳驅(qū)提高采收率室內(nèi)評價[J].油氣地質(zhì)與采收率，2010，17（4）：63-64，76.

[10]丁名臣，岳湘安，汪杰，等.不同非均質(zhì)性模型中注氣方式對氣驅(qū)油的影響[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2013，13（27）：8126-8129.

[11]何應(yīng)付，高慧梅，周錫生.改善特低滲透油藏注二氧化碳驅(qū)油效果的方法[J].斷塊油氣田，2011，18（4）：512-515.

[12]張茂林，彭裕林，梅海燕，等.馬36長巖心氣水交替驅(qū)替試驗(yàn)數(shù)值模擬研究[J].斷塊油氣田，2002，9（4）：38-41.

[13]郭平，霍麗君，姜彬，等.芳48 CO2驅(qū)油先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)水氣交替參數(shù)優(yōu)化[J].中國石油大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2012，36（6）：89-93.

[14]章星，楊勝來，李芳芳，等.特低滲透油藏CO2-水交替注入特征和效果[J].大慶石油地質(zhì)與開發(fā)，2013，32（2）：122-125.

[15]喬紅軍，任曉娟，閆鳳平，等.低滲透儲層水氣交替注入方式室內(nèi)試驗(yàn)研究[J].石油天然氣學(xué)報，2013，35（7）：114-117.

[16]展恩芹.樹101區(qū)塊注CO2驅(qū)水氣交替注入工藝[J].油氣田地面工程，2013，32（6）：122.