CO2氣體在油藏中的超覆作用機理實驗研究

杜 勇，隋清國，滕學(xué)偉，伊善利

(中國石化勝利油田分公司樁西采油廠，山東東營 257237)

CO2氣體在油藏中的超覆作用機理實驗研究

杜 勇，隋清國，滕學(xué)偉，伊善利

(中國石化勝利油田分公司樁西采油廠，山東東營 257237)

通過微觀可視化實驗和理論推導(dǎo)，研究了CO2氣體在油藏中的超覆作用規(guī)律。從實驗結(jié)果及理論推導(dǎo)分析來看，CO2氣體在封閉的地層環(huán)境中依靠密度差而產(chǎn)生超覆作用的能力較弱，單一的氣泡不可能自發(fā)運移；連續(xù)氣泡需要聚合形成一定長度的氣柱，氣柱浮力大于賈敏效應(yīng)的阻力后，才能產(chǎn)生超覆作用。

CO2驅(qū)油；超覆作用；驅(qū)油實驗

近幾年，隨著油藏開發(fā)的不斷深入，產(chǎn)液含水呈上升趨勢，特別是對于底水油藏，底水錐進后，產(chǎn)液含水呈突變式上升，如何抑制底水上升速度來提高油藏最終采收率成為底水油藏開發(fā)的熱點。研究表明，CO2氣體具有較好的壓水錐和驅(qū)替原油的作用[1]，但對CO2在邊底水油藏中作用機理研究較少。傳統(tǒng)理論認為油藏注入氣體以后，氣體可以通過超覆作用上升到油藏頂部，從而驅(qū)替油藏頂部的原油[2]。提出該理論的出發(fā)點主要是由于氣體的密度小于原油和地層水的密度，因此在浮力的作用下氣體會上升到油層的頂部。但是在實際地層中，是否存在因為密度差而產(chǎn)生的超覆現(xiàn)象并未從理論上進行驗證，因此本文分別采用微觀可視化實驗和理論推導(dǎo)，研究CO2氣體在油藏中的超覆作用規(guī)律，為底水油藏的開發(fā)提供指導(dǎo)。

1 微觀可視化實驗研究

微觀驅(qū)替裝置[3]主要包括微觀仿真玻璃刻蝕模型(外觀尺寸為60 mm×60 mm、孔道直徑為50～800 μm)、數(shù)字顯微攝像系統(tǒng)、壓力采集系統(tǒng)、微量注入系統(tǒng)等。實驗過程中按圖1箭頭所標(biāo)示方向進行驅(qū)替。

1.1 實驗過程

將微觀可視化模型分別飽和地層水和原油，將模型直立放置(入口端在下部，出口端在上部)，在入口端注入一定量的CO2氣體，關(guān)閉入口和出口，模擬地層關(guān)井狀態(tài)(圖2)。

1.2 CO2氣體在水相和油相中變化規(guī)律

微觀可視化模型靜置在模擬地層溫度下的環(huán)境中，觀察靜置不同時間下氣體在油藏孔隙中的變化形態(tài)，來描述其變化規(guī)律。本文中列出了在不同相態(tài)中的初始和最終狀態(tài)可視化微觀圖(水相中如圖3、圖4所示，油相中如圖5、圖6所示)。

圖1 微觀驅(qū)油流程示意

圖2 微觀可視模型

在水相可視化微觀圖中，存在于水相中的兩個氣泡經(jīng)過105 h后，氣泡位置及形態(tài)基本無變化。同理，為了驗證在油相中的氣泡狀況，也做了微觀可視化實驗，氣泡經(jīng)過145 h后，捕捉到的一個氣泡位置及形態(tài)無變化，另一個氣泡只是發(fā)生了位置偏移，其形態(tài)基本無變化。從實驗結(jié)果分析來看，如果沒有驅(qū)動力，當(dāng)注入的氣體以分散的氣泡形式存在于封閉的多孔介質(zhì)中時，氣體無法自發(fā)運移，也就不存在由于自發(fā)運移而產(chǎn)生的超覆驅(qū)油作用。

圖3 水相中氣體初始狀態(tài)

圖4 水相中105小時后的氣體狀態(tài)

圖5 油相中氣體初始狀態(tài)

圖6 油相中145小時后的氣體狀態(tài)

2 CO2氣體運移理論驗證

在實驗的基礎(chǔ)上，進一步通過理論推導(dǎo)對實驗結(jié)論進行驗證。

2.1 單一氣泡上浮理論驗證

根據(jù)油層物理的基礎(chǔ)理論[4]，滲透率與毛管半徑和孔隙度的關(guān)系為：

k=φr2/8

(1)

因此毛細管半徑可以表示為：

r=(8k/φ)0.5

(2)

式中：r——毛細管半徑，m；k——滲透率, μm2；φ——孔隙度，小數(shù)。

根據(jù)地層的滲透率可以折算出多孔介質(zhì)中毛細管的半徑，如果一個氣泡在豎直向上的孔道中(周圍環(huán)境為水)，其所受到的浮力為：

F浮=4ρwgπr3/3

(3)

在氣泡上的壓力為：

P浮=4ρwgr/3

(4)

壓力梯度為：

ΔP浮=2ρwg/3

(5)

氣泡在通過孔喉時，會受到賈敏效應(yīng)的作用。首先假定其前部曲率半徑為0.5r，后部半徑為2r，則其受到的阻力為：

P=3σ/r

(6)

阻力梯度為：

ΔP=1.2σ/r2

(7)

通過比較不同滲透率地層中阻力與浮力的差異，就可以判斷出氣泡在多孔介質(zhì)中運移的可能性：

ΔP/ΔP浮=0.225σφ/(ρwgk)

(8)

式中：ρw——水相密度，kg/m3；σ——表面張力，N/m；g——重力加速度，取9.8 m/s2。

根據(jù)以上理論，假定多孔介質(zhì)溫度為60 ℃，ρw=983.2 kg/m3，σ=66.81×10-3N/m，φ=0.3，g=9.8 m/s2，計算了不同滲透率下的ΔP/ΔP浮的值，并繪制成如圖7所示曲線。從計算結(jié)果來看，當(dāng)k=0.1 μm2，則ΔP/ΔP浮=4.7×106，故ΔP遠遠大于△P浮，因此氣泡不能在浮力作用下通過孔喉。

圖7 不同滲透率地層中阻力與浮力的比值

從以上計算結(jié)果分析來看，不同滲透率儲層中，阻力遠遠大于浮力，依靠浮力而實現(xiàn)小氣泡在多孔介質(zhì)中的自發(fā)運移是不可能的。

2.2 連續(xù)氣泡上浮理論驗證

對于多孔介質(zhì)中存在的大段連續(xù)氣泡，由于連續(xù)的氣體可以產(chǎn)生較大的浮力，同時不存在多余的氣液界面，因此當(dāng)孔隙中連續(xù)氣體的體積足夠大時，存在氣體的上浮作用。

假設(shè)在一個足夠長的多孔介質(zhì)中存在一個連續(xù)的氣泡，如圖8所示。

圖8 地層多孔介質(zhì)中的連續(xù)氣體示意圖

氣體的體積為：

V=πr2L

(9)

產(chǎn)生的浮力為：

Fd=(ρw-ρc)gπr2L

(10)

式中：L——氣柱段塞長度，m；ρw——油藏條件下液相密度，kg/m3；ρc——油藏條件下臨界CO2密度，kg/m3。

當(dāng)連續(xù)的氣體通過多孔介質(zhì)需要克服的賈敏效應(yīng)的阻力為：

Pr=3σcosθ/r

(11)

假設(shè)油藏條件下的溫度為60 ℃，ρw=983.2 kg/m3，ρc=706.3 kg/m3，σ=66.81×10-3N/m，θ=30°，φ=0.3，計算了不同滲透率下的連續(xù)段塞氣柱長度，并繪制成如圖9所示曲線。

圖9 不同滲透率儲層發(fā)生超覆現(xiàn)象所需要的氣柱長度

當(dāng)k=2 μm2時，如果浮力大于賈敏效應(yīng)的阻力，那么段塞的長度至少達到8.7 m，才有可能出現(xiàn)氣體超覆現(xiàn)象。而在真實的地層環(huán)境中，由于地層的非均質(zhì)性和孔隙孔喉，注入的氣體自發(fā)形成較大連續(xù)氣柱的可能性較小。只有持續(xù)注入氣體，為前期注入的氣體提供后續(xù)的推動力，才有可能出現(xiàn)氣體的超覆驅(qū)油作用。

3 結(jié)論

(1)實驗結(jié)果表明，在封閉的多孔介質(zhì)中，CO2氣體無法自發(fā)實現(xiàn)運移，即不存在由于自發(fā)運移而產(chǎn)生的超覆驅(qū)油作用。

(2)理論推導(dǎo)表明，小氣泡在通過孔喉時的阻力遠遠大于浮力，依靠浮力不能實現(xiàn)小氣泡在多孔介質(zhì)中的自發(fā)運移。

(3)理論推導(dǎo)表明，氣體需要形成一定長度的氣柱且浮力大于賈敏效應(yīng)的阻力，才有可能運移并出現(xiàn)超覆現(xiàn)象。

(4)研究結(jié)果表明，注入地層中的CO2體積較少時，超覆驅(qū)油作用較弱。只有為注入的氣體提供持續(xù)的推動力即連續(xù)注氣，使氣泡發(fā)生聚合形成足夠大的連續(xù)氣泡后，才能實現(xiàn)超覆驅(qū)油。

[1] Briggs P,Redford D A, Harris P. Core-sized physical simulator experiments to study the effect of naphtha and CO2addition to steam in the recovery of bitumen from oil sands[M].Pet. Soc. of CIM,1982.82-84.

[2] 李士倫，周守信，杜建芬，等．國內(nèi)外注氣提高石油采收率技術(shù)回顧與展望[J].油氣地質(zhì)與采收率，2002，9(2)：1-5.

[3] 蘇娜,黃健全.微觀水驅(qū)油實驗及剩余油形成機理研究[J].斷塊油氣田，2007，(6)：50-51.

[4] 楊勝來,魏俊之.油層物理學(xué)[M].北京：石油工業(yè)出版社,2004：130-140.

編輯：李金華

1673-8217(2015)01-0140-03

2014-07-30

杜勇，高級工程師，1970年生，1992年畢業(yè)于西北大學(xué)石油與天然氣地質(zhì)學(xué)專業(yè)，從事采油工藝方面的研究工作。

TE357

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