不同氣體對注烴氣混相驅(qū)油效果的影響

祝浪濤， 廖新維， 趙曉亮， 陳志明， 陳奕洲， 王　浩

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

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不同氣體對注烴氣混相驅(qū)油效果的影響

祝浪濤， 廖新維， 趙曉亮， 陳志明， 陳奕洲， 王浩

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

摘要：針對國外W油田異常高壓和烴氣產(chǎn)出量不足的特點(diǎn)，研究了N2、CH4、CO2和煙道氣等四種氣體對烴氣混相驅(qū)油效果的影響.利用基于混合單元網(wǎng)格法編制的軟件，得出了四種氣體與烴氣驅(qū)最小混相壓力的相互關(guān)系；在PVT數(shù)據(jù)擬合的基礎(chǔ)上，運(yùn)用數(shù)值模擬軟件模擬注氣膨脹試驗得到了分別加入四種氣體的烴氣與原油物性的關(guān)系；在國外W油田地質(zhì)模型和井組的基礎(chǔ)上優(yōu)化研究了不同注入氣比例對采出程度和累計注入氣量的影響.結(jié)果表明，N2、CH4和煙道氣等三種氣體都能不同程度地增大原油的烴氣驅(qū)最小混相壓力，且N2對最小混相壓力的影響最大，CO2能夠使得原油的最小混相壓力發(fā)生微弱地降低；在儲層原始壓力77.59 MPa下，分別加入了四種氣體的烴氣都能使得原油體積膨脹系數(shù)和原油飽和壓力上升，而原油的密度和粘度降低，其中N2的降粘效果和使原油膨脹的能力最強(qiáng);運(yùn)用數(shù)值模擬優(yōu)化研究得到最優(yōu)加入氣為煙道氣，其相應(yīng)的最佳注入氣比例為1.2.

關(guān)鍵詞：混合單元網(wǎng)格法； 數(shù)值模擬； 烴氣混相驅(qū)； 原油物性

0引言

烴氣驅(qū)在國內(nèi)外已經(jīng)成為了提高采收率的重要方法之一[1-3]，而且混相驅(qū)替相對于非混相驅(qū)替具有更優(yōu)的驅(qū)油效率.目前,判斷原油是否發(fā)生混相的常用標(biāo)準(zhǔn)為壓力.當(dāng)儲層壓力高于最小混相壓力(MMP)時，注入氣才能實(shí)現(xiàn)混相驅(qū)替.因此，最小混相壓力是氣驅(qū)開發(fā)方案設(shè)計中的一個非常重要的參數(shù).

在油藏注烴氣現(xiàn)場試驗中，由于油田產(chǎn)出烴氣的量是一定的，完全回注產(chǎn)出烴氣并不能獲得理想的采收率.因此,為了提高采出程度，往往在產(chǎn)出烴氣中加入其它氣體提高注入氣量，從而提高原油采出程度.2002年，王進(jìn)安、曾賢輝等[4]對低滲透揮發(fā)性油藏進(jìn)行了注烴氣驅(qū)室內(nèi)試驗研究，指出低滲透揮發(fā)性油藏注烴氣驅(qū)能獲得較高的采收率；2006年，J.Bon，M.K.Emera等[5]采用室內(nèi)實(shí)驗方法研究了nC5對純CO2的最小混相壓力的影響.其研究表明，nC5易溶于原油且能夠明顯降低烴氣驅(qū)的最小混相壓力；2010年，Dawoud A.M等[6]對Abu Dhabi油田非均質(zhì)性碳酸巖儲層進(jìn)行注烴氣混相驅(qū)研究，指出在碳酸巖儲層中烴氣、水交替注入能夠明顯提高波及系數(shù)；2011年，彭恩、郭平等[7]對不同烴類注入氣對黑油油藏相態(tài)特征的影響進(jìn)行了研究，指出伴生氣相對于干氣驅(qū)油效果更好；2013年，丁名臣、趙海龍等[8]對烴類氣驅(qū)油效率影響因素進(jìn)行了試驗研究.結(jié)果表明，丙烷能夠提高烴氣的驅(qū)油效率，水驅(qū)后注氣時機(jī)對烴氣驅(qū)油效果的影響不大；2014年，尚寶兵、廖新維等[9]對雜質(zhì)氣體與CO2最小混相壓力和原油物性的關(guān)系進(jìn)行了研究.研究表明，N2和CH4都在不同程度上增大了CO2的混相壓力，但能夠提高氣體的波及系數(shù)；2014年，A.Mohsenzadeh、M.Escrochi等[10]研究了CO2加入烴氣后對裂縫性稠油油藏注烴氣驅(qū)油效果的影響.其實(shí)驗表明，CO2的加入能夠明顯提高烴氣的驅(qū)油效果.

上述前人的研究結(jié)果表明，注入氣的組成對氣驅(qū)油效果有著巨大的影響，但這些研究工作卻罕見綜合分析不同氣體對烴氣驅(qū)最小混相壓力和驅(qū)油效果的影響.因此，為彌補(bǔ)這方面的空白，本研究將以國外W油田油樣為研究對象，對N2、CH4、CO2和煙道氣(15%CO2+85%N2)等四種氣體加入烴氣后對烴氣混相驅(qū)油效果的影響進(jìn)行了綜合分析研究.

本研究運(yùn)用基于混合單元網(wǎng)格法編制的軟件研究了四種氣體對烴氣最小混相壓力(MMP)的影響，并利用數(shù)值模擬軟件模擬注氣膨脹試驗研究了四種氣體對飽和壓力、原油粘度、原油密度和原油體積膨脹系數(shù)等的影響；最后，以W油田井組為基礎(chǔ)，優(yōu)化研究了分別加入了四種氣體的烴氣的最優(yōu)注入氣比例.

1烴類氣組成與MMP的關(guān)系

國外W油田的基本物性參數(shù)為：儲層溫度為98 ℃、原油飽和壓力為27.88 MPa、儲層原始壓力為77.59 MPa、地飽壓差為49.71 MPa、壓力系數(shù)為1.76，屬于異常高壓油藏[11，12]；儲層原油密度為613.1 kg/m3、儲層原油密度為0.208 cp、原油氣油比為540.3 m3/m3，屬于揮發(fā)性原油[13].

1.1MMP計算

本文采用的最小混相壓力計算軟件是基于混合單元網(wǎng)格法[14-16]編制而成，而混合單元網(wǎng)格法是在系線解析法[17]研究的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的.由于其應(yīng)用效果好，已引起了很多研究人員的重視.因為混合單元網(wǎng)格法是在系線解析法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，因此所需要的參數(shù)與系線解析法相同，包括原油和注入氣各組分摩爾含量、臨界參數(shù)(臨界壓力、臨界溫度、偏心因子等)和油藏溫度等，這三類數(shù)據(jù)都可以通過原油的PVT實(shí)驗獲得.

該方法的特點(diǎn)是：臨界參數(shù)和狀態(tài)方程的選取決定了預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性.狀態(tài)方程主要通過閃蒸計算確定氣液相組成，而在目前的多種狀態(tài)方程中，PR狀態(tài)方程結(jié)果已很準(zhǔn)確；而臨界參數(shù)的確定，則需要通過PVT實(shí)驗的支撐，PVT實(shí)驗結(jié)果決定臨界參數(shù)的準(zhǔn)確性.

運(yùn)用該軟件計算得到了不同注入氣與不同原油之間的最小混相壓力(如表1所示).將軟件計算結(jié)果與細(xì)管實(shí)驗結(jié)果進(jìn)行對比(表1),可以看出,軟件計算確定的最小混相壓力與細(xì)管實(shí)驗結(jié)果十分相近，精度都在90%以上.這說明混合單元網(wǎng)格法可以較為準(zhǔn)確地確定注入氣體與原油的最小混相壓力.

表1　最小混相壓力的軟件計算結(jié)果

1.2MMP與烴類氣體組成的關(guān)系

利用基于混合單元網(wǎng)格法編制而成的軟件，研究了N2、CH4、CO2和煙道氣等四種氣體加入產(chǎn)出烴氣后對烴氣驅(qū)最小混相壓力的影響.經(jīng)過計算得到N2、CH4、CO2和煙道氣等四種氣體與原油的最小混相壓力分別為47.1 MPa、43.2 MPa、14.4 MPa、45.2 MPa，產(chǎn)出烴氣的最小混相壓力為26.6 MPa.

從圖1可以看出，N2、CH4和煙道氣等三種氣體都能使烴氣驅(qū)的最小混相壓力增大，且N2對混相壓力的作用大于CH4，與其它三種氣體相反，CO2能夠使得最小混相壓力降低.當(dāng)加入的氣體與產(chǎn)出氣的摩爾數(shù)之比為0.6時，N2使得烴氣驅(qū)的最小混相壓力增加到43.1 MPa，約為產(chǎn)出氣最小混相壓力的1.62倍；CH4使得烴氣驅(qū)的最小混相壓力增加到31.8 MPa，約為產(chǎn)出氣最小混相壓力的1.20倍；CO2使得烴氣驅(qū)的最小混相壓力降低到24.6 MPa，約為產(chǎn)出氣最小混相壓力的0.92倍；煙道氣使得烴氣驅(qū)的最小混相壓力增加到39.7 MPa，約為產(chǎn)出氣最小混相壓力的1.49倍.

圖1　MMP與注入氣摩爾分?jǐn)?shù)關(guān)系

綜上所述，N2相對于CH4，更能明顯地增加烴氣驅(qū)的最小混相壓力，當(dāng)加入的氣體與產(chǎn)出氣的摩爾數(shù)之比低于0.6時，混相壓力都不會超過44 MPa；CO2雖然能夠使得烴氣驅(qū)的最小混相壓力下降，但下降幅度不大.

2烴類氣組成對原油物性的影響

由于儲層屬于異常高壓揮發(fā)性油藏，儲層壓力高油質(zhì)較輕，產(chǎn)出的烴氣能夠與地層原油之間在儲層壓力條件下完全混溶，使得原油的物理性質(zhì)發(fā)生明顯變化.由于油藏的產(chǎn)出氣(烴氣)總量有限，為了增加注氣量，往往在烴氣中加入其它易于獲得的氣體，如CO2、N2、CH4和煙道氣(15%CO2+85%N2).因此，研究不同氣體對烴氣驅(qū)油物性的作用，能夠加深對烴氣驅(qū)油機(jī)理和不同氣體對烴氣驅(qū)油效果的影響.

通過數(shù)值模擬軟件模擬注氣膨脹試驗，研究了不同氣體加入產(chǎn)出烴氣后對烴氣驅(qū)原油物性的影響.為了使結(jié)果更可信，四種氣體加入產(chǎn)出烴氣的比例相同，即加入氣體與產(chǎn)出烴氣的摩爾數(shù)之比為0.3.當(dāng)分別注入這四種加入了不同氣體的烴氣時，得到了儲層原油的飽和壓力以及在儲層原始壓力下(77.59 MPa)的原油粘度、原油體積系數(shù)和原油密度隨注入氣摩爾分?jǐn)?shù)的變化關(guān)系，如圖1所示.

從圖2(a)中可以看出，N2、CH4和煙道氣等三種氣體能夠使儲層原油的飽和壓力隨著注入氣摩爾分?jǐn)?shù)的增加而增大，相反CO2則會使得飽和壓力發(fā)生微弱地下降趨勢.這表明原油的飽和壓力與氣體在原油中的溶解度密切相關(guān)，氣體的溶解度與原油的飽和壓力成反比.由此可以得出，CH4和N2等的加入會使得烴氣的混相能力降低，且N2的影響更大，而CO2的加入雖能夠改善注入烴氣的混相驅(qū)替效果，但效果不明顯.

從圖2(b)～(d)中可以看出，四種氣體注入的摩爾分?jǐn)?shù)越大,原油的體積系數(shù)就會越大，而密度和粘度就越小.在注入氣摩爾分?jǐn)?shù)小于0.4時，N2、CH4和CO2等三種氣體對原油體積膨脹系數(shù)的影響作用逐漸增強(qiáng);而當(dāng)注入氣摩爾分?jǐn)?shù)大于0.4時，N2、CH4和CO2等三種氣體對原油體積膨脹系數(shù)的影響作用則逐漸降低，其中N2對原油體積膨脹系數(shù)的影響最顯著,CO2、N2和CH4的降低密度作用依次減弱,N2、CO2和CH4的降粘作用依次降低.

從這四種氣體的注氣膨脹試驗結(jié)果可以看出，氣體對原油物性的影響與常規(guī)的結(jié)論[18,19]相差很大.這主要是因為該油藏儲層原始壓力為77.59 MPa，屬于異常高壓油藏，注入氣對該油藏原油的物性與對常規(guī)油藏的原油物性的影響有著巨大的差別.例如,當(dāng)注入氣為加入煙道氣的烴氣，注入氣摩爾分?jǐn)?shù)為0.6時，原油體積膨脹系數(shù)達(dá)到6.78 m3/m3，原油密度降低了12.0%，粘度降低了50.1%；而當(dāng)注入氣為加入純CO2的烴氣時，原油體積膨脹系數(shù)達(dá)到5.83 m3/m3，原油密度降低了3.9%，粘度降低了42.3%.因此,可以得出，在油田屬于異常高壓油藏的條件下，N2加入烴氣可以改善原油的流動性，原油的膨脹驅(qū)油能力增強(qiáng)；與在注入烴氣中加入N2相比，在異常高壓條件下,CO2和CH4等對于改善驅(qū)油效果而言并不具備優(yōu)勢.

(a)飽和壓力

(b)原油體積膨脹系數(shù)

(c)原油密度

(d)原油粘度圖2　烴類氣組成對原油物性的影響

3烴類氣組成對采收率的影響

以國外W油田注采井網(wǎng)為基礎(chǔ),進(jìn)行了注氣試驗.研究井組為5點(diǎn)井網(wǎng)，注采井距為1 500 m.其注采參數(shù)分別設(shè)置為：注入井井口壓力為65 MPa，井底壓力必須小于地層破裂壓力83 MPa；生產(chǎn)井井口壓力為15 MPa，井底壓力不能低于30 MPa(高于原油原始泡點(diǎn)壓力)，關(guān)井氣油比設(shè)置為3 000 m3/m3；數(shù)值模擬時間設(shè)置為30年.

從圖3中可以看出，不同注入烴氣的烴氣驅(qū)原油采出程度,隨著注入氣比例(例如注入氣比例為1.1，表示加入氣體與產(chǎn)出烴氣摩爾數(shù)之比為0.1，依此類推)的增加呈現(xiàn)先顯著上升再緩慢下降的趨勢，并且其最大采出程度相近，大約為0.6；在原油采出程度隨著注入氣比例上升階段，N2、CH4和CO2等對烴氣驅(qū)提高采出程度的影響依此降低.N2針對異常高壓油藏提高采出程度更具有優(yōu)勢，而在原油采出程度下降階段(圖3)，加入N2的烴氣驅(qū)下降幅度最大；每一種注入氣體都有最優(yōu)注入氣比例，加入N2的烴氣和加入煙道氣的烴氣最優(yōu)注入比例都為1.2，而加入CH4的烴氣和加入CO2的烴氣的最優(yōu)注入比例為1.3.

分析試驗結(jié)果可從圖4看出，累計注入氣量隨著注入氣比例的增加而增大，當(dāng)注入氣比例超過一定比例時，除加入N2的烴氣的累計注入氣量出現(xiàn)明顯下降趨勢外，加入其它三種氣體的烴氣的累計注入氣量均不會增加或下降幅度較小.N2和CH4由于難溶解于原油，膨脹性能較大，使得生產(chǎn)井在低注入氣比例時產(chǎn)量較之加入CO2的烴氣驅(qū)更大，從而使得產(chǎn)出氣量更大，累計注入氣量更多；而隨著注入氣比例逐漸增加，烴氣驅(qū)將會出現(xiàn)氣串并且氣串時間逐漸提前.加入N2的烴氣驅(qū)在注入氣比例超過1.3時，N2的加入能夠使得氣串時間大幅提前，烴氣產(chǎn)量增加幅度和累計注入氣量將隨著注入氣比例的增加而減少.

綜上所述，N2相較于CH4和CO2而言，針對本文中的異常高壓油藏,在提高采收率方面更具有優(yōu)勢，而且N2還具有來源豐富、價格便宜等優(yōu)勢；煙道氣組成為15%CO2+85%N2，從采出程度與累計注入氣量兩個指標(biāo)進(jìn)行分析可以得知，煙道氣和N2兩種氣體對烴氣驅(qū)的影響相近，而煙道氣相對于N2又具有來源豐富和節(jié)省提純費(fèi)用等優(yōu)勢.因此,在烴氣中加入煙道氣為最佳方案，最優(yōu)注入氣比例為1.2.

圖3　采出程度與注入氣比例關(guān)系

圖4　累計注氣量與注入氣比例關(guān)系

4結(jié)論

(1)在國外W油田儲層壓力條件下，N2、CH4和煙道氣等三種氣體能夠使得烴氣驅(qū)大部分時間為混相驅(qū)替，且提高最小混相壓力的能力依次降低；而CO2與其它三種氣體相反，能夠微弱地降低烴氣驅(qū)的最小混相壓力.

(2)當(dāng)壓力為異常高壓(77.59 MPa)時， N2的降粘和膨脹性能最好，降低原油密度的能力亦較好，僅次于CH4；煙道氣組成為85%的N2和15%的CO2，該氣體改善烴氣驅(qū)油效果的作用僅次于N2.

(3)以國外異常高壓揮發(fā)性W油田為研究對象，其研究結(jié)果表明，N2與煙道氣的最優(yōu)注入氣比例都為1.2，驅(qū)油效果相近，原油采收率較高.故綜合考慮氣源、氣體提純、采出程度和注入氣量等四個方面的關(guān)系可以得出，煙道氣為最優(yōu)加入氣.

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Effects of different gases on hydrocarbon miscible displacements

ZHU Lang-tao， LIAO Xin-wei， ZHAO Xiao-liang， CHEN Zhi-ming,

CHEN Yi-zhou， WANG Hao

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

Abstract:The foreign W oilfield is an abnormal high pressure reservoir,and its gas production is insufficient.In this paper,we study the effects of the four kinds of gases,including N2,CH4,CO2,and flue gases,on hydrocarbon miscible displacements.The software based on multiple mixing-cell method is used to calculate the MMP (minimum miscible pressure) and the relationship between make-up gas and MMP is obtained.Base on PVT data,eclipse is used to simulate the gas-injection expansion experiment to analyze the effects of different gases on hydrocarbon miscible displacements.Optimization is conducted to get the effects of hydrocarbon injected rate to the recovery rate and cumulative injection volume.The results show that the N2,CH4and flue gases can increase the MMP of hydrocarbon displacement,and the N2has the greatest impact on MMP,and CO2can make the MMP decreases.Under the initial reservoir pressure 77.59 MPa,the hydrocarbon gas compounded with different gases can make the oil volume and saturation pressure increase.They also can make the oil density and the viscosity decrease.Further,N2has the best ability to reduce oil viscosity and make the volume of crude oil expand.It is also found that flue gas is the best additive gas and the optimal injection rate is 1.2.

Key words:multiple mixing-cell method; numerical simulation; hydrocarbon miscible displacement; physical property of crude oil

中圖分類號：TE357.45

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1000-5811(2015)05-0100-05

作者簡介:祝浪濤(1992-)，男，四川內(nèi)江人，在讀博士研究生，研究方向：油藏數(shù)值模擬

基金項目：國家重大科技專項項目(2011ZX05009)

收稿日期:*2015-04-22