致密油藏CO2吞吐數(shù)值模擬研究新進(jìn)展

孟 展, 楊勝來(lái), 王 璐, 王智林, 錢(qián) 坤, 馬銓?shí)? 韓 偉

(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)

致密油藏CO2吞吐數(shù)值模擬研究新進(jìn)展

孟 展, 楊勝來(lái), 王 璐, 王智林, 錢(qián) 坤, 馬銓?shí)? 韓 偉

(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)

CO2吞吐作為常規(guī)油藏的一種有效增產(chǎn)方式，在致密油藏中尚未普及。為研究CO2吞吐在致密油藏的新特征，采用數(shù)值模擬的方法，對(duì)擴(kuò)散系數(shù)、滲透率、儲(chǔ)層非均質(zhì)性及吞吐周期進(jìn)行了研究。研究表明,CO2擴(kuò)散系數(shù)在致密油藏中不能忽略，擴(kuò)散系數(shù)的大小影響了最終采收率。對(duì)于滲透率越低，儲(chǔ)層非均質(zhì)性越強(qiáng)的致密油藏，采用CO2吞吐增油效果更加明顯,而隨著吞吐輪次增加，增油效果逐漸減弱。研究新進(jìn)展對(duì)致密油藏優(yōu)選CO2吞吐增油措施具有一定參考價(jià)值。

致密油藏; CO2吞吐; 擴(kuò)散系數(shù); 數(shù)值模擬

隨著常規(guī)石油能源開(kāi)發(fā)程度的提高和開(kāi)發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展，致密油逐漸成為石油勘探與開(kāi)發(fā)的新貴[1-2]。目前，得益于水平井完井技術(shù)和分段多簇體積壓裂工藝，國(guó)內(nèi)外許多致密油區(qū)塊已經(jīng)投入商業(yè)開(kāi)發(fā)。

由致密油藏的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)表明[3]：體積壓裂水平井具有初期產(chǎn)能高、產(chǎn)量遞減快的特征。從油田長(zhǎng)期穩(wěn)定高效的生產(chǎn)目標(biāo)來(lái)看，急需尋找一種可行的增油措施。國(guó)內(nèi)外研究表明，CO2吞吐是一種具有較大潛力、經(jīng)濟(jì)有效的增油措施[4-8]。本文利用CMG數(shù)值模擬軟件，研究了CO2吞吐在致密油藏的新特征。在新的CO2吞吐數(shù)值模型中，對(duì)常規(guī)油藏中往往被忽略的擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的研究；利用數(shù)值模擬軟件可重復(fù)性的優(yōu)勢(shì)，針對(duì)致密油藏儲(chǔ)層滲透率低、儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)的特征，分析了不同級(jí)別的滲透率及非均質(zhì)性對(duì)CO2吞吐增油效果的影響；另外，對(duì)不同吞吐輪次下的CO2吞吐增油效果進(jìn)行了對(duì)比研究，此研究結(jié)果有助于加深致密油藏CO2吞吐增油效果的認(rèn)識(shí)，也為致密油藏優(yōu)選CO2吞吐增油措施提供了理論依據(jù)。

1 單井?dāng)?shù)值模型

1.1 模擬區(qū)塊特征

所選區(qū)塊是新疆吉木薩爾凹陷主要的勘探致密油層段—二疊系蘆草溝組地層，該地層厚度大、分布廣，厚度大于200 m的面積達(dá)806 km2，表現(xiàn)為源儲(chǔ)一體、近源成藏、縱向上整體含油的特征[9-10]。目前，全區(qū)總計(jì)鉆完井40口，分布在上甜點(diǎn)和下甜點(diǎn)，上甜點(diǎn)平均厚度38.4 m，下甜點(diǎn)平均厚度24.8 m。

1.2 數(shù)值模型概況

分段多簇體積壓裂增產(chǎn)工藝在施工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量剪切、滑移、張開(kāi)，但是沒(méi)有支撐的微裂縫，建模中將這部分微裂縫等效為天然裂縫，用雙滲模型來(lái)模擬，即模型中每一個(gè)網(wǎng)格同時(shí)具有基質(zhì)和裂縫的雙重屬性。為進(jìn)一步準(zhǔn)確描述水力壓裂裂縫周?chē)鷫毫Ψ植?，采用?duì)數(shù)間距局部加密的處理方法。該方法既能保證數(shù)值模擬精度，又能節(jié)省模擬時(shí)間。

綜合考慮吉木薩爾油田的實(shí)際情況，模型網(wǎng)格數(shù)取值為100×50×5，網(wǎng)格大小取值Dx=10 m，Dy=10 m，Dz=6 m。DK-LS-LGR(雙滲-對(duì)數(shù)間距-局部網(wǎng)格加密)的CO2吞吐單井模型如圖1所示。

圖1 CO2吞吐單井模型

Fig.1 Single well model for CO2huff and puff stimulation

在滿(mǎn)足模擬精度基礎(chǔ)上，對(duì)原始流體組分進(jìn)行合并。經(jīng)劈分和合并重新組合處理，減少所求解方程組數(shù)目，提高計(jì)算效率。將原始流體劃分為CO2、C1、C2-C4、C5-C6、C7+、C11+和C14+，共7個(gè)擬組分。油藏及流體有關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 油藏及流體的物理參數(shù)表

2 CO2吞吐生產(chǎn)模擬

CO2吞吐增油作為油田現(xiàn)場(chǎng)一種有效提高采收率的方法[11-13]，現(xiàn)場(chǎng)操作一般分為三個(gè)階段：第一個(gè)階段是利用高壓將CO2氣體注入到生產(chǎn)井井底；然后將生產(chǎn)井關(guān)閉并燜井一段時(shí)間，在這一階段讓CO2與儲(chǔ)層原油進(jìn)行充分的接觸，這是“吞”的過(guò)程；第三個(gè)階段重新開(kāi)啟生產(chǎn)井生產(chǎn)，在這一階段原先注入的CO2氣體和儲(chǔ)層原油一起產(chǎn)出，這是“吐”的過(guò)程。在數(shù)值模擬模型中，單井模型自然衰竭開(kāi)發(fā)三年，接著注入CO2氣體，注入量為30 000 m3/d，連續(xù)注入一年，然后燜井三個(gè)月，最后重新開(kāi)井生產(chǎn)一年，若有多個(gè)吞吐輪次，則重復(fù)CO2吞吐的三個(gè)階段。

2.1 擴(kuò)散系數(shù)

氣體的分子擴(kuò)散系數(shù)表示了它的擴(kuò)散能力，是物質(zhì)的物理性質(zhì)之一。 根據(jù)菲克定律，擴(kuò)散系數(shù)是沿?cái)U(kuò)散方向，在單位時(shí)間每單位濃度梯度的條件下，垂直通過(guò)單位面積所擴(kuò)散某物質(zhì)的質(zhì)量或摩爾數(shù)。

在常規(guī)油藏CO2吞吐模型中，常常忽略擴(kuò)散系數(shù)的影響，但在致密油藏CO2吞吐增油過(guò)程中卻發(fā)揮著重要作用[14-15]。對(duì)比不同擴(kuò)散系數(shù)下的CO2吞吐增油效果，結(jié)果表明,擴(kuò)散系數(shù)影響了最終原油采收率。當(dāng)擴(kuò)散系數(shù)從0.000 1 cm2/s增大到0.01 cm2/s時(shí)，最終原油采收率逐漸變大,如圖2所示。模擬結(jié)果表明,在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)范圍內(nèi)，CO2擴(kuò)散系數(shù)越大，越有利于提高CO2吞吐增油效果。

圖2 不同擴(kuò)散系數(shù)下CO2吞吐原油采收率對(duì)比

Fig.2 Comparison of oil recovery factor with

different CO2diffusion

2.2 滲透率

根據(jù)致密油定義，儲(chǔ)層覆壓基質(zhì)滲透率小于0.1 mD。改變儲(chǔ)層基質(zhì)塊滲透率，取值分別為0.1、0.01、0.001 mD，對(duì)比不同滲透率條件下的CO2吞吐原油采收率和衰竭開(kāi)發(fā)的原油采收率，計(jì)算不同滲透率條件下CO2吞吐增油效果，30 a增產(chǎn)分別為1.63%,4.68%和11.54%，如圖3所示。模擬結(jié)果表明，當(dāng)孔隙度、含油飽和度、注氣時(shí)機(jī)、注汽量等參數(shù)相同時(shí)，儲(chǔ)層滲透率越低，CO2吞吐增油效果越好。

圖3 不同基質(zhì)滲透率下原油采收率對(duì)比

Fig.3 Effect of reservoir permeability on comparison of oil recovery factor

2.3 非均質(zhì)性

強(qiáng)非均質(zhì)性是致密油儲(chǔ)層特征之一，但非均質(zhì)性對(duì)CO2吞吐增油效果影響研究較少。通過(guò)改變儲(chǔ)層基質(zhì)滲透率分布變化，得到不同級(jí)別非均質(zhì)性，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同級(jí)別的非均質(zhì)性

Fig.4 Different cases of reservoir heterogeneity

在孔隙度、含油飽和度、注氣時(shí)機(jī)、注汽量等參數(shù)相同的情況下，對(duì)比CO2吞吐原油采收率和衰竭開(kāi)發(fā)的原油采收率，并計(jì)算CO2吞吐增油效果。模擬結(jié)果表明，儲(chǔ)層弱、中、強(qiáng)非均質(zhì)性下，30 a CO2吞吐增油依次為7.86% 、14.80%和17.01%，如圖5所示。結(jié)果表明，儲(chǔ)層非均質(zhì)性越強(qiáng)的致密儲(chǔ)層，采用CO2吞吐增油措施更加有效。

2.4 吞吐輪次

采用CO2吞吐增油措施，吞吐輪次越多，原油采收率越高，但是隨著吞吐輪次增加，原油采收率增加幅度不一定一直增加。從整體經(jīng)濟(jì)效益考慮，存在一個(gè)合理的吞吐輪次。模擬結(jié)果表明，隨著吞吐輪次增加，最終原油采收率變大，但是每一輪次增加,原油采收率百分比逐漸變小，如圖6所示。研究結(jié)果表明，致密油藏若采取CO2吞吐增油措施，應(yīng)盡可能減少吞吐輪次。

圖5 不同程度非均質(zhì)性下原油采收率對(duì)比

Fig.5 Comparison of oil recovery factor with different degree of heterogeneity

圖6 不同吞吐輪次原油采收率對(duì)比

Fig.6 Effect of number of cycle on comparison of oil recovery factor

3 結(jié)論

(1) 擴(kuò)散系數(shù)在致密油藏CO2吞吐增油過(guò)程中不能忽略，擴(kuò)散系數(shù)的大小影響了最終采收率。隨著擴(kuò)散系數(shù)變大，原油最終采收率變大。在實(shí)際致密油藏CO2吞吐方案設(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮擴(kuò)散系數(shù)的影響。

(2) 在致密油藏開(kāi)發(fā)范圍內(nèi)，滲透率越低，儲(chǔ)層非均質(zhì)性越強(qiáng)，采用CO2吞吐增油效果更加明顯。隨著滲透率變小，非均質(zhì)性增強(qiáng)，原油采收率增加比例逐漸變大。

(3) 隨著吞吐輪次增加，CO2吞吐增油效果逐漸減弱，綜合經(jīng)濟(jì)效益，致密油藏實(shí)施CO2吞吐增油措施應(yīng)盡可能減少吞吐輪次。針對(duì)模擬的區(qū)塊，在孔隙度10%，基質(zhì)滲透率0.1 mD，含油飽和度0.78，原始地層壓力43 MPa的條件下，若采取CO2吞吐增油措施，保持在兩個(gè)吞吐周期之內(nèi)較為適宜。

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(編輯 王戩麗)

Investigation on Numerical Simulation of CO2Huff and Puff in Tight Oil Reservoirs

Meng Zhan, Yang Shenglai, Wang Lu, Wang Zhilin, Qian Kun, Ma Quanzheng, Han Wei

(KeyLaboratoryforPetroleumEngineeringoftheMinistryofEducation,ChinaUniversityofPetroleum(Beijing),Beijing102249，China)

CO2huff and puff is an effective way to increase production in conventional reservoirs, however, this technology has not been applied to the tight oil reservoirs. With the numerical simulation software CMG, new characteristics of CO2huff and puff in tight oil reservoirs were studied, including the CO2diffusion coefficient, permeability, reservoir heterogeneity and huff-n-puff cycle. The results show that CO2diffusion coefficient can't be ignored in the tight oil reservoir, and the size of the diffusion coefficient plays an important role on the oil ultimate recovery. For the lower permeability, the stronger the reservoir heterogeneity of the tight oil reservoir is, the more obvious the effect of CO2huff and puff measure is. Additionally, the incremental oil recovery decreases with an increase in the number of cycle. This work can provide a better understanding of CO2huff and puff for enhanced oil recovery in the tight oil formation.

Tight oil reservoir; CO2huff-n-puff; Diffusion coefficient; Numerical simulation

1006-396X(2016)06-0039-04

投稿網(wǎng)址：http://journal.lnpu.edu.cn

2016-10-03

2016-11-08

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目“致密油儲(chǔ)層基質(zhì)滲吸規(guī)律及原油動(dòng)用機(jī)理研究”(51574257)。

孟展(1990-)，男，博士研究生，從事油氣田開(kāi)發(fā)等方面的研究；E-mail：mengzhan1990@126.com。

楊勝來(lái)(1961-)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，從事油氣田開(kāi)發(fā)方面的研究；E-mail：yangsl@cup.edu.cn。

TE377

A

10.3969/j.issn.1006-396X.2016.06.008