低滲致密氣藏注超臨界CO2驅(qū)替機(jī)理

史云清，賈 英，潘偉義，嚴(yán) 謹(jǐn)，黃 磊

(1.中國(guó)石化 石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083； 2.中國(guó)石化 海相油氣藏開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；3.中國(guó)石油 勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

低滲致密氣藏注超臨界CO2驅(qū)替機(jī)理

史云清1,2，賈 英1,2，潘偉義1,2，嚴(yán) 謹(jǐn)1,2，黃 磊3

(1.中國(guó)石化 石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083； 2.中國(guó)石化 海相油氣藏開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；3.中國(guó)石油 勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

為了提高低滲致密氣藏采收率，探索研究將CO2注入氣藏中，實(shí)驗(yàn)與數(shù)模相結(jié)合論證超臨界CO2驅(qū)替天然氣的驅(qū)替機(jī)理。首先，通過(guò)超臨界CO2-天然氣相態(tài)實(shí)驗(yàn)研究CO2與天然氣混合規(guī)律。平衡相行為實(shí)驗(yàn)定量測(cè)定了儲(chǔ)層條件CO2與天然氣的物性參數(shù)，結(jié)果表明CO2與天然氣的物性差異有利于CO2驅(qū)替天然氣提高采收率以及封存。超臨界CO2-天然氣擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)論證了CO2與天然氣混合過(guò)程中驅(qū)替前沿的混合程度，結(jié)果表明CO2在天然氣中的擴(kuò)散度不高，可形成較窄的互溶混相帶，實(shí)現(xiàn)CO2有效驅(qū)替。在分析了CO2與天然氣混合特征的基礎(chǔ)上，開展致密儲(chǔ)層CO2驅(qū)替天然氣長(zhǎng)巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，CO2提高天然氣采收率12%，超臨界CO2驅(qū)可有效提高致密氣采收率。最后，以相態(tài)及驅(qū)替實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，應(yīng)用數(shù)值模擬方法，建立了長(zhǎng)巖心模型，單注單采傾角機(jī)理模型及背斜模型，系統(tǒng)證實(shí)了超臨界CO2驅(qū)替天然氣的驅(qū)替機(jī)理。通過(guò)分析認(rèn)為，CO2與天然氣驅(qū)替前沿部分混溶，一方面保持了氣藏壓力，另一方面超臨界CO2沉降在氣藏圈閉下部形成“墊氣”提高了天然氣采收率。從實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬兩方面系統(tǒng)論證超臨界CO2的驅(qū)替機(jī)理，為探索注CO2提高天然氣采收率選區(qū)評(píng)價(jià)奠定了基礎(chǔ)。

數(shù)值模擬；天然氣；CO2驅(qū)；低滲致密氣藏；提高采收率

由于人類對(duì)石化燃料(煤、石油、天然氣)的過(guò)度依賴，工業(yè)和人類生活過(guò)程中產(chǎn)生的溫室氣體排放量日益增加，由此導(dǎo)致的空氣污染和溫室效應(yīng)正在嚴(yán)重地威脅著人類賴以生存的環(huán)境。溫室氣體二氧化碳(CO2)使全球氣候變暖，對(duì)人類的生存和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。CO2的有效利用已成為了全球廣泛關(guān)注的課題[1-5]。通過(guò)不斷的發(fā)展及完善，在油藏中注入CO2成為較為成熟的技術(shù)，但在氣藏中注入CO2相態(tài)和驅(qū)替機(jī)理與油藏完全不同，注CO2提高氣藏采收率成為一項(xiàng)全新的課題。

1 CO2超臨界特性

CO2提高氣藏采收率的首要條件是：注入的CO2必須處于超臨界狀態(tài)。超臨界CO2的基本條件為溫度大于31.04 ℃，壓力大于7.38 MPa；此時(shí)，超臨界CO2密度與液體接近，大于天然氣密度[6]。因此，理論上超臨界CO2與天然氣兩者物理性質(zhì)差別有利于注入的超臨界CO2沉降在儲(chǔ)層底部實(shí)現(xiàn)有效驅(qū)替及封存。

2 注CO2驅(qū)替天然氣研究現(xiàn)狀

在20世紀(jì)90年代中、后期，國(guó)外科研人員開始進(jìn)行CO2提高氣藏采收率(CO2EGR)研究；國(guó)內(nèi)近兩年初步開展室內(nèi)理論研究[7-8]。但目前國(guó)內(nèi)外僅開展實(shí)驗(yàn)及機(jī)理模擬，仍處于探索階段，未進(jìn)入大規(guī)模的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，此項(xiàng)研究仍處于起步階段。

在CO2提高采收率及封存機(jī)理研究方面，前期研究均將氣藏天然氣體系簡(jiǎn)化為CH4。Oldenburg等人[9]的研究表明，在地層溫度、壓力略高于CO2臨界點(diǎn)的氣藏中，由于CO2是超臨界流體，使得超臨界CO2在運(yùn)移過(guò)程中傾向于驅(qū)替天然氣，而不是與天然氣大規(guī)模地混合。但是，Oldenburg等人僅從理論方面對(duì)該論點(diǎn)開展了論述。國(guó)內(nèi)西南石油大學(xué)的杜志敏和孫揚(yáng)等[10]給出了理想的超臨界CO2驅(qū)替干氣方式，將超臨界CO2-天然氣過(guò)渡帶與其前面的純天然氣接觸的部分定義為“驅(qū)替前緣”，而將超臨界CO2埋存帶與其前面的超臨界CO2-天然氣過(guò)渡帶接觸的部分定義為“埋存前緣”。目前，公布的實(shí)驗(yàn)研究并未直觀證明超臨界CO2在驅(qū)替天然氣時(shí)的混合機(jī)理。

在CO2與天然氣驅(qū)替實(shí)驗(yàn)方面，Marmora 及Seo[11]開展了CO2驅(qū)替碳酸鹽巖長(zhǎng)巖心實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)測(cè)定CO2突破時(shí)采收率達(dá)到73%～87%。 但該實(shí)驗(yàn)僅局限于碳酸鹽巖巖心，未開展低滲致密砂巖巖心的CO2驅(qū)替封存實(shí)驗(yàn)。

在CO2與天然氣驅(qū)替模擬方面，國(guó)內(nèi)外均應(yīng)用數(shù)值模擬軟件開展了CO2提高采收率機(jī)理研究[12-14]。Oldenburg等人[15]應(yīng)用TOUGH2軟件開展多相多組分?jǐn)?shù)值模擬，模擬結(jié)果表明底部注氣有利于減少CO2向上錐進(jìn)和延緩CO2與CH4混合，提高平面及垂向驅(qū)替效率。Torsten Clemens[16]以實(shí)例氣田為例模擬CO2提高采收率驅(qū)替效率，模擬結(jié)果表明氣藏開采到廢棄階段注入CO2能提高采收率9.4%。A.AL-Hashami[17]應(yīng)用機(jī)理模型模擬底水氣藏CO2驅(qū)替效率，通過(guò)數(shù)模研究表明CO2有助于提高氣藏采收率，能增產(chǎn)8%～11%。目前，普遍采用商業(yè)數(shù)值模擬軟件分析CO2提高采收率驅(qū)替封存效率，模型考慮因素較為簡(jiǎn)單， CO2驅(qū)氣機(jī)理不明確，驅(qū)替機(jī)理論證不系統(tǒng)、不充分。

為了提高低滲致密氣藏采收率，本文探索研究將CO2注入氣藏中，實(shí)驗(yàn)與數(shù)模相結(jié)合系統(tǒng)論證CO2驅(qū)替致密氣藏的驅(qū)替機(jī)理。實(shí)驗(yàn)分為兩個(gè)部分。第一部分為超臨界CO2-天然氣相行為實(shí)驗(yàn)，通過(guò)測(cè)量?jī)?chǔ)層條件下超臨界CO2與天然氣的物性數(shù)據(jù)，證明兩者的物性有利于CO2驅(qū)替天然氣提高采收率；通過(guò)超臨界CO2-天然氣擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)，證實(shí)CO2驅(qū)替天然氣過(guò)程中只存在較窄的互溶混合帶。第二部分為長(zhǎng)巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，研究超臨界CO2驅(qū)替天然氣的流體滲流特征，評(píng)價(jià)超臨界CO2驅(qū)替天然氣提高采收率的可行性。在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，建立長(zhǎng)巖心模型、單注單采機(jī)理模型及背斜模型，系統(tǒng)評(píng)價(jià)了CO2驅(qū)替天然氣的驅(qū)替機(jī)理。

3 超臨界CO2-天然氣相行為實(shí)驗(yàn)

3.1 超臨界CO2-天然氣平衡相行為實(shí)驗(yàn)

本次實(shí)驗(yàn)在儲(chǔ)層條件下，測(cè)試超臨界CO2與天然氣的物性差異。測(cè)試設(shè)備為法國(guó)ST公司生產(chǎn)的高溫高壓PVT儀。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖1。從圖1中可以看出，儲(chǔ)層條件(25 MPa，85 ℃)下，CO2密度為0.684 g/cm3，天然氣密度為0.150 g/cm3；天然氣粘度為0.020 2 mPa·s， 而CO2粘度為0.051 3 mPa·s。

通過(guò)超臨界CO2與天然氣高壓物性的對(duì)比可以看出，超臨界CO2密度遠(yuǎn)大于天然氣，有利于CO2沉降在儲(chǔ)層的底部實(shí)現(xiàn)有效封存；天然氣與CO2粘度相近，流度相近，有利于CO2驅(qū)替天然氣。兩者的性質(zhì)有利于開展CO2驅(qū)替天然氣提高采收率以及CO2在天然氣藏中的封存。

圖1 超臨界CO2-天然氣平衡相行為實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.1 Experiment results showing equilibrium phase behaviors of supercritical CO2 and natural gasa.天然氣和CO2密度與壓力的關(guān)系；b.天然氣和CO2粘度與壓力的關(guān)系

圖2 超臨界CO2-天然氣擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)流程Fig.2 Flowchart for the supercritical CO2-natural gas diffusion experiment

3.2 超臨界CO2-天然氣擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)

擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)通過(guò)模擬不同壓力條件下超臨界CO2與天然氣的混合過(guò)程，確定CO2的擴(kuò)散系數(shù)。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)流程見(jiàn)圖2。裝置總體積為1 000 mL，分為兩部分：上部為氣體反應(yīng)區(qū)，下部為壓力控制區(qū)。實(shí)驗(yàn)氣體反應(yīng)區(qū)包括上、中、下3個(gè)取樣點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)中首先向氣體反應(yīng)區(qū)注入天然氣，保持恒定壓力；然后，依據(jù)實(shí)驗(yàn)比例從氣體反應(yīng)區(qū)下部取樣點(diǎn)向容器中注入CO2，保證注氣和取樣過(guò)程中壓力恒定為實(shí)驗(yàn)壓力，這樣體系中氣體的運(yùn)動(dòng)僅為擴(kuò)散作用。不同時(shí)間多次取樣，每次取樣從3個(gè)取樣點(diǎn)取氣體樣品進(jìn)行色譜分析，直至3個(gè)取樣點(diǎn)所取氣樣組成一致，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

圖3 超臨界CO2-天然氣擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)中各取樣點(diǎn)CO2摩爾濃度隨時(shí)間的變化(恒壓25 MPa)Fig.3 CO2 molar concentration values changing with time at different sampling points during the supercritical CO2-natural gas diffusion experiment (constant pressure of 25 MPa)

考慮了25，20，15，10和5 MPa共5組不同實(shí)驗(yàn)壓力，天然氣與CO2體積比為3 ∶1開展實(shí)驗(yàn)。以25 MPa為例，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出，當(dāng)壓力為25 MPa時(shí)，在1 000 mL容器中，CO2與天然氣需經(jīng)過(guò)210 h達(dá)到混合。通過(guò)計(jì)算，25 MPa時(shí)CO2在天然氣中的擴(kuò)散系數(shù)為2.74×10-4cm2/s。從測(cè)試結(jié)果看，隨著壓力的增加，擴(kuò)散系數(shù)逐漸降低(圖4)。

擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)表明，CO2在天然氣中的擴(kuò)散度不高，可形成較窄的互溶混相帶，實(shí)現(xiàn)CO2有效驅(qū)替。

4 超臨界CO2-天然氣長(zhǎng)巖心驅(qū)替

在超臨界CO2-天然氣混合相行為分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用長(zhǎng)巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，研究超臨界CO2驅(qū)替天然氣過(guò)程的流體滲流特征以及對(duì)天然氣的驅(qū)替效率，進(jìn)一步評(píng)價(jià)超臨界CO2驅(qū)替天然氣提高采收率的可行性。實(shí)驗(yàn)采用法國(guó)ST公司生產(chǎn)的高溫高壓長(zhǎng)巖心驅(qū)替系統(tǒng)。樣品長(zhǎng)度為1 m，從樣品注入端至出口端共設(shè)置7個(gè)測(cè)壓點(diǎn)，沿程監(jiān)測(cè)體系壓力變化。原始地層壓力為25 MPa，束縛水飽和度為37.3%。首先開展衰竭實(shí)驗(yàn)?zāi)M多級(jí)降壓開采，降壓間隔均為3 MPa，最終壓力降至8 MPa，測(cè)得累積采收率47.6%。再采用CO2驅(qū)天然氣，注入端壓力為11 MPa，出口端回壓為8 MPa，驅(qū)替壓差3 MPa。實(shí)時(shí)記錄出口端的產(chǎn)氣量并對(duì)氣體進(jìn)行收集，定期采用色譜進(jìn)行氣體組分分析，監(jiān)測(cè)CO2運(yùn)移突破特征，同時(shí)計(jì)算CO2驅(qū)天然氣的驅(qū)替效率，直至注入PV數(shù)大于1且出口端氣體組分不含天然氣為止。

圖4 超臨界CO2-天然氣擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)中CO2在天然氣中的擴(kuò)散系數(shù)與壓力的關(guān)系Fig.4 Diffusion coefficient of CO2 in natural gas as a function of pressure during the supercritical CO2-natural gas diffusion experiment

圖5 超臨界CO2-天然氣長(zhǎng)巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)中CO2驅(qū)替天然氣采收率與注入倍數(shù)的關(guān)系Fig.5 Gas recovery factor as a function of injection volume during the supercritical CO2-natural gas flooding experiment upon long core samples

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5?？梢?jiàn)，隨著超臨界CO2注入倍數(shù)的不斷增加，采收率直線上升；當(dāng)注入倍數(shù)達(dá)到0.8 PV以上時(shí)，采收率基本保持不變，最終采收率在衰竭開采的基礎(chǔ)上提高了17.3%。當(dāng)出口端CO2含量為10%(腐蝕較小)時(shí)，CO2提高長(zhǎng)巖心采收率12%。結(jié)果表明，超臨界CO2驅(qū)天然氣效果顯著，技術(shù)上是可行的。

5 超臨界CO2-天然氣驅(qū)替機(jī)理數(shù)值模擬

本文在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用數(shù)值模擬方法，探討注入超臨界CO2與干氣混合及重力分異墊氣方面對(duì)最終采收率的影響。

5.1 部分互溶混相

5.1.1 長(zhǎng)巖心數(shù)模

建立長(zhǎng)巖心模型模擬實(shí)驗(yàn)尺度的CO2驅(qū)替過(guò)程。模型橫向上有20個(gè)網(wǎng)格，縱向上劃分為1層?？v向上每層的厚度為5 cm。橫向上第1個(gè)網(wǎng)格處設(shè)CO2注氣端，第20個(gè)網(wǎng)格處設(shè)采出端。平均滲透率0.652×10-3μm2，孔隙度設(shè)為9.9%，壓力為25 MPa，初始束縛水飽和度為37.3%。

通過(guò)長(zhǎng)巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，獲得氣體注入量與天然氣采收率對(duì)應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在相態(tài)擬合的基礎(chǔ)上，計(jì)算在長(zhǎng)巖心中CO2驅(qū)替天然氣的驅(qū)替效率，從獲得的組分變化規(guī)律分析CO2與天然氣互溶混合特征。從圖6可以看出，注入初期[0.01 HCPV(烴類孔隙體積)]，在注入端(第1個(gè)網(wǎng)格)CO2未混相，流體呈現(xiàn)超臨界特征；第10個(gè)網(wǎng)格為驅(qū)替前沿；第2個(gè)網(wǎng)格至第10個(gè)網(wǎng)格隨著巖心長(zhǎng)度的增加，CO2濃度減小，呈現(xiàn)部分互溶混合特征。

隨著CO2的注入，CO2驅(qū)替前沿不斷往前推進(jìn)。從各網(wǎng)格CO2摩爾分?jǐn)?shù)和密度(圖7a,b)看，注入端CO2呈現(xiàn)近臨界特征，密度達(dá)0.6 g/cm3。隨著與天然氣的不斷混合，混合帶密度逐漸降低，驅(qū)替前沿密度接近氣體，進(jìn)一步證實(shí)注入超臨界CO2時(shí)， CO2不與天然氣大規(guī)?；旌?，而只是呈現(xiàn)部分混合特征。

5.1.2 單注單采傾角模型

為了進(jìn)一步研究CO2驅(qū)替過(guò)程中CO2與天然氣的混合過(guò)程，建立了單注單采傾角模型。模型橫向上有80個(gè)網(wǎng)格，縱向上劃分為10層，網(wǎng)格數(shù)量為80×10=800個(gè)?？v向上每層的厚度為1 m。橫向上第1個(gè)網(wǎng)格處設(shè)1口注氣井，第80個(gè)網(wǎng)格處設(shè)1口生產(chǎn)井。生產(chǎn)井和注氣井相距800 m?？v向上滲透率設(shè)為0.1×10-3μm2，孔隙度設(shè)為8%，束縛水飽和度為35%。

圖6 超臨界CO2-天然氣長(zhǎng)巖心驅(qū)替數(shù)值模擬中注氣初期各網(wǎng)格各組分摩爾分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律Fig.6 Molar concentration changes of CO2 and natural gas in every grid at an initial injection stage(long core flooding model)

圖7 超臨界CO2-天然氣長(zhǎng)巖心驅(qū)替數(shù)值模擬中各網(wǎng)格CO2摩爾分?jǐn)?shù)和密度隨著與天然氣混合程度的變化規(guī)律Fig.7 Molar concentration and density changes of CO2 with varying mixture degree between natural gas and CO2 in every grid of numerical simulation of long corea.各網(wǎng)格CO2摩爾分?jǐn)?shù)變化；b.各網(wǎng)格CO2密度變化

圖8 超臨界CO2-天然氣驅(qū)替帶傾角單注單采模型中各網(wǎng)格CO2密度和粘度隨著與天然氣混合程度的變化規(guī)律Fig.8 Density and viscosity changes of CO2 with varying mixture degree between natural gas and CO2 in every grid of numerical simulation of single injector-single producer with dip anglea.各網(wǎng)格密度變化；b.各網(wǎng)格粘度變化

從模擬結(jié)果看，注入CO2后，CO2在注氣井附近濃度最高；與天然氣接觸過(guò)程中，CO2濃度逐漸降低。從縱向不同層(分別用k=1～10表示，1表示上部第1層，10表示第10層)不同網(wǎng)格密度和粘度圖(圖8a,b)可以看出，注氣端附近第3至第10網(wǎng)格CO2呈現(xiàn)超臨界特性，注氣端混合物流體特性為超臨界CO2特性，驅(qū)替前沿為氣體性質(zhì)。

綜上，通過(guò)模擬長(zhǎng)巖心CO2驅(qū)替及帶傾角單注單采機(jī)理模型，從各網(wǎng)格的密度變化規(guī)律及粘度變化規(guī)律可以看出，CO2驅(qū)替天然氣過(guò)程中，水平波及區(qū)內(nèi)存在3個(gè)區(qū)域：CO2驅(qū)替前沿的天然氣帶、CO2-天然氣互溶混合帶及注氣后緣的超臨界CO2帶。

圖9 超臨界CO2-天然氣驅(qū)替背斜模型中CO2分布Fig.9 CO2 distribution in anticline model during supercritical CO2-natural gas flooding

5.2 保持壓力

圖10 超臨界CO2-天然氣驅(qū)替與衰竭式開采生產(chǎn)井井底流壓對(duì)比Fig.10 Flowing bottomhole pressure comparison between supercritical CO2 flooding and natural depletion

為了進(jìn)一步研究CO2驅(qū)替過(guò)程中壓力的變化規(guī)律，建立了背斜模型(圖9)。生產(chǎn)井位于高部位，注氣井位于儲(chǔ)層低部位，從底部注CO2。模型橫向上有53個(gè)網(wǎng)格，縱向上劃分為50層。縱向上每層的厚度為20 cm。生產(chǎn)井和注入井相距800 m。縱向上滲透率設(shè)為0.1×10-3μm2，孔隙度設(shè)為8%，束縛水飽和度為35%。

圖11 超臨界CO2-天然氣驅(qū)替墊氣機(jī)理Fig.11 Mechanism of replacement “pad” of supercritical CO2-natural gas

從模擬結(jié)果看，注入CO2后，CO2從儲(chǔ)層底部推動(dòng)天然氣向高部位運(yùn)移(圖9)，整個(gè)氣藏壓力上升。

對(duì)比衰竭式開采，從生產(chǎn)井井底流壓對(duì)比圖(圖10)可以看出，注CO2能起到保壓生產(chǎn)的目的。背斜模型注入井10a后開始注氣；15a后，井底壓力恢復(fù)到原始地層壓力。

5.3 墊氣機(jī)理

應(yīng)用5.2建立的背斜模型，分析垂向上CO2驅(qū)替天然氣的分布規(guī)律。從CO2流動(dòng)模擬圖(圖11)可以看出，從氣藏底部注入超臨界CO2，垂向波及區(qū)內(nèi)，由于重力分異的作用，較輕的天然氣會(huì)聚集在氣藏圈閉的上部，而超臨界CO2則沉降在氣藏圈閉下部形成埋存。隨著超臨界CO2的持續(xù)注入，沉降在氣藏圈閉下部的超臨界CO2“墊氣”逐漸增厚，將地層剩余天然氣驅(qū)替至氣藏圈閉的上部進(jìn)行開采，提高天然氣采收率(圖11)。

應(yīng)用相同的物性參數(shù)和儲(chǔ)量建立平面模型，與平面模型相比，背斜模型儲(chǔ)層壓力增加2 MPa(圖12a)；天然氣產(chǎn)量提高3.9%(圖12b)。

6 結(jié)論

相態(tài)實(shí)驗(yàn)研究表明：

1) 超臨界CO2不會(huì)與天然氣迅速混合成為一相，有利于開展CO2驅(qū)提高采收率。

2) 超臨界CO2密度遠(yuǎn)大于天然氣，有利于CO2沉降在儲(chǔ)層的底部實(shí)現(xiàn)有效封存；天然氣與CO2粘度相近、流度相近，有利于CO2驅(qū)替天然氣。

圖12 超臨界CO2-天然氣驅(qū)替墊氣機(jī)理對(duì)儲(chǔ)層壓力和天然氣產(chǎn)量的影響Fig.12 Impact of gas “pad” upon reservoir pressure and gas production during the supercritical CO2-natural gasa.墊氣機(jī)理對(duì)生產(chǎn)井井底壓力的影響；b.墊氣機(jī)理對(duì)提高采收率的影響

3) CO2在天然氣中的擴(kuò)散度不高，可形成較窄的不容混相帶，實(shí)現(xiàn)CO2有效驅(qū)替。

長(zhǎng)巖心實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)出口端CO2含量為10%時(shí)，CO2提高長(zhǎng)巖心采收率12%，最終采收率在衰竭開采的基礎(chǔ)上提高了17.3%。超臨界CO2驅(qū)天然氣效果顯著，技術(shù)上是可行的。

在實(shí)驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上，建立了長(zhǎng)巖心模型、單注單采機(jī)理模型及背斜模型，系統(tǒng)分析了CO2驅(qū)替天然氣的驅(qū)替機(jī)理。數(shù)值模擬認(rèn)識(shí)到注CO2能提高天然氣采收率，并具有以下3種主要驅(qū)替機(jī)理：①不易與天然氣互溶混相；②保持壓力；③墊氣機(jī)理。

綜上，實(shí)驗(yàn)及數(shù)模均證實(shí)超臨界CO2能提高致密氣藏采收率，為探索注CO2提高天然氣采收率選區(qū)評(píng)價(jià)奠定了基礎(chǔ)。

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(編輯 李 軍)

Mechanism of supercritical CO2flooding in low-permeability tight gas reservoirs

Shi Yunqing1,2,Jia Ying1,2,Pan Weiyi1,2,Yan Jin1,2, Huang Lei3

(1.PetroleumExploration&ProductionResearchInstitute,SINOPEC，Beijing100083,China;2.SINOPECKeyLaboratoryofMarineOilandGasReservoirs,Beijing100083,China;3.ResearchInstituteofPetroleumExplorationandDevelopment,PetroChina,Beijing100083,China)

The mechanism of supercritical CO2flooding in gas reservoirs was studied through both laboratory and numerical simulations to explore ways to increase recovery of low-permeability tight gas reservoirs.Behaviors of mixing supercri-tical CO2with natural gas were observed first to reveal the mixing patterns of the two phases.A laboratory quantitative measurement was carried out for an equilibrium phase behaviors to define the in-situ physical properties of both carbon dioxide and natural gas.The results show that the differences between the properties of the two gases are favorable for CO2-based flooding and storage in gas reservoirs.A supercritical CO2-natural gas diffusion test offered opportunities for observing behaviors of mixed gas front during flooding process.The result indicates that CO2does not diffuse much in na-tural gas and can form only a narrow mixing phase belt,which is good for an effective CO2displacement.Based on an analysis of CO2and natural gas mixing behaviors,we carried out a CO2displacement experiment on a long core from tight gas reservoirs.The results show that gas recovery rate can be increased by 12% after supercritical CO2flooding.Finally,based on the experiments,we used numerical simulation method to establish long core model,single injector-single producer dip mechanism model as well as anticline model.These models were then used to systematically verify the mechanism of supercritical CO2displacing natural gas.It suggests that a higher gas recovery is possible because of a partial mixing of natural gas with CO2at the flooding fronts helping maintain gas reservoir pressure and of a supercritical CO2“pad” formed at the lower part of gas traps favorable for gas recovery.The displacement mechanisms expounded through both laboratory works and numerical simulations provide a basis for selecting potential CO2flooding target in tight gas reservoirs.

numerical simulation，natural gas，CO2flooding，low-permeability tight gas reservoir，EOR

2016-08-02;

2017-03-07。

史云清(1962—)，博士、教授級(jí)高級(jí)工程師，特殊氣田開發(fā)與管理。E-mail:syq.syky@sinopec.com。

國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2016ZX05048003-004)；中國(guó)石油化工股份有限公司科技部項(xiàng)目(P15031)；中國(guó)石油化工股份有限公司科技部基礎(chǔ)前瞻項(xiàng)目(G5800-14-ZS-KJB033-5)。

0253-9985(2017)03-0610-07

10.11743/ogg20170321

TE37

A