縫洞型油藏泡沫輔助氣驅(qū)提高采收率技術(shù)可行性

劉中春, 汪 勇, 侯吉瑞, 羅 旻, 鄭澤宇, 屈 鳴, 朱道義

(1.中國(guó)石化石油勘探開(kāi)發(fā)研究院,北京 100083; 2.中國(guó)石油化工集團(tuán)公司海相油氣藏開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083; 3.中國(guó)石油大學(xué)提高采收率研究院,北京 102249;4.中國(guó)石油大學(xué)石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102249)

塔河油田奧陶系油藏是中國(guó)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的儲(chǔ)量最大的碳酸鹽巖縫洞型油藏[1],因縫洞儲(chǔ)集空間尺度差異大、離散分布,且高角度裂縫發(fā)育[2],其開(kāi)采機(jī)制與砂巖油藏不同[3]。水驅(qū)、氣驅(qū)過(guò)程中重力分異起主要作用,復(fù)雜的縫洞網(wǎng)絡(luò)中水、氣更容易產(chǎn)生氣竄。目前氮?dú)怛?qū)技術(shù)在塔河油田縫洞型油藏應(yīng)用取得了較好增油效果[4-5]。泡沫驅(qū)技術(shù)在砂巖油藏中的應(yīng)用表明其能夠有效控制氣體流度、擴(kuò)大波及體積和延緩竄逸[6-7]。為分析泡沫在縫洞型介質(zhì)中的作用,筆者依據(jù)縫洞型油藏典型的縫洞結(jié)構(gòu)特征,建立可視化縫洞組合物理模型和三維高溫高壓縫洞物理模型,分析泡沫在縫洞型介質(zhì)中的流動(dòng)特征和驅(qū)油機(jī)制,通過(guò)三維高溫高壓驅(qū)替實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)泡沫驅(qū)油效果,確定泡沫輔助氣驅(qū)技術(shù)在碳酸鹽巖縫洞型油藏應(yīng)用的可行性。

1 縫洞型油藏儲(chǔ)集空間特征

塔河油田為奧陶系碳酸鹽巖縫洞型油藏,經(jīng)多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、巖溶作用及后期深埋垮塌等改造作用,儲(chǔ)集空間非均質(zhì)性極強(qiáng)。

(1)儲(chǔ)集空間類(lèi)型多樣。主要包括大型溶洞、溶蝕孔洞及不同尺度的裂縫。其中溶洞作為主要的儲(chǔ)集空間,直徑大到幾十米,小到毫米量級(jí)。通常把直徑大于50 mm的洞統(tǒng)稱(chēng)為溶洞。溶洞離散分布且充填現(xiàn)象普遍,充填物通常有3種類(lèi)型[8],搬運(yùn)型沉積物、垮塌型堆積物以及化學(xué)型膠結(jié)物,充填程度又分為全充填、半充填和未充填3種。溶孔主要指直徑為2～50 mm的孔洞;裂縫開(kāi)度一般小于2 mm,可分為大、中、小3個(gè)級(jí)別[9]?；|(zhì)無(wú)儲(chǔ)滲能力,大型溶洞間依靠斷裂、裂縫溝通。

(2)多種流動(dòng)共存?？p洞儲(chǔ)集空間的離散性、多尺度特征與溶洞充填特征決定了油藏中既存在多孔介質(zhì)滲流,又有大尺度空間中的洞穴流、管道流,油藏內(nèi)部是一個(gè)復(fù)雜的多種流動(dòng)共存的耦合流動(dòng)[10]。

縫洞型油藏復(fù)雜的儲(chǔ)集空間特征使得砂巖油藏滲流物理模擬實(shí)驗(yàn)方法不適用,為了評(píng)價(jià)泡沫輔助氣驅(qū)技術(shù)的可行性,依據(jù)縫洞型油藏儲(chǔ)集空間特征,建立系列縫洞組合物理模擬實(shí)驗(yàn)方法。

2 泡沫輔助氣驅(qū)縫洞組合物理模擬實(shí)驗(yàn)方法

2.1 縫洞組合二維、三維物理模型

(1)二維可視化物理模型。為了分析不同縫洞結(jié)構(gòu)中泡沫體系驅(qū)油特征,根據(jù)塔河油田成像測(cè)井解釋的典型縫洞組合模式,制作了二維可視縫洞網(wǎng)絡(luò)模型(圖1),包括縫洞網(wǎng)絡(luò)與裂縫網(wǎng)絡(luò)模型,模型中裂縫開(kāi)度為0.5～2.0 mm,溶洞直徑為14～25 mm。模型內(nèi)部自成封閉體,且具有統(tǒng)一的壓力系統(tǒng)和初始油水界面。模型由人造膠結(jié)巖心制成,基質(zhì)為碳酸鈣粉末與有機(jī)膠混合高壓壓制而成,為弱親油性。

圖1 二維縫洞組合模式及可視化縫洞網(wǎng)絡(luò)模型Fig.1 2D visual fracture and cavity model and fracture network model

(2)三維物理模型。依據(jù)塔河油田S48單元地質(zhì)建模研究結(jié)果,選取井組S48-TK467-TK411-T401-TK426作為模型設(shè)計(jì)的油藏原型(圖2)。將選取井組的地質(zhì)模型細(xì)分為6層,并等比例縮放到圓形巖心中,依據(jù)相似準(zhǔn)則,設(shè)計(jì)制作了多井縫洞單元宏觀三維可視化物理模型和耐壓物理模型(圖3),其中可視化模型采用有機(jī)玻璃制成,有利于觀察泡沫的波及路徑;耐壓模型可承受10 MPa壓力,采用人造巖心壓制而成,基質(zhì)不具備滲透能力?？捎糜谠u(píng)價(jià)高壓下泡沫的驅(qū)油效果。三維模型以滿(mǎn)足雷諾相似準(zhǔn)則為前提,通過(guò)調(diào)整模型及實(shí)驗(yàn)參數(shù),使物理模擬盡量接近滿(mǎn)足壓力與重力之比相似[11],能更符合實(shí)際模擬縫洞中流體的流動(dòng),尤其是針對(duì)溶洞離散展布下泡沫驅(qū)油過(guò)程的模擬。

2.2 物理模擬實(shí)驗(yàn)流程

(1)物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)裝置共由4部分組成,分別為縫洞型介質(zhì)物理模型系統(tǒng)、恒速恒壓注入系統(tǒng)、產(chǎn)出流體標(biāo)定系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集以及實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)。

縫洞型介質(zhì)物理模型系統(tǒng)包括模型支撐、背光系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。支撐及背光系統(tǒng)采用不銹鋼鋼條焊接而成,并用固定鋼夾對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行固定。背光系統(tǒng)采用LED面光源,以保證實(shí)驗(yàn)錄像效果。實(shí)驗(yàn)物理模型采用環(huán)氧樹(shù)脂封固,防止模型壁面的竄流現(xiàn)象。

圖2 三維物理模型設(shè)計(jì)依據(jù)Fig.2 3D physical model design basis

圖3 三維縫洞模型結(jié)構(gòu)示意圖及耐壓物理模型Fig.3 3D fracture and cavity structure schematic diagram and pressure resistance physical model

恒速恒壓注入系統(tǒng)包括活塞式中間容器、恒壓恒速計(jì)量泵以及底水恒壓注入裝置等。恒壓底水裝置恒壓為1～20 kPa;工作溫度為45 ℃。恒壓恒速計(jì)量泵工作壓力0～30 MPa,工作溫度為室溫;流速范圍為0.001～10.0 mL/min。

產(chǎn)出流體標(biāo)定系統(tǒng)主要由生產(chǎn)井和出液收集裝置組成,負(fù)責(zé)標(biāo)定產(chǎn)出液的體積。

數(shù)據(jù)采集及實(shí)驗(yàn)控制數(shù)據(jù)采集和實(shí)驗(yàn)控制包括計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集器、壓差傳感器、溫度傳感器、烘箱、實(shí)驗(yàn)臺(tái)以及錄像設(shè)備組成,用來(lái)控制實(shí)驗(yàn)運(yùn)行,定時(shí)測(cè)量和溫度控制、實(shí)驗(yàn)錄像等工作。錄像部分由Logitech Pro C910高清攝像頭負(fù)責(zé),視頻拍攝分辨率1 920×1 080;工作溫度為45 ℃。

(2)物理模擬實(shí)驗(yàn)方法與流程。三維可視化物理模擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)用水和油分別采用亞甲基藍(lán)和蘇丹III試劑作染色處理,實(shí)驗(yàn)流程如圖4所示,著重圖像采集及數(shù)據(jù)分析。耐壓物理模擬實(shí)驗(yàn)的流體采用塔河油田原油和地層水,采用1注4采方式,實(shí)驗(yàn)溫度為60 ℃,實(shí)驗(yàn)回壓為6 MPa,實(shí)驗(yàn)流程如圖5所示,側(cè)重于驅(qū)油效果定量化數(shù)據(jù)計(jì)量。實(shí)驗(yàn)用模擬油黏度為23.9 mPa·s(25 ℃),泡沫由N2、起泡劑和穩(wěn)泡劑混合流入泡沫發(fā)生器產(chǎn)生。

圖4 二維和三維縫洞模型可視化驅(qū)替實(shí)驗(yàn)流程Fig.4 Visualization of displacement experimental flow chart of 2D and 3D model

圖5 三維高溫高壓縫洞模型驅(qū)替實(shí)驗(yàn)流程Fig.5 Flow chart of displacement experiment of 3D high temperature and high pressure model

3 井組氣驅(qū)機(jī)制及氣竄特征

塔河油田注氣驅(qū)礦場(chǎng)實(shí)踐證明氣驅(qū)在該類(lèi)油藏能夠增加地層能量、增大波及體積、啟動(dòng)洞頂閣樓油等[12],能夠有效啟動(dòng)水驅(qū)剩余油。

與注入水不同,N2進(jìn)入溶洞后首先上浮至溶洞頂部形成氣頂,啟動(dòng)水驅(qū)后閣樓油,當(dāng)氣頂下推至縫洞連接處時(shí)(形成溶洞下部繞流油),N2沿裂縫溢出,進(jìn)入其他溶洞(圖6、7)。由于各個(gè)溶洞的連通程度不盡相同,因此氣竄前N2沿裂縫進(jìn)入各個(gè)連通溶洞的速度不同。氣竄后,驅(qū)替壓力下降,N2主要沿著氣竄通道流動(dòng),產(chǎn)油速度大幅下降,氣體波及體積增速變緩。

圖6 縫洞網(wǎng)絡(luò)模型注N2驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Experimental results of N2 flooding in 2D fracture and cavity network model

由于氣油密度差異大,重力分異作用使得N2能夠優(yōu)先波及油藏高部位,尤其是在大尺度通道(如溶洞、大裂縫)中,然后穩(wěn)定向下驅(qū)替注入水與底水波及不到的閣樓油(圖7)。氣驅(qū)剩余油類(lèi)型及其成因(表1)可以初步分為封閉孔洞剩余油、繞流油、洞底封閉油、油膜。其中,“洞底封閉油”與水驅(qū)中閣樓油相對(duì)應(yīng)。

圖7 三維縫洞模型注N2驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Experimental results of N2 flooding in 3D fracture and cavity model

剩余油類(lèi)型溶洞中位置成因封閉孔洞剩余油整個(gè)溶洞縫洞連通性差(地質(zhì)因素)洞底封閉油溶洞底部溶洞形狀溶洞中、下部溶洞打開(kāi)部位較高繞流油整個(gè)溶洞縫洞連通性差(流體因素)溶洞中、上部溶洞中氣油分異溶洞出口位置氣體錐進(jìn)油膜溶洞壁潤(rùn)濕性、吸附等

氣驅(qū)過(guò)程中,由于油氣黏度差異大和氣體的可壓縮性,氣體的流動(dòng)阻力更小,使其能夠進(jìn)人水驅(qū)未波及的溶洞,進(jìn)一步擴(kuò)大波及體積。同時(shí),氣體易沿優(yōu)勢(shì)通道發(fā)生竄流,不利于擴(kuò)大波及體積(圖7)。由于縫洞型油藏介質(zhì)尺度較大,相比前者氣體的竄進(jìn)對(duì)氣驅(qū)效果影響較大,一旦氣竄通道形成之后,注入氣會(huì)優(yōu)先沿通道流動(dòng)形成繞流油,降低氣體波及效率。

4 泡沫輔助氣驅(qū)可行性

縫洞型油藏大部分儲(chǔ)量分布于溶洞儲(chǔ)集空間中,注入介質(zhì)能否有效波及溶洞,是此類(lèi)油藏提高采收率的關(guān)鍵。裂縫是溝通溶洞的連通通道,裂縫的連通性與注入介質(zhì)在不同尺度裂縫中的流動(dòng)能力決定了錯(cuò)綜復(fù)雜的溶洞是否能夠被有效波及。增產(chǎn)措施能夠改善裂縫的產(chǎn)狀,進(jìn)而改變連通性,但其措施影響范圍有限且可控性低。因此,迫切需要探索通過(guò)控制注入介質(zhì)的性質(zhì),有效降低氣體黏度[13],達(dá)到提高采收率的目的。泡沫驅(qū)在砂巖油藏應(yīng)用較廣泛,能夠有效抑制氣體黏性指進(jìn)、重力超覆。對(duì)于縫洞型介質(zhì)而言,縫洞尺度差異更大(裂縫小于毫米級(jí))[14],其流動(dòng)形態(tài)與多孔介質(zhì)有所不同。

4.1 泡沫在縫洞中的流動(dòng)特征及驅(qū)油機(jī)制

泡沫驅(qū)過(guò)程中,泡沫首先進(jìn)入大的流動(dòng)通道,此時(shí),流體大致可以分為穩(wěn)定泡沫帶、泡沫-油混合帶和純油帶。由于泡沫的遇油不穩(wěn)定性,泡沫驅(qū)替前緣的泡沫接觸原油后極易破裂,釋放出的氮?dú)獠灰兹苡谟?在重力分異作用下進(jìn)入到構(gòu)造高部位并不斷聚集,形成次生氣頂,頂替出‘閣樓油’;隨著泡沫的不斷注入,原油在泡沫和氣體的共同作用下被不斷驅(qū)出,大通道內(nèi)含油飽和度降低,泡沫穩(wěn)定性增強(qiáng)并在流動(dòng)通道內(nèi)堆積,這種堆積作用增加了后續(xù)泡沫向大通道內(nèi)運(yùn)移的阻力,并對(duì)氣體產(chǎn)生封堵作用,控制了氣體的流度,使氣體界面能夠均勻下降,有效抑制了氣竄的發(fā)生(圖8)。二維裂縫網(wǎng)絡(luò)模型氮?dú)馀菽?qū)實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明,泡沫這種增黏作用與可變阻力效應(yīng)能夠延緩氣體的突破,波及到模型中所有裂縫,包括盲端縫,大幅增加了氣體的波及體積(圖9)。

在碳酸鹽巖縫洞型油藏中,溶洞波及區(qū)域洗油效率較高,但在裂縫發(fā)育區(qū),殘余油主要以油膜的形式存在。泡沫驅(qū)過(guò)程中,泡沫體系中的表活劑可以降低油膜的黏附功,使油膜更容易參與流動(dòng)。同時(shí),驅(qū)替過(guò)程中,泡沫擠壓巖壁,使附著在巖壁上的油膜變薄、分離,繼而被乳化、攜帶。因此,泡沫能在一定程度上提高微觀洗油效率?？梢暬锢砟M實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,泡沫驅(qū)后,模型壁面相比氣驅(qū)更為干凈,同時(shí)采出液中也發(fā)現(xiàn)了原油的乳化現(xiàn)象,證明了泡沫驅(qū)具有提高微觀洗油效率的作用。由于縫洞型油藏中較低的比表面積,可以認(rèn)為這部分作用對(duì)總采收率的貢獻(xiàn)相對(duì)較小。

圖8縫洞網(wǎng)絡(luò)模型注N2泡沫驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Experimental results of N2 foam flooding based on fracture and cavity network model

圖9 裂縫網(wǎng)絡(luò)模型不同開(kāi)發(fā)方式的剩余油分布Fig.9 Distribution diagram of residual oil in different ways of development in fracture network model

圖10 三維縫洞模型注N2泡沫驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Experimental results of N2 foam flooding in 3D fracture and cavity model

4.2 縫洞型油藏泡沫驅(qū)油效果及可行性

高溫高壓下,對(duì)比縫洞介質(zhì)中氮?dú)怛?qū)與泡沫驅(qū)下注入壓力的變化(圖11)。氣驅(qū)過(guò)程中,壓力基本保持平穩(wěn),直到氣竄為止,注入壓力大幅降低。而在泡沫驅(qū)過(guò)程中,相同注入量下,注泡沫壓力高于注氣壓力。同時(shí),隨泡沫注入量的增加,泡沫注入壓力在整體上呈上升趨勢(shì)。分析是因?yàn)榕菽w系黏度大,在縫洞網(wǎng)絡(luò)中具有一定的封堵的作用,增加了對(duì)后續(xù)流體的流動(dòng)阻力,從而使注入壓力梯度逐漸升高。此外,注氣驅(qū)過(guò)程中,當(dāng)注入約0.45VP(VP為孔隙體積)氮?dú)鈺r(shí)發(fā)生了氣竄;而泡沫驅(qū)過(guò)程中,泡沫竄發(fā)生在注入量為0.6VP,也側(cè)面說(shuō)明泡沫驅(qū)的開(kāi)采效果更好。

圖11 泡沫驅(qū)與氣驅(qū)過(guò)程中注入壓力變化Fig.11 Change of injection pressure during N2 foam flooding and N2 flooding

實(shí)驗(yàn)還表明,N2泡沫驅(qū)具有較高的產(chǎn)油速度及驅(qū)油效率,底水驅(qū)后,泡沫能夠輔助提高N2驅(qū)采收率近7%。對(duì)于縫洞型儲(chǔ)集體,泡沫輔助氣驅(qū)提高采收率是可行的。

圖12 N2泡沫驅(qū)與N2驅(qū)效果對(duì)比Fig.12 Comparison of effect of N2foam flooding and N2 flooding

5 結(jié) 論

(1)增黏作用與可變阻力效應(yīng)是泡沫在縫洞型介質(zhì)中的主要流動(dòng)機(jī)制,泡沫能夠增大注入氣的波及體積。

(2)泡沫輔助氣驅(qū)能夠有效延緩氣竄,有效啟動(dòng)水驅(qū)后繞流油和封閉孔洞剩余油,改善水驅(qū)效果。

(3)泡沫輔助氣驅(qū)能夠顯著提高縫洞型油藏采收率,作為碳酸鹽巖縫洞型油藏提高采收率技術(shù)是可行的。

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