延長油田CO2驅(qū)相態(tài)初探

楊永超， 姚振杰

(陜西延長石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院，陜西 西安 710075)

近年來，隨著各油田不斷的開采，對特(超)低滲油田的開發(fā)比例不斷提高[1-2]。特(超)低滲透油藏由于受儲層物性特征的限制，油藏開采難度較大[3-5]。延長油田所屬區(qū)塊是我國典型的特(超)低滲透油田，開采過程中表現(xiàn)出單井產(chǎn)量低、開發(fā)效果差等問題。依靠注水開發(fā)提高單井產(chǎn)能難度大，需要探索新的開發(fā)方式。CO2驅(qū)油已經(jīng)成為石油行業(yè)的研究熱點，一方面CO2驅(qū)可以提高低滲透油田原油采收率[6-7]；另一方面，在節(jié)能減排的大背景下，CO2是主要的溫室氣體，如何減少CO2向大氣排放是解決環(huán)境問題的關(guān)鍵所在，CO2注入儲層后可以實現(xiàn)部分埋存[8-9]。目前，延長油田已經(jīng)開展了Y區(qū)塊和J區(qū)塊兩個CO2驅(qū)油礦場試驗[10-11]，并取得了一定的效果。本文針對延長油田J區(qū)塊CO2驅(qū)礦場試驗，結(jié)合工區(qū)最小混相壓力，依據(jù)地層破裂壓力計算最大注氣壓力，對工區(qū)CO2驅(qū)相態(tài)進(jìn)行研究。

1 最小混相壓力

CO2注入儲層后，儲層會出現(xiàn)多相流動，且伴隨相間組分的轉(zhuǎn)移及相變[12]。CO2注入地層后，在地層溫度和壓力條件下，CO2可以萃取或汽化地層原油。A. Firoozabadi等[13]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)壓力為14 Pa、溫度為57.2 ℃時，CO2可以萃取或汽化相對密度為0.848 9原油的一半。S. S. Kuo等[14]用長管驅(qū)替實驗研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)壓力為17.5 MPa、溫度為57.2 ℃時，CO2與實驗?zāi)M油完全混相。上述研究表明，當(dāng)溫度一定時，壓力達(dá)到一定值后，CO2與原油開始形成混相驅(qū)油，此時對應(yīng)的壓力即為最小混相壓力。

目前，確定CO2驅(qū)最小混相壓力的方法主要有3種：經(jīng)驗公式法、狀態(tài)方程法及實驗法。經(jīng)驗公式法適用范圍小，不同經(jīng)驗公式預(yù)測精度差別大[15]。經(jīng)驗公式法一般用于試驗區(qū)的預(yù)篩選和可行性研究。狀態(tài)方程法是把體系的相行為與最小混相壓力結(jié)合起來，通過求取CO2-原油的泡點，并用混相函數(shù)作為判據(jù)，最終求得體系最小混相壓力，但狀態(tài)方程法存在重組分臨界值難以確定的問題。實驗法的可靠性較高，目前實驗法測試最小混相壓力有兩種：一是界面張力法，當(dāng)壓力達(dá)到某一值時，CO2與原油的界面張力為零，此時壓力即為最小混相壓力；二是細(xì)管實驗法，根據(jù)楊振驕等[16-17]相關(guān)研究表明，CO2驅(qū)采收率達(dá)90%以上時對應(yīng)的壓力即為最小混相壓力。

工區(qū)CO2驅(qū)最小混相壓力的測試采用細(xì)管實驗法。當(dāng)注入壓力分別為21.3、22.0、22.4、23.5、25.3 MPa，對應(yīng)的采收率分別為70.48%、86.78%、90.14%、90.86%、91.52%。根據(jù)楊振驕等[16-17]相關(guān)研究表明，CO2驅(qū)采收率達(dá)90%以上即為混相驅(qū)。當(dāng)體系注入壓力達(dá)到22.4 MPa時，CO2驅(qū)采收率達(dá)到90%以上，體系處于混相驅(qū)油。細(xì)管法測試CO2驅(qū)最小混相壓力如圖1所示。在圖1中，作兩條趨勢線，曲線的交點即為最小混相壓力。因此，由細(xì)管法確定工區(qū)的最小混相壓力為22.2 MPa。

圖1 細(xì)管法測試CO2驅(qū)最小混相壓力

Fig.1AslimetubetestminimummiscibilitypressureofCO2flooding

2 最大注氣壓力

由于CO2自身特性，對于特(超)低滲油田，CO2注入能力相對于水的注入能力更強(qiáng)。當(dāng)CO2注入壓力較大，達(dá)到地層破裂壓力時，會破壞儲層骨架。因此，需結(jié)合地層破裂壓力，計算CO2驅(qū)最大注氣壓力。

2.1 地層破裂壓力

工區(qū)儲層埋深為1 600 m，統(tǒng)計工區(qū)壓裂施工資料，儲層井口平均破裂壓力為23.28 MPa。由于壓裂施工得到破裂壓力為井口破裂壓力，需要轉(zhuǎn)換為井底地層破裂壓力。按照工區(qū)壓裂報告，壓裂液密度取水密度的1.1倍。根據(jù)黃禹鐘等[18]的壓裂施工管柱摩阻模型，得到壓裂過程中流體在油管中摩擦阻力為7 MPa。通過式(1)折算井底地層破裂壓力，得到井底地層破裂壓力為33.88 MPa。

(1)

式中，pd為地層破裂壓力，MPa；pu為井口破裂壓力，MPa；H為油層深度，m；ρy為壓裂液密度，g/cm3，取1.1；pz為油管摩擦壓力損失，MPa，取7.0。

2.2 最大注氣壓力

林斌[19]研究得出，由于氣體黏度小，孔隙壓力壓降梯度小，孔壁附近孔隙壓力較大，在孔壁裂紋上產(chǎn)生更大的應(yīng)力強(qiáng)度因子，而水的滲透范圍小，壓降大，對孔壁裂紋的啟裂影響較小，氣體壓裂破裂壓力為水力壓裂破裂壓力的60%左右。目前有關(guān)氣體壓裂與水力壓裂對比研究報道特別少，氣體壓裂破裂壓力與水力壓裂破裂壓力的關(guān)系需要進(jìn)一步研究。

考慮研究區(qū)儲層特征，結(jié)合林斌[19]研究成果，工區(qū)CO2壓裂井底地層破裂壓力取水力破裂壓力的80%，即27.1 MPa作為CO2壓裂井底地層破裂壓力。CO2混合液密度為0.68～0.82 g/cm3；注入井最大流動壓力主要受地層破裂壓力的限制，依據(jù)特低滲儲層的開發(fā)經(jīng)驗，考慮安全，注入井最大流壓不超過破裂壓力的90%；參考黃禹鐘等[18]的壓裂施工管柱摩阻計算模型，采用孫曉等[20]CO2壓裂井筒流動摩阻計算得到CO2摩擦阻力為4.5 MPa。上述參數(shù)帶入式(2)，得到工區(qū)注氣井口最大注氣壓力為15.8 MPa。因此，考慮工區(qū)安全、高效運(yùn)行，認(rèn)為J區(qū)塊井口最大注氣壓力不要超過15.8 MPa。

(2)

式中，pwd為井底壓力，MPa；pwu為井口壓力，MPa；流體密度取0.82 g/cm3；pz為油管摩擦壓力損失,MPa,取4.5 MPa。

3 工區(qū)CO2驅(qū)相態(tài)初探

CO2驅(qū)分為非混相驅(qū)與混相驅(qū)，混相驅(qū)相對于非混相驅(qū)采收率高?；煜囹?qū)與非混相驅(qū)主要依據(jù)CO2注入儲層后，儲層壓力是否達(dá)到最小混相壓力進(jìn)行鑒別。因此，需要結(jié)合工區(qū)井口注氣壓力計算井底流壓，根據(jù)井底流壓與最小混相壓力的關(guān)系，研究工區(qū)CO2驅(qū)相態(tài)。

現(xiàn)場生產(chǎn)過程中，需要保持一定的采油速度，生產(chǎn)井底壓力低于注入井底壓力。另外試驗區(qū)屬于特(超)低滲透油藏，注采井組之間存在壓力梯度，注入井井底壓力大于生產(chǎn)井井底壓力。因此，若注氣井井底壓力大于最小混相壓力，注采井之間不可能全部達(dá)到混相，只是注氣井附近區(qū)域存在混相區(qū)[21]，如圖2所示。

圖2 CO2驅(qū)相態(tài)分布Fig.2 The distribution of phase of CO2 flooding

J區(qū)塊注CO2初期井口注入壓力低于3 MPa。目前，工區(qū)注氣井平均注氣壓力為8.2 MPa，單井最高注氣壓力為10.5 MPa。將單井最高注氣壓力10.5 MPa帶入式(2)得到注氣井底壓力為19.1 MPa，低于最小混相壓力22.2 MPa。工區(qū)注入壓力最高的注氣井，注入井底附近區(qū)域達(dá)不到混相，為非混相驅(qū)油。對于特(超)低滲透油田的J區(qū)塊，由于儲層物性較差，同時需要保持單井產(chǎn)量，注采井組之間存在壓力梯度，注氣井底壓力達(dá)不到最小混相壓力，CO2驅(qū)屬于非混相驅(qū)。當(dāng)井口注氣壓力達(dá)到15.0 MPa時，注氣井底壓力為23.6 MPa，高于最小混相壓力，注氣井一定區(qū)域內(nèi)形成混相區(qū)。混相驅(qū)油相對于非混相驅(qū)油，原油采收率高。因此，對于J區(qū)塊，保證安全生產(chǎn)運(yùn)行的前提下，可以適當(dāng)提高井口注氣壓力，使注氣井近井地帶達(dá)到混相驅(qū)油，進(jìn)而提高原油采收率。

4 CO2驅(qū)相態(tài)對驅(qū)油效果的影響

相關(guān)文獻(xiàn)及科研工作者均報道過，CO2混相驅(qū)采收率高于非混相驅(qū)采收率[16]。為了研究工區(qū)混相驅(qū)采收率與非混相驅(qū)采收率的差別，用工區(qū)天然柱狀巖心進(jìn)行CO2驅(qū)油實驗，以恒定速度0.5 mL/min注氣?；煜鄬嶒灡３只貕?4 MPa，保證巖心內(nèi)壓力大于最小混相壓力；非混相保持回壓8 MPa，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，混相驅(qū)采收率達(dá)到65%，非混相驅(qū)采收率達(dá)到48%，混相驅(qū)采收率比非混相驅(qū)提高了17%。混相驅(qū)油注入壓力比非混相驅(qū)油注入壓力高，CO2與原油形成混相帶，混相驅(qū)開采效果好。

圖3 CO2驅(qū)相態(tài)對采收率的影響Fig.3 The influence of phase state of recovery

由上述分析可知，J區(qū)塊目前屬于非混相驅(qū)油。工區(qū)開展CO2驅(qū)以來，依據(jù)油藏工程方案，開展水氣交替注入，控制CO2氣竄。目前J區(qū)塊CO2驅(qū)油效果已初步顯現(xiàn)，部分注氣受效生產(chǎn)井日產(chǎn)油量約為同類注水開發(fā)生產(chǎn)井的2倍。根據(jù)工區(qū)地層破裂壓力，井口最大注氣壓力允許達(dá)到15 MPa。如果井口注氣壓力達(dá)到15 MPa，注氣井底流壓大于最小混相壓力，注氣井近井地帶可以達(dá)到混相驅(qū)。因此，適當(dāng)提高工區(qū)注氣壓力(井口注氣壓力不超過15 MPa)，使注氣井附近區(qū)域達(dá)到混相驅(qū)油，從而提高原油采收率。

5 結(jié)論

對于延長油田J區(qū)塊，由細(xì)管法確定的最小混相壓力為22.2 MPa。結(jié)合工區(qū)壓裂施工參數(shù)，得到井底地層破裂壓力為33.88 MPa，工區(qū)最大注氣壓力為15.8 MPa。目前，工區(qū)單井最高注氣壓力為10.5 MPa，計算得到井底注氣壓力為19.1 MPa，屬于非混相驅(qū)油?；煜囹?qū)相對于非混相驅(qū)，原油采收率高?？梢赃m當(dāng)提高注氣壓力，使注氣井近井地帶達(dá)到混相驅(qū)油，進(jìn)而提高原油采收率。

[1] 郭平，李士倫，杜志敏，等．低滲透油藏注氣提高采收率評價[J]．西南石油學(xué)院學(xué)報，2002，24(5)：46-50．

Guo P，Li S L，Du Z M，et al．Evaluation on IOR by gas injection in low permeability oil reservoir[J]．Journal of Southwest Petroleum Institute，2002，24(5)：46-50．

[2] 李莉，龐彥明，雷友忠，等．特低滲透油藏合理注氣能力和開發(fā)效果分析[J]．天然氣工業(yè)，2006,26(9)：118-121．

Li L，Pang Y M，Lei Y Z，et al．The appropriate capacity and development effect of gas injection in extremely low-permeability reservoirs[J]．Natural Gas Industry，2006,26(9)：118-121．

[3] 曹學(xué)良，郭平，楊學(xué)峰，等．低滲透油藏注氣提高采收率前景分析[J]．天然氣工業(yè)，2006,26(3)：100-102．

Cao X L，Guo P，Yang X F，et al．An analysis of prospect of EOR by gas injection in low-permeability oil reservoir[J]．Natural Gas Industry，2006,26(3)：100-102．

[4] 李保振，李相方，姚約東，等．低滲油藏CO2驅(qū)中注采方式優(yōu)化設(shè)計[J]．西南石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2010，32(2)：101-107．

Li B Z，Li X F，Yao Y D，et al．Optimization of the injection and production schemes during CO2flooding for tight reservoir[J]．Journal of Southwest Petroleum University(Science & Technology Edition)，2010，32(2)：101-107．

[5] 莊永濤，劉鵬程，張婧瑤，等．大慶外圍油田CO2驅(qū)注采參數(shù)優(yōu)化研究[J]．鉆采工藝，2014，37(1)：42-46．

Zhuang Y T，Liu P C，Zhang J Y，et al．Optimization of injection and production parameters of CO2flooding in Daqing oilfield[J]．Drilling & Production Technology，2014，37(1)：42-46．

[6] 高云叢，趙密福，王建波，等．特低滲油藏CO2非混相驅(qū)生產(chǎn)特征與氣竄規(guī)律[J]．石油勘探與開發(fā)，2014，41(1)：79-85．

Gao Y C，Zhao M F，Wang J B，et al．Performance and gas breakthrough during CO2immiscible flooding in ultra-low permeability reservoirs[J]．Petroleum Exploration and Development，2014，41(1)：79-85．

[7] 李孟濤，張英芝，楊志宏，等．低滲透油藏CO2混相驅(qū)提高采收率試驗[J]．石油鉆采工藝，2005，27(6)：43-46．

Li M T，Zhang Y Z，Yang Z H，et al．Research on CO2micible flooding to enhance oil recovery in low permeability reservoir[J]．Oil Drilling & Production Technology，2005，27(6)：43-46．

[8] 黃黎明，陳賡良．二氧化碳的回收利用與捕集儲存[J]．石油與天然氣化工，2006，35(5)：354-358．

Huang L M，Chen G L．The recovery，ultilization，capture and storage of carbon dioxide[J]．Chemical Engineer of Oil & Gas，2006，35(5)：354-358．

[9] 江懷友，沈平平，李相方，等．世界地質(zhì)儲層二氧化碳理論埋存量評價技術(shù)研究[J]．中外能源，2008，13(2)：93-98．

Jiang H Y，Shen P P，Li X F，et al．Study into technologies for estimating theoretical volume of CO2stored underground worldwide[J]．Sino-Global Energy，2008，13(2)：93-98．

[10] 姚振杰，黃春霞，段景杰，等．延長油田CO2驅(qū)埋存潛力評價方法[J]．遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報，2016，36(3)：41-45．

Yao Z J，Huang C X，Duan J J，et al．CO2displacement geologyical storage potential evaluation of Yanchang oilfield[J]．Journal of Liaoning Shihua University，2016，36(3)：41-45．

[11] 姚振杰，黃春霞，馬永晶，等．延長油田CO2驅(qū)儲層物性變化規(guī)律[J]．?dāng)鄩K油氣田，2017，24(1)：60-62．

Yao Z J，Huang C X，Ma Y J，et al．Physical property variation law of CO2flooding reservoir，Yanchang Oilfield[J]．Fault-Block Oil & Gas Field，2017，24(1)：60-62．

[12] 毛振強(qiáng)，陳鳳蓮．CO2混相驅(qū)最小混相壓力確定方法研究[J]．成都理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2005，32(1)：61-64．

Mao Z Q，Chen F L．Determination of minimum miscible phase pressure for CO2miscible drive[J]．Journal of Chengdu University of Technology(Science & Technology Edition), 2005，32(1)：61-64．

[13] Firoozabadi A，Khalid Aziz，Stanford U．Analysis and correlation of nitrogen and lean-gas miscibility pressure(includes associated paper16463)[J]．SPE Reservoir Engineering，1986，1(6)：575-582．

[14] Kuo S S．Prediction of miscibility for the enriched-gas drive process[C]．SPE14152，1985．

[15] 肖波，熊鈺，鄧暢，等．經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式預(yù)測烴氣驅(qū)MMP方法評價[J]．油氣藏評價與開發(fā)，2011，1(6)：21-24．

Xiao B，Xiong Y，Deng C，et al．Evaluation of empirical correlation method to forecast the hydrocarbon gas drive MMP[J]．Reservoir Evaluation and Development，2011，1(6)：21-24．

[16] 楊振驕．混相驅(qū)油機(jī)理研究及應(yīng)用前景展望[J]．油氣采收率技術(shù)，1998，5(1)：69-72.

Yang Z J．Mechanism study on miscible displacement and its application prospect[J]．Petroleum Geology and Recovery Efficiency，1998，5(1)：69-72.

[17] 王麗，卜祥福，伍銳東．CO2混相驅(qū)提高原油采收率的研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J]．石油化工應(yīng)用，2010，29(2-3)：4-7．

Wang L，Bu X F，Wu R D．Research status and development prospects of CO2miscible flooding enhanced oil recovery[J]．Petrochemical Industry Application，2010，29(2-3)：4-7．

[18] 黃禹忠，何紅梅．川西地區(qū)壓裂施工過程中管柱摩阻計算[J]．特種油氣藏，2005，12(6)：71-73．

Huang Y Z，He H M．Calculation of pipe string friction during fracturing operation in Chuanxi area[J]．Special Oil & Gas Reservoirs，2005，12(6)：71-73．

[19] 林斌．巖石水和氣體壓裂破裂壓力差異的理論和試驗研究[D]．北京：中國礦業(yè)大學(xué)，2015．

[20] 孫曉,吳金橋,梁小兵,等.液態(tài)CO2壓裂井筒流動摩阻計算[J]．大慶石油地質(zhì)與開發(fā)，2016，35(5)：96-99．

Sun X,Wu J Q,Liang X B,et al.Friction resistance calculation of the borehole flow[J]．Petroleum Geology and Oilfield Development in Daqing，2016，35(5)：96-99．

[21] 程杰成，劉春林，王艷勇，等．特低滲透油藏二氧化碳近混相驅(qū)試驗研究[J]．特種油氣藏，2016，23(6)：64-67．

Cheng J C，Liu C L，Wang Y Y，et al．Near-miscible CO2flooding test in ultra-low permeability ril reservoir[J]．Special Oil & Gas Reservoirs，2016，23(6)：64-67．