重力穩(wěn)定氣驅(qū)判別模型和試驗

任韶然, 劉延民, 張　亮, 崔國棟, 宮智武, 王延永, 韓　波

(中國石油大學(華東)石油工程學院,山東青島 266580)

近年來,國內(nèi)外注氣提高采收率技術(shù)發(fā)展迅速,目前已占據(jù)所有提高驅(qū)油效率產(chǎn)量的48%[1-2],已經(jīng)成為繼熱采之后發(fā)展較快的提高采收率方法。其中重力穩(wěn)定注氣技術(shù)(GAGI)克服了連續(xù)注氣(CGI)和水氣交替(WAG)等常規(guī)注氣技術(shù)的局限,效果顯著。GAGI開發(fā)效果很大程度上取決于氣驅(qū)前緣的穩(wěn)定性,國內(nèi)外學者嘗試性提出了許多模型來表征重力穩(wěn)定注氣[3],諸如改進生產(chǎn)指數(shù)、Dombrowski-Brownell數(shù)、邦德數(shù)(NB)、重力數(shù)(NG)、毛管數(shù)(NC)和N數(shù)群(NGB)等,但是現(xiàn)有評價模型存在一些問題,如考慮因素不全面,方法太復雜,評價過程不直觀迅速等。筆者采用室內(nèi)試驗,分析重力穩(wěn)定氣驅(qū)影響因素和EOR機制,通過理論推導,建立頂部注氣重力穩(wěn)定判別模型NGAGI,并進行礦場試驗案例驗證。

1　重力穩(wěn)定氣驅(qū)提高采收率機制

重力穩(wěn)定注氣技術(shù),如圖1所示。在潛山油藏頂部或傾斜構(gòu)造上部實施注氣,在油藏底部鉆入一口水平井作為生產(chǎn)井,充分利用油氣密度差異導致的重力分異作用和水平井與油層廣泛接觸達到的較高的生產(chǎn)指數(shù),達到較好的驅(qū)油效果。

圖1　重力穩(wěn)定氣驅(qū)提高驅(qū)油效率示意圖Fig.1　Sketch map of EOR mechanism of GAGI

受到復雜地層流體性質(zhì)和施工工藝的影響,重力穩(wěn)定氣驅(qū)除一般注氣所具有的混相(降低界面張力和原油黏度、微孔滲流和滲吸驅(qū)油等)及非混相(降低原油黏度、提高膨脹能、降低界面張力和有限蒸發(fā)和抽提)EOR機制外,GAGI還具有其獨特的優(yōu)勢。

1.1　驅(qū)替“閣樓油”

注入氣在重力分異作用下上浮,形成氣頂,在驅(qū)油壓差、重力作用、驅(qū)動方式、改善流動條件及原油溶解氣膨脹等復合作用下,使油藏構(gòu)造高部位剩余油得以動用。

1.2　頂部注氣重力穩(wěn)定作用

由于油氣密度差異,引起儲層流體重新分布,逐漸形成從上到下氣—油—水的分布狀態(tài),有效抑制黏性指進,形成穩(wěn)定的氣驅(qū)前緣,高效穩(wěn)定驅(qū)油時間延長,且前緣形成“油墻”可富集沿途的可動油,油氣界面在氣頂膨脹過程中不斷下移,達到有效增油目的。

1.3　重力穩(wěn)定氣驅(qū)波及系數(shù)大

為了更好地說明重力穩(wěn)定氣驅(qū)提高驅(qū)油效率機制,提出重力穩(wěn)定注氣波及系數(shù),定義為重力穩(wěn)定注氣波及體積與油藏總體積的比值。

如圖2和3所示,當采用重力穩(wěn)定氣驅(qū)時,注入氣理論上可以波及到整個油藏范圍,重力穩(wěn)定注氣波及系數(shù)接近1;而采用常規(guī)注氣技術(shù)時,考慮到黏性指進及重力分異,結(jié)合現(xiàn)場開發(fā)現(xiàn)狀及案例,常規(guī)氣驅(qū)波及系數(shù)遠低于重力穩(wěn)定注氣波及系數(shù)。顯然,采用頂部注氣重力穩(wěn)定氣驅(qū)采油效果更好。

圖2　頂部注氣重力穩(wěn)定波及示意圖Fig.2　Sketch map of swept volume of GAGI

圖3　常規(guī)注氣技術(shù)波及體積示意圖Fig.3　Sketch map of swept volume of conventional gas injection

2　重力穩(wěn)定氣驅(qū)判別模型

重力穩(wěn)定氣驅(qū)前緣的穩(wěn)定性受到注氣速率、氣液性質(zhì)差異和儲層傾角等因素影響,從而影響采收效果。許多學者對重力穩(wěn)定注氣影響參數(shù)進行了研究,楊超等[4]認為地層傾角大于13°時,更適合重力穩(wěn)定注氣開發(fā);孫雷等[5]指出當原油相對密度小于0.876 2 g/cm3時,密度差異更明顯,重力穩(wěn)定注氣更具優(yōu)勢;張艷玉等[6-7]認為,頂部注氣存在最佳注入速率和臨界注入速率。圖4為重力穩(wěn)定注氣模型及迪茨模式幾何關(guān)系。

圖4　重力穩(wěn)定注氣模型及迪茨模式幾何關(guān)系Fig.4　GAGI model and Diez geometrical model

根據(jù)重力穩(wěn)定注氣模型及迪茨模式幾何關(guān)系[8],通過理論推導,綜合考慮注入氣與原油密度差異、原油黏度、滲透率、注入速率和儲集層傾角等因素,提出表征頂部注氣重力穩(wěn)定判別模型——改進的重力穩(wěn)定判別數(shù)NGAGI。

由達西定律和勢能關(guān)系[8],沿x軸有:

(1)

(2)

式中,V定義為重力穩(wěn)定注氣通量,指單位時間注入流體體積與橫截面面積的比值,m/d;k為滲透率,10-3μm2;μ為流體黏度,mPa·s;ρ為流體密度,g/cm3;φ為勢能,J;下角o和g分別表示油相和氣相。

其中,單元流體的勢能定義為

(3)

z值向上為正,將流體看成不可壓縮,則

(4)

D為常數(shù),假設(shè)相對于儲集層垂向厚度,油氣接觸面無限大,則

φc≈φο.

(5)

則沿接觸面ac的油、氣相的勢能差為

(6)

(7)

式中，pa,o-pc,o和pa,g-pc,g分別為位置a到位置c的單位油相流體和氣相流體壓能，J;g為自由落體加速度，m/s2。

假定接觸面毛細管壓力不發(fā)生變化,則

(8)

(7)、(8)兩式相減,得到

(9)

根據(jù)圖4中幾何關(guān)系可知,

(10)

假設(shè)重力穩(wěn)定氣驅(qū)油氣接觸面穩(wěn)定,則沿著儲集層傾斜方向的流線速率為

Vx,o=Vx,g=V.

(11)

同時,為了排除儲集層的影響,引入重力穩(wěn)定注氣通量的定義,指單位時間注入流體體積與橫截面面積的比值。聯(lián)立式(9)、(10)、(11)可得

(12)

標準狀況下,空氣的黏度為1.8×10-5Pa·s,與原油的黏度相差較大,則有

(13)

當β=α時,此時空氣驅(qū)界面極不穩(wěn)定,當β減小時,空氣驅(qū)界面出現(xiàn)穩(wěn)定下移狀態(tài),油氣出現(xiàn)段塞式驅(qū)油,采收效果好。當界面角β趨近于儲層夾角α時,

(14)

令

(15)

式中,k為氣相滲透率,10-3μm2;Δρo,g為油氣密度差異,g/cm3;α為表儲集層傾角,(°);μo為原油黏度,mPa·s;C為單位換算產(chǎn)生的常數(shù),C=8.64×10-5。

在界面角減小過程中,氣驅(qū)存在界面穩(wěn)定的條件,即重力穩(wěn)定注氣模式可以實現(xiàn),根據(jù)式(14)、(15)可以得到重力穩(wěn)定條件為NGAGI>1。

3　重力穩(wěn)定氣驅(qū)影響因素試驗

重力穩(wěn)定氣驅(qū)影響因素試驗主要針對注氣重力穩(wěn)定影響權(quán)重較高的因素進行設(shè)計,如儲層傾角、注入速率及原油黏度等,通過室內(nèi)試驗,分析各因素對GAGI的影響和GAGI的EOR機制。

3.1　試驗設(shè)備和方法

試驗設(shè)備如圖5所示,主體模型為可旋轉(zhuǎn)填砂管(內(nèi)徑25 mm,內(nèi)部長度600 mm),滿足不同傾角的試驗條件,采用恒溫箱建立恒溫環(huán)境,整個試驗過程采用電腦監(jiān)測驅(qū)替壓力變化,對產(chǎn)出氣、液進行計量分析。

試驗用油均取自遼河油田某重力穩(wěn)定注氣候選區(qū)塊,目前油藏壓力20 MPa,油藏溫度98 ℃,儲層滲透率(10～100)×10-3μm2,地層原油黏度0.81 mPa·s,地面原油密度0.848 9 g/cm3,原始氣油比98 m3/m3,采用實驗室自配水模擬地層水,礦化度3×10-3,注入氣選用空氣。

進行重力穩(wěn)定氣驅(qū)試驗,首先制備填砂模型,采用真實破碎巖心與不同粒徑的石英砂按一定比例混合,每次少量加入填砂管內(nèi),進行夯擊壓實,得到與目標儲層滲透率相近的填砂管模型,誤差小于5%[9];然后對填砂管模型進行抽真空、自吸水,測量孔隙度;將模型管裝入驅(qū)替設(shè)備,進行常規(guī)飽和地層水、飽和油,建立高壓束縛水油環(huán)境,進行24 h老化,期間注意產(chǎn)出液和壓力計量,計算滲透率、初始含水飽和度和含油飽和度;最后,根據(jù)試驗方案,在油藏條件下,調(diào)整注入傾角、注入速率及原油黏度等影響因素,進行重力穩(wěn)定氣驅(qū)試驗,監(jiān)測壓力變化,計量產(chǎn)出氣液,進行數(shù)據(jù)處理和分析。

圖5　重力穩(wěn)定氣驅(qū)試驗裝置示意圖Fig.5　Sketch map of set-up of GAGI

3.2　試驗方案設(shè)計

根據(jù)重力穩(wěn)定氣驅(qū)判別模型,設(shè)計儲集層傾角影響試驗、注入速率影響試驗和原油黏度影響試驗,分析各因素對重力穩(wěn)定氣驅(qū)的影響及提高驅(qū)油效率機制。表1為重力穩(wěn)定氣驅(qū)影響因素試驗條件及方案設(shè)計。

表1　重力穩(wěn)定氣驅(qū)影響因素試驗條件及方案設(shè)計

3.3　試驗結(jié)果分析

3.3.1儲集層傾角影響試驗

圖6　典型驅(qū)油試驗中驅(qū)油效率與氣油比隨注入流體體積的變化Fig.6　Variation of displacement efficiency and gas-oil ratio with HCPV in typical experiment

通過分析試驗中驅(qū)油效率與氣油比隨原始烴類孔隙體積(HCPV)VHCPV的變化,可以確定氣竄點。試驗編號2,壓力20 MPa,溫度98 ℃,注入速率0.073 m/d,NGAGI=0.2,驅(qū)油效率與氣油比隨注入流體體積的變化曲線如圖6所示。當注入量增加至0.24VHCPV時(圖6中紅色虛線處),氣油比急劇上升,氣體突破,與此同時,驅(qū)油效率上升趨勢變化極大,由急速上升進入緩慢增長。觀察試驗過程中驅(qū)油效率或氣油比隨注氣段塞的變化,均可得到試驗的氣體突破點。

圖7為傾角影響試驗中驅(qū)油效率與注入流體體積的關(guān)系曲線,表2為傾角影響試驗的主要試驗結(jié)果對比。分析圖7和表2可見,隨著儲集層傾角的增加,氣竄時間延后(0°、45°和80°氣竄點分別為0.18VHCPV、0.24VHCPV和0.35VHCPV),高效穩(wěn)定生產(chǎn)時間延長,最終驅(qū)油效率增加(80°比0°增加23.77%);氣驅(qū)開始至氣體突破前,驅(qū)油效率急劇上升,高效穩(wěn)定生產(chǎn),在氣體突破之后,驅(qū)油效率上升幅度驟減,生產(chǎn)進入平穩(wěn)期,重力穩(wěn)定氣驅(qū)存在高效的穩(wěn)定生產(chǎn)階段,即氣竄前階段,本次試驗中穩(wěn)定生產(chǎn)階段產(chǎn)油量約占總產(chǎn)量的80%,穩(wěn)定生產(chǎn)階段對提高驅(qū)油效率影響很大。

傾角增加對重力穩(wěn)定注氣開發(fā)有利,傾角越大,氣驅(qū)前緣越穩(wěn)定,穩(wěn)定生產(chǎn)時間延長,采收率越高。這是因為:存在傾角注氣開發(fā),重力分異作用明顯,注入氣上浮,易運移到油藏頂部或傾斜構(gòu)造上部形成氣頂,使閣樓油得到動用,且由于油氣密度差異抑制黏性指進,使氣驅(qū)前緣穩(wěn)定,剩余油在前緣富集形成油墻,不斷向底部推進,當油墻推進至模型底部出口端時產(chǎn)油速率較大,穩(wěn)定驅(qū)替時間較久,波及體積及驅(qū)替效率相對于水平驅(qū)替都有較大的提升。根據(jù)重力穩(wěn)定氣驅(qū)判別模型,各氣驅(qū)試驗NGAGI小于1,僅實現(xiàn)部分程度的穩(wěn)定驅(qū)替,整體驅(qū)油效率偏低,但隨傾角增大,NGAGI增加,高效的穩(wěn)定開發(fā)時間延長,驅(qū)油效果變好。

圖7　儲集層傾角影響試驗驅(qū)油效率與注入流體體積關(guān)系曲線Fig.7　Variation of displacement efficiency with pore volume of injected gas in bed dip experiment

試驗編號儲層傾角/(°)氣竄/VHCPV氣竄前驅(qū)油效率/%最終驅(qū)油效率/%相對于0°驅(qū)油效率增長/%氣竄前產(chǎn)油占總產(chǎn)量的比重/%NGAGI 100.1819.0831.870.00—0.00 2450.2439.6546.8014.9384.70.20 3800.3544.7955.6423.7780.50.28

3.3.2注入速率影響試驗

圖8和表3為注入速率影響試驗的主要試驗結(jié)果?？梢?注氣速率較慢(0.037 m/d)時,0.37VHCPV氣竄,最終驅(qū)油效率為54.74%;注氣速率較快(0.073 m/d)時,0.27VHCPV氣竄,最終驅(qū)油效率47.61%;注氣速率較低,氣體突破延后,穩(wěn)定生產(chǎn)時間延長,開發(fā)效果更好。

圖8　注氣速率影響試驗驅(qū)油效率與注入流體體積關(guān)系曲線Fig.8　Variation of displacement efficiency with pore volume of injected gas in experiment with different injected rate

重力穩(wěn)定氣驅(qū)效果主要取決于氣驅(qū)前緣的穩(wěn)定性,當注入速率較大時,重力穩(wěn)定數(shù)較大,氣驅(qū)前緣速度增加,油氣界面不穩(wěn)定,黏性指進現(xiàn)象加劇,導致過早氣竄;另一方面,重力穩(wěn)定注氣依靠油氣密度差異產(chǎn)生重力分異作用,導致油藏流體出現(xiàn)從上到下氣—油—水的分布狀態(tài),從而抑制黏性指進,注氣速率過快,重力分異作用不充分,影響重力穩(wěn)定驅(qū)替效果。

表3　注氣速率影響試驗結(jié)果對比

注氣速率低,最終驅(qū)油效率效果較好,這并不是說注入速率越低越好,注氣速率過低,會極大延長生產(chǎn)時間,增加作業(yè)成本,不符合油田生產(chǎn)規(guī)劃要求。綜合考慮經(jīng)濟效益與開發(fā)效果,存在最優(yōu)的注氣速率。

3.3.3原油黏度影響試驗

圖9和表4為原油黏度影響試驗主要結(jié)果。對比發(fā)現(xiàn),原油黏度較大,氣竄時注氣0.37VHCPV,最終驅(qū)油效率為52.59%;油樣黏度較小,氣體突破時注氣0.42VHCPV,最終驅(qū)油效率為71.73%,較大黏度油樣驅(qū)油效率提高了19.14%。可見,重力穩(wěn)定注氣技術(shù)更適用于低黏度油藏,原油黏度較低時,氣體突破時間較晚,穩(wěn)定驅(qū)替時間較長,達到的采收效果較好。

注入氣與原油黏度差異較大,氣驅(qū)易形成指進現(xiàn)象,導致驅(qū)替前緣不穩(wěn)定,會降低波及體積和洗油效率,對采收率有害。較低的原油黏度會降低流度比,有效抑制黏性指進,穩(wěn)定驅(qū)替前緣,減緩氣體突破時間,延長氣驅(qū)高效的穩(wěn)定采油時間,提高采收率。

圖9　原油黏度影響試驗驅(qū)油效率與注入流體體積關(guān)系曲線Fig.9　Variation of displacement efficiency with pore volume of injected gas in experiment of oil viscosity

試驗編號原油黏度/(mPa·s)氣竄/VHCPV氣竄前驅(qū)油效率/%NGAGI最終驅(qū)油效率/% 62.070.3734.080.5652.59 70.810.4250.851.4371.73

3.3.4氣驅(qū)后殘余油分布

對試驗后管內(nèi)殘余油砂進行取樣排布,解析重力穩(wěn)定氣驅(qū)特點。填制模型砂粒呈白色,殘余油含量越高,砂粒顏色越深。對氣驅(qū)后管內(nèi)殘余油砂按照順序取出,排列并拍照,觀察其顏色和分布情況,并對油砂進行殘余油飽和度分析,結(jié)果如圖10和表5所示。

圖10　氣驅(qū)后管內(nèi)殘余油砂實物圖Fig.10　Scheme of residual oil and sand in tube after gas flooding

可以發(fā)現(xiàn),水平注氣方式,殘余油砂整體顏色較深,殘余油飽和度超過65%,驅(qū)替效率很低;采用存在傾角的重力穩(wěn)定注氣方式,排除由于端部效應導致模型兩端顏色較深、殘余油飽和度異常外,模型中段顏色較淺,基本呈白色,重力穩(wěn)定注氣發(fā)揮作用的模型中段,殘余油飽和度低于10%,采收效果較好,而且,隨著傾角的增加,注入速率降低,原油黏度減小,實現(xiàn)重力穩(wěn)定注氣模式的模型中段距離增加(試驗3殘余油飽和度9%的范圍20 cm,試驗7中范圍增長到40 cm),整體殘余油飽和度明顯降低,整體采收效果變好。存在傾角情況下,低速率注氣充分發(fā)揮重力分異作用,有效抑制黏性指進,穩(wěn)定氣驅(qū)前緣,實現(xiàn)或部分實現(xiàn)重力穩(wěn)定作用,驅(qū)油效率遠高于常規(guī)注氣。

表5　氣驅(qū)后管內(nèi)殘余油飽和度分布Table 5　Distribution of residual oil saturation in tube after gas flooding

4　重力穩(wěn)定氣驅(qū)判別模型應用

運用改進的重力穩(wěn)定判別數(shù)NGAGI對以上7組重力穩(wěn)定氣驅(qū)影響因素試驗進一步分析發(fā)現(xiàn),隨著重力穩(wěn)定判別數(shù)NGAGI增加,可實現(xiàn)或者部分實現(xiàn)重力穩(wěn)定氣驅(qū)模式,氣竄時間延后,采收效果變好;較大的儲層傾角、低速率注氣和較低的原油黏度,NGAGI值增加,對于氣驅(qū)前緣穩(wěn)定和驅(qū)油效率提高有利;在存在傾角情況下,仍需要低速注氣加強重力穩(wěn)定作用。

如表6,調(diào)研3個油田實施重力穩(wěn)定注空氣技術(shù)[11-16]礦場試驗情況并結(jié)合以上室內(nèi)試驗數(shù)據(jù),可以發(fā)現(xiàn),當重力穩(wěn)定判別數(shù)NGAGI大于1時,礦場試驗油藏穩(wěn)定生產(chǎn)多年未見氣竄,礦場試驗和室內(nèi)試驗增油效果顯著,而NGAGI小于1時,頂部注氣過早突破,未達到預期效果。

運用改進的重力穩(wěn)定判別數(shù)NGAGI,綜合考慮注入氣與原油密度差異、原油黏度、滲透率、注入速率和儲集層傾角等因素的影響,評價重力穩(wěn)定注氣界面穩(wěn)定程度,篩選重力穩(wěn)定適用油藏,為油田礦場應用提供一定的決策依據(jù)。

表6　重力穩(wěn)定氣驅(qū)判別模型應用

5　結(jié)　論

(1)氣驅(qū)開始至氣體突破前,驅(qū)油效率急劇上升,氣竄后驅(qū)油效率上升幅度驟減,生產(chǎn)進入平穩(wěn)期,重力穩(wěn)定氣驅(qū)存在高效的穩(wěn)定生產(chǎn)階段,即氣竄前階段,穩(wěn)定生產(chǎn)階段的長短對于提高驅(qū)油效率影響很大;增大模型傾角、減小注氣速率和降低原油黏度,可延長穩(wěn)定生產(chǎn)時間,利于實現(xiàn)重力穩(wěn)定氣驅(qū)模式,提高采收率。

(2)刨除填砂管兩端由于端部效應效果不甚明顯,重力穩(wěn)定氣驅(qū)主要作用的填砂管中部,殘余油砂基本呈白色,殘余油飽和度低于10%,采收效果較好。

(3)綜合考慮注入氣與原油密度差異、原油黏度、滲透率、注入速率和儲集層傾角等因素的影響,建立簡單量化的頂部注氣重力穩(wěn)定判別模型NGAGI,當NGAGI大于1時,可實現(xiàn)重力穩(wěn)定氣驅(qū)模式,增油效果明顯,而NGAGI小于1時,頂部注氣易氣竄,未達到預期效果。運用改進的重力穩(wěn)定判別數(shù)NGAGI可有效評價重力穩(wěn)定氣驅(qū)前緣穩(wěn)定性,為重力穩(wěn)定氣驅(qū)適用油藏篩選和現(xiàn)場施工提供一定的決策依據(jù)。