普通稠油油藏多元熱流體驅(qū)提高采收率實驗研究

張明龍

(中國石油華北油田 工程技術(shù)部,河北 任丘 062550)

引言

在我國已開發(fā)的普通稠油油藏,主要的開采手段為常規(guī)水驅(qū)、蒸汽吞吐、蒸汽驅(qū)、氣驅(qū)及火驅(qū)[1-3]等。常規(guī)水驅(qū)的采收率較低,一般低于10%。蒸汽吞吐的作用范圍有限,吞吐周期產(chǎn)量遞減大,吞吐結(jié)束后,井間仍存在大量剩余油[4]。而蒸汽驅(qū)受注入蒸汽干度影響,開采效果差異性較大。CO2混相驅(qū)可有效改善原油性質(zhì)[5],但國內(nèi)由于受CO2氣源限制,無法將CO2混相驅(qū)大面積推廣應(yīng)用[6];與CO2相比,N2的氣源相對豐富,但N2的混相壓力較高,一般與普通稠油不容易混相,且易發(fā)生氣竄[7]?；痱?qū)是近幾年逐漸成熟的開發(fā)稠油的新技術(shù)?；痱?qū)現(xiàn)場先導(dǎo)試驗主要在新疆紅淺1井區(qū)、遼河鄭408區(qū)塊成功實施[8-9],但稠油火驅(qū)對井筒完整性要求較高,火線控制仍處于憑經(jīng)驗調(diào)整階段,在理論上還未完全掌握火驅(qū)的驅(qū)油機理,且地面投資較大。多元熱流體開采技術(shù)是將N2、CO2等氣體與高溫蒸汽同時注入油藏驅(qū)替原油的一種復(fù)合熱采技術(shù),水蒸汽的高溫可有效降低原油黏度,CO2與原油混相不僅進一步降低了原油黏度,而且原油溶解CO2后原油體積可膨脹10%～40%,改善了原油流態(tài)[10];N2的壓縮系數(shù)較大,高壓注入時,較高的膨脹能可補充地層能量[11-14]。在多元熱流體注入地層過程中,多元熱流體中的氣體快速滲流加快了熱傳遞速度,可有效克服蒸汽驅(qū)的沿程熱損失,同時蒸汽在與地層流體進行熱交換后形成的熱水在一定程度上緩解了氣竄的形成。

通過室內(nèi)實驗方式,對比蒸汽、CO2+N2、蒸汽+CO2、蒸汽+N2、蒸汽+CO2+N25種多元熱流體驅(qū)替效果,考察驅(qū)替過程中模型的溫度分布、壓力保持水平、氣油比參數(shù),驗證多元熱流體蒸汽+CO2+N2驅(qū)在普通稠油開采過程中的協(xié)同作用,達到提高采收率的目的。

1 室內(nèi)物理模擬實驗

1.1 實驗材料

(1)實驗用油為XL油田J32區(qū)塊J32井騰二段Ⅲ油組原油,地層溫度50 ℃,黏度為1 600 mPa·s,在地層壓力3.37 MPa下地層原油溶解氣油比為1.2 m3/m3。

(2)實驗用水為聯(lián)合站分離出的采出水配置的礦化度為8 860 mg/L的地層模擬水, 水型為NaHCO3。

(3)實驗用氣體為CO2(純度為98%)、N2(純度為99%),均為工業(yè)氣瓶裝氣,并轉(zhuǎn)至中間容器加壓30 MPa使用。

(4)利用吉32斷塊13口取心井的天然巖心搗碎后裝填至Φ2.5 cm×75 cm的填砂管模型中,模型孔隙度為30.6%,滲透率1 377×10-3μm2,含油飽和度為62%。

1.2 實驗裝置

實驗裝置為HDH-100C雙缸恒速恒壓泵、ZQ-1型蒸汽發(fā)生器(350 ℃,35 MPa)、油氣水三相計量裝置、流量計、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及各種溫度、壓力傳感器等。實驗裝置流程見圖1。

圖1 多元熱流體驅(qū)替實驗裝置流程

1.3 實驗條件

恒溫箱溫度設(shè)置為地層溫度50 ℃,溫度、壓力傳感器從開始注氣時錄取數(shù)據(jù),但數(shù)據(jù)分析僅采用穩(wěn)定驅(qū)替階段數(shù)值。填砂管模型出口回壓設(shè)置為19.5 MPa,大于原油與CO2的混相壓力17.3 MPa,保證CO2可與原油形成混相。

1.4 實驗方案

將填砂管模型飽和原油后,按表1的驅(qū)替方案進行驅(qū)替實驗。

表1 多元熱流體驅(qū)替實驗方案

2 實驗結(jié)果分析討論

2.1 溫度分布

在多元熱流體驅(qū)替過程中,不同位置溫度傳感器的溫度值隨驅(qū)替的進行開始上升,但在穩(wěn)定驅(qū)替階段,各點的溫度相對穩(wěn)定,溫度的高低僅與驅(qū)替介質(zhì)有關(guān)。因此,本文僅研究在穩(wěn)定驅(qū)替階段不同多元熱流體下不同位置溫度的變化。

由圖2不同多元熱流體驅(qū)替溫度變化可見,5種熱流體穩(wěn)定驅(qū)替過程中,在第1個測溫點即靠近填砂管模型的注入口溫度均在190 ℃左右,在第5個測溫點即靠近填砂管模型采出口位置時,驅(qū)替后的剩余溫度差異較大,從注入端到采出端5種熱流體溫度分別下降了70.9%、69.1%、67.6%、64.9%、62.1%,蒸汽+CO2+N2驅(qū)的剩余溫度最高,達到了72 ℃,蒸汽驅(qū)的剩余溫度最低,為55 ℃。這是由于在高溫蒸汽中加入CO2、N2氣體,由于氣體的導(dǎo)熱性能較差,在滲流過程中包裹水蒸汽,可減少水蒸汽的熱損失,N2具有較高的膨脹作用,擴大了加熱范圍,而CO2在原油中具有較高的溶解能力,溶解在地層油中后,使地層原油膨脹,降低原油的黏度,增加其流動性,而流動性的增加又強化了熱量的傳導(dǎo),提高了導(dǎo)熱效率。因此多元熱流體蒸汽+CO2+N2驅(qū)過程中出口的剩余溫度最高,而單獨的蒸汽驅(qū)雖然在注入段也具有較高的溫度,但水蒸汽在進入地層后,與低溫的地層流體、巖石進行快速熱交換,并在飽和蒸汽壓的作用下,迅速凝結(jié)成熱水,熱量大幅下降,導(dǎo)致出口端的溫度最低,而CO2+N2驅(qū)中,雖然氣體的快速滲流可減少熱量的損失,但氣體無法攜帶較多的熱量,所以在出口端溫度同樣較低。

圖2 不同多元熱流體驅(qū)替不同位置溫度變化

2.2 壓力保持水平

穩(wěn)定驅(qū)替過程中,壓力在填砂管模型中連續(xù)傳遞,因此在填砂管模型中設(shè)置5個測壓點來模擬油藏中部的壓力。由圖3不同多元熱流體驅(qū)替壓力變化可見,在5種熱流體驅(qū)替過程中,壓力沿注入方向均逐漸降低,蒸汽+N2、蒸汽+CO2+N2驅(qū)替過程中,壓力保持水平最高,分別達到80.3%、78.4%,CO2+N2驅(qū)、蒸汽+CO2驅(qū)次之,而蒸汽驅(qū)的壓力下降最快,保持水平最低,僅為50%。多元熱流體中的CO2在高于飽和壓力下可溶于原油,使原油體積膨脹;而N2雖然難溶于原油,但N2具有較好的膨脹增能作用,在高壓注入下,可有效補充地層能量,因此N2的壓力保持能力要高于CO2,同時由于熱流體中的水蒸汽攜帶大量熱量,使氣體分子更為活躍,強化了氣體增能作用;而蒸汽驅(qū)過程中,水蒸汽在與地層熱交換后溫度迅速下降,凝結(jié)成熱水后,由高溫高壓氣態(tài)轉(zhuǎn)變成低溫液態(tài),蒸汽壓力迅速下降,導(dǎo)致蒸汽驅(qū)的地層壓力保持水平最低。

圖3 不同多元熱流體驅(qū)替不同位置壓力變化

2.3 氣油比

由圖4不同多元熱流體驅(qū)替氣油比可見,在常規(guī)水驅(qū)至含水90%后,N2+CO2驅(qū)的氣油比上升最快,在注入量為2.5 PV時,氣油比達到2 000 m3/m3,蒸汽驅(qū)的氣油比上升最慢,在注入量達到4.52 PV時,氣油比達到2 000 m3/m3,蒸汽+N2驅(qū)、蒸汽+CO2驅(qū)、蒸汽+CO2+N2驅(qū)次之,相差不大,在注入量達到3～4 PV時,氣油比達到2 000 m3/m3。分析認為,由于N2+CO2驅(qū)過程中,驅(qū)替介質(zhì)為純氣體,攜帶熱量快速散失后,無法充分降低原油黏度,原油流動性差,不能充分和CO2形成混相驅(qū),CO2氣體將游離在地層中,同時地層物性較好,存在一定的高滲通道,氣體在高壓注入下,CO2+N2會沿高滲通道進入生產(chǎn)井,形成氣竄,油井過早見氣后,氣油比迅速上升,導(dǎo)致停井。而蒸汽驅(qū)過程中,大部分蒸汽在與地層熱交換后形成熱水,僅有少部分蒸汽沿地層大孔道到達生產(chǎn)井,因此蒸汽驅(qū)的氣油比上升最慢。其他3種多元熱流體驅(qū)替過程中,由于水蒸氣的熱量+氣體膨脹+氣體溶解降黏作用,在地層中的波及體積增加,熱傳遞范圍擴大,氣體在地層中的溶解范圍擴大,氣體可占據(jù)更多的孔隙空間,更多的氣體被埋存在地下,因此出口端氣油比上升緩慢。

圖4 常規(guī)水驅(qū)至含水90%后不同多元熱流體驅(qū)替氣油比

3 采收率

從表2不同多元熱流體驅(qū)油效果看,在填砂管模型常規(guī)水驅(qū)至90%后,采用蒸汽+CO2+N2驅(qū)的驅(qū)油效果最好,采收率達到68.31%,比常規(guī)水驅(qū)高29.76%,而CO2+N2驅(qū)的采收率最低,僅比常規(guī)水驅(qū)高7.09%,其他3種多元熱流體的采收率在50%～60%。分析認為,雖然CO2+N2驅(qū)過程中混合氣體與其他多元熱流體一樣,被加熱到200 ℃,但由于氣體分子的特性,其攜帶的熱量有限,且熱量保持時間較短,傳遞范圍有限,從圖2溫度變化也可以看出,地層溫度保持效果差,而蒸汽+CO2+N2驅(qū)時,由于水蒸汽的熱焓值高,攜帶的熱量高,混合氣體中N2的膨脹增能作用協(xié)助了熱量的傳遞,而CO2在原油中的溶解降黏作用進一步強化了熱采的效果,水蒸汽熱交換凝結(jié)成熱水后,形成的水氣交替驅(qū)前緣可有效降低混合氣體在大孔道的滲流能力,降低了氣體沿大孔道的擴散,使氣體進入地層深部,擴大了氣體在地層的波及體積,使CO2混相驅(qū)替優(yōu)勢和 N2的補充能量優(yōu)勢得以進一步發(fā)揮,因此采油效果最好。

表2 不同多元熱流體驅(qū)油效果

4 結(jié) 論

(1)多元熱流體在驅(qū)替普通稠油過程中,可有效提高地層溫度、壓力,降低原油黏度,保持地層壓力。

(2)多元熱流體蒸汽+CO2+N2驅(qū)在出口段剩余溫度最高,達到72 ℃,蒸汽驅(qū)的剩余溫度最低,僅為55 ℃;蒸汽+N2、蒸汽+CO2+N2多元熱流體驅(qū)替過程中,地層壓力保持水平最高,分別達到80.3%、78.4%,CO2+N2驅(qū)、蒸汽+CO2驅(qū)次之,而蒸汽驅(qū)的地層壓力保持水平最低,僅為50%。

(3)N2+CO2驅(qū)的氣油比上升最快,蒸汽驅(qū)的氣油比上升最慢,蒸汽+N2驅(qū)、蒸汽+CO2驅(qū)、蒸汽+CO2+N2驅(qū)次之。

(4)采用多元熱流體蒸汽+CO2+N2驅(qū)的驅(qū)油效果最好,采收率達到68.31%,比常規(guī)水驅(qū)高29.76%,而CO2+N2驅(qū)的采收率最低,僅比常規(guī)水驅(qū)高出7.09%。