特低滲油藏CO2驅(qū)氣竄規(guī)律研究

韋琦，侯吉瑞*，郝宏達(dá)，宋兆杰

1 中國石油大學(xué)(北京)提高采收率研究院，北京 102249

2 溫室氣體封存與石油開采利用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249

3 中國石油三次采油重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室低滲油田提高采收率應(yīng)用基礎(chǔ)理論研究室，北京 102249

CO2驅(qū)油在低滲/特低滲油藏開發(fā)中具有明顯優(yōu)勢，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外許多油田[1-3]。但是由于重力超覆、黏性指進(jìn)等問題，導(dǎo)致CO2的竄逸問題十分嚴(yán)重[4]。并且，隨著儲層非均質(zhì)性的增大，氣體容易沿著高滲透層突進(jìn)，CO2驅(qū)油效果明顯降低[5-7]。因此，正確認(rèn)識CO2氣竄規(guī)律，對改善特低滲油藏CO2驅(qū)油效果具有重要指導(dǎo)意義。

國內(nèi)外學(xué)者對CO2氣竄問題已進(jìn)行了大量的研究，但目前尚未形成統(tǒng)一認(rèn)識[8-13]。專家普遍認(rèn)為，CO2的注入壓力以及儲層的非均質(zhì)性對氣竄規(guī)律的影響十分顯著。當(dāng)溫度超過31 ℃，壓力超過7.382 MPa時，CO2將由氣態(tài)達(dá)到超臨界狀態(tài)，黏度接近于氣體，密度接近于液體，同時具有很強(qiáng)的萃取以及溶解能力；進(jìn)一步增大壓力，CO2和原油將會達(dá)到混相狀態(tài)。增大注入壓力有利于驅(qū)出地層原油，同時也將在一定程度上影響CO2的氣竄規(guī)律[14]。當(dāng)儲層的非均質(zhì)性十分嚴(yán)重時，CO2沿著高滲透層突進(jìn)，特別是當(dāng)裂縫存在時，CO2極易沿著裂縫形成氣竄通道，大大降低了波及效率，導(dǎo)致大量的CO2氣體在地層中形成無效循環(huán)，影響最終采收率。

目前室內(nèi)CO2驅(qū)油實(shí)驗(yàn)大多采用細(xì)管實(shí)驗(yàn)或者巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)。細(xì)管實(shí)驗(yàn)中CO2能夠與原油充分接觸，未考慮波及，更加理想化[15]。而巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)既考慮了波及情況，又考慮了巖心的潤濕性、孔徑分布以及滲透率等等相關(guān)物性，更加接近礦場的實(shí)際條件。為了進(jìn)一步研究特低滲油藏CO2驅(qū)的氣竄規(guī)律，本文借助室內(nèi)巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，分析了在儲層溫度和壓力下特低滲油藏CO2驅(qū)替過程中的生產(chǎn)動態(tài)特征與氣竄規(guī)律，研究了CO2注入壓力和儲層非均質(zhì)性對特低滲油藏CO2驅(qū)氣竄規(guī)律的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

為了研究特低滲油藏CO2驅(qū)的氣竄規(guī)律，筆者模擬長慶姬塬油田黃3區(qū)塊的礦場實(shí)際條件，在室內(nèi)建立了與目標(biāo)區(qū)塊油藏儲層滲透率/孔隙結(jié)構(gòu)相近的人造巖心。借助室內(nèi)巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，分析了儲層溫度和壓力下特低滲油藏CO2驅(qū)替過程中的生產(chǎn)特征及氣竄規(guī)律。在油藏溫度下，改變CO2的注入壓力(5 MPa、10 MPa、15 MPa、20 MPa、25 MPa)和非均質(zhì)條件(巖心滲透率級差5、10、15、20，以及裂縫性巖心模型)，分析生產(chǎn)氣油比、不同采油階段采出程度、注入量等參數(shù)，研究注入壓力以及非均質(zhì)性對特低滲油藏CO2驅(qū)氣竄規(guī)律的影響。

1.2 實(shí)驗(yàn)條件及材料

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：KDHW-II型自控恒溫箱、Isco泵、巖心夾持器(適用巖心規(guī)格30 cm×4.5 cm×4.5 cm)、活塞中間容器、回壓閥、D07-11C型氣體流量計、CS200型氣體流量計、壓差變送器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、氣液分離裝置、液體收集裝置、管線若干。實(shí)驗(yàn)流程圖如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)巖心：實(shí)驗(yàn)用巖心包括不同滲透率級差(5、10、15、20)的人造非均質(zhì)方巖心，以及裂縫性巖心模型。人造巖心采用與儲層相近的礦物成分混合壓制而成。巖心規(guī)格均為4.5 cm×4.5 cm×30 cm，實(shí)驗(yàn)用巖心礦物組成見表1，實(shí)驗(yàn)用巖心基礎(chǔ)參數(shù)見表2。

實(shí)驗(yàn)用氣：高純CO2，純度為99.99%。

實(shí)驗(yàn)用水：模擬長慶油田黃3區(qū)塊地層水，地層水礦化度為61 240 mg/L，水型為CaCl2型，地層水礦物組成見表3。

實(shí)驗(yàn)用油：長慶黃3區(qū)塊地層原油，地層溫度86.2 ℃下原油黏度為2.16 mPa·s，密度為0.768 g/cm3，地層溫度下實(shí)驗(yàn)用油相關(guān)性質(zhì)見表4。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)特低滲油藏CO2驅(qū)替實(shí)驗(yàn)

① 制作與長慶姬塬油田黃3區(qū)塊儲層孔隙度、滲透率相近的人造巖心，烘干，測量長寬高，計算視體積；

② 將巖心放入巖心夾持器中，加環(huán)壓，抽真空約4 h；

③ 飽和地層水，測定孔隙體積、孔隙度；

④ 按圖1所示連接好設(shè)備，設(shè)定實(shí)驗(yàn)溫度為85 ℃，恒溫12 h以上，水測滲透率；

⑤ 變流速飽和油，待出口端恒定出油之后，飽和油結(jié)束，計算飽和油體積，并老化24 h；

圖1 實(shí)驗(yàn)流程圖Fig. 1 Experimental flow chart

表1 實(shí)驗(yàn)用巖心礦物組成Table 1 The mineral composition of core

表2 實(shí)驗(yàn)用巖心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Table 2 The datas of experimental cores

表3 地層水礦物組成Table 3 Ionic compositions of formation water

⑥ 設(shè)定出口端回壓15 MPa(與黃3區(qū)塊目前地層壓力相近)，恒速1 mL/min(模擬地下條件)注入CO2，直至出口端生產(chǎn)氣油比＞4000 m3/m3時為止，記錄注入壓力、出口端液體與氣體體積等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；

⑦ 繪制特低滲油藏CO2驅(qū)典型生產(chǎn)特征曲線，包括氣驅(qū)采收率和生產(chǎn)氣油比與注入體積的關(guān)系曲線。

(2)CO2注入壓力對氣竄規(guī)律影響實(shí)驗(yàn)

① 選取滿足滲透率要求的均質(zhì)巖心，烘干，測量長寬高，計算視體積；

② ～ ⑤同上；

⑥ 分別設(shè)定出口端回壓5 MPa、10 MPa、15 MPa、20 MPa、25 MPa，恒速1 mL/min(模擬地層條件)注入CO2，直至出口端生產(chǎn)氣油比＞4000 m3/m3時為止，記錄注入壓力、出口端產(chǎn)液量與產(chǎn)氣量等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計算氣驅(qū)采收率。

(3)非均質(zhì)性對氣竄規(guī)律影響實(shí)驗(yàn)

① 選取不同滲透率級差(5、10、15、20)的人造非均質(zhì)方巖心和裂縫性巖心，烘干，測量長寬高，計算視體積；

② ～ ⑤同上；

⑥ 設(shè)定出口端回壓15 MPa，恒速1 mL/min(模擬地下條件)注入CO2，直至出口端生產(chǎn)氣油比＞4000 m3/m3時為止，記錄注入壓力、出口端產(chǎn)液量與產(chǎn)氣量等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計算氣驅(qū)采收率。

2 特低滲油藏CO2驅(qū)生產(chǎn)動態(tài)特征

為研究特低滲油藏CO2驅(qū)的氣竄規(guī)律，選取了與長慶姬塬油田黃3區(qū)塊儲層孔隙度、滲透率相近的人造巖心CQJZ-3，在油藏溫度85 ℃和地層壓力15 MPa下，開展了注CO2驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，生產(chǎn)動態(tài)曲線如圖2所示。當(dāng)CO2的總注入量為1.51 PV時生產(chǎn)氣油比達(dá)到4825 m3/m3，CO2驅(qū)最終采收率達(dá)到65.61%，

表4 實(shí)驗(yàn)用油物理性質(zhì)Table 3 Physical properties of oil

圖2 15 MPa注入壓力下CO2驅(qū)生產(chǎn)動態(tài)曲線Fig. 2 Dynamic simulation of CO2 flooding at 15 MPa injection pressure

根據(jù)CO2驅(qū)替過程中的生產(chǎn)動態(tài)特征，可將驅(qū)替過程分為3個階段：無氣采油階段、見氣階段以及氣竄階段(如圖2所示)。① 在無氣采油階段，單相原油以段塞的形式產(chǎn)出。② 當(dāng)出口端有溶解氣產(chǎn)出時，CO2驅(qū)進(jìn)入見氣階段。在此階段，原油為連續(xù)相，氣體為分散相。在見氣階段，氣驅(qū)的采出程度迅速增大，大量原油采出，為CO2驅(qū)提高采收率的關(guān)鍵階段。③出口端大量見氣時，CO2驅(qū)進(jìn)入氣竄階段。在此階段大量氣體攜帶少量原油產(chǎn)出，氣為連續(xù)相，出口端的原油以噴射狀產(chǎn)出。氣竄階段又可細(xì)分為氣竄形成階段和完全氣竄階段。在氣竄形成階段，氣竄通道逐漸形成并擴(kuò)大，生產(chǎn)氣油比變化幅度較大且不規(guī)則，氣驅(qū)的采出程度增幅變緩。隨著氣體繼續(xù)注入，巖心內(nèi)CO2的氣竄通道已經(jīng)形成，生產(chǎn)氣油比迅速增大，CO2驅(qū)進(jìn)入完全氣竄階段，此時氣驅(qū)采出程度幾乎不再增大。

在不同注入壓力和非均質(zhì)條件下開展注CO2驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，均表現(xiàn)出如圖2所示的驅(qū)替特征，但是CO2注氣壓力與非均質(zhì)條件的改變，均會對CO2驅(qū)的生產(chǎn)動態(tài)特征曲線造成不同程度的影響。

3 注入壓力對CO2氣竄規(guī)律的影響

如前文所述，當(dāng)CO2的注入壓力發(fā)生變化時，地層內(nèi)CO2的相態(tài)將發(fā)生變化，從低壓的氣態(tài)到超臨界狀態(tài)到最終的混相狀態(tài)，注入壓力的改變不僅影響注CO2驅(qū)的開發(fā)效果，也勢必會影響CO2驅(qū)的氣竄規(guī)律。

本部分選取與長慶姬塬油田黃3區(qū)塊儲層孔隙度、滲透率相近的人造巖心，開展了不同注入壓力下注CO2巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5及圖3所示。CO2驅(qū)采收率隨著注入壓力的增大而增大。隨著注入壓力增大，CO2由氣態(tài)轉(zhuǎn)變到超臨界狀態(tài)，CO2驅(qū)也由最初的非混相驅(qū)變?yōu)榻煜囹?qū)，最終轉(zhuǎn)變?yōu)榛煜囹?qū)。當(dāng)注入壓力達(dá)到25 MPa時，注入的CO2與地層原油實(shí)現(xiàn)動態(tài)混相，最終采出程度可達(dá)到88.81%。

表5 CO2注入壓力對氣竄規(guī)律影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 5 Effect of CO2 injection pressure on gas channeling

圖3 CO2驅(qū)總采收率及各階段采出程度隨注入壓力關(guān)系曲線Fig. 3 The recovery of CO2 flooding at each stage flooding with the injection pressure curve

圖3是CO2驅(qū)總采收率及各階段采出程度隨注氣壓力的變化關(guān)系曲線。總體來講，CO2驅(qū)總采收率隨注入壓力的升高而增大，但各個階段的采出程度卻有所差異。隨著注入壓力增大，無氣階段采出程度增幅不大。這是因?yàn)闊o氣階段的采收率主要是由巖心的基本物性決定，對于儲層物性相似的特低滲油藏，油氣相滲流流曲線中的純油流動區(qū)域大致相近，注入壓力的增大只是在一定程度上減緩了注入氣體的黏性指進(jìn)，使得驅(qū)替前緣或混相帶前緣推進(jìn)更加均勻。相對來講，CO2注入壓力增大，會在更大程度上改變油氣兩相共滲區(qū)，宏觀上表現(xiàn)為見氣階段和氣竄階段的采出程度大幅度增加。當(dāng)CO2由氣相轉(zhuǎn)變?yōu)槌R界狀態(tài)時，溶解和擴(kuò)散能力大幅增強(qiáng)，萃取和抽提輕烴的能力也明顯提高，因此見氣階段采出程度大幅度增加。當(dāng)注入壓力超過20 MPa時，CO2與原油的混相作用可大幅度提高原油采收率，因此在氣竄形成階段仍可采出一定量的原油。

圖4為CO2總注入量隨注入壓力變化柱狀圖。如圖所示，CO2的總注入量隨著注入壓力增大而增加，且隨著注入壓力增大，見氣階段和氣竄階段不斷擴(kuò)大。隨著注入壓力增大，地層內(nèi)CO2的相態(tài)一直在變化，從最開始的氣態(tài)到超臨界狀態(tài)，最終達(dá)到混相狀態(tài)，CO2的密度也隨之升高，單位體積CO2的注入量也就隨之增加；同時CO2在原油中的溶解度也隨著注入壓力的增大而增大，這也進(jìn)一步增大了CO2的注入量。當(dāng)CO2驅(qū)為非混相驅(qū)替(注入壓力5 MPa、10 MPa)時，氣竄通道迅速形成，氣體突破及竄逸速度較快；當(dāng)為近混相或混相驅(qū)替(15 MPa、20 MPa、25 MPa)時，氣竄通道形成較慢，CO2驅(qū)仍可在氣竄形成階段采出一定量原油。因此，保持地層壓力，盡可能實(shí)現(xiàn)CO2的近混相驅(qū)或混相驅(qū)，可在一定程度上延緩CO2氣竄，改善特低滲油藏CO2驅(qū)的開發(fā)效果。

4 非均質(zhì)性對CO2氣竄規(guī)律的影響

與CO2注入壓力的影響類似，儲層非均質(zhì)性在影響CO2驅(qū)開發(fā)效果的同時，也會影響特低滲油藏CO2驅(qū)的氣竄規(guī)律。為了研究儲層非均質(zhì)性對氣竄規(guī)律的影響，選取均質(zhì)巖心、不同滲透率級差(5、10、15、20)的層內(nèi)非均質(zhì)巖心以及裂縫性巖心，開展了油藏溫度和壓力條件(85 ℃、15 MPa)下注CO2巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表6及圖5所示。

驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果與前人的相關(guān)研究結(jié)論基本一致[18-19]，即隨著滲透率級差的增大，巖心非均質(zhì)性增強(qiáng)，CO2驅(qū)總采收率明顯降低。均質(zhì)巖心的采收率明顯高于非均質(zhì)巖心以及裂縫性巖心，且隨著儲層非均質(zhì)性的增強(qiáng)，CO2的總注入量以及各驅(qū)替階段分注入量明顯減少，出口端見氣時間和完全氣竄時間越來越早，注入氣體沿高滲通道以及裂縫發(fā)生竄逸的現(xiàn)象越發(fā)嚴(yán)重。

CO2驅(qū)替過程中各階段采出程度與滲透率級差關(guān)系曲線如圖5所示，隨著滲透率級差的增大，巖心非均質(zhì)性不斷增強(qiáng)。一方面，特低滲油藏CO2驅(qū)無氣階段的采出程度隨著儲層非均質(zhì)性的增加而降低，但降低的幅度很小。無氣采油階段采出程度主要受到儲層基本物性影響，特低滲透非均質(zhì)油藏的純油流動區(qū)域大致相近，因此無氣采油階段采出程度降幅較?。粚τ诹芽p性油藏，無氣采油階段采出程度主要由裂縫中的原油所貢獻(xiàn)。另一方面，巖心非均質(zhì)性對見氣階段與氣竄階段采出程度影響較大。與均質(zhì)巖心相比，滲透率級差為5時非均質(zhì)巖心見氣階段的采出程度明顯下降。CO2沿著高滲層突進(jìn)，注入氣體無法有效波及低滲儲層。隨著滲透率級差進(jìn)一步增大，層內(nèi)矛盾加重，CO2沿高滲層或裂縫突進(jìn)及竄逸的現(xiàn)象愈發(fā)顯著。由此可見，儲層非均質(zhì)性主要影響特低滲油藏CO2驅(qū)見氣階段和氣竄階段的開發(fā)效果。如何有效改善儲層非均質(zhì)性，抑制注入氣體沿高滲層或裂縫竄逸，提高見氣階段及氣竄階段的采出程度，是改善特低滲油藏CO2驅(qū)開發(fā)效果的關(guān)鍵點(diǎn)。

圖4 特低滲油藏CO2驅(qū)注入量隨注入壓力變化柱狀圖Fig. 4 The injection volume with the injection pressure change column

表6 非均質(zhì)性對CO2氣竄規(guī)律影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 6 Effect of heterogeneity on gas channeling

圖5 CO2驅(qū)總采收率與各階段采出程度隨滲透率級差變化關(guān)系曲線Fig. 5 The recovery of CO2 flooding at each stage flooding with the permeability ratio curve

文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，礦場的實(shí)際生產(chǎn)動態(tài)資料與本文室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，腰英臺油田生產(chǎn)實(shí)踐表明，油井見氣并不可怕，大部分增油量都是在見氣后采出的[22] 。

5 結(jié)論

借助室內(nèi)巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，分析了在油藏溫度和壓力條件下特低滲油藏CO2驅(qū)替過程中的生產(chǎn)特征及氣竄規(guī)律，研究了注入壓力和儲層非均質(zhì)性對氣竄規(guī)律的影響，主要得出以下結(jié)論：

(1)特低滲油藏注CO2驅(qū)替過程可細(xì)分為無氣采油階段、見氣階段以及氣竄階段。見氣階段的產(chǎn)油量對CO2驅(qū)總采收率貢獻(xiàn)巨大，是提高原油采收率的關(guān)鍵階段。

(2)隨著CO2注入壓力增大，無氣采油階段、見氣階段以及氣竄階段的采出程度逐漸增大。注入壓力對見氣階段采出程度的影響尤其顯著。當(dāng)注入氣體與地層原油實(shí)現(xiàn)近混相或混相驅(qū)替時，在氣竄形成階段仍可采出一定量的原油。

(3)隨著儲層非均質(zhì)性增強(qiáng)，CO2驅(qū)無氣采油階段、見氣階段以及氣竄階段的采出程度逐漸降低，且見氣階段采出程度受儲層非均質(zhì)性的影響較大。隨著儲層非均質(zhì)性加劇，CO2沿高滲層或裂縫的突進(jìn)及竄逸現(xiàn)象愈發(fā)顯著。

(4)盡可能保持地層壓力，改善儲層非均質(zhì)性，抑制注入氣體竄逸，延長CO2驅(qū)的見氣階段，可以提高見氣階段的采出程度，是改善特低滲油藏CO2驅(qū)開發(fā)效果的有效途徑。