低滲非均質(zhì)油藏CO2驅(qū)特征及水動(dòng)力學(xué)封竄方法

趙清民，倫增珉，趙淑霞

（1.中國石化海相油氣藏開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083；2.中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京100083）

CO2注入油層，可以使原油膨脹、降低原油黏度，與原油混相從而大幅度提高原油采收率，而且CO2注入地層可以實(shí)現(xiàn)溫室氣體減排的目標(biāo)。因此，CO2驅(qū)提高采收率技術(shù)得到越來越廣泛的應(yīng)用。但在CO2注入過程中，由于氣體具有較高的流度，CO2會(huì)過早地從生產(chǎn)井突破，國內(nèi)外許多CO2驅(qū)礦場試驗(yàn)都監(jiān)測(cè)到了氣竄現(xiàn)象[1,2]。我國油藏多屬于陸相沉積，非均質(zhì)比較嚴(yán)重，層間及層內(nèi)儲(chǔ)層滲透率差異很大，更會(huì)加劇CO2驅(qū)過程中氣體竄流。因此，為了提高CO2驅(qū)開發(fā)效果，需要抑制或延緩非均質(zhì)性導(dǎo)致的CO2竄流。李兆敏[3]、趙金省[4]、楊昌華[5]等人提出利用CO2泡沫技術(shù)來延緩氣竄發(fā)生，Jianhang Xu[6]、R M Enick[7]、沈愛國[8]等人提出在CO2氣體中加入高分子量的聚合物或共聚物，對(duì)CO2氣體增黏從而改善其流度；趙仁保[9]等人利用復(fù)合凝膠體系對(duì)氣體竄流通道進(jìn)行封堵，從而改善CO2驅(qū)效果，但CO2泡沫、增黏及復(fù)合凝膠技術(shù)在低滲透油藏應(yīng)用時(shí)存在吸附損失嚴(yán)重、注入困難等問題，因此，考慮通過物理方法抑制氣竄的可行性。

流體動(dòng)力學(xué)環(huán)境對(duì)儲(chǔ)層中流體的傳質(zhì)、流動(dòng)等會(huì)有很大的影響，不同的注氣方式下，儲(chǔ)層流體所處的動(dòng)力學(xué)環(huán)境不同，會(huì)對(duì)CO2在原油中的傳質(zhì)、擴(kuò)散和流動(dòng)產(chǎn)生不同的效應(yīng)。因此，研究了動(dòng)力學(xué)條件對(duì)非均質(zhì)模型CO2驅(qū)氣竄特征的影響，通過對(duì)不同注氣方式CO2驅(qū)替特征分析，優(yōu)化CO2驅(qū)注入方式。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及材料

實(shí)驗(yàn)所用的非均質(zhì)模型為雙層非均質(zhì)模型，中間無隔層，模擬層內(nèi)非均質(zhì)油藏，模型的尺寸為4.5 cm×4.5 cm×30 cm，模型的物性參數(shù)見表1。

表1 非均質(zhì)模型物性參數(shù)Table 1 Physical properties parameters of heterogeneous model

實(shí)驗(yàn)所用原油為脫氣原油，50 ℃時(shí)原油黏度為2 mPa·s，界面張力法測(cè)得原油與CO2的混相壓力在38 MPa，實(shí)驗(yàn)壓力為20 MPa，因此，實(shí)驗(yàn)過程中原油與CO2不能實(shí)現(xiàn)混相，為非混相驅(qū)。

實(shí)驗(yàn)流程示意圖見圖1，主要的實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括恒溫箱、注入泵系統(tǒng)、油氣水中間容器、巖心夾持器、回壓調(diào)節(jié)器、氣量計(jì)、精密壓力傳感器等。

圖1 非均質(zhì)模型驅(qū)替流程Fig.1 Process of heterogeneous model

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過改變注入方式來改變模型中的動(dòng)力學(xué)環(huán)境，采用平行非均質(zhì)模型樣品，共進(jìn)行了四種注氣方式開采實(shí)驗(yàn)：連續(xù)注氣、水氣交替、脈沖注氣和間歇注氣。其中，連續(xù)注氣在CO2未突破之間，模型中流體處于相對(duì)穩(wěn)定的動(dòng)力學(xué)環(huán)境；水氣交替的段塞大小為0.1PV，段塞比為1∶1；脈沖注氣是一定的恒定壓力注入氣體，當(dāng)油藏內(nèi)部壓力穩(wěn)定后停止注氣，打開出口端進(jìn)行衰竭開采，降壓開采完成后，關(guān)閉出口端，重新恒壓注入CO2，重復(fù)上述過程，直到采出端達(dá)到高氣液比為止，停止注氣，脈沖注氣的升壓和降壓過程，會(huì)使模型中的動(dòng)力學(xué)環(huán)境處于不穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)氣體的流動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)擾動(dòng)效應(yīng)；間歇注氣的注氣段塞大小為0.1PV，間歇周期為1∶1，在注氣周期時(shí)，同時(shí)在出口端采油，當(dāng)停止注氣時(shí)，關(guān)閉出口端，重復(fù)上述間歇注入過程，直到出口端達(dá)到高氣液比為止，停止注氣，間歇注入在悶井階段，模型中流體都處于靜止環(huán)境，有利于氣油之間的傳質(zhì)和擴(kuò)散。

2 結(jié)果與分析

2.1 非均質(zhì)模型CO2驅(qū)氣竄特征

圖2為非均質(zhì)模型連續(xù)注CO2的開采動(dòng)態(tài)，連續(xù)注氣是礦場試驗(yàn)時(shí)常被采用的注入方式。從圖2 氣油比曲線可以看出，連續(xù)注入0.4PV 的CO2后，采出端見氣，然后氣油比逐漸增大，形成氣竄。與均質(zhì)模型相比，氣體突破時(shí)間早，這是因?yàn)槟Ｐ偷姆蔷|(zhì)性，注入的CO2首先進(jìn)入高滲層，沿高滲層突進(jìn)，并隨著驅(qū)替進(jìn)行，在高滲層形成竄流通道。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對(duì)非均質(zhì)模型進(jìn)行切片，觀察非均質(zhì)模型原油動(dòng)用情況（圖6），可以看出，模型上部高滲層被驅(qū)替較為干凈，表明注入CO2主要是進(jìn)入高滲層，并最終在高滲層形成竄流通道。

圖2 非均質(zhì)模型連續(xù)CO2驅(qū)開采動(dòng)態(tài)Fig.2 Production performamce of heterogeneous model by continuous CO2 injection

圖3 為非均質(zhì)模型水氣交替注入時(shí)CO2驅(qū)特征曲線，水氣交替是一種能有效抑制氣體在大孔隙中形成優(yōu)勢(shì)流動(dòng)通道的注入方法。在水氣交替過程中，先注入的水以非活塞的方式進(jìn)入到高滲層的大孔道中，將原油排出并占據(jù)大孔道，后注入的氣體因大孔道處油水界面增加的毛管阻力，注入壓力升高，且隨著驅(qū)替的進(jìn)行，油藏中氣液相界面不斷增多，進(jìn)一步增大了毛管阻力，迫使注入氣體更多地進(jìn)入到低滲層或高滲層中的致密區(qū)，避免了氣體在高滲層中的突進(jìn)。同時(shí)，隨著水氣交替的進(jìn)行，由于注入水的阻隔作用，氣體不斷分散在油藏巖石孔隙中，不能形成連續(xù)相，這就有效地降低了氣體的流度，延緩了氣體的竄流。從圖3 氣油比曲線和含水率曲線可以看出，在注入0.5PV的CO2時(shí)，采出端先見水，然后注入1.09PV 時(shí)采出端才見氣，這表明水相的存在起到了良好的阻隔作用，注入的CO2難以形成連續(xù)相進(jìn)而形成氣竄，而且在見氣以后，出口氣油比在較低的范圍內(nèi)波動(dòng)變化，這表明，即使氣體突破后，水氣交替也較好的抑制了氣體的竄流。

圖3 非均質(zhì)模型水氣交替開采動(dòng)態(tài)Fig.3 Production performamce of heterogeneous model by WAG

圖4為非均質(zhì)模型間歇注入CO2開發(fā)特征曲線，CO2驅(qū)替過程中，CO2通過擴(kuò)散溶解作用進(jìn)入到原油中，從而達(dá)到降低原油黏度和降低油氣界面張力的效果，這一作用是一個(gè)漸進(jìn)的變化過程，間歇注氣延長了CO2在原油中的擴(kuò)散溶解時(shí)間。在停注階段，注入到油藏孔隙中的CO2可以與原油充分作用，降低原油黏度，同時(shí)，CO2在原油中的擴(kuò)散溶解可以使突進(jìn)的注氣前緣消失，通過不斷的減弱注氣前緣的突進(jìn)，來減緩氣體的突破。從圖4 可以看出，注入0.57PV的CO2時(shí)，采出端有氣體產(chǎn)出，相對(duì)于連續(xù)氣驅(qū)來說，間歇注氣在一定程度上也減緩了氣體的突破，但是注入氣突破后，氣油比上升比較快，很快作無效流動(dòng)。

圖4 非均質(zhì)模型間歇注氣開采動(dòng)態(tài)Fig.4 Production performamce of heterogeneous model by intermittent CO2 injection

圖5為非均質(zhì)模型脈沖注氣的開采動(dòng)態(tài)曲線，脈沖注氣主要是利用壓力擾動(dòng)效應(yīng)和氣體的彈性能力來驅(qū)替原油，其驅(qū)油機(jī)理是通過周期的注氣—降壓開采，在地層中造成不穩(wěn)定的壓力場，使流體在地層中不斷重新分布。在升壓階段，注入的CO2會(huì)溶于原油中，降低原油黏度，并提高了地層能量；在降壓衰竭開采階段，一是在壓差驅(qū)動(dòng)下原油被驅(qū)出，同時(shí)隨著壓力的降低，溶解在原油中氣體會(huì)釋放出來，起到溶解氣驅(qū)的作用，從而達(dá)到提高采收率的目的。從圖5氣油比曲線可以看出，在注入0.32PV的CO2后采出端就已見氣，相對(duì)于連續(xù)氣驅(qū)竄流更加嚴(yán)重。這可能是因?yàn)樵诜蔷|(zhì)油藏中采用脈沖注氣時(shí)，在降壓開采階段，由于低滲層壓力傳遞的延遲效應(yīng)[10]，高滲層中原油優(yōu)先被采出，在下一階段升壓階段，注入的CO2優(yōu)先補(bǔ)充到高滲層，在高滲層中不斷重復(fù)升壓降壓過程，高滲層中壓力場處于不穩(wěn)定狀態(tài)，這有可能會(huì)導(dǎo)致注入氣體在高滲層很快形成竄流通道。

圖5 非均質(zhì)模型脈沖注氣開采動(dòng)態(tài)Fig.5 Production performamce of heterogeneous model by pulse CO2 injection

2.2 非均質(zhì)模型CO2驅(qū)開采動(dòng)態(tài)

對(duì)比不同注氣方式下的采收率曲線可知，水氣交替注入時(shí)模型采出程度最高，為77.45%，間歇注氣和直接注氣方式的采出程度比較接近，分別為42.3%和40.28%，脈沖注氣時(shí)模型的采出程度最低，為31.91%。

根據(jù)模型開采動(dòng)態(tài)特征，可將注氣開發(fā)分為未見氣、低氣油比（＜600 m3/m3）和高氣油比（＞600 m3/m3）三個(gè)階段，連續(xù)注氣未見氣階段采出程度較低，為19.05%，表明模型非均質(zhì)性使CO2驅(qū)油效果變差，脈沖注氣未見氣階段采出程度最低，為14.64%，表明脈沖注氣的擾動(dòng)效應(yīng)增強(qiáng)了CO2氣竄，使驅(qū)油效果變差，而間歇注氣和水氣交替未見氣階段采出程度較高，分別為36%和47.27%，表明兩種注入方式延緩了CO2氣竄，提高了CO2波及體積。

結(jié)合采收率曲線和氣油比曲線，在低氣油比階段，連續(xù)注氣、水氣交替和脈沖注氣仍能采出不少的原油，階段采出程度分別為17.61 %、30.09 %和15%，低氣油比階段仍是注氣開發(fā)的重要階段，而間歇注氣在該階段采出油量較少，階段采出程度為4%。在高氣油比階段，氣油比迅速上升，在模型內(nèi)形成穩(wěn)定的流動(dòng)通道，以無效流動(dòng)為主，油井的產(chǎn)能較低，是開發(fā)的晚期階段（圖6）。

圖6 非均質(zhì)模型切片F(xiàn)ig.6 Section of heterogeneous model

綜合以上分析結(jié)果表明，通過水動(dòng)力學(xué)方法可以有效地抑制非均質(zhì)模型中的氣竄，水氣交替注入抑制氣竄的能力最強(qiáng)，能達(dá)到最佳的驅(qū)油效果；間歇注氣也能一定程度上減緩氣竄，但實(shí)驗(yàn)最終驅(qū)油效果不佳，可以進(jìn)一步延長CO2與原油相互作用的時(shí)間，從而延緩氣體的突破，改善驅(qū)油效果；脈沖注氣的擾動(dòng)效應(yīng)會(huì)加劇氣體在非均質(zhì)模型中的竄流，降低原油采收率。

3 結(jié)論

1）通過水動(dòng)力學(xué)方法可以有效地抑制非均質(zhì)模型中的氣竄，水氣交替注入抑制氣竄的能力最強(qiáng)，能達(dá)到最佳的驅(qū)油效果；間歇注氣也能一定程度上減緩氣竄，而脈沖注氣方式加劇了氣體的竄流，驅(qū)油效果最差。

2）注氣開發(fā)過程中，未見氣階段和低氣油比階段是油井的主要開發(fā)時(shí)期，延長兩個(gè)階段的時(shí)間可以提高開發(fā)效果。

3）對(duì)于能實(shí)施注水的低滲透非均質(zhì)油藏，優(yōu)先采用水氣交替CO2驅(qū)，對(duì)于存在注入性問題或者水敏性的油藏，采用間歇注氣或者連續(xù)注氣也可以獲得較高的采收率。