氮?dú)馔掏率酱紊鷼忭斝纬蓷l件及其影響因素

崔傳智，曾 昕，楊 勇，楊紫辰

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島266580；2.中國(guó)石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院，山東東營(yíng)257015；3.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司，陜西西安710016）

復(fù)雜斷塊油藏具有構(gòu)造復(fù)雜、含油面積小和地 層傾角大等特點(diǎn)，難以形成完善的注采井網(wǎng)結(jié)構(gòu)，水驅(qū)開發(fā)方式對(duì)油藏高部位剩余油的動(dòng)用效果較差［1-4］。單井氮?dú)馔掏录夹g(shù)作為該類油藏恢復(fù)地層能量、提高采收率的有效技術(shù)之一已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用［5-9］。氮?dú)馔掏录夹g(shù)依靠重力分異以及次生氣頂驅(qū)作用，將油藏頂部的“閣樓油”置換至較低部位，從而大幅提高驅(qū)油效率。國(guó)外對(duì)于氮?dú)馔掏录夹g(shù)的機(jī)理和影響因素已經(jīng)有了一定程度的認(rèn)識(shí)，并且在許多區(qū)塊和試驗(yàn)區(qū)已經(jīng)成功實(shí)施；而中國(guó)對(duì)氮?dú)馔掏录夹g(shù)的研究起步較晚，尤其是次生氣頂驅(qū)機(jī)理的研究，由于物理模擬實(shí)驗(yàn)條件的局限性，目前尚無(wú)一例成功的油藏案例［10-14］。因此，開展氮?dú)馔掏聴l件下次生氣頂形成機(jī)制的研究具有重大意義。為此，筆者針對(duì)存在能量補(bǔ)充（維持）困難的復(fù)雜斷塊油藏，分析實(shí)施氮?dú)馔掏滦纬纱紊鷼忭數(shù)臈l件、過(guò)程及影響因素，以達(dá)到均衡開發(fā)的效果，從而為復(fù)雜斷塊油藏氮?dú)馔掏麻_發(fā)提供技術(shù)支撐。

1 次生氣頂驅(qū)機(jī)理

次生氣頂驅(qū)是指在向油藏注氣后形成次生氣頂，生產(chǎn)井以氣頂膨脹能作為主要?jiǎng)恿M(jìn)行開采的氣驅(qū)方式。整個(gè)開發(fā)過(guò)程分為注氣增能、燜井和開采3個(gè)階段（圖1）。第1階段可迅速在油藏中儲(chǔ)存大量氮?dú)猓坏?階段保持單井關(guān)閉，使氣頂更充分更穩(wěn)定地在油藏頂部形成與聚集；第3階段在次生氣頂作用下開井生產(chǎn)。

圖1 次生氣頂驅(qū)油過(guò)程示意Fig.1 Diagram of secondary gas cap flooding process

氮?dú)馔掏聴l件下，次生氣頂驅(qū)主要是利用注入的氮?dú)庑纬删哂幸欢芰亢鸵?guī)模的次生氣頂，通過(guò)氣頂膨脹作用，改變?cè)万?qū)替方向，達(dá)到開采復(fù)雜斷塊油藏頂部“閣樓油”的目的；在油藏溫度和壓力下，部分氮?dú)馊芙庥谠褪沟迷宛ざ认陆?，有利于原油的流?dòng)；注入氮?dú)夂螅蜌饨缑鎻埩h(yuǎn)小于油水界面張力，油氣密度差又大于油水密度差，從而減小了毛管壓力的作用。

2 次生氣頂形成條件

在對(duì)氮?dú)馔掏聴l件下次生氣頂驅(qū)機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，假設(shè)如下：①地層巖石、油相和水相均不可壓縮。②氣驅(qū)油和油驅(qū)水的滲流過(guò)程均為垂向上的一維流動(dòng)，氮?dú)庾⑷脒^(guò)程中，油氣界面和油水界面均勻運(yùn)移。③氮?dú)庠谠椭械娜芙庋杆偻瓿桑业獨(dú)獠蝗苡诘貙铀?/p>

根據(jù)假設(shè)，在氮?dú)馔掏聠蝹€(gè)周期內(nèi)，次生氣頂形成過(guò)程可簡(jiǎn)化為氣驅(qū)油和油驅(qū)水2個(gè)階段，在此過(guò)程中油氣界面和油水界面均有所下降?；谖镔|(zhì)平衡原理，可得到次生氣頂形成條件的物質(zhì)平衡方程。

氮?dú)馔掏碌趇個(gè)周期時(shí)的物質(zhì)平衡關(guān)系為：

其中：

將（2）式至（6）式代入（1）式，整理變形可得油藏條件下自由氮?dú)怏w積為：

累積注入氮?dú)馑紦?jù)的地層孔隙體積為：

目前油藏條件下自由氮?dú)獾捏w積等于累積注入氮?dú)馑紦?jù)的地層孔隙體積，因此由（7）式和（8）式可得次生氣頂體積為：

引入氣頂指數(shù)，其為油藏中氣頂部分體積與含油部分體積之比，表達(dá)式為：

根據(jù)《天然氣藏地質(zhì)評(píng)價(jià)方法》［15］中的氣頂指數(shù)劃分標(biāo)準(zhǔn)可知，當(dāng)m＜0.5時(shí)，氣頂驅(qū)動(dòng)能量微弱，可忽略其作用；當(dāng)m≥0.5時(shí)，氣頂驅(qū)動(dòng)能量充足，氣頂驅(qū)油效果較為明顯，可形成次生氣頂。因此，當(dāng)m≥0.5時(shí)，則可形成具備一定規(guī)模和驅(qū)動(dòng)能量的次生氣頂。次生氣頂形成條件表達(dá)式為：

其中:

3 次生氣頂形成影響因素

基于已確定的次生氣頂形成條件，根據(jù)研究區(qū)塊的儲(chǔ)層和生產(chǎn)條件，結(jié)合中外注采參數(shù)研究及現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，分析氮?dú)馊芙饽芰?、地層壓力和注采參?shù)等因素對(duì)次生氣頂形成的影響。研究區(qū)塊的基礎(chǔ)參數(shù)包括：目前地層壓力為11.65 MPa，油藏溫度為56℃，目前地層條件下氮?dú)鈮嚎s因子為1.09；標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（壓力為0.101 MPa，溫度為20℃）氮?dú)鈮嚎s因子為1；原油地質(zhì)儲(chǔ)量為1.5×105m3，累積氮?dú)庾⑷肓繛?×105m3，累積產(chǎn)油量為4.6×104m3；束縛水飽和度為0.32，氣驅(qū)殘余油飽和度為0.1。

3.1 氮?dú)馊芙饽芰?/h3>

氮?dú)庠诘貙釉椭械娜芙饽芰^小，有利于驅(qū)替過(guò)程中地層能量的保持。氮?dú)馊芙饽芰?duì)次生氣頂?shù)挠绊懼饕w現(xiàn)在溶解氣油比的變化上。溶解氣油比越大，地層中能夠溶解的氮?dú)饬縿t越多。同時(shí)，地層原油體積系數(shù)受氮?dú)馊芙獾挠绊?，其表達(dá)式為：

由（13）式不難發(fā)現(xiàn)，地層原油體積系數(shù)與溶解氣油比的變化呈正相關(guān)。由溶解氣油比與氣頂指數(shù)關(guān)系曲線（圖2）可知，氣頂指數(shù)隨溶解氣油比的增加而降低，且降幅逐漸變緩。當(dāng)溶解氣油比較大時(shí)，注入氮?dú)馊菀兹芙庥谠椭?，地層?nèi)剩余的自由氮?dú)鈩t相應(yīng)減少；而溶解氣油比較低時(shí)，地層內(nèi)自由氮?dú)廨^為充足，易于在構(gòu)造高部位處聚集形成次生氣頂。

圖2 氣頂指數(shù)與溶解氣油比的關(guān)系Fig.2 Relationship between gas cap index and dissolved gas-oil ratio

3.2 地層壓力

地層壓力對(duì)次生氣頂形成條件的影響主要體現(xiàn)在溶解氣油比、地層原油體積系數(shù)及地層條件下氮?dú)怏w積系數(shù)3個(gè)方面。將三者代入（11）式，選取地層壓力分別為12，14，16，18和20 MPa，保持其余研究區(qū)塊參數(shù)不變，求得不同地層壓力下的m值，比較不同地層壓力下次生氣頂?shù)男纬蓷l件。

分析圖3可知，當(dāng)?shù)獨(dú)庾⑷肓肯嗤瑫r(shí)，氣頂指數(shù)隨地層壓力的升高呈降低趨勢(shì)。當(dāng)?shù)貙訅毫^低時(shí)，氣頂指數(shù)隨氮?dú)庾⑷肓康脑黾佣杆僭龃?，能夠較早地積聚次生氣頂驅(qū)所需的能量；當(dāng)?shù)貙訅毫^高時(shí)，氣頂指數(shù)隨氮?dú)庾⑷肓康脑黾佣龃螅龇兙?，這是因?yàn)椋⑷氲牡獨(dú)庠诘貙又械牧鲃?dòng)阻力增大，難以形成有效聚集，不利于次生氣頂?shù)男纬伞Ｕf(shuō)明地層壓力對(duì)次生氣頂?shù)男纬蓷l件有著較為重要的影響。

圖3 不同地層壓力下氣頂指數(shù)與氮?dú)庾⑷肓康年P(guān)系Fig.3 Relationship between gas cap index and injection rate at different formation pressures

3.3 注采參數(shù)

注采參數(shù)與次生氣頂?shù)男纬杉耙?guī)模有著密不可分的關(guān)系，且集中體現(xiàn)在氮?dú)庾⑷肓亢屠鄯e產(chǎn)油量上。分析氮?dú)庾⑷肓颗c氣頂指數(shù)曲線（圖3）亦可看出，較大的氮?dú)庾⑷肓坑欣诖紊鷼忭數(shù)男纬?。這是因?yàn)?，氮?dú)庾⑷肓吭酱?，地層中自由氮?dú)饬吭酱?，聚集后形成氣頂?shù)尿?qū)動(dòng)能量越充足。

為了更好地表征累積產(chǎn)油量的影響，引入采收率的概念（累積產(chǎn)油量與地質(zhì)儲(chǔ)量的比值）。選取采收率分別為20%，30%，40%和50%，保持其余研究區(qū)塊參數(shù)不變，比較累積產(chǎn)油量對(duì)次生氣頂形成的影響。不同采收率下氣頂指數(shù)與氮?dú)庾⑷肓筷P(guān)系（圖4）表明，氣頂指數(shù)隨采收率的提高呈增大趨勢(shì)。這是因?yàn)椋筒夭墒章试礁?，即累積產(chǎn)油量越高，剩余地層能量水平越低，氣頂指數(shù)越大，注入等量氮?dú)夂竽軌蛟窖杆俚鼐奂纬纱紊鷼忭旊r形，氣頂指數(shù)隨之增大，有利于次生氣頂?shù)男纬伞?/p>

圖4 不同采收率下氣頂指數(shù)曲線Fig.4 Gas cap index curves at different recovery factors

4 吞吐式次生氣頂形成過(guò)程

基于次生氣頂驅(qū)的作用機(jī)理，結(jié)合次生氣頂?shù)男纬蓷l件，利用油藏?cái)?shù)值模擬技術(shù)，建立典型復(fù)雜斷塊油藏?cái)?shù)值模型，分析氮?dú)馔掏滦纬纱紊鷼忭數(shù)牟煌A段。

4.1 模型建立

油藏?cái)?shù)值模擬模型為受斷層遮擋的典型復(fù)雜斷塊油藏，地層傾角約為10°，儲(chǔ)層平均滲透率為300 mD，平均孔隙度為0.26，儲(chǔ)層非均質(zhì)性較強(qiáng)，埋深為2 040 m，具有邊底水。模型基本參數(shù)包括：地層原油密度為0.850 g/cm3，最終采收率為30%，油層厚度為4 m，綜合含水率為21.0%。

利用油藏?cái)?shù)值模擬方法，建立模擬區(qū)塊網(wǎng)格數(shù)為22×11×4，平面上網(wǎng)格平均步長(zhǎng)為16 m，垂向上網(wǎng)格平均步長(zhǎng)為1 m（圖5a）。由次生氣頂形成條件的影響因素可知，所建立的模型中地層能量充足，重力分異作用效果較弱，不利于次生氣頂?shù)男纬?。因此，需要?duì)該模型進(jìn)行初始化處理。采用一注一采的注水驅(qū)替方式對(duì)模擬區(qū)塊進(jìn)行初步開發(fā)后，油水界面向上運(yùn)移，并于構(gòu)造頂部形成“閣樓油”。初始化后模型如圖5b所示。

4.2 形成過(guò)程

模擬次生氣頂?shù)男纬蛇^(guò)程時(shí)，對(duì)具體的生產(chǎn)參數(shù)設(shè)定如下：累積氮?dú)庾⑷肓繛?.5×105m3，氮?dú)庾⑷胨俣葹? 000 m3/d，周期注采時(shí)長(zhǎng)為180 d（注氣階段與開采階段各占一半時(shí)長(zhǎng)），燜井時(shí)長(zhǎng)為90 d，定壓生產(chǎn)。

注氣增能階段 在注氣增能階段，氮?dú)庠谧⑷刖浇奂⑾蛩闹軘U(kuò)散，注入井附近含氣飽和度迅速上升（圖6a）。同時(shí)，油藏頂部富集的“閣樓油”開始在氮?dú)怛?qū)的作用下逐漸向中低部位運(yùn)移，油水界面在該階段也有所下移；油藏頂部含油飽和度略有降低，中部含油飽和度開始升高（圖6b）。

燜井階段 燜井階段是次生氣頂形成過(guò)程中最為重要的階段。燜井時(shí)，在重力分異作用下，注入井附近聚集的大量氮?dú)忾_始向微構(gòu)造頂部運(yùn)移，形成具備一定規(guī)模和驅(qū)動(dòng)能量的次生氣頂（圖6a），并置換出頂部未被注入水波及到的“閣樓油”，儲(chǔ)層頂部含油飽和度明顯下降。相比于注氣增能階段，燜井階段時(shí)的次生氣頂規(guī)模更大（圖6b），驅(qū)動(dòng)能量更充足，含氣飽和度更高，發(fā)育更為完全。

開采階段 在開采階段，次生氣頂逐漸膨脹，繼續(xù)向高部位運(yùn)移至緊貼構(gòu)造頂部邊界（圖6a）。儲(chǔ)層中的剩余油在次生氣頂膨脹作用下被驅(qū)替出來(lái)，整體含油飽和度顯著降低（圖6b），有效提高復(fù)雜斷塊油藏采收率；直至開采階段結(jié)束，次生氣頂規(guī)模由于部分氮?dú)獾漠a(chǎn)出而有所減小，氣驅(qū)能量也隨開采過(guò)程的進(jìn)行而有所衰弱。

圖5 復(fù)雜斷塊油藏模擬模型Fig.5 Numerical simulation model of complex faulted block reservoir

圖6 氮?dú)馔掏逻^(guò)程油氣飽和度分布Fig.6 Oil and gas saturation distribution during nitrogen huff and puff process

將氮?dú)馔掏?個(gè)階段結(jié)束后的數(shù)值模擬結(jié)果代入（11）式中，經(jīng)過(guò)計(jì)算可得氣頂指數(shù)為0.588 9。說(shuō)明本文確定的次生氣頂形成條件與數(shù)值模擬結(jié)果相吻合。

5 結(jié)論

基于次生氣頂?shù)呐蛎涀饔煤偷獨(dú)獾姆腔煜囹?qū)油效果，吞吐式次生氣頂驅(qū)技術(shù)能夠有效動(dòng)用復(fù)雜斷塊油藏頂部滯留的“閣樓油”，進(jìn)而改善該類型油藏的驅(qū)替效率。

氮?dú)馔掏麻_發(fā)復(fù)雜斷塊油藏時(shí)，當(dāng)該油藏中的氣頂指數(shù)大于或等于0.5時(shí)，可形成具備一定驅(qū)動(dòng)能量的次生氣頂。

根據(jù)次生氣頂形成條件，地層原油溶解氣油比較低、地層壓力較小且累積注氣量和產(chǎn)油量較大的復(fù)雜斷塊油藏更有利于次生氣頂?shù)男纬伞?/p>

通過(guò)建立典型復(fù)雜斷塊油藏?cái)?shù)值模擬模型，分析氮?dú)馔掏逻^(guò)程中次生氣頂形成的3個(gè)階段，從而驗(yàn)證了次生氣頂形成條件的合理性。

符號(hào)解釋

i——氮?dú)馔掏轮芷跀?shù)；n——地層內(nèi)自由氮?dú)獾奈镔|(zhì)的量，mol；ni——累積注入氮?dú)獾目偽镔|(zhì)的量，mol；np——累積回采氮?dú)獾目偽镔|(zhì)的量，mol；nop——產(chǎn)出油中溶解氮?dú)獾奈镔|(zhì)的量，mol；nor——油藏殘余油中溶解氮?dú)獾奈镔|(zhì)的量，mol；p——地層壓力，Pa；V——油藏條件下自由氮?dú)怏w積，m3；Z——地層條件下氮?dú)鈮嚎s因子；R——?dú)怏w常數(shù)，J/（mol·K），其值為8.314；T——地層溫度，K；psc——標(biāo)準(zhǔn)狀況下地層壓力，Pa；Visc——累積注入地層的氮?dú)庠跇?biāo)準(zhǔn)狀況下的體積，m3；Zsc——標(biāo)準(zhǔn)狀況下氮?dú)鈮嚎s因子；Tsc——標(biāo)準(zhǔn)狀況下地層溫度，K；Gpsc——累積回采的氮?dú)庠跇?biāo)準(zhǔn)狀況下的體積，m3；Np——地面累積產(chǎn)油量，m3；Rs——地層條件下原油溶解氣油比，m3/m3；Rssc——標(biāo)準(zhǔn)狀況下原油溶解氣油比，m3/m3；Vnf——地層內(nèi)氮?dú)庹紦?jù)的巖石體積，m3；?——地層孔隙度；Sorg——?dú)怛?qū)殘余油飽和度；V?——累積注入氮?dú)馑紦?jù)的地層孔隙體積，m3；Swi——束縛水飽和度；m——?dú)忭斨笖?shù)；N——原油地質(zhì)儲(chǔ)量，m3；Bo——地層原油體積系數(shù)，m3/m3；Bg——地層條件下氮?dú)獾捏w積系數(shù)，m3/Sm3；C1，C2，C3——常數(shù)；γg——氮?dú)獾南鄬?duì)密度；γo——原油的相對(duì)密度。