氣水交替驅(qū)提高采收率室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究

秦正山，羅 沛，劉先山，張文昌，周建良

（1.重慶科技學(xué)院 石油與天然氣工程學(xué)院，重慶401331；2.中原油田石油工程技術(shù)研究院，河南 濮陽457000）

國內(nèi)外研究表明，氣水交替驅(qū)（WAG）可明顯提高注水波及效率，起到良好的流度控制作用，減緩氣竄的影響，提高油田的采收率[1]。國內(nèi)研究人員主要對WAG 驅(qū)提高采收率技術(shù)進(jìn)行了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、礦場實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬等方面的研究[2-6]。雖然研究目的各有不同，但主要側(cè)重于具體油田的開發(fā)方式優(yōu)選、WAG 驅(qū)提高采收率可行性研究、WAG 驅(qū)注入?yún)?shù)優(yōu)化、WAG 驅(qū)注入能力變化規(guī)律等方面的研究，為國內(nèi)油田的開發(fā)提出指導(dǎo)性建議，但研究目的及成果主要集中于現(xiàn)場工程應(yīng)用。目前，學(xué)者們對WAG 驅(qū)提高采收率機(jī)理已進(jìn)行了一些實(shí)驗(yàn)和理論研究[7-11]。

氣驅(qū)實(shí)驗(yàn)若直接選用短巖心，見氣時間較短，氣體擴(kuò)散范圍小，指進(jìn)現(xiàn)象嚴(yán)重。而采用長巖心能夠滿足氣驅(qū)過程中氣的有效作用距離。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相較于短巖心更能反映實(shí)際油藏狀況。受到取心技術(shù)的影響，目前長巖心實(shí)驗(yàn)普遍是將天然短巖心拼接來替代長巖心。相鄰的短巖心之間的拼接端面用濾紙貼合來減弱末端效應(yīng)[9-10]，但在拼接處仍然存在微小的滲流場，會影響流體的流線，導(dǎo)致巖心拼接位置附近存在“死油區(qū)”，注入流體難以波及。模擬不同平均滲透率的長巖心一般是根據(jù)調(diào)和平均法將每塊短巖心按順序排列來實(shí)現(xiàn)的，該法對長巖心平均滲透率的調(diào)整具有很強(qiáng)的靈活性，但在拼接端面存在嚴(yán)重的應(yīng)力敏感現(xiàn)象[9-10]，導(dǎo)致巖心壓力場分布較為復(fù)雜。若采用填砂管，容易出現(xiàn)填充砂礫在高壓作用下垮塌，砂礫位置動態(tài)移動，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)無法進(jìn)行。

綜上所述，巖心的選用對于長巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果的客觀性、準(zhǔn)確性有直接的聯(lián)系。鑒于以上考慮到的問題，本文自制了一種簡易的模擬巖心，分析WAG 驅(qū)提高采收率作用機(jī)理，對國內(nèi)油藏開發(fā)提出指導(dǎo)性建議。

1 模擬巖心

首先，加工內(nèi)壁光滑，中間管螺紋連接，巖心有效長度為1 m 的鋼質(zhì)長巖心筒（見圖1）。加工不同規(guī)格、內(nèi)徑相同、中間靠管螺紋連接、加密封墊片及密封膠的巖心筒。

圖1 鋼質(zhì)巖心筒Fig.1 Steel long core barrel

按照一定的砂型配比含量、膠結(jié)劑含量，填充該巖心筒，安裝在整套驅(qū)替設(shè)備中。采用3 種粒徑范圍的精制陶砂粒制造符合物性要求的模擬巖心。為模擬低滲油藏條件，需明確填塞陶砂粒及膠結(jié)劑的用量比例，加工了內(nèi)壁光滑、內(nèi)徑相同、有效長度為10 cm 的鋼質(zhì)短節(jié)巖心筒，并設(shè)計了不同用量配比組合方案，測定孔、滲參數(shù)，優(yōu)選符合低滲透要求的配比方案，以此為據(jù)填充鋼制長巖心筒。

2 實(shí)驗(yàn)流體及設(shè)備

實(shí)驗(yàn)用水：蒸餾水和鈉鹽配制而成，礦化度為6 754 mg/L。

實(shí)驗(yàn)用油：脫氣原油與煤油配置的模擬油，在室內(nèi)25 ℃條件下，測定模擬油黏度為3.23 mPa·s。

實(shí)驗(yàn)用氣：氮?dú)狻?/p>

本文采用的巖心驅(qū)替設(shè)備為巖樣流動實(shí)驗(yàn)評價裝置，該驅(qū)替裝置可以模擬油藏實(shí)際壓力和溫度條件，借助先進(jìn)傳感器技術(shù)、自動控制技術(shù)等進(jìn)行室內(nèi)物理模擬實(shí)驗(yàn)（見圖2）。

圖2 驅(qū)替實(shí)驗(yàn)流程Fig.2 Schematic diagram of displacement experimentalprocess

3 實(shí)驗(yàn)步驟

設(shè)置原始狀態(tài)下氣驅(qū)、原始狀態(tài)下水驅(qū)、水驅(qū)后WAG 驅(qū)、原始狀態(tài)下WAG 驅(qū)、帶傾角原始狀態(tài)下WAG 驅(qū)（45°）作為基本對照組，評價幾種驅(qū)油方式下的驅(qū)油效果。驅(qū)替實(shí)驗(yàn)流程見圖2。

具體實(shí)驗(yàn)步驟為：

（1）建立巖樣初始油水飽和狀態(tài)。

①首先將制備好的巖心模型兩端固定好，用支撐架將自制巖心模型保持穩(wěn)定。對巖心模型抽真空，隨后注入已配置好的地層水飽和巖心，并將飽和模擬地層水后的巖樣模型稱重，扣除巖心筒重。抽真空和飽和地層水，計算孔隙體積。

②用脫氣原油驅(qū)替巖心中的殘水，直至不出水為止。建立束縛水飽和度，記錄巖心模型被驅(qū)出的水體積，計算束縛水飽和度。

（2）對照組實(shí)驗(yàn)。

①原始狀態(tài)下水驅(qū)。通過回壓閥將出口端壓力設(shè)置為15 MPa，以0.3 mL/min 的速度將模擬地層水注入巖心模型，待出口端穩(wěn)定且不再出油，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

②原始狀態(tài)下氣驅(qū)。將巖心復(fù)原，出口端壓力設(shè)置為15 MPa，以0.3 mL/min 的速度將氮?dú)庾⑷霂r心模型，待出口端穩(wěn)定且不再出油，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

③水驅(qū)后連續(xù)氣驅(qū)。將巖心復(fù)原，出口端壓力設(shè)置為15 MPa，以0.3 mL/min 的速度將模擬地層水注入巖心模型，待出口端含水率達(dá)到80%，以0.3 mL/min 的速度向巖心模型注氮?dú)?，待出口含水率保持不變，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

④原始狀態(tài)下WAG 驅(qū)。將巖心復(fù)原，出口端壓力設(shè)置為15 MPa，以0.3 mL/min 的速度注入氮?dú)? min 后轉(zhuǎn)同速水驅(qū)油5 min，進(jìn)行以上交替步驟4 輪，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

⑤帶傾角原始狀態(tài)下WAG 驅(qū)（45°）?？紤]到巖心模型直徑較小，若采用原始狀態(tài)下WAG 驅(qū)，油、氣重力差異對三相流體在巖心中的賦存位置影響不明顯。通過調(diào)節(jié)巖心模型支撐架高度，將傾斜角度調(diào)整為45°。重復(fù)對照組實(shí)驗(yàn)步驟④。一般來說，驅(qū)替實(shí)驗(yàn)巖心直徑較小，水平放置進(jìn)行驅(qū)替，難以體現(xiàn)重力對驅(qū)油效果影響。將模擬長巖心傾斜放置，加大重力作用對驅(qū)油效果的影響，幫助驗(yàn)證重力作用對采收率增益效果。

⑥檢驗(yàn)巖心筒連接位置密封性。

以上步驟中，巖心復(fù)原過程嚴(yán)格按照SY/T5336[12]標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

設(shè)計不同用量配比組合方案，測定孔、滲參數(shù)，優(yōu)選符合低滲透要求的配比方案（見表1），并以此為據(jù)，填充長巖心筒。選方案2 為配比用量依據(jù)。測試模擬巖心基礎(chǔ)物性見表2。不同驅(qū)替方式最終驅(qū)油效率見表3

表1 配比方案Table 1 Matching scheme

表2 模擬巖心基礎(chǔ)物性參數(shù)Table 2 Physical parameters of simulated core foundation

表3 不同驅(qū)替方式最終驅(qū)油效率Table 3 Final displacement efficiency of different displacement modes %

圖3 為不同驅(qū)替方式各階段采出程度變化。由圖3 可以看出，當(dāng)注入量為0～0.2 HCPV 時，5 種驅(qū)替方式采出程度接近；繼續(xù)增大注入量，帶傾角原始狀態(tài)下WAG 驅(qū)（45°）、原始狀態(tài)下WAG 驅(qū)開發(fā)效果明顯優(yōu)于其余幾種驅(qū)替方式。原始狀態(tài)下氣驅(qū)最終驅(qū)油效率高于原始狀態(tài)下水驅(qū)，低于其他驅(qū)替方式，其驅(qū)油效率主要受氣竄的影響。氣體易沿高滲層突進(jìn)，微小孔隙的波及效果受到了抑制。

圖3 不同驅(qū)替方式各階段采出程度變化Fig.3 Change of extraction degree in various stages of displacement

達(dá)西公式及理想氣體的狀態(tài)方程為：

聯(lián)立上式得到：

計算對照組各項(xiàng)的平均流度比可知（見表4），WAG 驅(qū)平均水油、氣油流度比均比水驅(qū)后連續(xù)氣驅(qū)低，可證明WAG 驅(qū)流度控制作用明顯，水氣交替注入后水驅(qū)可封堵高滲帶，氣驅(qū)驅(qū)掃微小孔隙，幫助形成有利流度比，提高原油的采收率。

表4 帶傾角原始狀態(tài)下WAG 驅(qū)（45°）、原始狀態(tài)下WAG驅(qū)、水驅(qū)后連續(xù)氣驅(qū)平均流度比對比Table 4 45°simple wag,simple wag,mean flow ratio com?parison of continuous gas flooding after water flooding

圖4 為不同驅(qū)替方式各階段含水率變化。由圖4 可知，注入量為0～0.4 HCPV 時，帶傾角原始狀態(tài)下WAG 驅(qū)（45°）與原始狀態(tài)下WAG 驅(qū)的含水率為0；繼續(xù)增大注入量，含水率均迅速上升。帶傾角原始狀態(tài)下WAG 驅(qū)（45°）注入水突破時間相較于原始狀態(tài)下WAG 驅(qū)提前，主要原因是帶有角度條件下，重力分異作用得到進(jìn)一步加強(qiáng)，即氣液兩相交替驅(qū)掃不同位置的含油孔道。

在真實(shí)的油藏條件下，WAG 驅(qū)可使水相驅(qū)掃油層的中下部，而氣相驅(qū)掃油層上部的作用更加明顯，有效地提高了驅(qū)油效率（見圖5）。

水驅(qū)后連續(xù)氣驅(qū)的水相突破時間與WAG 驅(qū)相比較短。WAG 驅(qū)替過程是水在孔隙中的縛存狀態(tài)不斷打破，不斷重建的一個動態(tài)過程，注入水交替封堵大孔隙，削弱了注入氣對流體的突破作用，使驅(qū)替前緣均勻穩(wěn)定，延長見水時間。

圖4 不同驅(qū)替方式各階段含水率變化Fig.4 The change of water content in different stages of displacement

圖5 WAG 驅(qū)替過程中油、氣、水分布狀況Fig.5 The distribution of oil,gas and water during the WAG displacement process

水驅(qū)后注氣加強(qiáng)了氣液分子之間的交換、擴(kuò)散、滲吸及突破作用，其相互作用可影響孔道中原油和束縛水的縛存狀態(tài)，若孔道連通，氣體分子可起到“打通通道”的作用（見圖6）。

圖6 WAG 驅(qū)替過程中氣、液分子間的相互作用Fig.6 Inter?molecular interaction between gas and liquid during WAG displacement process

對于真實(shí)的油藏條件，WAG 驅(qū)可作為常規(guī)水驅(qū)的一種替代方式，其驅(qū)替效果優(yōu)于水驅(qū)后連續(xù)注氣、原始狀態(tài)下氣驅(qū)、原始狀態(tài)下水驅(qū)。對于非均質(zhì)性嚴(yán)重的儲層，交替注水產(chǎn)生的動態(tài)封堵效果進(jìn)一步提高了WAG 驅(qū)油效果，可改善儲層吸水剖面，延長油井見水時間，進(jìn)一步提高原油采收率。對于國內(nèi)具有注氣條件，非均質(zhì)性嚴(yán)重，吸水剖面不均衡的油藏，可交替注水并結(jié)合化學(xué)驅(qū)，開展先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，以便擴(kuò)大應(yīng)用范圍。

5 結(jié) 論

（1）對于油田開發(fā)理論性實(shí)驗(yàn)研究，利用改進(jìn)模擬巖心，有助于防止產(chǎn)生常規(guī)長巖心驅(qū)替的末端效應(yīng)和應(yīng)力敏感現(xiàn)象，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的客觀性和說服力。

（2）利用平均流度比描述了動態(tài)驅(qū)替過程中流度改善效果。表明了WAG 驅(qū)可起到較好的流度控制作用，在改善氣竄方面具有獨(dú)到的優(yōu)勢。

（3）WAG 驅(qū)替過程是水在孔隙中的縛存狀態(tài)不斷打破，不斷重建的一個動態(tài)過程，注入水交替封堵大孔隙，削弱了注入氣對流體的突破作用，改善了吸水剖面。其驅(qū)替過程受到重力分異、流度控制、減緩氣竄及分子間交換、擴(kuò)散、滲吸、突破的多重作用。

（4）對于非均質(zhì)性嚴(yán)重的儲層，交替注水產(chǎn)生的動態(tài)封堵效果進(jìn)一步提高了WAG 驅(qū)油效果，可改善儲層吸水剖面，延長油井見水時間，進(jìn)一步提高原油采收率。