稠油油藏蒸汽驅(qū)后期CO2輔助蒸汽驅(qū)技術(shù)

席長豐，齊宗耀，張運軍，劉彤，沈德煌，木合塔爾，董宏，李秀巒，蔣有偉，王紅莊

（1.提高石油采收率國家重點實驗室，北京 100083；2.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；3.中國石油新疆油田公司勘探開發(fā)研究院，新疆克拉瑪依 834000）

0 引言

目前稠油油藏主要采用熱力開采技術(shù)，包括蒸汽吞吐、蒸汽驅(qū)、蒸汽輔助重力泄油技術(shù)以及火驅(qū)等[1-4]。蒸汽驅(qū)是稠油油藏蒸汽吞吐后一項重要的接替技術(shù)，但進入蒸汽驅(qū)后期，常常出現(xiàn)油汽比低、高含水、汽竄等問題，經(jīng)濟效益極差，面臨關(guān)停，亟待轉(zhuǎn)換開發(fā)方式[5-6]。

針對蒸汽驅(qū)技術(shù)存在的問題，國內(nèi)外先后提出了氣體泡沫、高溫凝膠等蒸汽驅(qū)調(diào)剖技術(shù)[7-10]。由于CO2溶于稠油后能夠膨脹降黏、降低界面張力[11-13]，可作為主要助劑，用于蒸汽輔助開采稠油油藏[14-17]。Bagci等[18]通過一維物理模擬實驗研究連續(xù)注入CO2對稠油采收率的影響，實驗結(jié)果表明 CO2輔助蒸汽驅(qū)比蒸汽驅(qū)提高采收率約15.6%，并發(fā)現(xiàn)氣汽比是影響最終采收率的關(guān)鍵參數(shù)。陶磊等[19]、歐陽傳湘等[20]、李兆敏等[21]、Sun等[22]針對 CO2與稠油的作用機理開展了深入的實驗研究和數(shù)值計算。Jha等[23-29]探討了注入CO2對提高采收率的影響，并針對超臨界 CO2和過熱蒸汽相互作用進行了室內(nèi)實驗和數(shù)值模擬研究，證實注入CO2是提高稠油油藏采收率的有效措施。

但是，國內(nèi)外關(guān)于 CO2輔助稠油油藏開采的研究大多集中在 CO2和蒸汽相互作用機理的室內(nèi)研究和理論研究方面，或者以調(diào)剖調(diào)驅(qū)為主的技術(shù)措施上，很少根據(jù)實際油藏條件和采油生產(chǎn)條件，按相似比例方法開展三維物理模擬研究，以便把模擬結(jié)果直接擴展應(yīng)用于油藏生產(chǎn)。目前研究的理論性強，但缺乏持續(xù)性、系統(tǒng)性、針對性，解決不了蒸汽驅(qū)后期面臨的汽竄和提高采收率的根本問題，缺乏有效的蒸汽驅(qū)后期接替開發(fā)模式和技術(shù)[30-31]。

本文以新疆油田J6區(qū)塊為例，結(jié)合具體油藏條件和生產(chǎn)工藝，根據(jù)相似比例原理，開展了三維物理模擬實驗，分別對全射孔條件下蒸汽驅(qū)、CO2輔助蒸汽驅(qū)、CO2泡沫輔助蒸汽驅(qū)和射開下部油層下半部分條件下蒸汽驅(qū)、CO2輔助蒸汽驅(qū)開發(fā)效果進行了實驗研究，提出了蒸汽驅(qū)后期 CO2輔助蒸汽驅(qū)開發(fā)技術(shù)；然后根據(jù)三維物理模擬實驗結(jié)果，從新疆油田J6區(qū)塊蒸汽驅(qū)的開發(fā)現(xiàn)狀出發(fā)，進行 CO2輔助蒸汽驅(qū)現(xiàn)場設(shè)計與應(yīng)用。

1 蒸汽驅(qū)后CO2輔助蒸汽驅(qū)三維物理模擬實驗

本次物理模擬實驗針對新疆油田J6區(qū)塊蒸汽驅(qū)后期汽竄、油汽比低等問題，分別對全射孔條件下蒸汽驅(qū)、CO2輔助蒸汽驅(qū)、CO2泡沫輔助蒸汽驅(qū)和射開下部油層下半部分條件下蒸汽驅(qū)、CO2輔助蒸汽驅(qū)開發(fā)效果進行了實驗研究。

1.1 實驗裝置

新疆油田J6區(qū)塊蒸汽驅(qū)采用反九點面積井網(wǎng)，三維物理模擬實驗?zāi)Ｐ途W(wǎng)取反九點面積井網(wǎng)的 1/4部分（見圖1）。為了研究射孔位置對開發(fā)效果的影響，模型中共設(shè)置了 8口井，即每個井位設(shè)置兩口井，分別考慮油層段全部射開及射開下部油層下半部分的情況。根據(jù)實際油藏條件，設(shè)計填砂模型，按相似比例方法[14]設(shè)計模型參數(shù)（見表1）。模型縱向上分為上部油層、中部物性夾層、下部油層 3個單元，分別代表實際油層的 J3q22-1（上侏羅統(tǒng)齊古組 2油層組 2-1小層）小層、物性夾層和J3q22-2小層。

1.2 實驗過程

實驗過程中，蒸汽驅(qū)階段初始蒸汽注入速度 80 mL/min（水當量），估算注入模型內(nèi)的過熱蒸汽干度大于 85%，后期注入速度根據(jù)實驗過程進行適當調(diào)整。添加 CO2氣體的條件下，蒸汽注入量與相應(yīng)溫度壓力條件下的 CO2注入量之和與蒸汽驅(qū)階段蒸汽注入量基本相同。

圖1 三維物理模擬實驗填砂模型外觀和井網(wǎng)示意圖

表1 模型參數(shù)設(shè)計表

1.2.1 全射開油層物理模擬實驗

全射開油層物理模擬實驗過程主要分為蒸汽驅(qū)、CO2輔助蒸汽驅(qū)、CO2泡沫輔助蒸汽驅(qū)3個階段，實驗過程中注汽井和生產(chǎn)井都采用全井段射孔的方式，與現(xiàn)場射孔方式一致，實驗過程中沒有調(diào)整。

1.2.2 蒸汽驅(qū)后進行射孔調(diào)整的物理模擬實驗

蒸汽驅(qū)后進行射孔調(diào)整的物理模擬實驗過程主要分為蒸汽驅(qū)、CO2輔助蒸汽驅(qū) 2個階段，蒸汽驅(qū)階段注汽井和生產(chǎn)井采用全井段射開的方式，蒸汽汽竄后，含水率達 95%時，蒸汽驅(qū)階段結(jié)束；然后對注汽井和生產(chǎn)井進行射孔調(diào)整，僅射開下部油層的下半部分進行CO2輔助蒸汽驅(qū)。

2 實驗分析與討論

2.1 全射開油層物理模擬實驗

蒸汽驅(qū)階段蒸汽初始注入速度為80 mL/min，油層全射開條件下蒸汽驅(qū)和復(fù)合蒸汽驅(qū)開采效果見表2，溫度場如圖2所示。

實驗分為3個階段，第1階段為蒸汽驅(qū)階段，可以看出，由于油層全射開，蒸汽吸汽層段主要為上部油層，并且沿上部油層很快汽竄，進入生產(chǎn)井，產(chǎn)出液表現(xiàn)出高溫高含水特征，蒸汽驅(qū)被迫停止。第 2階段采用蒸汽+CO2的混合注入方式，由于CO2能夠提高驅(qū)油效率和熱利用效率，開發(fā)效果提升，但是很快發(fā)生汽（氣）竄，CO2輔助蒸汽驅(qū)無法有效進行。為了有效抑制汽（氣）竄，實驗第3階段采用CO2泡沫輔助蒸汽驅(qū)進行開采，采用 CO2泡沫段塞和蒸汽交替注入方式，注入過程為第1個周期先注入0.05 PV（孔隙體積倍數(shù)）的CO2泡沫段塞，再注入0.25 PV蒸汽；第2個周期注入0.10 PV的CO2泡沫段塞，再注入0.25 PV蒸汽；第3個周期注入0.15 PV的CO2泡沫段塞，再注入0.25 PV蒸汽?？梢钥闯?，隨著蒸汽腔的發(fā)育，為了封堵上部的蒸汽腔，防止蒸汽從上部射孔層段產(chǎn)出，所用的CO2泡沫量越來越大，平面波及系數(shù)增加，但縱向波及系數(shù)增幅很小（見圖2d），因此開發(fā)效果并沒有有效改善，經(jīng)濟效益越來越差，說明單純地靠泡沫調(diào)堵很難解決油層縱向動用問題。需要指出的是，實驗使用的 CO2泡沫劑是筆者項目組經(jīng)過反復(fù)篩選評價，目前能夠得到的相對最好的耐高溫泡沫劑，溫度大于250 ℃時，阻力因子仍能達到20以上[32]。

表2 油層全射開蒸汽驅(qū)和復(fù)合蒸汽驅(qū)開采效果

圖2 油層全射開條件下蒸汽驅(qū)和復(fù)合蒸汽驅(qū)溫度場

所以，CO2輔助蒸汽驅(qū)和 CO2泡沫輔助蒸汽驅(qū)能夠在一定范圍內(nèi)改善蒸汽驅(qū)汽竄后的油層波及體積，但是對于油層縱向厚度較大的油藏，CO2輔助蒸汽驅(qū)和 CO2泡沫輔助蒸汽驅(qū)并不能根本解決油層縱向波及體積問題，下部油層不能靠該技術(shù)實現(xiàn)有效動用。

2.2 蒸汽驅(qū)后進行射孔調(diào)整的物理模擬實驗

蒸汽驅(qū)和射孔調(diào)整后 CO2輔助蒸汽驅(qū)開采效果如表3所示，溫度場見圖3。

表3 蒸汽驅(qū)和射孔調(diào)整后CO2輔助蒸汽驅(qū)開采效果

圖3 蒸汽驅(qū)和射孔調(diào)整后CO2輔助蒸汽驅(qū)溫度場

從表2、表3、圖2a、圖3a可以看出，蒸汽驅(qū)階段由于油層條件、實驗條件基本一致，生產(chǎn)動態(tài)和效果也基本一致。射孔段調(diào)整為下部油層的下半部分后，CO2輔助蒸汽驅(qū)能夠平穩(wěn)進行，沒有汽（氣）竄現(xiàn)象，不需要泡沫劑進行調(diào)剖，階段耗時4.5 h，可以保持長時間穩(wěn)定生產(chǎn)，階段采出程度高達 61%，油汽比達到0.32；整個實驗過程中蒸汽腔由生產(chǎn)井上部逐漸向下擴展，采收率從20.1%提高到81.1%，形成高效開發(fā)模式。

①形成了注汽井中下部蒸汽腔側(cè)向擴展、生產(chǎn)井頂層汽腔超覆重力泄油的開發(fā)模式，且 CO2與蒸汽注入速度比可調(diào)空間較大。由于注汽井射孔段調(diào)整為下部油層的下半部分，CO2輔助蒸汽驅(qū)初期地層中下部顯示出吸汽跡象，上部油層汽竄得到一定的抑制（見圖3b），但蒸汽和 CO2氣體很快超覆到上部油層，蒸汽腔在上部油層完全擴展（見圖3c），然后向下部油層擴展?？傮w來看，蒸汽腔在注汽井附近具有整體側(cè)向展開、上部油層超覆發(fā)育的特點；蒸汽腔在生產(chǎn)井附近遵循從上到下、垂向發(fā)育的規(guī)律，生產(chǎn)井附近的蒸汽腔與油層底部的射孔井段有較大的垂向距離，因此蒸汽不會從上部油層段產(chǎn)出，蒸汽腔能夠不斷沿生產(chǎn)井向下垂直擴展，充分利用注入蒸汽能量。對于生產(chǎn)井，蒸汽腔擴展前緣是受汽液界面控制的穩(wěn)定高溫油水，此狀態(tài)與蒸汽輔助重力泄油（SAGD）生產(chǎn)過程中的汽液界面控制機理類似[33]。

CO2輔助蒸汽驅(qū)過程中，生產(chǎn)井長期穩(wěn)定產(chǎn)出高溫液體，與常規(guī)蒸汽驅(qū)過程中蒸汽遇高溫液體很快汽竄導(dǎo)致停產(chǎn)或轉(zhuǎn)入間歇蒸汽驅(qū)生產(chǎn)具有根本性的差異，形成了直井井網(wǎng)條件下的重力泄油模式。基于上述蒸汽腔發(fā)育特征和穩(wěn)定生產(chǎn)過程，已無需采用 CO2泡沫進行調(diào)剖調(diào)驅(qū)。

CO2輔助蒸汽驅(qū)注入?yún)?shù)需要與蒸汽腔的消耗能力相匹配。射孔段調(diào)整后，若初期蒸汽注入速度 80 mL/min調(diào)整為“蒸汽注入速度65 mL/min+CO2注入速度200 mL/min（標準狀況下的計量值）”，該條件下持續(xù)注入15 min，生產(chǎn)井容易高溫汽竄，蒸汽腔不容易調(diào)控，含水率在85%左右波動；將注入?yún)?shù)調(diào)整為“蒸汽注入速度50 mL/min+CO2注入速度250 mL/min”，生產(chǎn)井穩(wěn)定產(chǎn)出高溫流體，蒸汽腔持續(xù)穩(wěn)定發(fā)育，說明蒸汽腔達到消耗蒸汽的最大能力，該條件下持續(xù)注入65 min，含水率一直穩(wěn)定在75%左右。為了驗證CO2與蒸汽的合理注入比例參數(shù)，繼續(xù)調(diào)整注入?yún)?shù)研究蒸汽腔發(fā)育狀態(tài)和生產(chǎn)井的生產(chǎn)動態(tài)。加大 CO2的注入速度，將注入?yún)?shù)調(diào)整為“蒸汽注入速度50 mL/min+CO2注入速度380 mL/min（此速度已達CO2注入計量設(shè)備的最大值）”，蒸汽腔和生產(chǎn)井保持穩(wěn)定狀態(tài)，含水率在65%左右，該階段持續(xù)了133 min；后期又進一步將注入?yún)?shù)調(diào)整為“蒸汽注入速度30 mL/min+CO2注入速度380 mL/min”，蒸汽腔穩(wěn)定擴展，生產(chǎn)井穩(wěn)定生產(chǎn)，含水率在 70%左右，但此時生產(chǎn)井有間歇氣竄現(xiàn)象，分析得出有自由氣相CO2產(chǎn)出，此階段持續(xù)100 min，整個 CO2輔助蒸汽驅(qū)實驗結(jié)束。蒸汽驅(qū)和射孔調(diào)整后CO2輔助蒸汽驅(qū)生產(chǎn)動態(tài)曲線見圖4。實驗發(fā)現(xiàn)，CO2的注入速度可調(diào)空間較大，CO2與蒸汽的注入速度比從5∶1到13∶1，蒸汽腔都能穩(wěn)定擴展發(fā)育。從整個實驗過程來看，初期以較低速度注入 CO2進行輔助蒸汽驅(qū)，注入蒸汽以形成穩(wěn)定蒸汽腔為主；后期蒸汽腔發(fā)育到一定體積時，CO2的注入速度可以進一步調(diào)高。

②形成了水、油、CO2三相乳化的穩(wěn)定擬單相產(chǎn)出流體。CO2與蒸汽的注入速度比在5∶1到13∶1變化時，蒸汽腔有效發(fā)育，生產(chǎn)井一直產(chǎn)出穩(wěn)定的乳化泡沫油，該乳狀液彈性能量大，視黏度低。初步分析表明，CO2在從蒸汽腔到生產(chǎn)井流動過程中與地層流體接觸，尤其是穿過蒸汽腔邊界附近的汽液界面時，與油水相互作用形成穩(wěn)定的乳化擬單相狀態(tài)（見圖5），含水率60%～70%，整體液體氣體比為1∶6左右。

③CO2在頂部蒸汽腔起到隔熱作用，在蒸汽腔內(nèi)部降低了蒸汽分壓，有效提高了注入蒸汽熱效率。與SAGD開發(fā)方式就近泄油的模式不同[34-35]，蒸汽驅(qū)過程中，蒸汽需要長距離運移，尤其是重力穩(wěn)定蒸汽驅(qū)的蒸汽腔擴展模式中蒸汽要運移整個井距的長度，頂部蓋層熱損失達30%以上，而CO2可在油層上部起到較好的隔熱作用。另外，CO2在蒸汽腔中降低了蒸汽的分壓，提高了蒸汽的潛熱利用率[36]。同等條件下的對比實驗表明，沒有 CO2輔助的情況下，進行同樣的射孔調(diào)整后，階段注入2.3 PV蒸汽，階段采出程度也可達60%，但油汽比僅為0.19。

3 蒸汽驅(qū)后CO2輔助蒸汽驅(qū)礦場應(yīng)用

3.1 新疆油田J6區(qū)塊地質(zhì)概況

選擇新疆油田J6區(qū)塊9個典型蒸汽驅(qū)后期井組進行 CO2輔助蒸汽驅(qū)礦場試驗，該試驗區(qū)儲集層溫度為20 ℃，原油黏度為7 000～12 000 mPa·s，為典型的稠油油藏。J6區(qū)塊開發(fā)層系為 J3q22-1+J3q22-2，為一套辮狀河三角洲前緣沉積。J3q22-1小層砂體平均孔隙度為30.3%，平均滲透率為2 623×10-3μm2，平均含油飽和度78%；厚度12～23 m，平均16 m。J3q22-2小層砂體平均孔隙度為28.2%，平均滲透率為1 200×10-3μm2，平均含油飽和度73%；厚度13～26 m，平均20 m。J3q22-1小層與 J3q22-2小層之間發(fā)育一套穩(wěn)定的泥質(zhì)砂巖、砂礫巖，局部為泥巖，厚度1～6 m，平均厚度4 m，泥質(zhì)砂巖、砂礫巖滲透率 100×10-3～800×10-3μm2，平均200×10-3μm2，理論上不具備阻擋蒸汽流動的能力[37]。

圖4 蒸汽驅(qū)和射孔調(diào)整后CO2輔助蒸汽驅(qū)生產(chǎn)動態(tài)曲線

圖5 實驗產(chǎn)出CO2乳化泡沫油

3.2 新疆油田J6區(qū)開發(fā)概況

J6區(qū)塊蒸汽驅(qū)采用反九點井網(wǎng)開發(fā)，從1989年1月1日開始實施蒸汽吞吐近10年，然后轉(zhuǎn)常規(guī)蒸汽驅(qū)直到2018年1月1日。由于井筒內(nèi)蒸汽的重力分異，蒸汽驅(qū)后期蒸汽在 J3q22-1油層頂部形成無效循環(huán)層，導(dǎo)致地下蒸汽波及體積基本不再增加，現(xiàn)場主要通過間歇注汽和間歇采油的方式在低效狀態(tài)下維持生產(chǎn)[38]。受蒸汽超覆和油層非均質(zhì)性的影響，汽竄熱突破首先發(fā)生在油層頂部，從生產(chǎn)井上部射孔段直接產(chǎn)出高溫蒸汽或者熱水，熱利用效率斷崖式下降，蒸汽驅(qū)基本處于無效益開發(fā)狀態(tài)。

根據(jù)試驗區(qū) 9個井組內(nèi)4口取心井（距離原注汽井35～50 m不等）資料進行分析和數(shù)值模擬擬合計算發(fā)現(xiàn)，注汽井附近蒸汽波及范圍較大，原油飽和度下降幅度大，遠離注汽井位置汽竄通道沿油層頂部發(fā)育，汽竄通道下部油層飽和度下降幅度小?？傮w來看，油層頂部局部形成了蒸汽腔，但受全井段射孔的影響，成為生產(chǎn)井直接汽竄的通道，汽腔不能有效擴展變大，導(dǎo)致汽竄后油層整體以熱水驅(qū)為主，驅(qū)油效率低，形成整個油層段的油汽重力分異模式[39]。

3.3 現(xiàn)場應(yīng)用設(shè)計及效果

2018年起試驗區(qū)9個蒸汽驅(qū)井組轉(zhuǎn)驅(qū)前基本處于停產(chǎn)狀態(tài)，共計日產(chǎn)油10 t，單井日產(chǎn)油普遍低于0.5 t，油汽比 0.07，采出程度 45%。由于蒸汽汽竄，沿用原來的射孔方式和注汽方式已經(jīng)無法有效生產(chǎn)。

根據(jù)前述物理模擬實驗結(jié)果和優(yōu)化設(shè)計結(jié)果進行射孔調(diào)整，生產(chǎn)井和注汽井都只射開 J3q22-2層下半部分。按常規(guī)蒸汽驅(qū)注采參數(shù)設(shè)計原則，J6區(qū)塊設(shè)計蒸汽注入量為 200 t/（km2·m·d），單井日注汽量應(yīng)達80 t；而根據(jù)直井井網(wǎng)條件下的重力泄油開發(fā)模式，通過數(shù)值模擬優(yōu)化采用 CO2輔助蒸汽驅(qū)，單井設(shè)計日注汽量 50 t，井底注汽干度 65%，日注 CO2量 1.0 t（500 m3）。對以下3組方案進行對比：①全井段射孔條件下的蒸汽驅(qū)，注入速度50 t/d；②調(diào)整射孔后的蒸汽驅(qū)，注入速度50 t/d；③調(diào)整射孔后CO2輔助蒸汽驅(qū)。不同開發(fā)方案預(yù)測開發(fā)效果見圖6和表4。

圖6 不同開發(fā)方案日產(chǎn)油曲線

表4 不同開發(fā)方案預(yù)測開發(fā)效果

從圖6和表4可以看出，方案1不可行；調(diào)整射孔后，CO2輔助蒸汽驅(qū)開發(fā)相對注蒸汽開發(fā)生產(chǎn)效果顯著提升，油汽比從0.119提高到0.160，提高34.0%，階段采出程度從16.1%提高到21.5%，最終采收率達66.5%。通過調(diào)整射孔位置和注入 CO2進行輔助蒸汽驅(qū)的方式進行生產(chǎn)，蒸汽腔可以有效向油層下部擴展，實現(xiàn)了直井井網(wǎng)條件下的重力泄油開采（見圖7）。數(shù)值模擬結(jié)果證明調(diào)整射孔后的 CO2輔助蒸汽驅(qū)形成了注汽井中下部汽腔側(cè)向擴展、生產(chǎn)井頂層汽腔超覆重力泄油的開發(fā)模式，高溫水、油、CO2能夠形成穩(wěn)定的乳化擬單相流體；CO2在頂部的蒸汽腔起到了隔熱作用，在蒸汽腔內(nèi)部降低了蒸汽分壓，有效提高了注入蒸汽熱效率，實現(xiàn)蒸汽腔的充分擴展，因而可大幅度提高采收率。

試驗方案于2017年10月31日開始實施，施工效果顯著，截止到2019年9月1日試驗區(qū)日產(chǎn)油從6 t提高到53 t，油汽比從0.04提高到了0.12；預(yù)測到2019年12月31日日產(chǎn)油最高可達到70 t，油汽比達到0.16，穩(wěn)產(chǎn)6年，提高采收率20%。該技術(shù)的成功將為蒸汽驅(qū)后期稠油油藏改善開發(fā)效果和大幅度提高采收率提供有效接替技術(shù)。

圖7 CO2輔助蒸汽驅(qū)前后蒸汽腔發(fā)育圖

4 結(jié)論

物理模擬實驗表明，受全油層段籠統(tǒng)射孔開發(fā)的影響，新疆油田J6區(qū)塊油層頂部局部形成的蒸汽腔是生產(chǎn)井直接汽竄的通道，蒸汽腔不能有效擴展變大，導(dǎo)致汽竄后油層整體以熱水驅(qū)為主，驅(qū)油效率低。蒸汽驅(qū)后將注采井射孔段調(diào)整為下部油層的下半部分，可以實現(xiàn)直井井網(wǎng)下的重力泄油模式，實現(xiàn)蒸汽腔的充分擴展，大幅提高采收率。調(diào)整射孔后的 CO2輔助蒸汽驅(qū)形成了注汽井中下部汽腔側(cè)向擴展、生產(chǎn)井頂層汽腔超覆重力泄油的開發(fā)模式；高溫水、油、CO2能夠形成穩(wěn)定的乳化擬單相流體；CO2在頂部的蒸汽腔起到了隔熱作用，在蒸汽腔內(nèi)部降低了蒸汽分壓，有效提高了注入蒸汽熱效率。CO2輔助蒸汽驅(qū)技術(shù)在現(xiàn)場成功實施，為蒸汽驅(qū)后期稠油油藏改善開發(fā)效果和大幅度提高采收率提供了有效接替技術(shù)。