低滲透油藏巖心注CO2驅(qū)油效率物理模擬

王世璐，王玉霞，賈凱鋒

(西北大學地質(zhì)學系，陜西西安 710069)

國內(nèi)低滲透油藏在開發(fā)中暴露了很多像自然產(chǎn)能低、地層能量不足和地質(zhì)條件受限等導致采收率降低的問題[1]。CO2提高采收率技術是近年來發(fā)展起來的有效地提高低滲透油藏的采收率技術之一，并取得了良好的經(jīng)濟效益[2]。CO2提高采收率可結(jié)合CO2封存，提高原油產(chǎn)量，保護全球生態(tài)環(huán)境，為提高石油資源開發(fā)效益、保證可持續(xù)發(fā)展提供理論及實踐依據(jù)[3]。

CO2巖心驅(qū)替試驗是評價不同的CO2注入方案并確定最優(yōu)注入方案組合的有效試驗途徑。與細管試驗相比，重力分層、黏性指進、濕潤性及非均質(zhì)性等會對巖心驅(qū)替試驗結(jié)果造成一定程度的影響，但它更接近于地層的實際情況。巖心尺度上驅(qū)油效率的測定是評價CO2驅(qū)油效果的基本方法。影響驅(qū)油效率因素的研究主要集中在巖石固有性質(zhì)、流動介質(zhì)和動力條件等方面，具體參數(shù)有：滲透率、壓力、注入速度、注入方式等。

有非混相驅(qū)、近混相驅(qū)[4]及混相驅(qū)為CO2氣驅(qū)驅(qū)替的主要類型。CO2非混相驅(qū)主要通過溶解于原油中的CO2使原油體積膨脹，降低原油黏度，在一定壓力下可抽提原油中的輕質(zhì)組分或使其汽化減小界面張力，從而提高驅(qū)油效率[5-7]。CO2混相驅(qū)過程中主要利用在等于或高于最小混相壓力條件下的CO2的抽提作用，通過降低界面張力來實現(xiàn)混相，進而提高驅(qū)油效率?；煜囹?qū)由于其較高的驅(qū)油效率備受青睞，且對水驅(qū)效果較差的低滲透油藏開發(fā)來說，具有明顯優(yōu)勢[8-10]。

李劍等[11]通過巖心物理模擬試驗，研究了儲層非均質(zhì)性、注入方式、注入時機等對水驅(qū)后注CO2采出程度的影響。本文則采用CO2氣體連續(xù)驅(qū)替的巖心物理模擬試驗探討不同因素(包括滲透率、注入速度、注入壓力)對最終驅(qū)油效率的影響，并通過敏感性分析判斷不同因素對驅(qū)油效率的影響程度。

1 巖心驅(qū)替試驗

1.1 試驗流體與巖心

試驗用流體主要包括地層水、原油、CO2。試驗用地層水為模擬地層水，礦化度為80 063 mg/L(表1)；試驗用油樣為復配原油，模擬地層原油的組分見表2，由于研究區(qū)原油黏度、密度等物性在含氣和脫氣狀態(tài)下的變化幅度較小，試驗均采用脫氣油；試驗用CO2為純度99.99%的氣體。試驗所用巖心的參數(shù)見表3。

1.2 溫度、壓力及最小混相壓力

試驗在60 ℃下進行，地層壓力為12.6 MPa。依據(jù)細管驅(qū)替試驗數(shù)據(jù)并結(jié)合最小混相壓力確定方法[12]，得知CO2與試驗區(qū)地層原油的最小混相壓力為17.8 MPa。

表1 地層水礦物組成Table 1 Mineral composition of formation water

表2 模擬地層原油組分Table 2 Components of simulated formation crude oil

表3 巖心參數(shù)Table 3 Core parameters

1.3 試驗設備

恒溫箱1個，驅(qū)替泵1個，環(huán)壓自動跟蹤泵1個，1 000 mL哈氏合金高壓容器3個，六通閥1個，哈氏合金巖心夾持器1個，回壓泵1個，油氣水自動計量裝置1個，壓力監(jiān)測及控制系統(tǒng)1個，傳感器及計算機設備，管線若干，試驗裝置如圖1所示。

1.4 試驗步驟

(1)保證儲液容器、各種泵內(nèi)液體充足，避免驅(qū)替試驗中斷。

圖1 試驗裝置示意Fig.1 Schematic diagram of the experimental device

(2)抽真空48 h，隨后飽和地層水。

(3)加環(huán)壓密封巖樣。打開環(huán)壓泵開關，加環(huán)壓至3 MPa，并在后續(xù)試驗中始終保持環(huán)壓與進口壓力的壓差為3 MPa。

(4)升溫至地層溫度。打開恒溫箱加熱開關，升溫至60 ℃。

(5)地層水驅(qū)替，確保巖心被地層水飽和。

(6)油驅(qū)水建立束縛水飽和度。施加回壓的情況下，注入原油，至出口處無地層水進入油氣水自動計量系統(tǒng)，出口處原油連續(xù)不間斷達到4～5 PV，關閉六通閥入口端閥門，進行巖心老化12 h。

(7)CO2驅(qū)油。進行不同滲透率、不同壓力和不同注入速度下的CO2驅(qū)油試驗，記錄各個時刻的壓力、產(chǎn)氣、產(chǎn)油量，直至試驗結(jié)束。

(8)數(shù)據(jù)整理及結(jié)果處理。油氣水自動計量系統(tǒng)在大氣條件下運行，需要按一定原則將其修正到巖心壓力下，利用修正的數(shù)據(jù)對結(jié)果進行分析研究。

2 CO2驅(qū)油試驗結(jié)果及敏感性分析

2.1 CO2驅(qū)油試驗結(jié)果

試驗使用編號1～9巖心(表3)，進行了不同滲透率(5 mD、1.5 mD、0.5 mD)、不同壓力(10 MPa、18 MPa、20 MPa)、不同注入速度(0.5 mL/min、0.8 mL/min、1 mL/min)的三因素三水平9組CO2驅(qū)油試驗。試驗動態(tài)變化如圖2所示，試驗結(jié)果見表4。

由試驗1～9的動態(tài)變化曲線可知，注入CO2后隨著試驗時間的推移，原油開始被驅(qū)替出來，產(chǎn)油量及產(chǎn)出油氣比大幅度上升，隨后逐漸趨于穩(wěn)定，進入平穩(wěn)階段，在此過程中采出程度隨試驗時間的推移逐漸上升。在平穩(wěn)階段，產(chǎn)油量可能會產(chǎn)生一定波動(試驗1、4、7、8現(xiàn)象較明顯)，是因為CO2逐漸進入細小孔隙，使細小孔隙中不易被驅(qū)替的原油黏度降低，從而孔隙對其阻力減?。划斣土鲃觿恿Υ笥诳紫秾ζ渥枇r，原油便會從孔隙中被驅(qū)替出來，此時便會使產(chǎn)油量有一定幅度的上升，因此產(chǎn)油量在平穩(wěn)階段可能會有一定波動。平穩(wěn)階段末期，產(chǎn)油量及產(chǎn)出油氣比急劇下降，此時表示CO2氣體發(fā)生突破，還會有少量原油被氣體攜帶而出，因此在產(chǎn)油量急劇下降后，在整個驅(qū)油過程末期產(chǎn)油量會緩慢趨近于0，此過程中采出程度隨試驗時間的推移增長緩慢，逐漸趨近于最大值，即最終驅(qū)油效率(采出程度)。具體數(shù)值見表4。

表4 K、p、v對驅(qū)油效率的影響正交試驗結(jié)果Table 4 Orthogonal experimental results of the effects of K, p and v on oil displacement efficiency

注：滲透率括號內(nèi)表示實際巖心的滲透率數(shù)值，括號外的數(shù)字表示試驗需要的滲透率數(shù)值。

2.2 試驗數(shù)據(jù)敏感性分析

敏感性分析中S1、S2、S3與滲透率對應的參數(shù)分別為5 mD、1.5 mD、0.5 mD，與壓力對應的參數(shù)分別為10 MPa、18 MPa、20 MPa，與注入速度對應的參數(shù)分別為0.5 mL/min、0.8 mL/min、1 mL/min。滲透率、壓力、注入速度三因素敏感性分析結(jié)果見表5。

圖2 CO2驅(qū)油試驗動態(tài)變化曲線Fig.2 Dynamic curves of CO2 flooding experiment

注：S1、S2、S3所對應的滲透率、壓力、注入速度的數(shù)值是由3個因素的某一設定水平參數(shù)對應的3組試驗得到的驅(qū)油效率(表3)相加求和得到。即滲透率S1=試驗1驅(qū)油效率+試驗2驅(qū)油效率+試驗3驅(qū)油效率，壓力S1=試驗1驅(qū)油效率+試驗4驅(qū)油效率+試驗7驅(qū)油效率，注入速度S1=試驗1驅(qū)油效率+試驗6驅(qū)油效率+試驗8驅(qū)油效率。其他數(shù)值可同理求得。

通過分析可知，滲透率、壓力、注氣速度對應的極差分別是1.01、15.63、1.28。說明在設定的3個影響因素中，對驅(qū)油效率影響最大的是壓力，其次依次為注入速度、滲透率。同時通過優(yōu)水平分析，滲透率最優(yōu)為0.5 mD，壓力最優(yōu)為20 MPa，注入速度為1 mL/min，此結(jié)果與上述正交試驗結(jié)果分析得到的結(jié)論一致。

根據(jù)試驗敏感性分析所得數(shù)據(jù)，可進一步分析滲透率、驅(qū)替壓力、注入速度對驅(qū)油效率的影響，并討論3種因素影響驅(qū)油效率的具體原因。

2.3 滲透率對驅(qū)油效率的影響

CO2驅(qū)油效率隨滲透率的變化趨勢如圖3所示。結(jié)果顯示，滲透率為5 mD、1.5 mD、0.5 mD時對應的驅(qū)油效率分別為71.19%、72.09%、72.20%。隨滲透率的降低，CO2的驅(qū)油效率增加。造成此現(xiàn)象的因素主要有兩個：流速和壓差。低滲透率巖心中的低速流體一方面有利于CO2和原油充分接觸，使原油有充足的時間溶解更多的CO2，以更好地改善原油物性并增加其膨脹系數(shù)，使原油黏度降低，更易流動，從而提高CO2的驅(qū)油效率；另一方面，低速流體可使CO2更易驅(qū)替細小孔隙中的原油，從而降低儲層中的殘余油飽和度并進一步提高驅(qū)油效率。驅(qū)替過程中，低滲透率巖心的驅(qū)替壓差大于高滲透率巖心，因此在相同的回壓條件下，低滲透率巖心具有較高的注入壓力。高注入壓力可在一定程度上提高原油中CO2的溶解度。此外，地層原油的物性得到了更好的改善。因此低滲透率巖心的CO2驅(qū)油效率更高。

圖3 不同滲透率下的驅(qū)油效率變化曲線Fig.3 Curve of oil displacement efficiency at different permeability

2.4 壓力對驅(qū)油效率的影響

圖4 不同壓力下的驅(qū)油效率變化曲線Fig.4 Curve of oil displacement efficiency at different pressures

CO2驅(qū)油效率因壓力的變化會有較大差別。如圖4所示，驅(qū)油效率隨著壓力保持水平增加而上升。這種趨勢應該是由于壓力增大，原油中可以溶解更多的CO2，增加了原油的膨脹系數(shù)和飽和壓力，減小了原油黏度，原油更易流動，同時細小孔隙中的原油也可溶解更多的CO2，從而易于被驅(qū)替。由于原油可以溶解更多的CO2，油氣性質(zhì)越來越接近，兩相之間的界面張力減小，原油中CO2的指進程度也將降低，因此減少了滯留在驅(qū)替前緣后面的原油含量。當系統(tǒng)壓力保持在CO2和地層原油的最小混相壓力水平之上時，油氣兩相之間的界面及界面張力完全消失并在驅(qū)替前沿形成混相帶。由于在巖心混相帶中的流體流動具有均質(zhì)性，CO2驅(qū)替效率將會大大提升。研究區(qū)致密砂巖儲層原油與CO2的最小混相壓力為17.8 MPa，通過試驗結(jié)果可知，驅(qū)油效率在壓力保持為20 MPa水平 時可平均高達77.6%。另外，在CO2突破后，儲層中部分滯留的原油會通過CO2的萃取作用被驅(qū)替出來，同時CO2的萃取能力會隨系統(tǒng)壓力的提高而增強。因此，壓力保持水平越高，CO2的驅(qū)油效率也隨之提高。

2.5 CO2注入速度對驅(qū)油效率的影響

圖5 不同注入速度下的驅(qū)油效率變化曲線Fig.5 Curve of oil displacement efficiency at different injection speeds

通過試驗結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，CO2注入速度對驅(qū)油效率存在一定影響。如圖5所示，在試驗設定的速度變化范圍內(nèi)，注入速度的增加將在一定程度上提高CO2的驅(qū)油效率，但增長較小且驅(qū)油效率的增長幅度隨注入速度的提升會有一定程度的降低。并且需要注意，此趨勢并不代表在實際實施過程中應以過高的速度注入氣體，因為驅(qū)替試驗所用柱狀巖心在一定程度上可以認為是均質(zhì)的，并不能真實代表非均質(zhì)性油藏，尤其是在氣驅(qū)過程中，由于非均質(zhì)性引起的氣竄在實際油藏中是不可避免的，而過高的速度必然引起生產(chǎn)井過早突破并發(fā)生氣竄。

3 結(jié)論

(1)通過不同滲透率、不同壓力、不同注入速度的三因素三水平CO2驅(qū)油試驗結(jié)果對比可知：①隨著滲透率的增加，CO2驅(qū)油效率下降，但是驅(qū)油效率差別較??；②不同壓力下，CO2驅(qū)油效率差異較大，隨著壓力保持水平的不斷提高，驅(qū)油效率呈上升趨勢；③同時，試驗結(jié)果表明，CO2注入速度對驅(qū)油效率具有一定影響，CO2驅(qū)油效率隨注入速度的增加而有所上升。但在實際油藏條件下，應選擇適當?shù)淖⑷攵?，因為過高的CO2注入速度會導致生產(chǎn)井過早突破和氣竄。

(2)通過分析滲透率、壓力、注入速度的敏感性可知：①3種因素對驅(qū)油效率的影響程度排序為：壓力>注入速度>滲透率；②在設定的滲透率、壓力、注入速度的參數(shù)中，最優(yōu)值分別為0.5 mD、20 MPa、1 mL/min。