渤海灣盆地永安油田永66 區(qū)塊氮?dú)怛?qū)油機(jī)理

關(guān) 華，郭 平，趙春蘭，譚保國，徐冬梅

（1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)，成都 610500；2.中國石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院，山東東營 257015）

0 引言

目前，國內(nèi)大部分油藏的開發(fā)方式是注水開發(fā)，但多數(shù)油田處于開發(fā)后期的高含水階段，剩余油分布復(fù)雜，注水開發(fā)動用效果差，含水率上升迅速，通過注水保持有效開發(fā)難度較大［1-4］。近年來，注氣逐漸代替注水，并在低滲油藏［5-6］、縫洞型碳酸鹽巖油藏［7-10］、致密油藏［11］、稠油油藏［12］、裂縫油藏［13］、斷塊油藏等油藏得到了較好地應(yīng)用。國內(nèi)外學(xué)者［14-17］通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法從油藏特征和注采參數(shù)著手對注氣吞吐驅(qū)油機(jī)理進(jìn)行了研究，但是并未涉及到氣體吞吐時不同力學(xué)影響因素是如何驅(qū)替原油以及如何通過影響含油飽和度和界面張力來體現(xiàn)其驅(qū)油機(jī)理。

在原油相態(tài)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值擬合的基礎(chǔ)上，利用油藏?cái)?shù)值模擬方法，評價永66 區(qū)塊在不同重力、驅(qū)替力和毛管壓力的影響下吞吐氣驅(qū)的開發(fā)效果，并研究不同影響因素在注氮?dú)馔掏逻^程中的主要作用。通過定量和定性對比不同力學(xué)因素驅(qū)替原油的差異，分析不同力學(xué)因素下的驅(qū)油機(jī)理及變化規(guī)律，以期為吞吐氣驅(qū)開發(fā)提供理論依據(jù)。

1 流體注氣相態(tài)實(shí)驗(yàn)及擬合

1.1 注氮?dú)馀蛎泴?shí)驗(yàn)

為研究不同注氣量對地層流體參數(shù)的影響，注氣膨脹實(shí)驗(yàn)選擇在帶觀測窗、無汞、高溫高壓的地層流體分析儀中完成（圖1）。在地層流體配樣及代表性檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上，分次將增壓后的氮?dú)庾⑷霕悠分袛嚢栊纬蓡蜗?，測試計(jì)算得到流體的密度、黏度、飽和壓力、膨脹系數(shù)的變化和井流物組成等。

圖1 地層流體分析儀流程Fig.1 Flow chart of formation fluid analyzer

渤海灣盆地永安油田永66 區(qū)塊原始地層壓力為30.97 MPa，地層溫度為83℃，原油的氣油比為91.16 m3/m3，色譜分析得到原油樣品的井流物組分及組成如表1 所列。注氮?dú)馀蛎泴?shí)驗(yàn)將氮?dú)夥謩e以0，10%，20%，30%和40%的摩爾比例注入到原油樣品中，結(jié)果表明注入不同比例的氮?dú)夂笤蜆悠肥艿綁嚎s，原油密度略有增加，原油黏度減小，飽和壓力明顯上升，當(dāng)注入的氮?dú)饽柋壤_(dá)到10%時，飽和壓力接近地層壓力，并隨著氮?dú)饽柋壤脑黾佣黾?。膨脹系?shù)也隨著氮?dú)饽枬舛鹊脑黾佣黾樱龇^小，在氮?dú)饽柋壤_(dá)到40%時，膨脹系數(shù)只有1.100 1，即原油體積僅膨脹了10.01%，說明注入氮?dú)庠偷呐蛎浤芰^差。

表1 原油井流物組分Table 1 Composition of fluid in crude oil wells

1.2 注氮?dú)馀蛎泴?shí)驗(yàn)數(shù)值擬合

注氣膨脹實(shí)驗(yàn)數(shù)值擬合是在流體PVT 擬合的基礎(chǔ)上進(jìn)行，經(jīng)過組分劈分和歸并，最后得到6 個擬組分組成，其中C7+相對密度為0.828 6，分子量為221.0 g/mol，經(jīng)過多次調(diào)整擬合得到的氣油比為98.37 m3/m3，氣油比擬合結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差為7.33%，滿足數(shù)值模擬要求。在上述擬合后的PVT基礎(chǔ)上，將實(shí)驗(yàn)得出的流體密度、黏度、飽和壓力以及膨脹系數(shù)等作為擬合目標(biāo)，進(jìn)行注氮?dú)馀蛎泴?shí)驗(yàn)數(shù)值擬合，經(jīng)過多次調(diào)整及模擬運(yùn)算得到圖2 的擬合結(jié)果，并計(jì)算實(shí)驗(yàn)和擬合結(jié)果的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差，計(jì)算公式為

由表2 可看出，注氣膨脹實(shí)驗(yàn)擬合后的相對誤差均在工程誤差允許范圍內(nèi)，可得到代表真實(shí)油藏流體特性的物性參數(shù)。

表2 注氣膨脹實(shí)驗(yàn)擬合誤差分析Table 2 Fitting error analysis of expansion experiments by gas injection

2 數(shù)值模擬模型的建立

圖3 地層傾角5°，10°和15°的X 方向網(wǎng)格模型Fig.3 X-direction grid model of formation dip angle of 5°，10°and 15°

利用ECLIPSE 油藏?cái)?shù)值模擬軟件，結(jié)合渤海灣盆地永安油田永66 區(qū)塊的地質(zhì)特征，在平面上建立地層傾角分別為5°，10°和15°的單井機(jī)理模型（圖3），模型網(wǎng)格數(shù)為61×61×12，網(wǎng)格大小為8.197 m×8.197 m×1.500 m，縱向上劃分為12 層，孔隙度和滲透率按照永66 區(qū)塊的實(shí)際地質(zhì)情況設(shè)計(jì)（表3），其他模型參數(shù)見表4。單井位于模型中心位置P（31，31），生產(chǎn)方式為注氮?dú)馔掏?，?dāng)井底流壓生產(chǎn)至地層壓力為8 MPa 時開始注氣，注氣至地層壓力為25 MPa 時關(guān)井，先燜井15 d，燜井后繼續(xù)定井底流壓為8 MPa 時開始生產(chǎn)。

表3 永66 區(qū)塊不同層的孔、滲參數(shù)Table 3 Porosity and permeability parameters of different layers in Yong 66 block

表4 永66 區(qū)塊地層及流體基本參數(shù)Table 4 Basic parameters of strata and fluids in Yong 66 block

考慮到注氮?dú)馔掏逻^程中原油性質(zhì)對吞吐效果的影響，為了更加接近油藏流體的真實(shí)條件，選用上述擬合后的流體樣品，采用ECLIPSE 中的組分模型進(jìn)行模擬運(yùn)算。

3 吞吐氣驅(qū)不同影響因素驅(qū)油機(jī)理及變化規(guī)律

渤海灣盆地永安油田永66 區(qū)塊地質(zhì)條件較為復(fù)雜，在吞吐氣驅(qū)開發(fā)過程中，從地層傾角、驅(qū)替速度以及毛管壓力等3 個影響因素出發(fā)，模擬在3 個不同水平吞吐1 個周期的增油量、注氣量、換油率（注入單位體積氮?dú)饪稍黾拥脑腕w積）、采收率等以及注入、燜井和生產(chǎn)等3 個階段的含油飽和度和界面張力的變化來研究不同因素影響下的驅(qū)油機(jī)理（表5）。

表5 吞吐氣驅(qū)影響因素Table 5 Influencing factors of huff and puff gas drive

3.1 注氮?dú)馔掏买?qū)油機(jī)理

注氮?dú)馔掏路譃椤巴獭焙汀巴隆? 個過程，即“吞”進(jìn)氮?dú)?，“吐”出原油，單井注氮?dú)馔掏买?qū)油機(jī)理［18-20］主要分為以下幾點(diǎn)。

（1）氮?dú)饽苡行аa(bǔ)充地層能量，且經(jīng)濟(jì)成本低，常通過注氮?dú)鈦碓黾佑蜌獠亓黧w的壓力。

（2）氮?dú)庠谠椭械娜芙舛容^小，少量氮?dú)饪扇芙庥谠椭?，具有一定的膨脹和降黏作用，提高原油的流動性，改善地層滲流條件，具有良好的驅(qū)替和氣舉作用。

（3）氮?dú)庠谟筒刂写嬖跉庾栊?yīng)，可以進(jìn)入水不能進(jìn)入的低滲透層段，提高波及系數(shù)，將低滲帶處于束縛狀態(tài)的原油驅(qū)替為可流動的原油，對原油產(chǎn)生“抽提”作用，同時氣泡也有一定的堵水作用。

通常氮?dú)庠谠椭械娜芙庑?、膨脹作用和降黏作用等均較弱，主要依靠重力分異作用，因此氮?dú)庠谕掏逻^程中實(shí)際發(fā)揮的作用，主要取決于油藏及流體特征、注采參數(shù)等。

3.2 地層傾角影響

地層傾角的變化對驅(qū)油機(jī)理的影響可通過模擬地層傾角為5°，10°和15°進(jìn)行研究?；诓煌貙觾A角驅(qū)油機(jī)理及變化規(guī)律的研究，可以得到表6所列的結(jié)果，當(dāng)?shù)貙觾A角從5°增加到15°時，增油量增高至26.89%，注氣量增幅低至-6.74%，換油率和采收率增幅分別增至31.83%和13.58%，說明地層傾角越大，不僅能少量減少氣體的注入，還能使得少量的氣體驅(qū)替出更多的原油，從而有效增加原油產(chǎn)出量，并提高換油率和采收率。因此，地層傾角大吞吐氣驅(qū)的效果更好。

表6 不同地層傾角的增油量、注氣量、換油率和采收率變化Table 6 Variation of oil increase，gas injection，oil exchange rate and recovery rate at different formation dip angles

由圖4—圖5 的模擬結(jié)果可以看出，平面上不同地層傾角下同一層（第5 層）在不同階段同一時間的含油飽和度和界面張力變化。

圖4 不同地層傾角下同層含油飽和度平面變化Fig.4 Planar variation of oil saturation in the same layer under different formation dip angles

圖5 不同地層傾角下同層界面張力平面變化Fig.5 Planar variation of interfacial tension in the same layer under different formation dip angles

（1）注氣階段，“吞”進(jìn)氮?dú)?，原油和氮?dú)庵g的密度差產(chǎn)生重力分異驅(qū)替作用，當(dāng)氣體不斷注入油藏時，氮?dú)鈺M(jìn)入油藏高部位形成小氣頂，在氮?dú)獾呐蛎涀饔孟拢瑢㈨敳康脑拖蛳买?qū)替，且傾角越大的油藏，重力分異作用越明顯，氣體波及的范圍越廣，氣體驅(qū)替油藏頂部的原油向底部聚集的能力越強(qiáng)，底部含油飽和度越大；同時，氣體由于密度差向油藏頂部運(yùn)移形成油氣兩相，界面張力增加。

（2）燜井階段，原油在油層底部聚集，底部含油飽和度逐漸上升，傾角越大，底部聚集的油越多，并且油藏頂部聚集的氣體越多，油藏頂部界面張力減小。

（3）生產(chǎn)階段，“吐”出原油，傾角大的油藏由于受到的重力作用大，開井生產(chǎn)時，吐出的原油越多，油藏底部含油飽和度越大，生產(chǎn)井回采的原油越多，并隨著原油不斷被開采，底部飽和度逐漸減少；生產(chǎn)時油藏壓力減小，氣體補(bǔ)充地層能量，油藏的界面張力增加，且地層傾角越大界面張力增加的越快。

縱向上，地層傾角的增大使得油藏所受的重力作用逐漸增大，氮?dú)馍细◎?qū)替頂部原油，越來越多的原油在氮?dú)獾尿?qū)替下向油藏下部及底部聚集（圖6），垂向驅(qū)替效率得到提高。同時，縱向上由于各層存在非均質(zhì)性，同一地層傾角下不同層之間也存在變化。由圖7 可以看出，縱向上越靠近油藏上部的油層原油主要聚集在該層的底部，越是靠近油藏下部的油層，其滲透率越高，原油聚集得越多，且原油分布于整個層，當(dāng)注入氣體后，靠近油藏下部的油層其頂部的原油被注入氣驅(qū)替至油層底部的作用越明顯，燜井后底部含油飽和度越大，生產(chǎn)時吐出的原油越多，生產(chǎn)井能夠采出的原油也越多。

圖6 不同地層傾角下重力分異作用的含油飽和度變化Fig.6 Variation of oil saturation in gravity differentiation under different formation dip angles

圖7 同一地層傾角不同層含油飽和度變化Fig.7 Variation of oil saturation in different layers at the same formation dip angles

3.3 驅(qū)替力影響

驅(qū)替速度的變化對驅(qū)油機(jī)理的影響通過模擬注入速度為6 萬m3/d，8 萬m3/d 和10 萬m3/d 進(jìn)行研究。基于不同大小驅(qū)替力作用下驅(qū)油機(jī)理及變化規(guī)律的研究，結(jié)果如表7 所列，當(dāng)注入速度從6 萬m3/d 增加到10 萬m3/d 時，增油量為3.59%，注氣量增幅低至-42.36%，換油率和采收率增幅分別增至44.43%和1.94%，說明注氣速度的加快減少了氣體注入時間，總氣體注入量大幅減少，即使增油量很少，原油采收率增幅較小，但驅(qū)替力的加快通過減少氣體的注入量而大幅提高了原油的換油率。因此，在條件允許時，適當(dāng)?shù)丶涌熳馑俣扔欣谔岣咄掏職怛?qū)的效果。

表7 不同驅(qū)替速度的增油量、注氣量、換油率和采收率變化Table 7 Variation of oil increase，gas injection，oil exchange rate and recovery rate at different displacement velocities

通常氮?dú)獾淖⑷胨俣仍娇?，氮?dú)庠饺菀走M(jìn)入油藏內(nèi)部，與原油的接觸也越多，平面上不同驅(qū)替速度下同一層（第5 層）在不同階段同一時間的吞吐變化如圖8—圖9 所示。

圖8 不同驅(qū)替速度下同層含油飽和度平面變化Fig.8 Planar variation of oil saturation in the same layer under different displacement velocities

圖9 不同驅(qū)替速度下同層界面張力平面變化Fig.9 Planar variation of interfacial tension in the same layer under different displacement velocities

（1）注氣階段。驅(qū)替速度加快，地層中的原油受到的驅(qū)替力越大，原油被氣體驅(qū)替至油層底部，而且注入速度越快，氮?dú)馔七M(jìn)越快，原油向底部聚集的越快，含油飽和度越大，但驅(qū)替速度越快，地層壓力上升越快，壓力達(dá)到25 MPa 的時間更早，總的氣體注入量少；氣體由于密度差向油藏頂部運(yùn)移，隨著注氣速度的加快運(yùn)移速度加快、氣量增多，油藏頂部呈油氣兩相，頂部界面張力增加。

（2）燜井階段。原油在油層底部聚集，驅(qū)替速度快的油藏被氣體驅(qū)替至底部的速度更快，由于驅(qū)替速度快的總注氣量少，底部含油飽和度雖增大，但增大的程度比驅(qū)替速度慢的略少；同時，驅(qū)替速度越快，氣體在油藏頂部聚集得越多，油藏頂部界面張力減小。

（3）生產(chǎn)階段。開井生產(chǎn)時，油層吐出的原油越多，生產(chǎn)井回采的原油越多，油藏底部的含油飽和度增大，驅(qū)替速度快的油藏越早吐出原油，原油不斷被開采，油藏底部飽和度隨原油采出會逐漸減少；生產(chǎn)時油藏壓力減小，氣體補(bǔ)充能量，界面張力逐漸增大。

縱向上，如圖10 所示驅(qū)替速度的加快使得原油所受的驅(qū)替力增大，地層壓力上升越快，地層壓力達(dá)到25 MPa 的時間越早，因此原油越早被驅(qū)替至油藏下部和底部，同時滲透率在縱向上存在非均質(zhì)性且滲透率隨著油層深度的增加而增加，大大提高了垂向的驅(qū)替效率，驅(qū)替速度越快，原油向油層底部聚集的越早且越快，原油可越早被采出。

圖10 不同驅(qū)替力縱向驅(qū)油差異含油飽和度變化Fig.10 Variation of oil saturation in longitudinal displacement under different displacement velocities

3.4 毛管壓力影響

毛管壓力對驅(qū)油機(jī)理的影響主要是采用同一條相滲曲線，通過模擬大、中和小3 種毛管壓力（圖11），并基于毛管壓力作用下驅(qū)油機(jī)理及變化規(guī)律的研究，結(jié)果如表8 所列，毛管壓力逐漸減小時，增油量增高至27.19%，注氣量增幅低至-7.14%，換油率和采收率最高增幅分別為31.67%和14.5%，說明毛管壓力的減小降低了原油在孔隙中流動的阻力，雖然對氣體注入量的影響較小，但是大幅提高了增油量，換油率和采收率都得到了提高。因此，對于毛管壓力較小的油藏，吞吐氣驅(qū)的效果越好。

圖11 3 種不同水平毛管壓力曲線示意圖Fig.11 Schematic diagram of three different levels of capillary pressure

在驅(qū)油過程中，毛管壓力是阻力，增大或減小毛管壓力相當(dāng)于增大或減小了這種阻力效應(yīng)，滲流阻力也隨著增大或減小，從而響油藏中原油的流動，同時對生產(chǎn)也造成一定影響。平面上不同毛管壓力下同一層（第5 層）在不同階段同一時間的吞吐變化從圖12—圖13 模擬結(jié)果可以看出。

（1）注氣階段。吞進(jìn)的氮?dú)庀蛴筒仨敳烤奂粩鄬㈨敳吭拖虻撞框?qū)替，底部的含油飽和度逐漸上升，氮?dú)庠谠椭腥芙舛刃?，油氣兩相接觸，氣體上移，底部界面張力增大，且毛管壓力越大，氣體進(jìn)入孔隙的阻力越大，原油受阻力影響向底部不均勻聚集，底部含油飽和度不均勻變化且變化速度稍慢，界面張力也呈現(xiàn)不均勻變化且變化程度略大。

（2）燜井階段。氮?dú)鈱㈨敳吭万?qū)替至底部，原油聚集在井筒附近，含油飽和度達(dá)到最大，井筒附近界面張力稍減小，且毛管壓力越小，阻力越小，含油飽和度越大。

表8 不同毛管壓力大小增油量、換油率和采收率變化Table 8 Variation of oil increase，gas injection，oil exchange rate and recovery rate under different capillary pressures

圖12 不同毛管壓力下同層油飽和度平面變化Fig.12 Planar variation of oil saturation in the same layer under different capillary pressures

圖13 不同毛管壓力下同層界面張力平面變化Fig.13 Planar variation of interfacial tension in the same layer under different capillary pressures

（3）生產(chǎn)階段。毛管壓力越小，注入氣驅(qū)替原油時受到的阻力越小，油藏吐出的原油越多且越快，油藏底部含油飽和度越大，生產(chǎn)井在生產(chǎn)階段回采的原油更多，并隨著原油不斷被開采，油藏含油飽和度逐漸減少，油藏壓力逐漸降低，油藏整個區(qū)域的界面張力都逐漸增大，但井筒附近及油藏上部增加的更大，同時產(chǎn)出氣在原油中溶解度小，氣體與原油的界面張力最大，且毛管壓力較大的油藏，由于流體流動過程中受到阻力的影響，含油飽和度和界面張力在驅(qū)替過程中平面上呈現(xiàn)出明顯的不均勻驅(qū)替變化。從模擬結(jié)果來看，毛管壓力大小的變化對界面張力的影響按照公式計(jì)算，在地層孔隙和潤濕性不改變的情況下，毛管壓力與界面張力呈正比。

雖然滲透率的縱向非均質(zhì)性提高了油藏的垂向驅(qū)替效率，但毛管壓力的增大使得注入氣進(jìn)入孔隙所受到的阻力增大，因此在注入氣驅(qū)替原油的過程中，氣體對原油的驅(qū)替作用受到限制。毛管壓力增加，注入氣對原油的驅(qū)替作用減弱，油藏頂部原油被驅(qū)替至底部的速度變緩，原油在油藏下部聚集的量也減少。因此，油藏吞吐氣驅(qū)開發(fā)時，較小的毛管壓力更有利于存在縱向非均質(zhì)性的油藏提高驅(qū)替效率和改善開發(fā)效果（圖14）。

根據(jù)上述研究可知，不同水平下的地層傾角、驅(qū)替速度以及毛管壓力對油藏平面和縱向上的驅(qū)油效果均具有很大影響。通過分析模擬結(jié)果和變化圖可知，隨著重力和驅(qū)替力的逐漸增大，驅(qū)油效果具有明顯改善，油藏底部原油含油飽和度增加，換油率和采收率也逐漸增加；毛管壓力的變化則相反，隨著毛管壓力的減小，油藏的驅(qū)油效率得到提升，油藏底部的含油飽和度均勻增加，換油率和采收率增加。因此，油藏吞吐氣驅(qū)開發(fā)時，油藏本身存在較大的地層傾角和較小的毛管壓力時，適當(dāng)?shù)脑龃笞馑俣雀欣谔岣卟墒章省?/p>

圖14 不同毛管壓力縱向驅(qū)油差異含油飽和度變化Fig.14 Variation of oil saturation in longitudinal displacement under different capillary pressures

4 結(jié)論

（1）不同大小的地層傾角、驅(qū)替速度以及毛管壓力對注氮?dú)馔掏職怛?qū)的開發(fā)效果不同，不同驅(qū)替速度對氣體的注入量影響最大，不同的地層傾角和毛管壓力對原油的增加量影響均較大，因此綜合來看，驅(qū)替速度的加快對提高換油率的影響最明顯，地層傾角的增加和毛管壓力的減小對提高采收率的影響均較明顯，且二者相差很小。

（2）平面上地層傾角和驅(qū)替速度的變化影響氣體注入后對含油飽和度和界面張力的作用范圍和快慢所產(chǎn)生的變化，毛管壓力的變化所形成的阻力使得平面上含油飽和度和界面張力在氣體注入后產(chǎn)生不均勻的驅(qū)替變化；縱向上，不同地層傾角形成不同程度的重力分異作用，使得原油在縱向上的變化最為明顯。

（3）在氮?dú)馔掏聦?shí)際生產(chǎn)中，本身存在一定地層傾角以及較小毛管壓力的油藏，注入氣能更好地驅(qū)替原油，同時適當(dāng)?shù)靥岣咦馑俣纫材軌蛟黾釉万?qū)替效率，提高原油采收率，降低成本。