冀東淺層稠油油藏CO2/N2復(fù)合氣體吞吐提高采收率的可行性*

郝宏達(dá)，侯吉瑞，黃捍東，趙鳳蘭，劉懷珠

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）地球物理學(xué)院，北京102249；2.中國(guó)石油大學(xué)（北京）非常規(guī)科學(xué)技術(shù)研究院，北京102249；3.中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京102249；4.中國(guó)石油冀東油田分公司鉆采工藝研究院，河北唐山063000）

0 前言

冀東油田G區(qū)塊屬于常規(guī)稠油油藏，常規(guī)開(kāi)采含水上升快，采收率低。自2010年起，G區(qū)塊開(kāi)展了水平井注CO2吞吐礦場(chǎng)試驗(yàn)，并取得了良好的控水增油效果［1-3］。但隨著吞吐輪次的增加，一方面，吞吐增油量逐漸減少，換油率不斷下降，噸油成本不斷上升［4-8］；另一方面，CO2氣體對(duì)井筒以及地面管線的腐蝕越來(lái)越嚴(yán)重，制約了CO2氣體的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。為了尋求CO2吞吐后的儲(chǔ)備技術(shù)，提出了將CO2與N2相結(jié)合，利用CO2/N2復(fù)合氣體開(kāi)展單井吞吐，提高淺層稠油油藏的采收率。國(guó)內(nèi)外大量的研究結(jié)果表明，CO2氣體注入地層后能夠顯著降低原油黏度，降低地層油的滲流阻力，同時(shí)依靠溶解氣驅(qū)、膨脹原油等作用改善稠油油藏的開(kāi)發(fā)效果［9-16］。與CO2相比，N2氣體雖然降黏、膨脹原油的能力較弱，但其在增能、助排和重力驅(qū)動(dòng)等方面具有突出的優(yōu)勢(shì)［17-19］；且 N2氣體來(lái)源廣、性質(zhì)穩(wěn)定，將其與CO2復(fù)合可緩解純CO2氣體對(duì)井筒及地面管線的傷害。近年來(lái)，國(guó)外已有學(xué)者提出CO2/N2復(fù)合氣體提高采收率技術(shù)，但大部分應(yīng)用于煤層氣開(kāi)采［20-22］。國(guó)內(nèi)學(xué)者雖然開(kāi)展了大量的注氣提高采收率相關(guān)研究，但大多集中于CO2、N2、CH4等單一注氣介質(zhì)提高采收率的效果對(duì)比［23-26］，而關(guān)于CO2/N2復(fù)合氣體提高原油采收率的相關(guān)文獻(xiàn)則鮮有報(bào)道。

本文以冀東油田G區(qū)塊淺層稠油油藏為研究背景，開(kāi)展CO2/N2復(fù)合氣體提高采收率的可行性實(shí)驗(yàn)研究。首先，用PVT高壓物性分析儀開(kāi)展注氣膨脹實(shí)驗(yàn)，分析不同CO2與N2比例的復(fù)合氣體與原油接觸后對(duì)地層油飽和壓力、體積系數(shù)、黏度等高壓物性的影響；其次，利用室內(nèi)長(zhǎng)巖心開(kāi)展復(fù)合氣體吞吐物理模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)比不同CO2與N2比例的復(fù)合氣體注入后的增壓能力和增油效果。結(jié)合PVT測(cè)試結(jié)果和物理模擬的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，系統(tǒng)分析CO2/N2復(fù)合氣體提高稠油油藏采收率的相關(guān)作用機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

實(shí)驗(yàn)用油為冀東G區(qū)塊地層油樣；實(shí)驗(yàn)用水為G區(qū)塊模擬地層水，礦化度1572 mg/L，其中含Na++K+473 mg/L、Mg2+15 mg/L、Ca2+22 mg/L；實(shí)驗(yàn)用氣包括CO2、N2，純度為99.9%。

PVT高壓物性分析儀，法國(guó)ST公司；7890B型色譜儀，美國(guó)安捷倫公司；VISCOlab-PVT型黏度計(jì)，美國(guó)CVI公司；物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置包括HW-Ⅱ型自控恒溫箱、HAS-100型恒壓恒速泵（兩臺(tái)）、活塞中間容器（4個(gè)）、300×45×45 mm3巖心夾持器（一套）、回壓控制閥、壓差變送器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)用巖心尺寸為300 mm×45 mm×45 mm，平均孔隙度17.20%，平均滲透率494.2×10-3μm2，實(shí)驗(yàn)用巖心的基礎(chǔ)物性參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)用巖心的基礎(chǔ)物性參數(shù)

1.2 地層油高壓物性測(cè)試及注氣膨脹實(shí)驗(yàn)

根據(jù)中國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5542—2009《油氣藏流體物性分析方法》［27］對(duì)G區(qū)塊地層油進(jìn)行高壓物性測(cè)試。將一定量的地層油樣品轉(zhuǎn)到PVT測(cè)試筒中，升溫至地層溫度65℃，加壓至地層壓力18.23 MPa，充分?jǐn)嚢枋蛊涑蔀榉€(wěn)定的單相狀態(tài)；在地層條件下測(cè)定其飽和壓力、體積系數(shù)等相關(guān)參數(shù)；利用VISCOlab-PVT黏度計(jì)測(cè)定其在地層溫度、7.34 s-1條件下的黏度隨壓力變化情況，同時(shí)利用色譜儀對(duì)原油的組分組成進(jìn)行分析。

注氣膨脹實(shí)驗(yàn)步驟如下：①根據(jù)復(fù)合氣體中CO2和N2的摩爾比例和摩爾分?jǐn)?shù)以及原油的平均相對(duì)分子質(zhì)量，計(jì)算所需CO2、N2和油樣的體積；②將地層油和復(fù)合氣體注入PVT筒中充分?jǐn)嚢杈鶆蚝?，在地層條件下測(cè)定飽和壓力、黏度、體積系數(shù)等參數(shù)；③改變CO2/N2復(fù)合氣體與地層油的比例，重復(fù)上述步驟，測(cè)定不同氣體注入量條件下的物性參數(shù)；④改變復(fù)合氣體中CO2和N2的摩爾比例分別為1∶0（純CO2）、4∶1、7∶3、1∶1、0∶1（純N2），再次重復(fù)上述測(cè)試過(guò)程，測(cè)定不同CO2/N2摩爾占比對(duì)地層油高壓物性的影響。

1.3 CO2/N2復(fù)合氣體吞吐物理模擬實(shí)驗(yàn)

CO2/N2復(fù)合氣體吞吐物理模擬實(shí)驗(yàn)流程圖如圖1所示。長(zhǎng)巖心吞吐實(shí)驗(yàn)中，復(fù)合氣體CO2與N2的摩爾比例分別為1∶0（純CO2）、4∶1、7∶3、1∶1、0∶1（純N2）。根據(jù)CO2和N2的摩爾質(zhì)量以及其在地層條件下的密度參數(shù)，計(jì)算可得復(fù)合氣體中CO2與N2的體積比對(duì)應(yīng)為1∶0（純CO2）、2∶1、1∶1、1∶2、0∶1（純N2）。吞吐實(shí)驗(yàn)的具體操作過(guò)程如下：①將巖心放置于巖心夾持器中，抽真空，飽和地層水，測(cè)定孔隙體積，并在65℃條件下測(cè)定巖心滲透率；②利用回壓控制閥設(shè)定巖心出口端的壓力為5 MPa，向巖心中飽和油至束縛水飽和度，計(jì)算原始含油飽和度；③以巖心的入口端作為注氣端面和采出端面，設(shè)定注入速度0.3 mL/min（地下流速）向巖心中注入氣體，直至注入量達(dá)到0.05 PV（地下條件）；④悶井12 h后，巖心入口端連接回壓閥，并設(shè)置壓力為5 MPa，開(kāi)井生產(chǎn)直至巖心壓力再次降至5 MPa為止，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中記錄產(chǎn)油量和壓力數(shù)據(jù)；⑤重復(fù)步驟③和步驟④，開(kāi)展共計(jì)4輪吞吐實(shí)驗(yàn)，累計(jì)注氣量0.20 PV（地下條件），實(shí)驗(yàn)結(jié)束后計(jì)算復(fù)合氣體吞吐的采收率。⑥改變復(fù)合氣體中CO2和N2的比例，重復(fù)步驟①至步驟⑤，對(duì)比不同比例CO2/N2復(fù)合氣體的增壓能力和增油效果。

圖1 CO2/N2復(fù)合氣體吞吐實(shí)驗(yàn)裝置流程圖

對(duì)于純CO2和純N2氣體（CO2/N2比例分別為1∶0和0∶1），由于注入的是單一介質(zhì)，此時(shí)一臺(tái)恒速恒壓泵即可滿足注氣要求。對(duì)于2∶1、1∶1和1∶2比例的復(fù)合氣體，在注氣過(guò)程中則需要兩臺(tái)注氣設(shè)備，例如，注入2∶1比例復(fù)合氣體時(shí)，CO2的注氣速度需設(shè)置為0.2 mL/min，N2的注氣速度需設(shè)置為0.1 mL/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 G區(qū)塊地層油高壓物性

G區(qū)塊地層油高壓物性測(cè)試結(jié)果表明，地層油的飽和壓力為11.20 MPa，氣油比20.00 m3/m3，體積系數(shù)1.058，密度0.8932 g/cm3，單脫死油密度0.9643 g/cm3。表2給出了G區(qū)塊地層油的組分組成。CO2、N2和C1組分占比為22.11 mol%，中間烴類C2數(shù)C7占比8.59mol%，C8+組分占比69.30mol%。地層油黏度測(cè)試結(jié)果如圖2所示。在地層溫度和壓力（65℃、18.23MPa）條件下，地層油黏度為58.21 mPa·s，地面脫氣原油黏度為333.56 mPa·s，為典型的稠油油藏。

表2 G區(qū)塊地層油組分組成

圖2 G區(qū)塊地層油黏度與壓力關(guān)系曲線

2.2 復(fù)合氣體對(duì)原油高壓物性的影響

圖3給出了不同比例CO2/N2復(fù)合氣體注入后地層油飽和壓力的變化情況。隨著氣體注入量的增加，地層油飽和壓力逐漸增大。對(duì)比純CO2與純N2，飽和壓力對(duì)于N2氣體更為敏感，當(dāng)注氣量增加至20 mol%時(shí)，注入N2可使飽和壓力增至51.39 MPa，而注入CO2僅使飽和壓力增至13.6 MPa。復(fù)合氣體對(duì)飽和壓力的影響介于純N2與純CO2之間，同樣以注氣量 20mol%為例，CO2與 N2的摩爾比 4∶1、7∶3和1∶1的復(fù)合氣體使得地層油飽和壓力分別升至15.04、19.62和22.63 MPa。

飽和壓力曲線的變化同時(shí)可以反映出不同注氣介質(zhì)在地層油中的溶解規(guī)律。當(dāng)壓力達(dá)到30 MPa時(shí)，57 mol%的CO2氣體可溶于57 mol%的地層油中，而僅有12 mol%的N2可溶于88 mol%的地層油中，即CO2氣體在稠油中的溶解能力要明顯優(yōu)于N2的。復(fù)合氣體在地層油中的溶解能力介于純CO2和純N2之間，且隨著復(fù)合氣體中CO2比例的增加，復(fù)合氣體在稠油中的溶解能力增強(qiáng)。在壓力為30 MPa的條件下，CO2與N2的摩爾比1∶1、7∶3和4∶1的復(fù)合氣體的飽和溶解度分別為18、29和52 mol%。

圖3 不同比例CO2/N2復(fù)合氣體注入后地層油飽和壓力的變化規(guī)律

不同比例CO2/N2復(fù)合氣體對(duì)地層油體積系數(shù)的變化情況如圖4所示。與N2相比，CO2氣體具有相對(duì)較好的膨脹原油能力。當(dāng)注氣量為20 mol%時(shí)，CO2-地層油體系的體積系數(shù)為1.095，N2-地層油體系的體積系數(shù)為1.075；復(fù)合氣體-地層油體系的體積系數(shù)介于CO2-地層油體系與N2-地層油體系之間，且隨著復(fù)合氣體中CO2比例的增加，復(fù)合氣體膨脹原油的能力增強(qiáng)。但總體來(lái)講，復(fù)合氣體中CO2/N2的比例對(duì)原油體積系數(shù)的影響相對(duì)較小，即相同注氣量條件下，不同注氣介質(zhì)對(duì)稠油的膨脹能力相差不大。相對(duì)地，氣體注入量對(duì)于G區(qū)塊稠油體積系數(shù)的影響較大，即隨著注氣量的增加，地層油體積系數(shù)迅速增大，氣體膨脹原油的效應(yīng)更為明顯。

圖4 不同比例CO2/N2復(fù)合氣體注入后地層油體積系數(shù)的變化規(guī)律

圖5給出了不同比例CO2/N2復(fù)合氣體注入后地層油黏度的變化情況。與體積系數(shù)的變化規(guī)律不同，注入氣體對(duì)于地層油黏度的影響較大，即對(duì)于G區(qū)塊稠油，溶解降黏效應(yīng)是注氣提高采收率的主要機(jī)理；且隨著注氣量的增加，氣體的降黏作用明顯。與N2相比，CO2氣體具有顯著的降黏能力。當(dāng)注氣量達(dá)到20 mol%時(shí)，注入CO2可使地層油黏度由52.13 mPa·s降至27.02 mPa·s，降黏率達(dá)到了48.17%；而N2僅可使地層油黏度降至45.49 mPa·s，降黏率為12.74%。受CO2氣體和N2氣體降黏能力的巨大差異，復(fù)合氣體中CO2比例越高，其降黏效果越好；當(dāng)注氣量超過(guò)20 mol%、CO2/N2比例超過(guò)7∶3時(shí)，復(fù)合氣體對(duì)地層油的降黏率可達(dá)40%以上。

圖5 不同比例CO2/N2復(fù)合氣體注入后地層油黏度的變化規(guī)律

2.3 復(fù)合氣體吞吐的增油效果及增能效果

為了對(duì)比不同比例CO2/N2復(fù)合氣體吞吐的增油效果，進(jìn)一步明確復(fù)合氣體提高采收率的作用機(jī)制，開(kāi)展了相關(guān)的室內(nèi)物理模擬實(shí)驗(yàn)。圖6為不同比例CO2/N2復(fù)合氣體增油的效果對(duì)比。復(fù)合氣體中CO2比例越高，其增油效果越好。經(jīng)過(guò)4輪吞吐后，純CO2、2∶1（體積比）復(fù)合氣、1∶1復(fù)合氣、1∶2復(fù)合氣和純N2分別提高采收率19.06%、17.31%、13.27%、9.09%和8.09%。純CO2吞吐的增油效果最好，2∶1比例復(fù)合氣吞吐的增油效果接近于CO2，1∶1比例復(fù)合氣增油效果居中，而1∶2比例復(fù)合氣和純N2的增油效果最差。

圖6 不同比例CO2/N2復(fù)合氣體提高采收率效果對(duì)比

圖7對(duì)比了不同注氣介質(zhì)吞吐實(shí)驗(yàn)的壓力變化情況。在相同注氣量條件下，N2氣體的增壓能力最強(qiáng)，其補(bǔ)充地層能量的效果最好；復(fù)合氣體的增壓能力次之，且隨著N2比例的降低，其增壓能力越差；CO2氣體的增能效果最差。但另一方面，當(dāng)CO2注入巖心后，其壓力曲線在悶井過(guò)程中先下降后趨于平穩(wěn)，這一過(guò)程反映了CO2氣體在地層油中的溶解過(guò)程，CO2的溶解能夠顯著降低地層油的黏度，改善原油的流動(dòng)能力。在2∶1和1∶1比例復(fù)合氣體中同樣可觀察到類似的壓降過(guò)程，即復(fù)合氣體對(duì)于原油實(shí)現(xiàn)了溶解降黏效應(yīng)。1∶2比例復(fù)合氣在悶井階段壓力幾乎不降，純N2實(shí)驗(yàn)組的壓力不降反升，注入氣體在地層油中的溶解能力很弱，僅依靠能量補(bǔ)充的手段很難獲得較好的增油效果。

圖7 CO2/N2復(fù)合氣體吞吐實(shí)驗(yàn)巖心壓力變化情況

值得注意的是，2∶1比例（摩爾比4∶1）復(fù)合氣體的增油效果與純CO2氣體的增油效果差別不大，雖然該比例復(fù)合氣體中N2的存在部分削弱了復(fù)合氣體的溶解降黏能力，但依靠此部分N2的增能作用仍可實(shí)現(xiàn)其對(duì)增油的補(bǔ)償；當(dāng)復(fù)合氣體中N2體積比超過(guò)1/3時(shí)，雖然其補(bǔ)充地層能量的能力增強(qiáng)，卻無(wú)法彌補(bǔ)其對(duì)溶解降黏造成的損失，導(dǎo)致復(fù)合氣體整體的增油效果較差。因此，對(duì)于冀東G區(qū)塊稠油油藏，在實(shí)施復(fù)合氣體吞吐時(shí)應(yīng)對(duì)CO2和N2的注入比例進(jìn)行優(yōu)化，以保證獲得較好的開(kāi)發(fā)效果。在本實(shí)驗(yàn)條件下，選取體積比2∶1（摩爾比4∶1）的CO2/N2復(fù)合氣體，可實(shí)現(xiàn)CO2溶解降黏和N2增能的協(xié)同效應(yīng)，有效提高稠油油藏的采收率。

3 結(jié)論

冀東油田G區(qū)塊屬于常規(guī)稠油油藏，注氣膨脹實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明對(duì)于此類油藏，應(yīng)以溶解降黏為主，膨脹原油為輔。CO2氣體溶解降黏、膨脹原油等效應(yīng)要明顯好于N2氣體，可以有效改善稠油的流動(dòng)能力，提高原油采收率。

CO2/N2復(fù)合氣體與地層油的相互作用機(jī)制介于純CO2與純N2之間，且隨著復(fù)合氣體中CO2比例的增加，其溶解降黏和溶解膨脹的效應(yīng)越明顯；當(dāng)注氣量超過(guò)20 mol%、CO2/N2摩爾比例超過(guò)7∶3（體積比1∶1）時(shí)，復(fù)合氣體的降黏率可達(dá)40%以上。

體積比2∶1（摩爾比4∶1）的CO2/N2復(fù)合氣體經(jīng)過(guò)4輪注氣吞吐后可提高原油采收率17.03%，接近純CO2氣體的增油效果；該比例的復(fù)合氣體可實(shí)現(xiàn)CO2溶解降黏和N2增能的協(xié)同效應(yīng)，有效提高稠油油藏的采收率。