低滲透油藏滲透率對CO2驅(qū)重力超覆的影響規(guī)律

宋黎光，趙鳳蘭，馮海如，王 強，婁小康

（1.中國石油大學(xué)（北京）非常規(guī)油氣科學(xué)技術(shù)研究院，北京 102249；2.石油工程教育部重點實驗室，北京 102249；3.中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京 102249）

滲透率作為油氣滲流能力的衡量尺度，是重力超覆過程中不可忽略的因素，且不同低滲透油藏滲透率差異較大，重力超覆在不同滲透率油藏的情況可能存在差異，不利于認(rèn)識和緩解重力超覆，因而需明確滲透率對重力超覆的影響規(guī)律。數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)滲透率的增加將加劇重力超覆程度［15］，但室內(nèi)物理模擬實驗結(jié)果可能與數(shù)值模擬存在差異。為此，筆者根據(jù)低滲透厚油層油藏特征設(shè)計了高溫高壓氣驅(qū)超覆物理模型，并根據(jù)重力超覆產(chǎn)生時產(chǎn)出端的產(chǎn)出特征設(shè)計不同的產(chǎn)出層位，通過上、下層產(chǎn)出流體差異表征重力超覆程度，并以此來研究不同滲透率及不同CO2驅(qū)替類型下的重力超覆變化規(guī)律，以便明確滲透率對CO2驅(qū)重力超覆的影響規(guī)律及機理，為低滲透油藏CO2驅(qū)避免重力超覆、改善波及效率提供理論依據(jù)。

1 實驗器材與方法

1.1 實驗器材

實驗儀器 實驗儀器主要包括ISCO泵、1 000 mL活塞中間容器、六通閥、2 cm×8 cm×60 cm的巖心夾持器以及采出計量裝置（包括誤差極小的回壓閥、氣液分離收集裝置、bronkhorst氣體流量計）、壓力傳感器及其配套的壓力數(shù)據(jù)計量設(shè)備、手搖計量泵、自控恒溫箱（圖1）。

實驗材料 實驗巖心為人工壓制的均質(zhì)低滲透巖心，尺寸為2 cm×8 cm×60 cm。實驗用油為SL脫氣原油，黏度和密度分別為1.24 mPa·s和0.788 g/cm3（實驗溫度為60 ℃），與CO2的最小混相壓力經(jīng)Winprop計算約為18 MPa，實驗用水為模擬地層水，總礦化度為72 597 mg/L，CaCl2水型。實驗用氣為純度為99.9%的CO2。實驗流體性質(zhì)如表1所示。

圖1 實驗裝置Fig.1 Illustration of experimental setup

表1 實驗流體性質(zhì)Table1 Experimental fluid properties

1.2 實驗方法

實驗步驟主要包括：①將采用露頭砂壓制的低滲透巖心在溫度為80 ℃的空氣浴中烘干12 h以上，并對巖心外觀尺寸進(jìn)行測量，確保巖心尺寸符合規(guī)格，巖心表面除注入端和產(chǎn)出端之外，均涂刷環(huán)氧樹脂防腐層。②將巖心放置在巖心夾持器內(nèi)，加環(huán)壓至5 MPa，利用真空泵將巖心抽真空4 h以上，并將模擬地層水通過手搖計量泵注入抽真空后的巖心內(nèi)填充孔隙體積，直到手搖計量泵上的壓力示數(shù)不變?yōu)橹?，并通過飽和地層水前后的手搖計量泵示數(shù)差值計算飽和水體積，從而確定巖心孔隙體積。③使用ISCO-100DX高壓恒壓恒速泵，將地層水以0.1，0.2，0.3，0.4，0.5 mL/min的注入速度注入巖心，通過巖心兩端驅(qū)替壓差及注入速度，依據(jù)達(dá)西公式計算巖心平均滲透率。④將裝有原油及CO2的中間容器及巖心夾持器升溫至實驗溫度為60 ℃，待壓力傳感器監(jiān)測的巖心夾持器環(huán)壓穩(wěn)定后，轉(zhuǎn)動巖心夾持器將巖心水平放置，以0.05 mL/min的注入速度將原油注入巖心，驅(qū)替地層水至無水產(chǎn)出為止，再將產(chǎn)出端與回壓閥相連，固定回壓閥壓力為實驗所需壓力，繼續(xù)飽和原油至上、下層出口產(chǎn)出原油相近，計算飽和油體積，得出含油飽和度。⑤關(guān)閉巖心所有出入口，將巖心老化24 h以上，轉(zhuǎn)動巖心夾持器使巖心豎直放置，將CO2以0.1 mL/min的注入速度驅(qū)替巖心內(nèi)原油，同時打開上、下產(chǎn)出端出口，分別計量其產(chǎn)出油、氣量，氣驅(qū)至任意產(chǎn)出端氣油比超過3 000 m3/m3后停止實驗，對巖心上、下產(chǎn)出端產(chǎn)出油、氣量進(jìn)行計算。⑥更換巖心，進(jìn)行下一組實驗（表2）。

表2 巖心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及實驗參數(shù)Table2 Basic parameters of cores and experimental parameters

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 非混相驅(qū)

2.1.1 流體產(chǎn)出狀況

從圖2可以看出，滲透率由3.5 mD增至17.6 mD時，巖心上、下層產(chǎn)出差異明顯，巖心上層先產(chǎn)出油，下層產(chǎn)出油極少，上、下層采收率差異也較大，采收率主要由巖心上層貢獻(xiàn)，因而當(dāng)注氣速度為0.1 mL/min時，不同滲透率巖心CO2非混相驅(qū)均有嚴(yán)重的重力超覆產(chǎn)生，非混相驅(qū)實驗壓力為10 MPa，實驗溫度為60 ℃，油氣密度差高達(dá)0.5 g/cm3，在較低注氣速度下，油氣密度差引起的重力作用明顯，因而形成了明顯的重力超覆。在CO2重力超覆影響下原油由巖心上層產(chǎn)出，將進(jìn)一步降低其對巖心下層的波及效率，見氣后不同滲透率巖心下層采收率均緩慢增加，直至巖心上層形成氣竄后，巖心下層仍緩慢產(chǎn)出油，可見重力超覆的形成使注入氣過早突破，嚴(yán)重降低CO2對巖心下層的波及效率，巖心下層較多原油滯留在巖心孔隙內(nèi)無法產(chǎn)出。

2.1.2 重力超覆規(guī)律

2018年4月27出臺的《關(guān)于規(guī)范金融機構(gòu)資產(chǎn)管理業(yè)務(wù)的指導(dǎo)意見》是對資管行業(yè)的革新。在新出臺的相關(guān)政策中，明確提出，資產(chǎn)管理的產(chǎn)品不僅僅只限于人民幣、外幣形式的銀行非保本理財產(chǎn)品，一些證券公司包括其子公司、保險資產(chǎn)管理機構(gòu)、證券公司、信托機構(gòu)、期貨公司子公司等相關(guān)的金融公司也都被納入到資產(chǎn)管理產(chǎn)品當(dāng)中。其中銀行理財是占比最大的資管產(chǎn)品，是資管行業(yè)重要的資金來源，也是居民投資理財最重要的渠道。分析資管新規(guī)對銀行理財?shù)挠绊懹兄诓煌L(fēng)險偏好的個人選擇合適的理財方式。

圖2 非混相驅(qū)巖心上、下層驅(qū)替動態(tài)曲線Fig.2 Dynamic displacement curves of top and bottom layers in immiscible flooding test

圖3 非混相驅(qū)滲透率與上層采收率比重的變化Fig.3 Variation of top layer oil recovery proportion with permeability in immiscible flooding test

為了直觀反映重力超覆程度及分析其變化規(guī)律，氣體突破時的巖心上層采收率所占總采收率比重表征重力超覆程度，從3組滲透率巖心非混相驅(qū)上層采收率比重隨滲透率變化（圖3）可以看出，隨滲透率的變化，氣體突破時巖心上層采收率比重有略微上升的趨勢，說明滲透率由3.5 mD增至17.6 mD時，重力超覆有略微的加劇，但變化不明顯，分析認(rèn)為實驗中巖心滲透率的變化范圍較小，對黏性力和重力比值的影響效果不明顯，黏性力與重力的綜合作用效果變化幅度小，因而形成的重力舌進(jìn)長度隨滲透率的增大而緩慢增大，若進(jìn)一步增大滲透率，可能會擴(kuò)大重力的作用效果，使重力逐漸占據(jù)主導(dǎo)，重力超覆將加?。蛔罱K上層采收率比重隨滲透率增加略降低，原因是見氣后巖心滲透率較大，CO2沿上層的驅(qū)替阻力相對較低，降低了油氣同產(chǎn)階段巖心上層的采收率，從而降低了上層最終采收率比重。

將巖心上、下層驅(qū)替數(shù)據(jù)及整體情況進(jìn)行對比，可進(jìn)一步了解重力超覆隨滲透率的變化規(guī)律（表3）。

隨滲透率的增加，氣體突破時間縮短，重力超覆增加幅度小，結(jié)合氣體突破時的上、下層采收率變化認(rèn)為，滲透率增加，氣驅(qū)阻力降低，氣驅(qū)前緣移動速度增加，CO2與原油的接觸時間和驅(qū)油效率有所降低，因而隨滲透率增加，巖心上、下層氣體突破時的采收率均降低，分別由55.2%降至26%，1.6%降至0，總體采收率也因此由56.8%降至26%；CO2突破時上層采收率所占總采收率比重則隨滲透率的增大而緩慢增加，由97.2%增至100%，最終采收率也因重力超覆加劇而明顯降低，說明滲透率的增加不但增大了CO2非混相驅(qū)的重力超覆程度，同時還降低了驅(qū)油效率，使巖心整體采收率進(jìn)一步降低，因而滲透率較高的巖心，最終采收率僅為37%，而重力超覆程度相對較弱的滲透率為3.5 mD巖心的最終采收率為59.9%。

表3 非混相驅(qū)巖心上、下層驅(qū)替結(jié)果Table3 Displacement results of top and bottom layers in immiscible flooding test

重力超覆的形成和發(fā)展主要受制于黏性力和重力的綜合作用效果，油、氣密度差引起的重力是重力超覆形成的根本原因，而黏性力則影響重力超覆的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，2種力的綜合作用關(guān)系可用黏性力與重力的比值關(guān)系式［16］表示為：

在僅改變滲透率的情況下，隨滲透率的增大，Rv/g減小，意味著黏性力與重力的比值減小，黏性力對重力的限制程度減弱，重力超覆加強。對于滲透率分布變化的厚油層而言，若滲透率較高的層位位于油層上部，即反韻律油層，重力超覆將在滲透率的影響下快速形成并發(fā)展，而若滲透率較高的層位位于油層下部，即正韻律油層，滲透率差異將抵消重力作用，舌進(jìn)趨于向滲透率較高的層位發(fā)展，重力超覆將減弱。

2.2 混相驅(qū)

2.2.1 流體產(chǎn)出狀況

CO2混相驅(qū)涉及到油氣混相，與非混相驅(qū)明顯不同，因而滲透率對重力超覆的影響規(guī)律存在差異。從CO2混相驅(qū)2組實驗不同滲透率巖心上、下層驅(qū)油動態(tài)變化（圖4）可以看出，滲透率為4.6和12.5 mD的巖心上、下層采收率差均較小且見氣，表明混相驅(qū)時重力超覆程度較非混相驅(qū)時弱，原因是混相驅(qū)實驗壓力較高，為20 MPa，60 ℃下的油氣密度差僅為0.069 g/cm3，油氣密度差引起的重力作用微弱，相同注氣速度0.1 mL/min下，黏性力作用效果相近，而重力作用減弱，重力受到黏性力的抑制程度增加，重力超覆減緩。此外，滲透率由4.6 mD增至12.5 mD后，巖心上、下層采收率差異相近，產(chǎn)氣情況類似，重力超覆程度增加均不明顯。

圖4 混相驅(qū)巖心上、下層驅(qū)替動態(tài)曲線Fig.4 Dynamic displacement curves of top and bottom layers in miscible flooding test

2.2.2 重力超覆規(guī)律

圖5 混相驅(qū)滲透率與巖心上層采收率比重的變化Fig.5 Variation of top layer oil recovery proportion with permeability in miscible flooding test

從混相驅(qū)時巖心上層采收率比重隨滲透率變化（圖5）可以看出，不論是氣體突破時的上層采收率比重還是最終上層采收率比重，隨滲透率增加均未發(fā)生明顯變化，滲透率對重力超覆的影響規(guī)律與非混相驅(qū)相似，但影響程度較小。因而分析認(rèn)為，滲透率對CO2混相驅(qū)重力超覆以及黏性力和重力比值的影響程度均較小，原因是混相驅(qū)存在油氣混相且實驗壓力較高，油氣黏度差和密度差均相對較小，在較小的滲透率變化范圍內(nèi)，黏性力與重力綜合作用效果變化幅度也較小，因此隨滲透率增加，重力超覆程度增加不明顯。

將2組實驗巖心上、下層驅(qū)替數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，由表4可知，當(dāng)滲透率由4.6 mD增至12.5 mD后，氣體突破時間基本未變，而滲透率的增加降低了CO2與原油的混相程度，滲透率較大巖心的孔隙度和孔隙空間相對較大，不利于油氣混相的快速進(jìn)行，因而氣體突破時上、下層采收率分別由20.47%降至17.63%和13.85%降至11.58%，突破時總采收率也由34.33%降至29.21%；氣體突破時的上層采收率所占總采收率比重未因滲透率增加而明顯增加，僅由59.6%增至60.3%，說明對于滲透率不同的2塊巖心，在CO2混相驅(qū)中形成的重力舌進(jìn)大小相近，在相同的波及效率下，隨著滲透率的增加，降低了油氣混相程度，從而使驅(qū)油效率下降，并且導(dǎo)致滲透率相對較高的巖心最終采收率降低，由51.7%降至44.7%。

表4 混相驅(qū)實驗巖心上、下層驅(qū)替結(jié)果Table4 Displacement results of top and bottom layers in miscible flooding test

根據(jù)（1）式可知，Rvg隨滲透率的增大而增大，但由于混相驅(qū)CO2與原油互溶使油氣密度差異和黏度差異均較小，滲透率增加對兩種力的作用程度較小，Rvg的降低以及CO2混相驅(qū)重力超覆程度變化均不明顯，因而油藏非均質(zhì)性或韻律分布對CO2混相驅(qū)開發(fā)影響較小，但正韻律油層的滲透率分布有利于緩解重力超覆程度，能改善CO2混相驅(qū)開發(fā)效果。

由于CO2非混相及混相驅(qū)實驗中所使用的的巖心滲透率變化范圍較小，實驗結(jié)果所呈現(xiàn)的重力超覆變化規(guī)律不明顯，根據(jù)CO2非混相驅(qū)和混相驅(qū)實驗結(jié)果及理論分析可知，若增加滲透率變化范圍，重力超覆隨滲透率增加而增加的程度將更為明顯。

3 結(jié)論

非混相驅(qū)中，由于油、氣密度差較大而形成嚴(yán)重的重力超覆，滲透率增加對CO2非混相驅(qū)的重力超覆加劇程度較小，滲透率影響下巖心整體波及效率因重力超覆略微加劇而降低，加之滲透率增加導(dǎo)致的氣驅(qū)前緣移動速度的增加，巖心最終采收率下降；在混相驅(qū)中，油氣密度差較小，形成的重力超覆微弱，而滲透率對CO2驅(qū)重力超覆影響較非混相驅(qū)小，重力超覆隨滲透率增加而增大的幅度更小，而滲透率增加將降低油氣混相程度，波及區(qū)域的驅(qū)油效率下降導(dǎo)致巖心最終采收率降低；根據(jù)滲透率對CO2驅(qū)重力超覆的影響規(guī)律，對于韻律油層而言，尤其是實施CO2非混相驅(qū)的油層，正韻律油層滲透率分布將有助于緩解重力超覆程度，改善開發(fā)效果，反韻律油層將加劇重力超覆程度，嚴(yán)重降低CO2驅(qū)波及效率。

由于所選滲透率范圍較小，滲透率對CO2驅(qū)重力超覆影響規(guī)律不明顯，但分析其影響機理認(rèn)為，滲透率對黏性力和重力均有影響，對重力超覆的影響幅度較小，而油、氣密度差對重力超覆影響明顯，因而應(yīng)適當(dāng)提高驅(qū)替壓力，降低油、氣密度差，緩解重力超覆程度。

符號解釋

g——重力加速度，m/s2；

H——巖心厚度，cm；

K——巖心滲透率，cm2；

L——巖心長度，cm；

Rvg——黏性力與重力的比值；

μ——線速度，cm/s；

μo——原油黏度，mPa?s；

Δρ——油氣密度差，g/cm3。