混相條件下油氣相滲規(guī)律表征

田 巍

（1.中國(guó)石化中原油田分公司勘探開發(fā)研究院，河南濮陽 457001；2.中國(guó)石化中原油田博士后科研工作站，河南濮陽 457001；3.北京科技大學(xué)博士后流動(dòng)站，北京 100083)

近年來，氣驅(qū)技術(shù)逐漸成為提高采收率重要的三次采油技術(shù)，尤其是CO2驅(qū)技術(shù)，國(guó)內(nèi)外通過室內(nèi)試驗(yàn)和理論分析進(jìn)行大量研究[1-5]，CO2與原油提高采收率作用機(jī)理的研究已經(jīng)非常透徹[6-11]，通常認(rèn)為，CO2與原油如果能夠?qū)崿F(xiàn)混相，提高采收率幅度將會(huì)超過90%，超強(qiáng)的洗油效率非常適于水驅(qū)難動(dòng)用儲(chǔ)量的開發(fā)。在編制油田混相條件下的氣驅(qū)方案時(shí)搞清相滲規(guī)律是最關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)，有很多學(xué)者對(duì)混相相滲進(jìn)行了研究[12-15]，但很難形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，那么混相條件下的相滲到底是怎樣的？混相相滲曲線又是怎樣的呢？這就成為目前油田氣驅(qū)開發(fā)過程中擺在油田科研工作者面前的關(guān)鍵問題，只有搞清了這一問題，方案編制才能更加符合，為此，本文從理論與實(shí)驗(yàn)的角度重點(diǎn)聚焦混相條件的相滲及相滲曲線的問題，希望能對(duì)混相驅(qū)技術(shù)的發(fā)展提供重要參考。

1 相滲曲線測(cè)定原理分析

巖石中兩相相對(duì)滲透率計(jì)算原理是按照Backley-Leverett驅(qū)替理論[12]，該理論認(rèn)為：對(duì)于一維流動(dòng)系統(tǒng)，在驅(qū)替過程中，流體飽和度的推進(jìn)與系統(tǒng)的幾何性質(zhì)、流體注入速度、含水率的變化程度有關(guān)，滲透率的影響較小，在滲透率下降時(shí)，上述飽和度的推進(jìn)方程仍然成立，這是關(guān)于該理論的基本表述。該理論最初的基本假設(shè)有4條：①均質(zhì)水平介質(zhì)，并已知絕對(duì)滲透率；②孔隙流體為常黏度流體；③忽略毛管力和重力；④相對(duì)滲透率本身存在有效性。后來逐漸演變?yōu)椋簩?duì)于均質(zhì)流體不考慮流體物性上的差別（主要是密度和黏度）和毛管力的影響，對(duì)于揮發(fā)性流體要求壓力要高于飽和壓力，不致產(chǎn)生溶解氣從油中分離的過程。其實(shí)后來的表述與之前相比，只是多了關(guān)于揮發(fā)性流體基本假設(shè)，事實(shí)上，無論是最初的基本假設(shè)還是后來演變的假設(shè)，都在強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，那就是忽略流體性質(zhì)的變化，最初假設(shè)表述為“常黏度流體”，演變后的假設(shè)表述為“不考慮流體物性上的差別”，即認(rèn)為在驅(qū)替全過程中流體的性質(zhì)不變，或者變化很小，以致可以忽略，在行業(yè)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中也都充分強(qiáng)調(diào)了這一點(diǎn)。

現(xiàn)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 28912-2012《巖石中兩相流體相對(duì)滲透率測(cè)定方法》[16]中，對(duì)于相滲是這樣表述的：忽略毛管力和重力作用，假設(shè)兩相流體互不相溶不可壓縮，巖樣任一橫截面內(nèi)的流體飽和度是均勻的，在驅(qū)替過程中，流體飽和度在多孔介質(zhì)中的分布是距離和時(shí)間的函數(shù)。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)也正是基于Backley-Leverett驅(qū)替理論而制定，對(duì)于油氣相滲，尤其是注入氣體在油中有溶解時(shí)，目前的研究一般是直接忽略這種溶解變化或通過對(duì)J·B·N基本公式稍加修正，這對(duì)于溶解量較少、引起原油物性變化較小的情況基本可以適用，但是對(duì)于溶解量較大，以致兩相達(dá)到混相情況下，該標(biāo)準(zhǔn)的適應(yīng)性就有待商榷，原來的J·B·N方法的計(jì)算公式可能就不再適用了。目前的文獻(xiàn)中有很多關(guān)于混相條件下相滲曲線的研究，但是對(duì)于在混相條件下現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中的方法是否適用的問題還沒有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。

2 混相下的相滲及相滲曲線存在性探討

混相是指兩相流體在一定的溫度和壓力下，兩相界面消失，兩相之間可以以任意比互溶的情況，能夠?qū)崿F(xiàn)混相的決定因素是壓力，尤其是油氣實(shí)現(xiàn)混相，必須要有足夠的壓力。對(duì)于一般的常黏度油流體，通常與CO2的混相壓力較低，與天然氣的混相壓力次之，與N2的混相壓力最高。由于目前CO2驅(qū)技術(shù)是熱點(diǎn)問題，所以以CO2與原油混相為例來說明，對(duì)于CO2氣體，在溫度高于31.1℃、壓力超過7.382 MPa情況下處于其超臨界狀態(tài)。在該狀態(tài)下，其具有液體的密度，但同時(shí)具有與氣體相當(dāng)?shù)酿ざ?，這就表現(xiàn)出良好的注入性，由于其表現(xiàn)出液體屬性的一面，與原油更容易實(shí)現(xiàn)混相?；煜嗪笤团cCO2的油氣界面消失，意味著油與CO2可以以任意比互溶，通常地層壓力較高，CO2在注入階段就已經(jīng)處于超臨界狀態(tài)，注入后很容易實(shí)現(xiàn)混相，中原油田中高含水油田原油與CO2的最小混相壓力為18.9 MPa，深層低滲油藏原油與CO2的最小混相壓力為29.72 MPa，在原始地層壓力下都可以實(shí)現(xiàn)混相。

混相驅(qū)過程中，CO2逐漸溶解于原油中，引起原油性質(zhì)的較大變化，導(dǎo)致在注氣開發(fā)的每一時(shí)刻原油的性質(zhì)都不同。注氣后，原油溶解體積膨脹，同時(shí)黏度降低，流度發(fā)生變化，這與原始地層油的性質(zhì)不同，見圖1。即此時(shí)的原油已經(jīng)不是上一時(shí)刻的原油，但在每一時(shí)刻的氣體與原油一直存在著共滲情況，即相滲是存在的，但是驅(qū)替流動(dòng)過程中原油的組分和氣體的組分時(shí)刻都在變化，這就與相滲的基本假設(shè)嚴(yán)重背離，那么J·B·N方法就不再適用。

從相對(duì)滲透率的角度來說，圖2中各個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)（即使是相鄰的試驗(yàn)點(diǎn)）之間沒有任何關(guān)系，但是每個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)都存在著油和氣的共同滲流，各點(diǎn)之間又不相干，那么也就不存在CO2混相條件下的相滲曲線。這與油水相滲完全不同，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)之所以完全適合于油水相滲，是因?yàn)樽⑺_發(fā)的每個(gè)階段油都不會(huì)溶解到水中，即使形成油水乳化物也是很少量的，注水開發(fā)的每個(gè)階段，油和水的性質(zhì)都很穩(wěn)定，流體的性質(zhì)沒有變化，每一時(shí)刻的組分都相同，因此可以斷定制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的初衷只是針對(duì)油水相滲，油氣相滲只是后來隨著氣驅(qū)的發(fā)展才逐漸形成和套用的，而并沒有形成關(guān)于氣驅(qū)油相滲的專門標(biāo)準(zhǔn)，以至于目前的標(biāo)準(zhǔn)中油氣相滲與油水相滲采用了同樣的計(jì)算公式，把氣體本身的滲流性質(zhì)完全忽略了。如油存在情況下，氣體滲流是否還有滑脫效應(yīng)的影響、滲流規(guī)律是否還符合線性關(guān)系、以至于低滲是否適用該方法都沒有考慮，關(guān)于混相條件下相滲的表達(dá)就更沒有涉及。因此，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格來說存在很多缺陷。

從室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的角度來說，相對(duì)滲透率的測(cè)定中，壓力和流量之間不再符合任何形式的達(dá)西定律，主要是指考慮啟動(dòng)壓力梯度的達(dá)西公式。這是因?yàn)槭覂?nèi)試驗(yàn)時(shí)流體的注入一般是按照恒流量注入或者恒壓注入，在恒流量注入情況下，注入流體大部分被溶解，這部分溶解的流體在滲流過程中就沒有發(fā)揮應(yīng)有的作用，該流量下的注入流體只有一部分參與了滲流，如以0.2 mL/min的流量注入，由于是混相驅(qū)替，不存在油氣界面，注入的氣體很大一部分是與原油混溶的，可能有0.15 mL/min的流量被溶解了，事實(shí)上發(fā)揮驅(qū)替滲流作用的只有0.05 mL/min，這時(shí)的驅(qū)替壓力就不再是0.2 mL/min的流量對(duì)應(yīng)的驅(qū)替壓力，也就沒有流量和壓力之間的達(dá)西關(guān)系；恒壓情況下，由于注入的氣體大多被溶解，只有少部分參與滲流，為恒定該壓力，儀器只能一直加大流量供氣，實(shí)際只有部分壓力的流量參與滲流，那么在該壓力下的流量也是不對(duì)應(yīng)的，對(duì)J·B·N公式的修正只能是自相矛盾。因此，無論恒壓注入還是恒流量注入，都不符合任何形式的達(dá)西定律，也就不存在J·B·N方法在此方面的應(yīng)用了。

圖3為按照渠道理論簡(jiǎn)化后的毛管模型。毛管中存在油氣兩相，氣體為驅(qū)替相，如果不存在溶解，就是氣體直接驅(qū)替原油的非混相驅(qū)替的過程，如圖3a，驅(qū)替相氣體的量在孔道中沒有變化，就形成“氣走氣的通道、油走油的通道”的滲流情況，由于兩相間存在界面，通過界面?zhèn)鬟f動(dòng)力，低黏度流體通過黏滯力作用提供另一相運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力，因此兩者的分壓是相等的，注入氣體的量等于產(chǎn)出的量，注入的氣體全部發(fā)揮滲流和推動(dòng)作用，圖3a中滲流過程中通道的形狀不發(fā)生變化。但由于溶解的存在，若不考慮膨脹，則仍為圖3a的模型，但是氣體的溶解導(dǎo)致其分壓會(huì)降低很多，這就導(dǎo)致該管道內(nèi)整體的壓力降低，此時(shí)壓力已不是該注入流量下的壓力，如果同時(shí)考慮溶解氣體的原油膨脹，那么管道中原油的體積會(huì)增加，氣體被擠壓，形成圖3b的情況。由于原油的逐漸溶解，導(dǎo)致氣體的量隨滲流距離的增加而越來越小，因此氣體的體積量就形成尖錐形狀，滲流很不穩(wěn)定，不符合任何形式的達(dá)西定律。當(dāng)氣油兩相可以以任意比互溶時(shí)，兩者界面消失，達(dá)到所謂的混相狀態(tài)?；煜酄顟B(tài)下就更特殊，圖4為混相驅(qū)替整個(gè)過程的模型，部分區(qū)域兩相以任意比互溶溶為一相，形成所謂的混相與非混相糅合的復(fù)雜多相滲流的驅(qū)替過程。嚴(yán)格來說，混相驅(qū)是一種特殊的溶解氣驅(qū)，是前段溶解氣混相＋后置非混相驅(qū)替的滲流過程，整個(gè)過程是混亂沒有規(guī)律的，圖4中的混1和混2都是混相段，但是兩者混相的程度不同，流態(tài)也就不同，這和相滲測(cè)試的基本原理是違背的，從整個(gè)滲流過程來看，相滲是存在的，但卻沒有任何規(guī)律性，也不符合任何形式的達(dá)西定律，雖然存在相滲，但卻無法表達(dá)相滲值，更構(gòu)不成相滲曲線。

通過上述分析可以明確在混相條件下，油氣相滲是時(shí)刻都存在的，但每一時(shí)刻之間的相滲條件都不同，各試驗(yàn)點(diǎn)之間是互相孤立的，各點(diǎn)之間沒有任何關(guān)系，試驗(yàn)點(diǎn)不連續(xù)，各點(diǎn)之間就無法連接成線，即混相條件下的相滲曲線根本就不存在。那么該如何表達(dá)這種相滲規(guī)律，就成為了氣驅(qū)開發(fā)及方案編制中需要解決的最關(guān)鍵的問題之一。

3 混相條件下相滲規(guī)律的表征

注CO2混相驅(qū)開發(fā)過程中，油和氣的組分都在變化，這就導(dǎo)致了油氣相滲存在但油氣相滲曲線并不存在的情況，這也是混相驅(qū)的特殊性規(guī)律。

雖然混相條件下的相滲曲線不存在，但又亟需一種可以使用的混相相滲表達(dá)方法，這是做方案編制必須要有的一個(gè)控制曲線，考慮到非混相條件下氣體的溶解量較少，為此，提出使用近似表達(dá)法，將混相相滲看成是無數(shù)個(gè)非混相相滲依次展開的過程，這樣就存在無數(shù)條相滲曲線，用這無數(shù)條非混相相滲曲線來近似表達(dá)混相驅(qū)替的過程。事實(shí)上，混相驅(qū)的過程本身就是無數(shù)個(gè)非混相驅(qū)替疊加的結(jié)果，從混相驅(qū)開始到驅(qū)替結(jié)束，原油的黏度一直降低，滲流規(guī)律一直在變化，因此混相的采收率是無數(shù)個(gè)非混相驅(qū)采收率疊加的結(jié)果?；诖耍趯?shí)踐操作中，建議按照原油中氣體的含量變化分成不同的開發(fā)階段，見圖5。分的階段越多曲線越準(zhǔn)確，每一個(gè)階段內(nèi)氣體的含量變化不要太大，每一個(gè)階段就是一個(gè)非混相驅(qū)替的過程，存在一個(gè)非混相相滲曲線，這樣在數(shù)值模擬和編制方案時(shí)按照不同的含氣階段采用不同的相滲曲線的方法，以往文獻(xiàn)中所提到的混相相滲曲線只是本方法中的最后一條非混相相滲曲線，這條相滲曲線的采收率很高，在90%以上，而事實(shí)上之前無數(shù)條相滲曲線的采收率隨著含氣量的降低而降低，可能低于40%，因此直接參考最后這一條相滲曲線進(jìn)行方案編制，與實(shí)際差距會(huì)很大，這樣的方案參考性不大。

為進(jìn)一步說明混相相滲規(guī)律的近似表達(dá)法，以中原油田某區(qū)塊為例，該區(qū)塊從2015年開始使用CO2驅(qū)，一直為混相驅(qū)開發(fā)，根據(jù)目前原油中的含氣情況，將注氣初期至目前階段粗略分為4個(gè)階段，分別按照不同的CO2與原油飽和壓力計(jì)（該飽和壓力是指能夠?qū)⒁欢康腃O2恰好完全溶解在原油中所對(duì)應(yīng)的壓力），即按照地層壓力的變化分段，將地層壓力看成飽和壓力，一定飽和壓力對(duì)應(yīng)一定CO2含量的原油，即分為20.0～24.5、24.5～27.5、27.5～29.0、29.1～31.0四個(gè)階段，不同階段CO2的溶解量不同，同一個(gè)階段內(nèi)認(rèn)為CO2的溶解量變化不大，即認(rèn)為原油和氣體的組分在同一個(gè)階段內(nèi)的沒有變化，這樣就得到了表1和圖6。從表1看出，隨著飽和壓力的增加（含氣量的增加），兩相區(qū)跨度變寬，殘余油飽和度降低，最終采收率越來越高?？梢?，不同CO2含量下的兩相相滲曲線并不重合，直接采用一條相滲曲線（最后一階段相滲曲線）來進(jìn)行分析和編制方案是很不科學(xué)的。

表1 不同階段相滲特征點(diǎn)

從圖6看出，隨著飽和壓力的增加，油氣兩相的流動(dòng)都更加容易，兩相區(qū)變得越來越寬，等滲點(diǎn)的相對(duì)滲透率有所增加，而且等滲點(diǎn)含氣飽和度略有增加，殘余油降低，CO2的洗油效率更高，最終采收率提高。在數(shù)值模擬和方案編制中要按照原油中CO2不同含量進(jìn)行分階段，不同階段的相滲控制曲線不同，采收率絕不能只按照最終的大于90%來擬合，處于哪個(gè)階段就要按照該階段的相滲曲線和對(duì)應(yīng)的采收率進(jìn)行擬合。

4 結(jié)論

1）兩相滲流計(jì)算原理和現(xiàn)行相滲測(cè)定與計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)都強(qiáng)調(diào)參與滲流的兩相互不相容，即要求驅(qū)替過程中參與滲流的兩相物理性質(zhì)不發(fā)生變化。

2）混相條件下驅(qū)替過程中油和氣的組分每時(shí)每刻都在發(fā)生變化，不再符合J·B·N方法，每時(shí)刻的相滲都是存在的，但各時(shí)刻之間相滲試驗(yàn)點(diǎn)是孤立的，互不關(guān)聯(lián)，不能連接成線，相滲曲線根本不存在。

3）提出了將混相驅(qū)替過程分為無數(shù)個(gè)非混相驅(qū)替的過程、使用非混相相滲曲線來表達(dá)混相相滲的近似表達(dá)方法。按照原油中溶解驅(qū)替相量的不同分成不同的開發(fā)階段，每個(gè)階段對(duì)應(yīng)不同非混相相滲曲線，分階段進(jìn)行數(shù)值擬合得到的結(jié)果才更加準(zhǔn)確。