低滲透油藏CO2非混相驅(qū)氣竄影響因素試驗(yàn)

孔凡群

(中國石化勝利油田分公司,山東東營 257000)

氣驅(qū)采油可以大幅度提高低滲透油藏的采收率,且具有不存在儲層敏感性影響的優(yōu)勢?；煜囹?qū)和非混相驅(qū)是氣驅(qū)采油的兩種主要方式。隨著溫室效應(yīng)加重,越來越多的人開始研究如何減少CO2的排放,以及有效的收集利用CO2[1-7]。因此將CO2用于氣驅(qū)采油就是一種十分有益的減少溫室效應(yīng)的手段,而且CO2驅(qū)油也具有很好的提高采收率的效果[8]。溶解了CO2的原油,原油的黏度和油-水界面張力都有了明顯降低,這是CO2用于氣驅(qū)采油的一個重要優(yōu)勢也是實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)的主要原因。當(dāng)溫度大于 31.1 ℃,壓力大于 7.38 MPa后,CO2便處于超臨界狀態(tài)[9]。因此在多數(shù)油藏條件下,CO2都處在超臨界狀態(tài)下。由于超臨界狀態(tài)下的CO2黏度低且擴(kuò)散性強(qiáng),因此油田利用CO2進(jìn)行驅(qū)油時,竄流現(xiàn)象很容易發(fā)生,這對于提高采收率實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)不利。如何實(shí)現(xiàn)更有效的CO2減排以及如何利用CO2進(jìn)行油田增產(chǎn)是近年來國內(nèi)外的研究熱點(diǎn),CO2驅(qū)也因此得到了國內(nèi)外專家更多的關(guān)注[10-13]。相較于CO2混相驅(qū),CO2非混相驅(qū)由于低黏度和重力分異作用,很容易出現(xiàn)竄流。這使CO2非混相驅(qū)波及系數(shù)較低,提高采收率的效果不太理想[14-19]。針對上述問題,筆者通過試驗(yàn)研究CO2非混相驅(qū)過程中壓力、溫度、注氣速度和滲透率級差對氣竄現(xiàn)象的影響。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

主要試驗(yàn)材料:試驗(yàn)用油為勝利油田某低滲區(qū)塊原油,其密度為0.833 g/cm3,25和50 ℃黏度分別為10.3和3.1 mPa·s,該區(qū)塊初始油藏壓力為23.5 MPa,油藏溫度為87.2 ℃;試驗(yàn)用水為勝利油田某區(qū)塊同礦化度模擬地層水,其中NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.9%,CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%,密度為 1.06 g/cm3,25和50 ℃黏度分別為1.01和0.55 mPa·s;試驗(yàn)用氣為純度99.9%的CO2,青島天源氣體制造有限公司生產(chǎn)。試驗(yàn)采用方型均質(zhì)人工壓制巖心及雙層方型非均質(zhì)人工壓制巖心,巖心具體數(shù)據(jù)見表1和2。

表1 方型均質(zhì)巖心參數(shù)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

利用TRACKER-H型界面流變儀(溫度和壓力上限分別為150 ℃和35 MPa),通過懸滴法測量CO2與原油的界面張力。其測量原理基于毛細(xì)管前端的圓球形液珠的形變與密度以及界面張力的關(guān)系,即圓球形液珠的形變在重力場中隨著液體密度增大而增大,隨著液珠界面張力增大而減小。因此只需要知道液體的密度和重力,并精確測得小液珠的形狀就可以計算得出界面張力[20]。

表2 方型雙層非均質(zhì)巖心參數(shù)

將巖心放置于巖心夾持器中,抽真空后用ISCO泵將水注入到夾持器中,在巖心飽和水之后,利用ISCO泵向巖心中飽和原油,飽和之后,利用氣瓶中CO2進(jìn)行驅(qū)替試驗(yàn),通過回壓閥控制試驗(yàn)過程中的回壓,利用壓力變送器檢測試驗(yàn)過程中的壓力,將驅(qū)替出的油、氣、水利用計量裝置分開計量。試驗(yàn)裝置流程見圖1所示。

圖1 試驗(yàn)裝置

1.3 試驗(yàn)步驟

1.3.1 界面張力試驗(yàn)

在地層溫度下利用TRACKER-H型界面流變儀測量CO2與原油的界面張力,試驗(yàn)步驟為:

(1)將界面流變儀中的高溫高壓容器和針管清洗干凈,檢驗(yàn)界面流變儀的密封性能。

(2)將針管裝滿試驗(yàn)用的原油,并安裝在高溫高壓容器中。

(3)將高溫高壓容器中的空氣利用CO2排凈。

(4)將CO2氣體進(jìn)行加壓,隨后注入到高溫高壓容器中,加熱2 h。

(5)在溫度和壓力保持穩(wěn)定之后,啟動界面流變儀,在針管尖端上形成一個小液珠;測量小液珠形狀、體積、界面張力以及擴(kuò)張模量,重復(fù)測量3～5次。

(6)對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析[8]。

1.3.2 巖心驅(qū)替試驗(yàn)

研究壓力影響因素的驅(qū)替試驗(yàn)采用均質(zhì)巖心,其余影響因素下的驅(qū)替試驗(yàn)均采用非均質(zhì)巖心,試驗(yàn)步驟如下:

(1)烘干人工巖心,稱重。

(2)將巖心抽真空,在飽和水之后稱量其濕重。

(3)計算巖心孔隙體積和孔隙度。

(4)在巖心夾持器中放入巖心,檢測裝置的氣密性。

(5)以0.5 mL/min的速度飽和原油,計算含油飽和度[21]。

(6)在溫度為80 ℃、注氣速度為2 mL/min下,分別使用巖心1-1、1-2、1-3進(jìn)行壓力為12.5、24.8、32.2 MPa的CO2驅(qū)替試驗(yàn),試驗(yàn)時回壓閥壓力始終小于注入壓力約1 MPa,記錄產(chǎn)油量、產(chǎn)氣量、氣竄時間,待產(chǎn)油量基本不變時停止試驗(yàn)。

(7)在巖心滲透率級差為3、壓力為10 MPa、注氣速度為2 mL/min下,分別使用巖心3-1、3-2進(jìn)行溫度為80和120 ℃的CO2驅(qū)替試驗(yàn),記錄產(chǎn)油量、產(chǎn)氣量、氣竄時間,當(dāng)產(chǎn)油量基本不變時停止試驗(yàn)。

(8)在巖心滲透率級差為3、壓力為10 MPa、溫度為80 ℃下,分別使用巖心3-3、3-4、3-5、3-6進(jìn)行注氣速度為1、2、4、8 mL/min的驅(qū)替試驗(yàn),記錄產(chǎn)油量、產(chǎn)氣量、氣竄時間,當(dāng)產(chǎn)油量基本不變時停止試驗(yàn)。

(9)在壓力為10 MPa、溫度為80 ℃、注氣速度為2 mL/min下,分別使用巖心3-4、5-1、10-1進(jìn)行滲透率級差為3、5、10的驅(qū)替試驗(yàn),記錄產(chǎn)油量、產(chǎn)氣量、氣竄時間,當(dāng)產(chǎn)油量基本不變時停止試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 懸滴法測混相壓力

圖2為利用懸滴法在模擬地層溫度條件下測定的CO2與地層原油間的界面張力。從圖2中可以看出,隨著壓力升高,界面張力在不斷下降,這是由于隨著壓力升高,CO2的密度升高,與原油的密度差異不斷減小,原油與CO2之間的界面張力也不斷減小。在壓力約為17 MPa時出現(xiàn)了拐點(diǎn),拐點(diǎn)前后分別做切線與壓力坐標(biāo)軸相交，交點(diǎn)對應(yīng)著最小混相壓力和最大混相壓力。最小混相壓力即多次接觸混相壓力,CO2不斷從原油中抽提輕組分,降低了兩相組分差異,進(jìn)而降低了混相壓力,最大混相壓力為一次接觸混相壓力,混相壓力較高。根據(jù)界面張力與壓力的變化關(guān)系,從圖2中得出原油和CO2最小混相壓力為23.2 MPa,最大混相壓力為31.1 MPa。該油藏注入井壓力大于最小混相壓力,生產(chǎn)井周圍壓力小于最小混相壓力,處于非混相驅(qū)狀態(tài)。

圖2 CO2與原油界面張力

2.2 壓力對CO2氣竄的影響

結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),可以將整個CO2非混相驅(qū)替試驗(yàn)以氣竄時間為節(jié)點(diǎn)分成前后兩個階段。第一階段為氣竄現(xiàn)象出現(xiàn)以前的階段,這一階段CO2尚未突破。試驗(yàn)開始初期,注入的CO2較少,在注入壓力以及CO2本身物理性質(zhì)的影響下,CO2在巖心中運(yùn)移擴(kuò)散,同時也有部分CO2溶解進(jìn)入原油中,一定程度上降低了原油的黏度。這一階段CO2驅(qū)替前緣還沒有到達(dá)出口端,因此出口端沒有氣體出現(xiàn),產(chǎn)出液的油水組成基本不變,生產(chǎn)氣油比也基本為0。采收率在這一階段增加最多,是產(chǎn)油的主要階段。隨著注入氣量的不斷增加,CO2驅(qū)替前緣不斷前移,當(dāng)驅(qū)替前緣到達(dá)出口端時,CO2突破,氣竄現(xiàn)象出現(xiàn),驅(qū)替試驗(yàn)進(jìn)入第二個階段。出口端隨著CO2的突破,由油水兩相流動轉(zhuǎn)變?yōu)橛?、氣、水三相流動。在形成竄流通道后,CO2的驅(qū)替效果變得很差,采收率增長緩慢,但產(chǎn)氣量和生產(chǎn)氣油比迅速升高。

圖3為不同壓力下CO2驅(qū)替過程中采收率與CO2注入量的關(guān)系。從圖3中可以看出，非混相驅(qū)采收率(65%)明顯低于混相驅(qū)采收率(87.3%)。3條曲線均存在一段突增階段,但是非混相驅(qū)突增階段明顯短于混相驅(qū),并且增加幅度也小于混相驅(qū)。這主要是因?yàn)榕c非混相驅(qū)相比,混相驅(qū)過程中CO2與原油間的界面張力較低,有利于CO2驅(qū)動原油并利于CO2不斷與原油形成混相,增加多次接觸混相的機(jī)會,從而有利于形成混相帶,避免CO2在巖心中形成指進(jìn)現(xiàn)象,有利于阻止氣竄現(xiàn)象的發(fā)生,使動用程度加大,采收率增幅變高。

圖3 不同壓力下CO2驅(qū)采收率

圖4為不同壓力下生產(chǎn)氣油比隨CO2注入量的變化曲線。由圖4可以看出,在注入氣量小于0.4VP(VP為孔隙體積)時3個壓力下的生產(chǎn)氣油比均為0,即這時產(chǎn)出端沒有氣體產(chǎn)出。隨著注入氣量的增加,生產(chǎn)氣油比開始不為0,在生產(chǎn)氣油比超過500時,即可判斷試驗(yàn)出現(xiàn)氣竄現(xiàn)象。從圖4中可以看出壓力越高氣竄現(xiàn)象出現(xiàn)的越晚,即混相驅(qū)氣竄時間要晚于非混相驅(qū),這也證明了CO2與原油混相后,CO2在巖心中的均勻推進(jìn)增大了其波及面積,使驅(qū)油效果變好。

圖4 不同壓力下CO2驅(qū)生產(chǎn)氣油比

2.3 注氣速度對CO2氣竄的影響

圖5為不同注氣速度下CO2驅(qū)替過程中采收率與CO2注入量的關(guān)系。從圖5中可以看出,氣竄出現(xiàn)之前的階段貢獻(xiàn)了最主要的產(chǎn)能,在氣竄出現(xiàn)之后采收率增加很少,小于5%。在注氣速度分別為1、2、4、8 mL/min時,氣竄時注入氣量分別為0.45VP、0.43VP、0.39VP和0.35VP。通過對比發(fā)現(xiàn),隨著注氣速度的增大氣竄時間提前,氣竄前CO2采出程度也隨之降低。這是由于隨著注氣速度的增大,CO2將油水兩相更快速地推向出口端,同時CO2在孔隙中與原油接觸的時間縮短,溶解進(jìn)原油的CO2量減少,加重了黏性指進(jìn)現(xiàn)象。但是不同注氣速度下氣竄發(fā)生后的采收率增加相差很小。這是由于氣竄發(fā)生后,采收率的增加主要依靠CO2的竄流攜帶出原油,因此在形成穩(wěn)定的氣竄通道之后,增大注氣速度對于提高采收率貢獻(xiàn)不大。

圖5 不同注氣速度下CO2驅(qū)采收率

不同注氣速度下生產(chǎn)氣油比與CO2注入量的關(guān)系如圖6所示。從圖6可以看出,非混相條件下隨著注氣速度的變大,氣竄時間逐漸前移,這主要是因?yàn)楫?dāng)注氣速度變大時,氣體在巖心中推進(jìn)速度變快,而CO2在同等條件下擴(kuò)散系數(shù)不變,推進(jìn)速度變快,CO2溶解進(jìn)原油中的量減少,在水及原油中的擴(kuò)散時間也變短,使CO2氣體來不及擴(kuò)散便被后續(xù)注入氣體向出口端推進(jìn)。同時由于擴(kuò)散時間變短,導(dǎo)致CO2波及面積變小,在原油中的溶解量變小,導(dǎo)致注入較少量CO2時便發(fā)生氣竄。另外,注氣速度較大時,CO2在巖心中發(fā)生的擴(kuò)散作用以對流擴(kuò)散作用占主導(dǎo)地位,然而其對流擴(kuò)散方向是沿注入方向,當(dāng)注氣速度較慢時,CO2的自然擴(kuò)散作用才能夠發(fā)揮出一定效應(yīng),而自然擴(kuò)散的方向是從高質(zhì)量分?jǐn)?shù)向低質(zhì)量分?jǐn)?shù)的方向,因此利于CO2發(fā)生重力超覆作用,使部分CO2進(jìn)入低滲層,推遲氣竄的發(fā)生。

圖6 不同注氣速度下CO2驅(qū)生產(chǎn)氣油比

2.4 溫度對CO2氣竄的影響

通過驅(qū)替試驗(yàn)測試了相同壓力下溫度對CO2氣竄的影響,試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。兩組試驗(yàn)壓力均為10 MPa,溫度分別為80和120 ℃,氣竄時注入氣量分別為0.43VP和0.37VP。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出,隨著溫度的增加CO2的突破時間提前,120 ℃下的氣竄現(xiàn)象出現(xiàn)時間要早于80 ℃的。從圖7中可以看出,在氣竄現(xiàn)象出現(xiàn)之前兩組試驗(yàn)的采收率相差不大,這是因?yàn)閮山M試驗(yàn)的溫度都比較高且試驗(yàn)所用的原油黏度較低,所以氣竄以前兩者采收率基本一致。但是隨著巖心溫度的提高,CO2在原油中的溶解度降低,CO2驅(qū)替氣竄時機(jī)提前,因此120 ℃下驅(qū)替試驗(yàn)最終采收率低于80 ℃的最終采收率。

圖7 不同溫度下CO2驅(qū)采收率和生產(chǎn)氣油比

2.5 滲透率級差對CO2氣竄的影響

不同滲透率級差條件下CO2氣竄時累積注氣量的變化如圖8所示。在滲透率級差為3、5、10時,氣竄時注入氣量分別為0.43VP、0.38VP、0.30VP,通過對比分析可知,同一注氣速度條件下,隨著滲透率級差的增大,氣竄時間逐漸前移。由于試驗(yàn)使用的巖心低滲層滲透率相同,因此滲透率級差越大,平均滲透率越高,CO2驅(qū)替過程中也就越容易形成竄流通道。另外,由于壓力、溫度等條件基本一致,使CO2在巖心中的擴(kuò)散性基本相同,但是滲透率級差變大時,CO2擴(kuò)散進(jìn)入低滲層的機(jī)會變小,在自身擴(kuò)散性的驅(qū)使下沿軸向方向擴(kuò)散占主導(dǎo),即竄流通道沿著高滲透層形成,進(jìn)而導(dǎo)致氣竄過早發(fā)生。由于CO2氣竄時間隨著滲透率級差的升高而提前,累積采收率降低。

圖8 不同滲透率級差下CO2驅(qū)采收率和生產(chǎn)氣油比

3 結(jié) 論

(1)CO2突破前階段為CO2驅(qū)替過程的主要產(chǎn)油階段,CO2突破后階段采收率小于10%,因此一旦形成CO2竄流通道,后續(xù)注入的CO2對原油的動用效果十分有限。

(2)隨著壓力的增高,CO2驅(qū)替逐漸達(dá)到混相驅(qū),CO2氣竄程度降低,這主要是因?yàn)榕c非混相驅(qū)相比,混相驅(qū)過程中CO2與原油間的界面張力較低,通過多次接觸形成CO2與原油的混相帶,抑制了CO2在巖心中的黏性指進(jìn),有利于減緩氣竄現(xiàn)象的發(fā)生,使動用程度加大、采收率增加。

(3)隨著溫度的增加,CO2擴(kuò)散系數(shù)增大,突破時間提前。另外隨著巖心溫度的提高,使CO2在原油中的溶解度降低,CO2驅(qū)替氣竄時機(jī)提前,采收率有所降低。

(4)在非混相條件下,隨著注入速度和非均質(zhì)性的增加,CO2竄流提前,生產(chǎn)氣油比提高,采收率降低。