人工氣頂穩(wěn)定氣驅(qū)條件及其影響因素

王 瑞

(中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院，東營 257015)

斷塊油藏在中國東部廣泛分布，其具有地層傾角大、含油面積小、封閉能力好、斷裂構(gòu)造復(fù)雜、油層厚等特點(diǎn)[1-4]，有的還具有原生氣頂和邊底水特征[5-7]。此類油藏經(jīng)過天然能量開發(fā)和水驅(qū)開發(fā)后，因構(gòu)造中—高部位剩余油的動(dòng)用效果較差[8-11]，常會(huì)在油藏中部水淹區(qū)形成繞流油[12-15]，高部位則形成閣樓油[8, 16-20]。統(tǒng)計(jì)表明，閣樓油是傾斜斷塊油藏的主要剩余油類型[20-23]。由于注采井網(wǎng)難以完善和油藏邊界的限制，傾斜斷塊油藏閣樓油往往難以有效動(dòng)用[24-26]。

鑒于以上原因，以注氮?dú)鉃槔鶕?jù)人工氣頂驅(qū)油機(jī)理[43, 51]及Dietz模式幾何關(guān)系[63]，基于油氣兩相滲流理論[71]，建立傾斜斷塊油藏人工氣頂驅(qū)氣油界面穩(wěn)定模型，提出人工氣頂穩(wěn)定氣驅(qū)條件，明確氣油界面穩(wěn)定條件及其主要影響因素，為人工氣頂穩(wěn)定氣驅(qū)開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)，為傾斜斷塊油藏閣樓油的高效開發(fā)提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 傾斜斷塊油藏人工N2氣頂穩(wěn)定驅(qū)條件

1.1 人工N2氣頂驅(qū)油機(jī)理

人工N2氣頂驅(qū)油機(jī)理，如圖1所示。人工N2氣頂驅(qū)是指在向傾斜油藏的頂部注入N2后形成具有一定能量和規(guī)模的次生氣頂，生產(chǎn)井以次生氣頂?shù)呐蛎浤茏鳛橹饕獎(jiǎng)恿M(jìn)行開采的氣驅(qū)方式[23, 43, 51]。

圖1 傾斜斷塊油藏注氮?dú)馊斯忭敺€(wěn)定氣驅(qū)開采機(jī)理示意圖

在實(shí)際開采過程中，次生N2氣頂在油藏條件下不斷膨脹，可將油藏高部位的閣樓油驅(qū)向低部位，氣油界面、油水界面也會(huì)隨之下降，如圖2所示。整個(gè)開采過程分為短期同注同采、注氣增能、悶井、開采4個(gè)階段,其中第一階段油藏降壓開采，為后期注氣提供一定的空間；第二階段在油藏頂部迅速注入大量的N2，并保持采油井關(guān)閉；第三階段保持注氣井和采油井關(guān)閉，讓注入的N2能更充分更穩(wěn)定地在油藏頂部聚集，形成次生N2氣頂；第四階段在次生N2氣頂?shù)呐蛎涀饔孟?，打開采油井生產(chǎn)。

圖2 傾斜斷塊油藏注氮?dú)馊斯忭敺€(wěn)定氣驅(qū)注采過程示意圖(據(jù)文獻(xiàn)[5]、文獻(xiàn)[15]修改)

1.2 人工N2氣頂穩(wěn)定驅(qū)氣油界面穩(wěn)定模型

傾斜斷塊油藏滲流模型的假設(shè)條件如下：儲(chǔ)層為均質(zhì)孔隙介質(zhì)，巖石不可壓縮，油藏溫度保持不變，注氮?dú)鉃榉腔煜囹?qū)替過程，流動(dòng)符合達(dá)西定律，注入氣和原油之間不發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，孔隙介質(zhì)被油、氣和束縛水飽和，考慮浮力、毛管壓力和重力的影響。對(duì)地層傾角為θ的油層，在高部位注氣會(huì)形成非混相驅(qū)氣油界面。如圖2所示，如果人工氣頂驅(qū)為穩(wěn)定驅(qū)替時(shí)，氣油界面上氣油流量相等，氣油界面穩(wěn)定，理論上氣頂氣可以波及整個(gè)油區(qū)，波及系數(shù)接近于1.0，人工氣頂驅(qū)油開發(fā)效果好；如果人工氣頂驅(qū)為不穩(wěn)定驅(qū)替時(shí)，氣油界面上氣油流量不等，氣油界面不穩(wěn)定，出現(xiàn)竄流現(xiàn)象，波及系數(shù)降低，人工氣頂氣驅(qū)油開發(fā)效果差。顯然，穩(wěn)定氣驅(qū)開發(fā)效果最好。假定人工氣頂穩(wěn)定氣驅(qū)斜斷塊油藏氣油界面與水平面之間存在一個(gè)界面角α(圖3)。

θ為傾斜油藏地層傾角，(°)；α為人工氣頂驅(qū)傾斜油藏氣驅(qū)前緣氣油界面與水平面之間的界面角，(°)；dh、dy、dx分別為次生氣頂氣或原油在豎直方向上、x軸、y軸(地層垂直)方向上的位移，m

如圖1、圖3所示，傾斜斷塊油藏油區(qū)、氣區(qū)含水飽和度均為束縛水飽和度，即可認(rèn)為油藏油水界面以上流動(dòng)相僅為原油和次生氣頂。因而，在氣油界面上單位體積孔隙中的次生氣頂氣排開原油的體積Sgp可表示為

Sgp=1-Swi-Sor

(1)

式(1)中：Sgp為單位體積孔隙中的次生氣頂氣排開原油的體積，無因次；Swi為單位體積孔隙中束縛水體積，無因次；Sor為單位體積孔隙中殘余油體積，無因次。

單位體積孔隙中次生氣頂氣受到的浮力可以表示為

fg=ρoSwpg

(2)

將式(1)代入式(2)中，可得

fg=ρo(1-Swi-Sor)g

(3)

式中：fg為單位體積孔隙中次生氣頂氣受到的浮力，N；Swp為單位體積孔隙中的次生氣頂氣排開原油的體積，無因次；ρo為地層原油密度，g/cm3；g為重力加速度，9.8 m/s2。

此時(shí)，單位體積孔隙中次生氣頂氣受到的重力為

Gg=ρg(1-Swi-Sor)g

(4)

式(4)中：ρg為次生氣頂氣密度，g/cm3；Gg為單位體積孔隙中次生氣頂氣受到的重力，N。

那么，單位體積孔隙中次生氣頂氣所受浮力與重力之差為

Fg=(ρo-ρg)(1-Swi-So)g

(5)

式(5)中：Fg為單位體積孔隙中次生氣頂氣所受浮力與重力之差，N。

于是，單位體積次生氣頂氣豎直方向上所受浮力與重力之差的梯度為

(6)

單位體積次生氣頂氣地層方向上所受浮力與重力之差的梯度可表示為

(7)

同理，在氣油界面上單位體積原油豎直方向、地層方向上所受重力梯度可表示為

(8)

(9)

根據(jù)滲流力學(xué)油氣兩相滲流理論[71]，可以推導(dǎo)出傾斜斷塊油藏人工氣頂穩(wěn)定驅(qū)替時(shí)氣油界面上單位體積次生氣頂氣、原油地層方向上運(yùn)移的滲流速度分別為

(10)

(11)

將式(7)、式(9)代入式(10)、式(11)中，可得到人工氣頂驅(qū)傾斜斷塊油藏中單位體積次生氣頂氣、原油地層方向運(yùn)移的滲流速度表達(dá)式為

(12)

(13)

vg∠=vo∠=vt

(14)

聯(lián)立式(12)～式(14)，可得

ρg)gsinθ

(15)

由毛細(xì)管壓力的定義，可知

(16)

在垂向平衡條件下，毛細(xì)管壓力可以表示為

pc=(ρo-ρg)gh

(17)

(18)

式中：pc為毛細(xì)管壓力，Pa。

根據(jù)圖3中的幾何關(guān)系，可得

dh=-dycosθ

(19)

(20)

因此，傾斜地層的毛細(xì)管壓力可表示為

(21)

將式(21)代入式(15)中，可得界面角α的表達(dá)式為

(22)

由式(22)可知，人工氣頂穩(wěn)定驅(qū)替過程中氣油界面的穩(wěn)定性受地層條件下次生氣頂氣密度、地層原油密度、儲(chǔ)層地層方向上的空氣滲透率、氣相相對(duì)滲透率、油相相對(duì)滲透率、氣頂氣(原油)運(yùn)移速度、次生氣頂氣黏度、原油黏度、地層傾角等因素的影響。如圖3所示，當(dāng)α=θ時(shí)，氣油界面與地層平行，界面極不穩(wěn)定，氣頂氣指進(jìn)，出現(xiàn)氣竄現(xiàn)象；當(dāng)α<θ時(shí)，氣油界面穩(wěn)定，注入氣僅有舌進(jìn)而無指進(jìn)，且當(dāng)氣油界面角α減小時(shí)，人工氣頂氣驅(qū)氣油界面穩(wěn)定下降，波及系數(shù)接近于1.0，人工氣頂驅(qū)油效果好。因此，對(duì)于某一具體油藏而言，如果要保持人工氣頂氣驅(qū)油界面處于穩(wěn)定下降狀態(tài)，氣頂氣(原油)運(yùn)移速度vt就必須小于穩(wěn)定臨界運(yùn)移速度，否則氣油界面處于就會(huì)出現(xiàn)氣竄現(xiàn)象。于是，當(dāng)人工氣頂氣驅(qū)油界面穩(wěn)定時(shí)，最大氣頂氣氣侵(原油開采)速度(臨界速度)可表示為

(23)

雖然式(23)中vtc可以認(rèn)為人工氣頂穩(wěn)定氣驅(qū)時(shí)的氣侵速度和采油速度，但從因果關(guān)系看，vtc定義人工氣頂穩(wěn)定氣驅(qū)臨界速度(人工氣頂穩(wěn)定氣驅(qū)時(shí)的氣侵臨界速度)較適宜。由式(23)可知，在氣油界面角α減小過程中，傾斜斷塊油藏可以實(shí)現(xiàn)人工氣頂穩(wěn)定氣驅(qū)開發(fā)，即人工氣頂穩(wěn)定驅(qū)存在保持氣油界面穩(wěn)定的條件。根據(jù)式(23)、式(24)，可以得到人工氣頂穩(wěn)定驅(qū)氣油界面穩(wěn)定的條件，為

vt

(24)

2 傾斜斷塊油藏人工氣頂穩(wěn)定氣驅(qū)條件影響因素

為了驗(yàn)證所提出的臨界速度新模型的科學(xué)性、合理性和研究不同因素對(duì)人工氣頂穩(wěn)定氣驅(qū)條件(臨界速度)的影響程度，基礎(chǔ)參數(shù)借用中國石化勝利油田人工N2氣頂穩(wěn)定驅(qū)先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)塊——Y47X28斷塊古近系沙河街組二段1砂組油藏有關(guān)的地質(zhì)及開發(fā)參數(shù)。為了更準(zhǔn)確的揭示次生氣頂氣密度、原油密度、儲(chǔ)層地層方向上的空氣滲透率、油相相對(duì)滲透率、次生氣頂氣黏度、原油黏度、地層傾角等因素對(duì)臨界速度的影響程度(單位影響因素變化條件下的臨界速度的變化量)，這里用Y47X28斷塊古近系沙河街組二段1砂組油藏的地質(zhì)及開發(fā)特征來約束這些影響因素參數(shù)的變化范圍。

2.1 研究區(qū)概況

東辛油區(qū)Y47X28斷塊古近系沙河街組二段1砂組油藏是DX構(gòu)造南翼四條斷層夾持的小型地壘封閉斷塊，構(gòu)造簡單，為一中高滲透反向屋脊斷塊油藏。該油藏包含2、31、41、42含油小層，含油面積為0.375 km2，地質(zhì)儲(chǔ)量為15.2×104t，其他主要地質(zhì)參數(shù)如表1所示。

表1 主要地質(zhì)參數(shù)

2.2 模型驗(yàn)證

如表2所示，為了驗(yàn)證臨界速度新模型，以Y47X28斷塊古近系沙河街組二段1砂組油藏為例，將當(dāng)前中外常用的臨界速度模型和新模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

表2 不同模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比

從表2可以看出，所提出的臨界速度的計(jì)算值最小，為1.28×10-7m/s；接近Dietz臨界速度模型的計(jì)算值，為1.31×10-7m/s；小于頂部注氣驅(qū)Dumore臨界速度標(biāo)準(zhǔn)[30, 46, 53]模型的計(jì)算值，3.13×10-7m/s，說明當(dāng)人工氣頂氣驅(qū)速度小于新模型計(jì)算值時(shí)，該油藏可以實(shí)現(xiàn)人工氣頂穩(wěn)定氣驅(qū)，反映新模型可靠、實(shí)用性強(qiáng)。對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，Dumore臨界速度模型可以考慮人工氣頂穩(wěn)定氣驅(qū)過程中的慣性力、重力、黏滯力作用；Dietz臨界速度模型可以考慮人工氣頂穩(wěn)定氣驅(qū)過程中的慣性力、重力、毛細(xì)管力、黏滯力和多相流動(dòng)中產(chǎn)生的各種附加阻力(反映在相滲透率的數(shù)值上)等作用以及地層傾角；本文模型不僅可以考慮了人工氣頂穩(wěn)定氣驅(qū)過程中的慣性力、重力、毛細(xì)管力、黏滯力和多相流動(dòng)中產(chǎn)生的各種附加阻力(其反映相滲透率的數(shù)值上)等作用以及地層傾角，還可以考慮浮力(對(duì)頂部注氣驅(qū)而言，浮力為阻力)作用。由此可見，本文模型考慮的影響因素全面，反映新模型更科學(xué)、合理。

根據(jù)本文模型計(jì)算的研究區(qū)油藏人工氣頂穩(wěn)定氣驅(qū)臨界運(yùn)移速度折算每天氣頂氣(原油)運(yùn)移速度為1.10×10-2m/d。由表1可知，當(dāng)人工氣頂驅(qū)氣油界面角α接近地層傾角θ，即將出現(xiàn)人工氣頂氣的指進(jìn)，氣油界面失穩(wěn)時(shí)，氣油界面的面積為3.75×105m2。因此，當(dāng)研究區(qū)人工氣頂穩(wěn)定氣驅(qū)速度小于次生氣頂氣侵臨界速度1.07×103m3/d 時(shí)可以實(shí)現(xiàn)人工氣頂穩(wěn)定氣驅(qū)。

水利水電工程項(xiàng)目在施工過程中會(huì)存在高空作業(yè)、水上作業(yè)或者水下作業(yè)等施工流程，施工技術(shù)的應(yīng)用具有較大難度，諸多外界因素的影響和限制，可能給施工技術(shù)的應(yīng)用造成安全威脅，危險(xiǎn)系數(shù)較高也是影響施工技術(shù)管理的重要問題。

2.3 影響因素

2.3.1 人工N2氣頂氣密度

如圖4所示，隨著地層條件下人工N2氣頂氣密度的增大，氣頂氣穩(wěn)定臨界速度單調(diào)增大。研究結(jié)果表明，氣頂氣密度越大，氣頂氣穩(wěn)定臨界速度越小，人工氣頂穩(wěn)定氣驅(qū)速度也越小。為了研究區(qū)油藏實(shí)現(xiàn)人工氣頂穩(wěn)定氣驅(qū)，且確保開發(fā)過程中地層原油不脫氣，地層人工N2氣頂氣密度值應(yīng)在地層溫度93.0 ℃、飽和壓力(10.5 MPa)至原始地層壓力(22.12 MPa)之間變化，即地層人工N2氣頂氣密度取值范圍為0.093 5～0.185 g/cm3。

圖4 地層人工氣頂氣密度對(duì)人工氣頂穩(wěn)定氣驅(qū)臨界速度的影響

2.3.2 地層原油密度

如圖5所示，隨著地層條件下原油密度的增大，氣頂氣穩(wěn)定臨界速度單調(diào)增大。結(jié)果表明，原油密度越大，氣頂氣穩(wěn)定臨界速度越大，人工氣頂穩(wěn)定氣驅(qū)速度也越大?；谘芯繀^(qū)原油物性資料，原油密度取值范圍為0.72～0.78 g/cm3。

圖5 地層原油密度對(duì)人工氣頂穩(wěn)定氣驅(qū)臨界速度的影響

2.3.3 地層方向上的空氣滲透率

如圖6所示，隨著儲(chǔ)層巖石地層方向上的空氣滲透率的增大，氣頂氣穩(wěn)定臨界運(yùn)移速度單調(diào)增大。研究表明，儲(chǔ)層巖石地層方向上的空氣滲透率越大，氣頂氣穩(wěn)定臨界運(yùn)移速度越大，人工氣頂穩(wěn)定氣驅(qū)速度也越大。因此，地層方向上的空氣滲透率直接選用研究區(qū)油藏實(shí)際變化范圍，為63.0～1 256.0×10-3μm2。

圖6 地層方向上的空氣滲透率對(duì)人工氣頂穩(wěn)定氣驅(qū)臨界速度的影響

2.3.4 原油相對(duì)滲透率

如圖7所示，隨著原油相對(duì)滲透率的增大，氣頂氣穩(wěn)定臨界速度單調(diào)增大。研究表明，原油相對(duì)滲透率越大，氣頂氣穩(wěn)定臨界速度越大，人工氣頂穩(wěn)定氣驅(qū)速度也越大。基于研究區(qū)氣油相滲曲線資料，原油相對(duì)滲透率取值范圍為0～0.58。

圖7 原油相對(duì)滲透率對(duì)人工氣頂穩(wěn)定氣驅(qū)臨界速度的影響

2.3.5 地層人工N2氣頂氣黏度

如圖8所示，隨著地層人工N2氣頂氣黏度的增大，氣頂氣穩(wěn)定臨界速度單調(diào)增大。研究表明，人工N2氣頂氣黏度越大，氣頂氣穩(wěn)定臨界速度越大，人工氣頂穩(wěn)定氣驅(qū)速度也越大。地層人工N2氣頂氣黏度應(yīng)在地層溫度93.0 ℃、飽和壓力10.5 MPa 至原始地層壓力22.12 MPa之間變化，因此，地層人工N2氣頂氣黏度取值范圍為0.022 4～0.025 1 mPa·s。

圖8 地層人工N2氣頂氣黏度對(duì)人工氣頂穩(wěn)定氣驅(qū)臨界速度的影響

2.3.6 地層原油黏度

如圖9所示，隨著地層原油黏度的增大，氣頂氣穩(wěn)定臨界速度先呈冪函數(shù)劇烈遞減，且在3.0附近出現(xiàn)拐點(diǎn)，臨界速度的下降程度減緩；當(dāng)?shù)貙釉宛ざ却笥?.0 mPa·s后，曲線的變化幅度較平緩。根據(jù)研究區(qū)高壓物性資料，飽和壓力為10.5 MPa時(shí)，原油黏度為0.45 mPa·s；原始地層壓力22.12 MPa時(shí)，原油黏度為2.8 mPa·s。因此，地層原油黏度的取值范圍為0.45～2.8 mPa·s。

圖9 地層原油黏度對(duì)人工氣頂穩(wěn)定氣驅(qū)臨界速度的影響

2.3.7 地層傾角

如圖10所示，隨著地層傾角的增大，氣頂氣穩(wěn)定臨界運(yùn)移速度顯著增大，后期增大程度逐漸減小，且在25.0°附近出現(xiàn)拐點(diǎn)，臨界速度增大的程度減緩；當(dāng)?shù)貙觾A角大于25.0°，曲線的變化幅度逐漸變緩。總體上，地層傾角越大，氣頂氣穩(wěn)定臨界速度越大，人工氣頂穩(wěn)定氣驅(qū)速度也越大?；谘芯繀^(qū)構(gòu)造資料，地層傾角的取值范圍為5°～15.0°。

圖10 地層傾角對(duì)人工氣頂穩(wěn)定氣驅(qū)臨界速度的影響

如圖4～圖10所示，沿著原油相對(duì)滲透率、地層原油黏度、地層原油密度、地層人工N2氣頂氣密度、地層人工N2氣頂氣黏度、地層傾角、地層方向上的空氣滲透率等因素的排列順序，對(duì)人工氣驅(qū)穩(wěn)定氣驅(qū)臨界速度(條件)的影響程度(單位影響因素變化條件下的臨界速度的變化量)依次降低，其影響程度分別為681.98、-309.68、191.67、-170.30、27.71、14.83、0.16。由此可見，影響傾斜斷塊油藏人工氣頂穩(wěn)定氣驅(qū)條件的主要影響因素為原油相對(duì)滲透率、地層原油黏度、地層原油密度、地層人工N2氣頂氣密度。與前人研究成果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，僅Dietz臨界速度模型中考慮過原油相對(duì)滲透率對(duì)人工氣頂穩(wěn)定氣驅(qū)條件的影響，但其認(rèn)為密度差(地層原油密度與注入氣密度之差)、黏度比(地層原油黏度、氣頂氣黏度之差)是影響頂部注氣驅(qū)油藏氣油界面穩(wěn)定性的主要因素[30, 33, 53, 63]。

3 結(jié)論

(1)在人工氣頂驅(qū)油機(jī)理的基礎(chǔ)上，在氣兩相滲流理論的指導(dǎo)下，考慮Dietz模式幾何關(guān)系建立了人工氣頂穩(wěn)定氣驅(qū)臨界速度模型。該新模型不僅全面考慮了人工氣頂驅(qū)過程中的慣性力、重力、浮力、毛細(xì)管力、黏滯力和多相流動(dòng)中所產(chǎn)生的各種附加阻力等作用，還可以考慮油藏地層傾角、儲(chǔ)層地層方向上的空氣滲透率、氣相相對(duì)滲透率等影響因素，反映其科學(xué)、合理。

(2)研究認(rèn)為，傾斜油藏高部位注入氣、原油密度差異產(chǎn)生的重力分異作用(重力、浮力)、毛細(xì)管力、黏滯力和多相流動(dòng)中產(chǎn)生的各種附加阻力是人工氣頂驅(qū)氣液界面穩(wěn)定的主要力學(xué)機(jī)制。

(3)影響傾斜斷塊油藏人工氣頂穩(wěn)定氣驅(qū)條件的主要影響因素為原油相對(duì)滲透率、地層原油黏度、地層原油密度、地層人工氣頂氣(N2)密度，且原油相對(duì)滲透率、地層原油密度越大，地層原油黏度、地層人工氣頂氣(N2)密度越小，穩(wěn)定氣驅(qū)氣侵速度越大，越有利于人工氣頂穩(wěn)定氣驅(qū)油。

(4)實(shí)例驗(yàn)證表明，與現(xiàn)有臨界速度模型相比較，新模型考慮的影響因素全面，且更為科學(xué)、合理、可靠。實(shí)例研究還揭示，Y47X28斷塊古近系沙河街組二段1砂組油藏人工氣頂穩(wěn)定氣驅(qū)速度小于其次生氣頂氣侵臨界速度1.07×103m3/d 時(shí)可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定氣驅(qū)。