張鳳博,趙之晗,宋世豪
(1 延長油田股份有限公司下寺灣采油廠,陜西延安716100;2 河北雄安華油清潔能源有限公司,河北任丘062552;3西北大學(xué),陜西西安716900)
隨著現(xiàn)有油田的產(chǎn)量開始下降,提高采收率至關(guān)重要。許多油田被廢棄,剩余油飽和度超過30%。將回收率提高幾個百分點(diǎn),可能會帶來數(shù)十億美元的額外利潤。強(qiáng)化采油技術(shù),即三次采油,旨在提高二次采油基準(zhǔn)線以上的石油采收率。因此,如何從成熟油田中開采出更多的原油,已成為石油工程界的一個熱門話題[1]。二氧化碳驅(qū)油是一種雙贏的策略,因?yàn)樗梢蕴岣呤突厥章剩瑫r減少二氧化碳排放到大氣中[1-2]。廉價和多余的溫室二氧化碳?xì)怏w可以被捕獲,然后注入油藏,以提高采收率。傳統(tǒng)的水驅(qū)或氣驅(qū)方法的困難和限制,如不適當(dāng)?shù)牧鲃勇屎妥⑷肓黧w的早期指進(jìn),導(dǎo)致了水交替注氣(WAG)的發(fā)明,作為這兩種方法的組合[3-4]。由于注入氣體的粘度相對較低,注入氣體和油之間的流度比非常不利,非常不利的流度比會導(dǎo)致粘性指進(jìn)和掃掠效率降低。WAG工藝就是為了解決這個問題而開發(fā)的[5]。在WAG工藝中,較高的氣體微觀驅(qū)替效率與較好的水宏觀波及效率相結(jié)合,有助于顯著提高普通注水工藝的增產(chǎn)效果。結(jié)果表明,注入氣體與水交替流動的流動性小于注入氣體單獨(dú)流動的流動性,從而提高了流動性比[6-8]。
通過多次線性巖心驅(qū)油試驗(yàn),比較了不同提高采收率方法的采收率。巖心注水裝置包括泵、巖心夾持器、背壓系統(tǒng)、壓力計(jì)和用于數(shù)據(jù)采集和過程控制的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。注入系統(tǒng)包括一個流體輸送泵,用于通過活塞室以所需速率將各種注入流體注入巖心。一個帶有橡膠套的巖心夾持器被用來固定巖心。將巖心夾持器置于恒溫烘箱中,以將巖心保持在貯存器溫度。壓力計(jì)用于測量堆芯流體的入口/出口壓力。堆芯通過施加三軸應(yīng)力進(jìn)行填充和限制。油和水通過背壓調(diào)節(jié)器(BPR)排放并輸送至分離器。在校準(zhǔn)管中收集油和水,并測量油和水的量。同時,用煤氣表測量出口煤氣。
在X'Pert飛利浦X射線衍射儀上,利用Cu/Ka輻射對巖芯樣品進(jìn)行了X射線衍射(XRD)分析,X射線管的工作電壓為40kV、電流30mA。利用KYKY-EM3200型掃描電鏡,定性研究了驅(qū)油實(shí)驗(yàn)中SiO2納米粒子在孔隙表面的吸附行為。
驅(qū)油實(shí)驗(yàn)主要分為兩個步驟:水交替注氣(WAG)和納米流體交替注氣(NWAG)。僅對于第一個巖芯樣品,進(jìn)行了四次運(yùn)行:水、CO2氣體、WAG和NWAG注入。每次運(yùn)行時,測量回收率與注入孔隙體積的關(guān)系。測量了產(chǎn)水量、產(chǎn)氣量和壓差。
進(jìn)行了四種不同的注入方案:水、CO2氣體、WAG、NWAG注入。實(shí)驗(yàn)溫度為50℃,初始注射壓力為800psi(5.52MPa)。水/納米水注入速率為8cc/h,每次注入1.32cc(0.2孔體積)水。注氣速率為15cc/h,每個循環(huán)注入0.66cc(0.1孔體積)的CO2。在該巖芯樣品中使用SiO2-1進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。比較了不同方法的回收率,結(jié)果見表1?;厥章逝c注入孔隙體積的關(guān)系如圖1所示。
表1 1#巖心不同提高采收率方法的采收率比較Table 1 Comparison of different EOR methods in core 1#
圖1 1號巖芯水、氣、WAG和NWAG注入采收率與注入孔隙體積的比較Fig .1 Comparison of water, gas, WAG and NWAG injection recovery and injection pore volume in core 1
從表1和圖1可以清楚地看出,在四種不同類型的提高采收率策略中,NWAG的采收率最高,其次是WAG和注水工藝,石油采收率差異非常小。最低采收率為CO2注入。實(shí)驗(yàn)在低于CO2和油的最小混相壓力的壓力下進(jìn)行。油氣相互作用的非混相機(jī)理解釋了注CO2采收率低的原因。進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)和表征(界面張力測量、接觸角和SEM圖像),以解釋在NWAG實(shí)驗(yàn)中由于納米顆粒的存在而顯著提高的回收率。
了解納米流體驅(qū)油過程中的潤濕性行為至關(guān)重要,因?yàn)樗绊懺S多重要的儲層性質(zhì),如相對滲透率特征、孔隙網(wǎng)絡(luò)中流體(烴和水相)的分布以及開采過程中的流體流動。潤濕性變化是納米提高采收率過程中的一種驅(qū)油機(jī)理。接觸角是測量表面潤濕性最常用的方法,也是測量儲層潤濕性的一種方法。
實(shí)驗(yàn)考察兩種不同的注入方案:WAG和NWAG。實(shí)驗(yàn)溫度為50℃,初始注射壓力為800psi(5.52MPa)。水/納米水注入速率為8cc/h,每個循環(huán)注入2.5cc(0.2孔體積)的水。注氣速率為15cc/h,每個循環(huán)注入1.32cc(0.1孔體積)的CO2。為了研究納米顆粒的大小對回收率的影響,在本試驗(yàn)中,納米顆粒的大小在30~40 nm之間。結(jié)果見表2。表2結(jié)果表明,較小的納米粒子比較大的納米粒子提供更好的回收率。由于碳酸鹽巖的非均質(zhì)性和空間變異性,較小的顆??梢酝ㄟ^多孔介質(zhì)向深層運(yùn)移。因此,納米顆粒對多孔介質(zhì)體積的影響更大,從而提高了回收率。
表2 納米尺寸對回收率的影響Table 2 Effect of nano size on recovery
圖2比較了兩種方法的回收率。結(jié)果表明,與第一次實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似,NWAG注入的采收率高于WAG注入的采收率。然而,提高采收率約為11.4%,NWAG和WAG注入采收率之間的差異比巖芯1的差異小約10.5%。這可能是因?yàn)榧{米顆粒的大小發(fā)生了變化。通過改變巖石的潤濕性和IFT還原性,使SiO2納米粉體粒徑減小,可以深入低滲透巖石,提高采收率。孔徑越小,毛管壓力越高,通過降低界面張力和改變潤濕性,容易產(chǎn)生毛管壓力圈閉的油。
圖2 2號巖心WAG和NWAG注入采收率與注入孔隙體積的比較Fig . 2 Comparison of WAG and NWAG injection recovery and injection pore volume in core 2
圖3顯示了納米顆粒在巖芯2的入口、中部和末端的沉積和吸附。通過對巖心1和巖心2的SEM圖像進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)通過巖心1可以觀察到較好的納米顆粒分布和吸附,說明潤濕性變化較好。接觸角測量結(jié)果也證實(shí)了這一問題。此外,從核1和核2的SEM圖像可以明顯看出,SiO2納米顆粒在流體相中聚集,但是SiO2-2納米顆粒聚集的尺寸比SiO2-1納米顆粒聚集的尺寸大。粒徑較大的納米顆??赡芫奂奖瓤状蟮某叽纾@導(dǎo)致聚集的顆粒不能進(jìn)入芯2中的小尺寸孔。所以2號巖芯的回收率比1號巖芯低。
圖3 2 #巖芯不同部分表面SEM圖像Fig. 3 SEM images of different parts of core 2#
為了研究不同巖石類型對NWAG驅(qū)油效果的影響,對孔隙度高于巖心1的高滲透碳酸鹽巖儲層進(jìn)行了兩種不同注入方式(WAG、NWAG注入)。實(shí)驗(yàn)溫度為50℃,初始注射壓力為800psi(5.52MPa)。水/納米水注入速率為8cc/h,每循環(huán)注入3.5cc(0.2孔體積)水/納米流體。注氣速率為15cc/h,每個循環(huán)注入1.75cc(0.1孔體積)的CO2。所用納米顆粒的大小與核1(11~14 nm)相同。
結(jié)果表明,在我們的實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)材料中,NWAG在低滲透巖心樣品中有較好的回收率。在小孔隙中,毛管壓力較高,因此我們推測,通過降低界面張力和改變潤濕性,可能會產(chǎn)生一些被毛管壓力捕獲的油。當(dāng)巖石處于水濕狀態(tài)時,毛管壓力梯度導(dǎo)致石油流出,水進(jìn)入死端孔隙通道。此外,毛細(xì)力使水在低滲透性孔隙通道中向前移動更快,而水在高滲透性孔隙通道中移動緩慢。此外,通過對巖心1和巖心3的接觸角測量結(jié)果進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)巖心1的潤濕性變化較好,我們推測,由于上述機(jī)制,NWAG在低滲透巖石中表現(xiàn)更好。
比較了兩種不同方法的回收率,結(jié)果見表3?;厥章逝c注入孔隙體積的關(guān)系如圖4所示。注入流體的粘度是可能影響石油采收率的另一個參數(shù)。測定了含0.1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))11~14 nm納米顆粒的純水和納米流體的粘度。結(jié)果表明,在20℃、800psi(5.52MPa)條件下,納米流體的粘度由純水的0.999cp提高到1.18cp。增加粘度和改變潤濕性會影響粘滯力和毛細(xì)管力,增加毛細(xì)管數(shù),從而提高采收率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,潤濕性的改變是主要的機(jī)理。此外,由于粘度增加,NWAG注入時沿巖心的壓差增加,這導(dǎo)致入口壓力增加,特別是在納米流體注入循環(huán)中。
圖4 3#巖心WAG和NWAG注入采收率與注入孔隙體積的比較Fig.4 Comparison of WAG and NWAG injection recovery and injection pore volume in core 3#
表3 巖芯3#中WAG和NWAG的回收率比較Table 3 Comparison of recovery rates of WAG and NWAG in core 3 #
二氧化硅納米顆粒進(jìn)入巖芯孔隙后,由于二氧化硅表面的高活性、高能狀態(tài),其表面原子的高度不穩(wěn)定性以及納米顆粒的大比表面積,這些納米顆粒吸附在巖石孔隙表面,巖石表面的潤濕性由油濕變?yōu)閺?qiáng)水濕。納米顆粒被定位并吸附在油水界面上,使油水兩相間的摩擦力減小,界面張力減小,被毛細(xì)管壓力捕獲的油被釋放。
采用納米水交替注氣(NWAG)作為一種新的、具有潛在可行性的方法來提高油濕碳酸鹽巖油藏的采收率,巖心驅(qū)油試驗(yàn)的主要結(jié)論如下:(1)在水相中加入納米顆粒比WAG驅(qū)具有更好的采收率;(2)納米顆粒吸附在巖石表面,使巖石的潤濕性由油濕變?yōu)閺?qiáng)水濕;(3)納米顆粒位于油水界面,降低了油水界面張力;(4)滲透率較低的巖心樣品的采收率高于滲透率較高的巖心樣品;(5)由于碳酸鹽巖的非均質(zhì)性和空間變異性,較小的納米顆粒尺寸具有更好的回收率,因?yàn)檩^小的顆??梢愿玫赝ㄟ^多孔介質(zhì)。因此,更小的納米顆粒尺寸導(dǎo)致更大的石油回收率。