致密油藏氣驅(qū)最小混相壓力預(yù)測(cè)

王玉霞尚慶華

(1.西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系,西安 710069;2.陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院,西安 710065)

1 研究背景

已有研究表明,致密油藏微觀孔喉結(jié)構(gòu)中流體的臨界性質(zhì)及相態(tài)變化規(guī)律等均不同于常規(guī)油藏[1-3]。在孔喉中,流體臨界性質(zhì)及相態(tài)與范德華力和毛細(xì)管力及孔喉結(jié)構(gòu)等因素相關(guān)[4-5]。致密儲(chǔ)層中微觀孔喉半徑越小,其驅(qū)替相與被驅(qū)替相之間的毛細(xì)管壓力比越大,對(duì)相平衡的影響也越大。當(dāng)孔喉半徑小到一定程度時(shí),流體分子與孔壁之間的相互作用增強(qiáng)到不可忽略,進(jìn)而改變流體的臨界壓力、臨界溫度和表面張力等物理性質(zhì)[6-7]。對(duì)于氣體驅(qū)油來(lái)說(shuō),其還將直接影響混合體系的最小混相壓力,進(jìn)而影響驅(qū)油效率和原油采收率[8]。最小混相壓力是氣驅(qū)項(xiàng)目必須確定的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。目前的確定方法主要有數(shù)值模擬法、細(xì)管實(shí)驗(yàn)法及界面張力法等[9-17],然而這些方法都忽視了微觀孔隙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響,即不論儲(chǔ)層孔隙度和滲透率在何種范圍,均采用同一標(biāo)準(zhǔn)下的細(xì)管模型進(jìn)行測(cè)定,或者不考慮介質(zhì)直接通過(guò)界面張力儀測(cè)定臨界面張力時(shí)的流體混相壓力。基于此,該研究以延長(zhǎng)油田吳起油溝致密油藏為研究對(duì)象,對(duì)其微觀孔喉結(jié)構(gòu)特征及流體在其中的相態(tài)行為開(kāi)展了系統(tǒng)研究,探索合適的氣驅(qū)最小混相壓力預(yù)測(cè)方法,以期為同類油藏的研究和應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

2 致密孔中流體的相態(tài)行為

研究表明,流體在致密油藏中的臨界性質(zhì)及相態(tài)主要受孔喉禁限效應(yīng)的影響,影響程度主要取決于孔喉半徑和Lennard-Jones尺寸參數(shù)。根據(jù)Kuz等人的研究結(jié)果和范德瓦爾斯理論[18],可以得到臨界溫度偏移、臨界壓力偏移分別與σLJ/rp關(guān)聯(lián)的二次方計(jì)算模型,即:

式中:rp為孔喉半徑,nm;ΔT*c為相對(duì)臨界溫度偏移,無(wú)因次;Tcb為bulk臨界溫度;Tcp為孔隙臨界溫度;σLJ為L(zhǎng)ennard-Jones尺寸參數(shù),nm;ΔP*c為相對(duì)臨界壓力偏移,無(wú)因次;Pcb為bulk臨界壓力;Pcp為孔隙臨界壓力。

吳起油溝油藏長(zhǎng)4+5油層組微觀孔喉結(jié)構(gòu)研究結(jié)果表明,納米孔占比27.2%,微米孔占比51.7%,如圖1所示,屬于典型的致密油藏。

圖1 研究區(qū)孔喉半徑分布圖Fig.1 Pore throat radius distribution

該區(qū)在前期進(jìn)行了充分的室內(nèi)研究,并開(kāi)展了CO2驅(qū)油礦場(chǎng)先導(dǎo)性試驗(yàn),具備相態(tài)理論計(jì)算的參數(shù)基礎(chǔ),其原油和注入氣的組成、性質(zhì)及狀態(tài)方程參數(shù)詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[19]。利用上述臨界參數(shù)偏移計(jì)算模型對(duì)研究區(qū)流體參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,得到其臨界參數(shù)偏移的變化如圖2和圖3所示。

圖2 流體臨界參數(shù)偏移隨σLJ/rp變化曲線Fig.2 Fluid critical parameter migration curve withσLJ/rp

圖3 孔喉半徑對(duì)流體各組分臨界參數(shù)的影響Fig.3 Theinfluence of hole radius on the critical parameters of oil and gas fluids

由圖2可以看出,流體臨界參數(shù)偏移變化曲線主要表現(xiàn)出以下特點(diǎn):1)CO2臨界參數(shù)偏移與輕組分Cl+N2一致;2)相同孔喉半徑中,重質(zhì)組分較輕質(zhì)組分的臨界參數(shù)偏移幅度更大;3)臨界參數(shù)偏移隨孔喉半徑的減小而增大;4)微米級(jí)以上的孔喉中不再存在流體臨界參數(shù)偏移,孔喉結(jié)構(gòu)不再對(duì)相態(tài)產(chǎn)生影響。

由圖3可以看出,流體臨界參數(shù)的變化主要呈現(xiàn)以下特點(diǎn):各組分的臨界溫度和臨界壓力均隨孔喉半徑的減小而降低,且重質(zhì)組分臨界溫度和輕質(zhì)組分臨界壓力受影響較大,輕質(zhì)組分臨界溫度和重質(zhì)組分臨界壓力受影響相對(duì)較小。

為了更加直觀地表現(xiàn)孔喉半徑對(duì)流體臨界性質(zhì)的影響,根據(jù)臨界參數(shù)計(jì)算模型分別計(jì)算了研究區(qū)不同孔喉半徑下流體的相圖,如圖4所示。

圖4 不同孔喉半徑下研究區(qū)原油的相圖偏移Fig.4 Phase diagramof crude oil with different hole radius

從圖4可以明顯看出,當(dāng)孔喉半徑從5 nm變到30 nm時(shí),流體相圖發(fā)生了幅度非常大的右偏移;當(dāng)孔喉半徑大于30 nm時(shí),偏移幅度逐漸變小;當(dāng)孔喉半徑大于50 nm后,流體相圖已基本接近常規(guī)儲(chǔ)層的相圖。說(shuō)明流體相態(tài)受孔喉半徑影響的上限基本為50 nm,且孔喉半徑越小,流體相態(tài)受影響的程度越大。

3 考慮孔喉對(duì)流體相態(tài)影響的最小混相壓力預(yù)測(cè)

大量研究表明,細(xì)管實(shí)驗(yàn)得到的最小混相壓力普遍低于界面張力法測(cè)得的最小混相壓力,如圖5所示。同時(shí)結(jié)合上述研究結(jié)論,流體的臨界性質(zhì)及相態(tài)受致密儲(chǔ)層納米級(jí)孔喉的重要影響。因此氣驅(qū)油的微觀機(jī)理不再同于常規(guī)油藏,產(chǎn)生混相的條件和環(huán)境也大有不同,預(yù)測(cè)致密儲(chǔ)層氣驅(qū)最小混相壓力必須考慮孔喉對(duì)流體相態(tài)的影響。

圖5 不同實(shí)驗(yàn)方法最小混相壓力測(cè)試結(jié)果Fig.5 Minimum miscible pressure test results using different experi mental methods

3.1 聯(lián)立狀態(tài)方程法

PR狀態(tài)方程在計(jì)算混合物臨界點(diǎn)方面具有較高的精度,聯(lián)立上述臨界參數(shù)偏移計(jì)算模型便可用于致密儲(chǔ)層流體相態(tài)的計(jì)算,具體形式如下[20]:

由式(1)～式(3)臨界溫度偏移和臨界壓力偏移計(jì)算模型和PR狀態(tài)方程聯(lián)立即構(gòu)成致密油藏考慮孔喉影響的最小混相壓力計(jì)算模型。計(jì)算時(shí),首先通過(guò)臨界參數(shù)偏移計(jì)算模型計(jì)算得到流體在特定孔喉中的臨界參數(shù),然后利用PR 狀態(tài)方程和混相函數(shù)[21]迭代計(jì)算得到混合流體的最小混相壓力,具體計(jì)算方法和步驟參考文獻(xiàn)[20],這里不再贅述。

3.2 聯(lián)立J-P經(jīng)驗(yàn)公式法

聯(lián)立狀態(tài)方程法考慮因素全面,理論完善,是完全符合致密儲(chǔ)層最小混相壓力計(jì)算需要的模型。其缺點(diǎn)是計(jì)算處理過(guò)程相對(duì)復(fù)雜,不像經(jīng)驗(yàn)法計(jì)算簡(jiǎn)便。為了某些工作的簡(jiǎn)便需要,這里給出一種半經(jīng)驗(yàn)公式法,即由臨界參數(shù)偏移計(jì)算模型聯(lián)立經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算方法。目前預(yù)測(cè)最小混相壓力的經(jīng)驗(yàn)公式多達(dá)十幾種[22-23],但只有Johnson和Pollin創(chuàng)立的J-P關(guān)聯(lián)式將最小混相壓力與流體的臨界性質(zhì)關(guān)聯(lián)在一起,且其計(jì)算誤差也相對(duì)較低,具體形式如下:

由臨界參數(shù)計(jì)算模型式(1)～式(3)聯(lián)立J-P關(guān)聯(lián)式即構(gòu)成致密儲(chǔ)層考慮孔喉影響的最小混相壓力半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算模型。計(jì)算時(shí),首先通過(guò)臨界參數(shù)偏移計(jì)算模型計(jì)算得到流體在特定孔喉中的臨界參數(shù),然后代入到J-P關(guān)聯(lián)式,即可計(jì)算得到特定儲(chǔ)層中混合流體的最小混相壓力。

3.3 實(shí)例計(jì)算與分析

細(xì)管實(shí)驗(yàn)測(cè)得研究區(qū)延長(zhǎng)組長(zhǎng)4+5油層組CO2與原油最小混相壓力為17.8 MPa。為了明確致密儲(chǔ)層微觀孔喉結(jié)構(gòu)對(duì)最小混相壓力的影響程度,應(yīng)用上述2種方法分別對(duì)該區(qū)原油與CO2在儲(chǔ)層中的最小混相壓力進(jìn)行計(jì)算,并與細(xì)管實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

根據(jù)上述計(jì)算模型和方法,由聯(lián)立狀態(tài)方程法和聯(lián)立經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算出研究區(qū)流體在納米孔喉中的最小混相壓力分別為13.7 MPa和14.4 MPa,在常規(guī)孔喉(微米級(jí)以上)中的最小混相壓力分別為18.1 MPa和15.7 MPa。研究區(qū)納米孔所占比例為27.2%,如果按照比例進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算,則由2種方法確定的CO2驅(qū)最小混相壓力分別為16.9 MPa和15.3 MPa。實(shí)際上,對(duì)于該研究區(qū)來(lái)說(shuō),當(dāng)壓力超過(guò)13.7 MPa時(shí),部分CO2已經(jīng)開(kāi)始實(shí)現(xiàn)混相驅(qū)油。

由計(jì)算結(jié)果可以看出,在不考慮孔喉結(jié)構(gòu)影響時(shí),PR狀態(tài)方程法計(jì)算的最小混相壓力非常接近細(xì)管實(shí)驗(yàn)法的測(cè)定值,說(shuō)明該方法是可靠的。進(jìn)一步,說(shuō)明將臨界參數(shù)偏移計(jì)算模型和PR 狀態(tài)方程法結(jié)合計(jì)算致密儲(chǔ)層中流體的最小混相壓力也是可行的,其計(jì)算結(jié)果具有信服力。另外可以發(fā)現(xiàn),無(wú)論計(jì)算納米孔喉中的最小混相壓力還是加權(quán)平均計(jì)算,聯(lián)立經(jīng)驗(yàn)公式法相比聯(lián)立狀態(tài)方程法的誤差還是比較小的,對(duì)于項(xiàng)目前期CO2選區(qū)要求精度不高時(shí),可以采用該方法。

4 結(jié)論

1)納米級(jí)孔喉會(huì)對(duì)流體的臨界性質(zhì)及相態(tài)產(chǎn)生重要影響。孔喉半徑越小,影響程度越大,且流體臨界溫度和臨界壓力均隨孔喉半徑的減小而降低,相圖區(qū)域隨孔喉半徑的減小而向左縮小。

2)孔喉半徑對(duì)重質(zhì)組分的臨界溫度影響較大,對(duì)臨界壓力的影響較小,而其對(duì)輕質(zhì)組分的影響則相反。

3)最小混相壓力除了受驅(qū)替相和被驅(qū)替相性質(zhì)參數(shù)的影響外,還受微觀孔喉尺寸的影響。致密孔喉尤其是納米級(jí)孔喉可以明顯降低氣驅(qū)的最小混相壓力。

4)由流體臨界參數(shù)偏移計(jì)算模型聯(lián)立PR狀態(tài)方程可以預(yù)測(cè)致密儲(chǔ)層氣驅(qū)最小混相壓力,計(jì)算結(jié)果具有信服力。