厚層砂巖油藏原油密度影響下的CO2驅(qū)重力超覆實(shí)驗(yàn)

趙鳳蘭，宋黎光 ，馮海如，程靜

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京 102249；2.中國(guó)石油冀東油田分公司，河北 唐山 063200；3.中國(guó)海油海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；4.中國(guó)石化勝利油田分公司濱南采油廠，山東 東營(yíng) 257440）

0 引言

低滲油田具有較高的石油地質(zhì)儲(chǔ)量，且原油品質(zhì)好；但由于注水困難，常規(guī)注水開(kāi)發(fā)難以獲得較高的采收率。CO2驅(qū)提高原油采收率技術(shù)對(duì)于低滲油藏具有很好的適應(yīng)性[1-15]。將CO2注入低滲油藏，所需注入壓力低，驅(qū)油效率高，但CO2驅(qū)波及效率常受油藏性質(zhì)及油氣性質(zhì)差異的影響[16-20]。

在油田驅(qū)替開(kāi)發(fā)過(guò)程中，由于驅(qū)替介質(zhì)和原油密度存在差異，在重力作用下，密度較小的流體處于油藏上部，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為重力超覆或重力分異。CO2驅(qū)時(shí)，在較厚的低滲油層中，由于CO2與原油存在密度差，重力超覆在油層垂向發(fā)展，嚴(yán)重降低CO2驅(qū)的波及效率，影響開(kāi)發(fā)效果[21-22]。重力超覆是厚層油藏氣驅(qū)開(kāi)發(fā)中不可忽略的因素，受其影響，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致采收率降低50%以上，因此，研究重力超覆的發(fā)展變化規(guī)律對(duì)有效提高厚層油藏氣驅(qū)采收率具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外對(duì)重力超覆規(guī)律的研究較多，普遍認(rèn)為注氣速度、原油與CO2密度差，以及油層厚度均對(duì)重力超覆產(chǎn)生影響，并影響CO2驅(qū)的最終采收率[23-24]。這些研究多采用數(shù)值模擬方法，但模擬條件過(guò)于理想，無(wú)法真實(shí)反映復(fù)雜油藏油氣運(yùn)移過(guò)程中的重力超覆。部分學(xué)者為評(píng)價(jià)重力超覆對(duì)采收率的影響，開(kāi)展了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究。如：Han等[25]利用水平驅(qū)替和垂向驅(qū)替的方式對(duì)比研究了重力超覆對(duì)CO2驅(qū)采收率的影響，以氣體突破時(shí)間和最終采收率大小表征重力超覆程度。該實(shí)驗(yàn)采取自下而上驅(qū)替形成重力超覆的方式，可充分驗(yàn)證重力超覆對(duì)采收率的影響，但無(wú)法進(jìn)一步研究重力超覆的變化規(guī)律。杜勇等[26]利用公式計(jì)算和可視化實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證重力超覆的形成需要足夠大的注入速度。然而，這些實(shí)驗(yàn)均沒(méi)有充分模擬油藏條件下的重力超覆過(guò)程，并且鮮有采用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)方式研究原油密度對(duì)重力超覆變化規(guī)律的影響。本文基于可模擬真實(shí)油藏條件的長(zhǎng)巖心物理模型，采集巖心上下部位流體，計(jì)算巖心上下部位采收率，通過(guò)巖心上部采收率占比評(píng)價(jià)重力超覆程度，進(jìn)而開(kāi)展不同驅(qū)替壓力下油氣密度差對(duì)重力超覆的影響規(guī)律研究，并引入重力超覆準(zhǔn)數(shù)進(jìn)一步分析其影響機(jī)理，從而為厚層砂巖油藏CO2驅(qū)開(kāi)發(fā)如何有效減小重力超覆程度提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)所用巖心為人工壓制的低滲均質(zhì)砂巖巖心，尺寸為60 cm×8 cm×2 cm。不同油氣密度差實(shí)驗(yàn)中所用的原油不同：1#為低滲油藏脫氣原油，黏度1.26 mPa·s，密度 0.79 g/cm3；2#為低滲油藏脫氣原油與輕烴復(fù)配的輕質(zhì)油，黏度 1.00 mPa·s，密度 0.72 g/cm3；3#為高密度脫氣原油，黏度 6.00 mPa·s，密度 0.83 g/cm3；4#為較高密度脫氣原油，黏度4.30 mPa·s，密度0.81g/cm3。實(shí)驗(yàn)用水為模擬地層水，總礦化度為76 580 mg/L，CaCl2水型。實(shí)驗(yàn)用氣為純度99.9%的CO2，黏度和密度分別為 0.025 mPa·s，0.28 g/cm3（10 MPa，60 ℃下），0.063 mPa·s，0.72 g/cm3（20 MPa，60 ℃下）。

1.2 裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。注入泵（ISCO泵）與高溫高壓活塞式中間容器相連；將流體注入裝有巖心的高溫高壓二維超覆巖心夾持器中，夾持器與2套采油設(shè)備相連，每套采油設(shè)備均包含1個(gè)回壓閥，1個(gè)氣液分離收集裝置以及氣體流量計(jì)（Bronkhorst公司生產(chǎn)）；2套采油設(shè)備中的回壓閥連接在相同的穩(wěn)壓罐上，穩(wěn)壓罐與手搖泵相連，以控制回壓；巖心夾持器入口和出口均安裝壓力傳感器，并配套壓力數(shù)據(jù)采集設(shè)備；由KDHW-Ⅱ型自控恒溫箱控溫。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.3 步驟

1）巖心準(zhǔn)備。測(cè)量巖心外觀尺寸，確保符合實(shí)驗(yàn)要求；將巖心放置在80℃空氣浴中烘干12 h以上，使巖心干燥；將巖心4個(gè)側(cè)面涂刷0.1～0.2 mm厚的環(huán)氧樹(shù)脂防腐層，以免CO2沿巖心側(cè)面竄逸腐蝕夾持器膠套；用砂紙打磨巖心2個(gè)端面，防止端面堵塞物堵塞巖心。

2）建立油藏環(huán)境油水飽和度分布。將處理好的巖心裝入夾持器中，夾持器加圍壓至6 MPa；真空泵與巖心夾持器產(chǎn)出端口相連，將巖心抽真空4 h以上；手搖計(jì)量泵與巖心注入端相連，注入模擬地層水飽和巖心至壓力不變?yōu)橹?，根?jù)手搖計(jì)量泵刻度計(jì)算巖心孔隙體積；通過(guò)ISCO泵以0.10～0.50 mL/min的注氣速度將模擬地層水注入飽和地層水后的巖心，根據(jù)注采壓差及注入速度計(jì)算巖心平均滲透率；將裝有巖心的夾持器及裝有原油的中間容器升溫至實(shí)驗(yàn)溫度（60℃）；將巖心水平放置后，以0.05 mL/min的速度將原油注入巖心，驅(qū)替地層水至產(chǎn)出端不產(chǎn)水為止，并根據(jù)累計(jì)注入量及產(chǎn)出油量計(jì)算飽和至巖心的原油體積，從而計(jì)算巖心含油飽和度；將巖心置于實(shí)驗(yàn)溫度下老化24 h以上。

3）驅(qū)替實(shí)驗(yàn)。將巖心較窄一面與水平面平行放置，以便CO2在豎直方向具有較大的運(yùn)移空間。將裝有CO2的中間容器升壓至實(shí)驗(yàn)壓力，調(diào)整出口回壓，并穩(wěn)定在實(shí)驗(yàn)壓力；CO2通過(guò)管線注入，管線與巖心斷面接觸的堵頭相連，堵頭上分布有同心圓凹槽，確保注入流體均勻注入巖心端面?；谥亓εc黏性力對(duì)驅(qū)替前緣穩(wěn)定性的綜合影響，實(shí)驗(yàn)壓力10 MPa時(shí)，若以油田實(shí)際注氣量折算的注氣速度——0.10 mL/min開(kāi)展驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，會(huì)出現(xiàn)因注氣速度較小，重力超覆程度較大，重力超覆受油氣密度差影響變化不明顯的情況[27]，故以0.30 mL/min的注氣速度將CO2注入巖心中；實(shí)驗(yàn)壓力為20 MPa時(shí)，則以0.10 mL/min的注氣速度將CO2注入巖心[28]。驅(qū)替過(guò)程中，每隔一段時(shí)間計(jì)量1次巖心上下部的產(chǎn)出流體及實(shí)驗(yàn)壓力數(shù)據(jù)，直至2個(gè)產(chǎn)出端產(chǎn)出氣油比均大于3 000 m3/m3，停止驅(qū)替。

各組實(shí)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。基于實(shí)驗(yàn)研究可知[29]：實(shí)驗(yàn)壓力10 MPa下的油氣密度差比20 MPa下的更大；當(dāng)實(shí)驗(yàn)壓力10 MPa、注氣速度0.30 mL/min時(shí)，重力超覆程度仍比實(shí)驗(yàn)壓力20 MPa、注氣速度0.10 mL/min時(shí)嚴(yán)重。這說(shuō)明，油氣密度差是影響重力超覆的主要因素。

表1 各組實(shí)驗(yàn)參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 不同原油密度時(shí)的巖心采收率

2.1.1 低壓（10 MPa）條件下

圖2為實(shí)驗(yàn)壓力10 MPa下不同原油密度時(shí)的巖心采收率曲線。由圖2可以看出，巖心上部采收率曲線均處于巖心下部采收率曲線之上，說(shuō)明CO2對(duì)巖心上部的波及效率較高。

圖2 10 MPa壓力下不同原油密度時(shí)的巖心采收率

原油的產(chǎn)出過(guò)程包括無(wú)氣產(chǎn)油、油氣同產(chǎn)和氣竄3個(gè)階段。無(wú)氣產(chǎn)油階段，氣驅(qū)前緣還未達(dá)到產(chǎn)出端，CO2對(duì)巖心上下部波及效率的差異決定著采收率的分布情況。從圖2可以看出：原油密度為0.72 g/cm3時(shí)，至巖心上部見(jiàn)氣，無(wú)氣產(chǎn)油階段巖心上下部階段采收率分別為25.7%和12.0%；原油密度為0.79 g/cm3時(shí)，巖心上下部階段采收率分別為22.1%和10.0%。原油密度增大后，巖心上部采收率占比增加不明顯，但高密度原油的輕質(zhì)組分含量小于低密度原油，CO2相同波及效率下的驅(qū)油效率較小，巖心上下部采收率均降低。原油密度為0.83g/cm3時(shí)，巖心上下部階段采收率分別降低至20.6%和3.8%，高密度原油與CO2之間的傳質(zhì)和擴(kuò)散作用弱于低密度原油，CO2對(duì)原油的驅(qū)替效率進(jìn)一步降低。受較大油氣密度差影響，CO2對(duì)巖心上下部波及效率差異顯著，巖心上部采收率占比進(jìn)一步增大。

2.1.2 高壓（20 MPa）條件下

圖3為實(shí)驗(yàn)壓力20 MPa、不同原油密度時(shí)的巖心生產(chǎn)動(dòng)態(tài)。雖然高壓下CO2密度增大，但巖心上部采收率曲線仍在下部采收率曲線之上。

圖3 20 MPa壓力下不同原油密度時(shí)巖心的采收率

由圖3可以看出：原油密度為0.79 g/cm3時(shí)，無(wú)氣產(chǎn)油階段巖心上下部采收率分別為20.5%和13.8%，巖心上下部采收率比值較小，約為1.50。原油密度增大至0.81 g/cm3后，無(wú)氣產(chǎn)油階段巖心上下部采收率分別為19.0%和10.8%。原油密度增大，CO2與原油之間的傳質(zhì)擴(kuò)散作用減弱，巖心上下部采收率均有所下降。另外，巖心上下部采收率比值增大至1.76左右，CO2對(duì)巖心下部的波及效率相比低密度原油有所降低。原油密度為0.83 g/cm3時(shí)，無(wú)氣產(chǎn)油階段巖心上下部采收率分別為18.9%和10.1%。與0.81 g/cm3密度原油時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，巖心上部采收率幾乎不變，下部采收率減少也不明顯。原因可能是在20 MPa壓力下CO2與0.83 g/cm3密度原油的混相互溶程度優(yōu)于0.81 g/cm3密度原油，雖然驅(qū)油效率接近，但巖心上下部采收率比值仍增大至1.87，CO2對(duì)巖心下部的波及效率進(jìn)一步降低，巖心整體波及效率因原油密度增大呈降低趨勢(shì)，巖心見(jiàn)氣時(shí)總體采收率下降。

2.2 重力超覆程度評(píng)價(jià)與表征

2.2.1 重力超覆程度評(píng)價(jià)

依據(jù)物質(zhì)平衡原理，巖心上下部產(chǎn)出原油量的差異可近似代表注入CO2在巖心縱向的分布情況，因此，可以通過(guò)見(jiàn)氣時(shí)巖心上下部產(chǎn)出端采收率分別占見(jiàn)氣時(shí)巖心總體采收率的大小，評(píng)價(jià)重力超覆程度。本文以見(jiàn)氣時(shí)巖心上部采收率的占比和總體采收率為指標(biāo)，評(píng)價(jià)原油密度影響下的重力超覆程度（見(jiàn)圖4）。

圖4 低、高壓及不同原油密度下無(wú)氣產(chǎn)油階段的巖心采收率

由圖4可以看出：低壓（10 MPa）條件下，無(wú)氣產(chǎn)油階段巖心上部采收率占比隨原油密度增加，由68.2%（原油密度0.72 g/cm3）逐漸增至84.4%（原油密度0.83 g/cm3），CO2對(duì)巖心下部的波及效率降低；重力超覆隨原油密度的增大而持續(xù)加劇，受其對(duì)巖心整體波及效率的影響，無(wú)氣產(chǎn)油階段巖心總體采收率隨原油密度的增大而降低，由37.7%（原油密度0.72 g/cm3）降低至24.4%（原油密度0.83 g/cm3）。值得注意的是，原油密度由0.79 g/cm3增至0.83 g/cm3后，巖心上部采收率占比增加明顯，密度為0.83 g/cm3的原油重質(zhì)組分含量更多，對(duì)傳質(zhì)擴(kuò)散作用的影響程度更大，氣驅(qū)前緣的穩(wěn)定性易發(fā)展成重力舌進(jìn)，重力超覆明顯加劇。

高壓（20 MPa）時(shí)，CO2在原油中的溶解量更大，相同溫度下，20 MPa時(shí)CO2在0.79 g/cm3密度原油中的飽和溶解量約為10 MPa時(shí)的4倍，擴(kuò)散傳質(zhì)作用隨壓力增大而增強(qiáng)，油氣混相區(qū)較大，氣驅(qū)前緣不易受重力分異作用影響。原油密度由0.79 g/cm3增至0.83 g/cm3后，見(jiàn)氣時(shí)巖心上部采收率占比由59.6%增至65.1%，而采收率增加幅度小于低壓且同樣原油密度變化條件下（兩者分別為5.5，15.6百分點(diǎn)）；但CO2驅(qū)對(duì)巖心整體的波及效率和驅(qū)油效率相比低壓時(shí)有所增加。另外，隨原油密度增大，即使見(jiàn)氣時(shí)巖心上下部采收率差距增加，但巖心總體采收率降低幅度逐漸減小，說(shuō)明高壓下驅(qū)油效率的提高彌補(bǔ)了重力超覆對(duì)波及效率降低的影響，見(jiàn)氣時(shí)巖心總體采收率沒(méi)有明顯降低。

2.2.2 重力超覆程度表征

重力超覆的形成和發(fā)展受多種因素影響，包括驅(qū)替方向的黏滯力、氣體所受的垂向浮力，以及氣體沿驅(qū)替方向運(yùn)移及沿垂向超覆所受的滲流阻力等。有關(guān)黏滯力與重力綜合作用的表達(dá)式[25]為

式中：Rvg為重力超覆指數(shù)（與重力超覆程度成反比）；g為重力加速度，m/s2；v 為注入線速度，cm/s；μo為原油黏度，mPa·s；X 為巖心長(zhǎng)度，cm；K 為巖心滲透率，10-3μm2；Δρ為油氣密度差，g/cm3；Y 為巖心厚度，cm。

垂向浮力大小與油氣密度差直接相關(guān)，同時(shí)重力超覆的發(fā)展還取決于驅(qū)替方向油氣黏度差異造成的黏性指進(jìn)程度及油氣運(yùn)移空間的影響[30]。

將實(shí)驗(yàn)巖心模型簡(jiǎn)化為圖5的流動(dòng)微元的流動(dòng)模型[31]。CO2驅(qū)替過(guò)程中，任意氣驅(qū)前緣處的流動(dòng)微元同時(shí)受到沿驅(qū)替方向驅(qū)動(dòng)力的作用和垂直方向浮力的作用。驅(qū)替壓差使注入氣沿注入方向以速度vx流動(dòng)，油氣密度差引起的重力超覆使注入氣沿垂向以速度vy流動(dòng)；在二者的同時(shí)作用下，該處流動(dòng)微元最終沿與驅(qū)替方向夾角為θ的方向以合速度vc流動(dòng)。

圖5 CO2驅(qū)替過(guò)程中的流動(dòng)微元流動(dòng)模型

由圖5可以看出，θ越小時(shí)，垂向上的分速度vy越小，合速度vc越趨于水平，此時(shí)縱向驅(qū)替更加均勻，重力超覆程度較弱。因此，可用流動(dòng)微元橫向與縱向流動(dòng)時(shí)間比——重力超覆準(zhǔn)數(shù)N表征驅(qū)替效果的均衡性，從而反映重力超覆程度。

基于圖5，在不考慮滲流阻力時(shí)，依據(jù)達(dá)西定律可知驅(qū)替方向與垂直方向的滲流速度[32]分別為

式中：Kx，Ky分別為驅(qū)替方向和垂直方向的滲透率，m2；p為壓力（驅(qū)動(dòng)力），MPa；μ為地層條件下的原油黏度，Pa·s；Δp 為注采壓差，MPa；L 為注采井距，m。

依據(jù)重力超覆準(zhǔn)數(shù)的定義，則：

式中：tx，ty分別為驅(qū)替和垂向方向的流動(dòng)時(shí)間，s。

將式（2）代入式（3），得到重力超覆準(zhǔn)數(shù)的計(jì)算式：

式中：H為油層厚度，m。

考慮到實(shí)驗(yàn)巖心為人工壓制的均質(zhì)巖心，垂向與驅(qū)替方向的滲透率大小相近，可將重力超覆準(zhǔn)數(shù)的表達(dá)式寫(xiě)作：

根據(jù)式（5）計(jì)算的重力超覆準(zhǔn)數(shù)見(jiàn)表2。

表2 不同原油密度時(shí)的重力超覆準(zhǔn)數(shù)

不同原油之間除了密度不同，受原油組分和巖心孔隙結(jié)構(gòu)不同的影響，界面張力也存在差異，因此，在相同壓力條件下，滲流阻力不同，使得重力超覆準(zhǔn)數(shù)隨油氣密度差的增加并非呈線性增加。高壓條件下的重力超覆準(zhǔn)數(shù)明顯低于低壓條件下。高壓條件下，油氣密度差小，浮力作用減弱，氣驅(qū)前緣運(yùn)移至巖心頂部的速度變慢，到達(dá)油層上部的時(shí)間與到達(dá)產(chǎn)出端的時(shí)間比增大，縱向波及效率高，重力超覆程度弱。由式（1）可知，注氣速度的增大有利于降低重力超覆程度，而注氣速度較小的高壓（如注氣速度0.10 mL/min、壓力20 MPa）驅(qū)替實(shí)驗(yàn)中，重力超覆準(zhǔn)數(shù)值則低于注氣速度較大的低壓（如注氣速度0.30 mL/min、壓力10 MPa）條件下。——這說(shuō)明注氣速度的增大難以抵消油氣密度差對(duì)重力超覆的影響。而高壓下，油氣密度差的降低及油氣間傳質(zhì)擴(kuò)散作用的增大，不僅減弱了浮力的影響，氣驅(qū)前緣混相帶的增大也有效地增強(qiáng)了氣驅(qū)前緣的穩(wěn)定性，消減了重力超覆的影響，使得CO2驅(qū)效果更好。

3 結(jié)論

1）模擬油氣運(yùn)移時(shí)的長(zhǎng)巖心CO2驅(qū)替實(shí)驗(yàn)表明，無(wú)論低壓還是高壓條件下，油氣密度差的增大，均會(huì)加劇重力超覆程度。低壓條件下，油氣密度差對(duì)油氣超覆的影響更為明顯，而重力超覆對(duì)巖心采收率的影響更大，即使在較高的注氣速度下，仍可形成明顯的重力超覆，降低巖心采收率。

2）引入重力超覆準(zhǔn)數(shù)表征重力超覆程度，并反映其變化規(guī)律。隨油氣密度差增大，重力超覆準(zhǔn)數(shù)增大，對(duì)應(yīng)的重力超覆程度加劇。高壓條件下的重力超覆準(zhǔn)數(shù)均小于低壓條件下，重力超覆程度較弱。高壓時(shí)油氣間傳質(zhì)擴(kuò)散作用較強(qiáng)，油氣混相帶相比低壓時(shí)大，CO2驅(qū)替前緣較穩(wěn)定；雖然重力超覆仍有所加劇，但總體采收率沒(méi)有明顯降低。

3）重力超覆受多種因素制約，基于本文得出油氣密度差對(duì)CO2超覆的影響規(guī)律，在注采井距確定的厚油層油藏進(jìn)行CO2驅(qū)開(kāi)發(fā)時(shí)，應(yīng)盡可能增大驅(qū)替壓力，降低重力超覆準(zhǔn)數(shù)。這樣，可以在降低油氣密度差同時(shí)，增大油氣混合帶，進(jìn)而在CO2縱向運(yùn)移至油藏上部前，使CO2波及更多原油，改善原油開(kāi)發(fā)效果。