裂縫性低滲油藏CO2氣竄規(guī)律分析方法及其應(yīng)用

王 維，龐 波，郭振華

(延長油田股份有限公司 七里村采油廠，陜西 延安 717199)

引 言

CO2驅(qū)過程中出現(xiàn)的氣竄問題一直是眾多學(xué)者研究的焦點(diǎn)[1-5]。盡管不同儲層物性有所差異，但由其非均質(zhì)性所引起的CO2氣竄問題卻均不同程度存在，且低滲透油藏由于天然微裂縫發(fā)育和人工裂縫的存在尤為明顯[6-9]。目前，氣竄時機(jī)多通過室內(nèi)驅(qū)油實驗，利用總驅(qū)油效率、氣油比和CO2氣體組分含量3類曲線的變化趨勢來聯(lián)合劃定，并以此來指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)[10-15]。但低滲透油藏由于單井基礎(chǔ)產(chǎn)量低，CO2驅(qū)替后原油產(chǎn)量變化緩慢和地層原油中溶解氣少，見氣后CO2組分含量上升快等特點(diǎn)，當(dāng)前定義的氣竄曲線往往與裂縫性低滲透油藏生產(chǎn)實際不相匹配，難以有效指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)。為此，定義了CO2驅(qū)見氣速率和見氣階段驅(qū)油效率，基于此定量分析了儲層滲透率、油藏非均質(zhì)性及注入壓力對CO2氣竄的影響，劃分了各影響因素的氣竄范圍，明確了開展CO2驅(qū)油的最佳條件，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析了水氣交替注入和淀粉凝膠體系對裂縫性低滲油藏CO2氣竄的抑制作用。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器

ASPE-730恒速壓汞儀、HAS-100HSB型恒壓恒速泵、RUSKA高溫高壓PVT實驗裝置、巖心夾持器、回壓閥、中間容器、CS200型氣體流量計、壓差傳感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、氣液分離和收集裝置。

實驗巖心：尺寸為4.5 cm×4.5 cm×30 cm的露頭巖心。

實驗用油、水和氣：地層脫氣原油，其地面原油密度0.88 g/cm3，地面原油黏度4.5 mPa·s；實驗用水為按照地層水礦化度配制的模擬地層水；實驗用CO2氣體純度為99.99%。

1.2 實驗方案

共包括5部分CO2巖心驅(qū)替實驗，巖心物性參數(shù)見表1。其中涉及巖心非均質(zhì)性驅(qū)替實驗部分主要采用并聯(lián)雙管巖心實驗。實驗流程如下：①將實驗巖心進(jìn)行烘干、抽真空、飽和地層水、飽和油等實驗前準(zhǔn)備后，連接實驗裝置。②開展不同滲透率均質(zhì)巖心單管恒壓和不同注入壓差CO2驅(qū)及不同滲透率級差非均質(zhì)巖心并聯(lián)雙管恒壓CO2驅(qū)、水氣交替驅(qū)、淀粉凝膠注入后CO2驅(qū)實驗(具體注入?yún)?shù)見實驗方案)；③記錄見氣時間、采出端液體和氣體體積，直至巖心出口端不出油即停止實驗；④計算見氣速率和見氣階段驅(qū)油效率。

表1 實驗評價內(nèi)容及巖心參數(shù)

實驗方案如下：①開展6組不同滲透率均質(zhì)巖心CO2驅(qū)替實驗，評價滲透率對CO2氣竄的影響；②開展5組不同注入壓力下的均質(zhì)巖心CO2驅(qū)替實驗，評價注入壓力對CO2氣竄的影響。所用巖心(基質(zhì)巖心)平均滲透率為1.53×10-3μm2，實驗注入壓力分別為8 MPa、9 MPa、10 MPa、11 MPa、12 MPa；③開展5組不同滲透率級差的非均質(zhì)巖心CO2驅(qū)替實驗，評價儲層非均質(zhì)性對CO2氣竄的影響；④開展4組不同滲透率級差非均質(zhì)巖心CO2水氣交替驅(qū)實驗，評價水氣交替注入對非均質(zhì)儲層CO2氣竄的抑制作用，水氣交替注入段塞大小為0.1 PV，氣液比為1∶1；⑤開展2組不同滲透率級差非均質(zhì)巖心CO2驅(qū)替實驗，每組實驗先進(jìn)行CO2驅(qū)替直至發(fā)生氣竄，待向巖心中注入0.2 PV凝膠體系并靜置20 h后繼續(xù)進(jìn)行CO2驅(qū)替實驗，以評價凝膠體系對非均質(zhì)儲層CO2氣竄的抑制作用。其中，各部分實驗巖心出口端設(shè)置回壓閥，且出口壓力均為7 MPa，方案①、②、③、④、⑤部分實驗中CO2注入壓力均為10 MPa。

2 結(jié)果與分析

2.1 CO2氣竄主控因素分析

2.1.1 滲透率對CO2氣竄的影響

利用式

(1)

計算CO2驅(qū)油過程中單位壓差下的見氣速率(以下簡稱“見氣速率”)。利用式

(2)

計算見氣階段驅(qū)油效率。式(1)、(2)中，v表示單位壓差下的見氣速率，m/(h·MPa)；t表示油氣前緣到達(dá)出口端的時間，h；Δp表示注入壓差，MPa；ηg表示見氣階段驅(qū)油效率；Vog表示見氣階段采出端原油體積，mL；Vo表示巖心中飽和油體積，mL。

圖1為不同滲透率巖心CO2驅(qū)替過程中CO2見氣速率和見氣階段驅(qū)油效率變化。圖2為通過恒速壓汞實驗測得的巖心喉道結(jié)構(gòu)特征。從圖1可以看出，隨著巖心滲透率增大，CO2見氣速率逐漸增大，且總體呈現(xiàn)“兩端緩中間陡”態(tài)勢，而巖心見氣階段驅(qū)油效率則表現(xiàn)出先增大后降低的趨勢。

圖1 不同巖心滲透率下CO2見氣速率及見氣階段驅(qū)油效率

圖2 不同滲透率巖心喉道半徑分布

在巖心滲透率較低時，盡管滲透率有所增大，但決定巖心滲透率的儲層喉道尺度變化較小(滲透率為1.42×10-3μm2和3.18×10-3μm2的巖心喉道半徑分布范圍基本重合)，氣驅(qū)阻力較大，CO2見氣速率較低，CO2波及范圍較廣，此時，見氣階段驅(qū)油效率基本達(dá)到最大值，且?guī)r心驅(qū)替實驗結(jié)果顯示該滲透率范圍內(nèi)巖心最終驅(qū)油效率也最高，這說明該滲透率范圍內(nèi)的儲層最適合開展CO2驅(qū)；當(dāng)巖心滲透率由8.52×10-3μm2增大至16.40×10-3μm2時，巖心喉道微觀尺度變化明顯加劇，其喉道半徑主要分布范圍由0.56～2.31 μm增大至0.87～3.17 μm，且半徑大于1.69 μm的喉道數(shù)量急劇增大，氣驅(qū)阻力減小，CO2見氣速率迅速增大，由0.16 m/(h·MPa)增大至0.99 m/(h·MPa)，此時，見氣階段驅(qū)油效率明顯降低，說明巖心氣竄通道已逐漸形成；當(dāng)巖心滲透率由16.40×10-3μm2增大至50.21×10-3μm2時，CO2見氣速率上升幅度和見氣階段驅(qū)油效率均變化較小，這主要是由于該巖心滲透率范圍內(nèi)，喉道半徑相對較大，驅(qū)替過程中巖心出口端一旦見氣，巖心中很容易形成氣竄通道。綜合上述分析，可將儲層滲透率約8.52×10-3μm2作為滲透率氣竄緩慢和易氣竄范圍的劃分界限。

2.1.2 注入壓力對CO2氣竄的影響

圖3為不同注入壓差下CO2見氣速率和見氣階段驅(qū)油效率變化。圖4為利用RUSKA高溫高壓PVT實驗裝置測得的CO2在原油中的溶解度和擴(kuò)散系數(shù)。從圖3可以看出，隨著巖心注入壓差增大，CO2見氣速率幾乎呈線性增大，而見氣階段驅(qū)油效率則呈先增大后降低的趨勢。

圖3 不同注入壓差下見氣速率和見氣階段驅(qū)油效率

圖4 不同壓力下CO2在原油中的溶解度和擴(kuò)散系數(shù)

這主要是由于隨著驅(qū)替壓差增大，CO2在巖心中的運(yùn)移動力增大，故CO2見氣速率逐漸增大。同時，CO2在原油中的溶解增強(qiáng)，擴(kuò)散速度加快，巖心中CO2指進(jìn)作用越加明顯。當(dāng)驅(qū)替壓差小于3 MPa時，隨著驅(qū)替壓差增大，見氣階段驅(qū)油效率逐漸增大，且?guī)r心驅(qū)替實驗結(jié)果顯示其見氣前驅(qū)油效率也成增大的趨勢，這主要是因為隨著注入壓力升高，CO2在原油中的溶解增強(qiáng)(圖4)，CO2對巖心的洗油作用增強(qiáng)；當(dāng)驅(qū)替壓差大于3 MPa時，隨著驅(qū)替壓差增大，CO2在原油中的擴(kuò)散速度迅速加快(圖4)，且CO2在巖心中的指進(jìn)作用增強(qiáng)，氣竄加快，見氣階段驅(qū)油效率逐漸降低，當(dāng)驅(qū)替壓差達(dá)到5 MPa時，其見氣階段驅(qū)油效率和見氣前驅(qū)油效率分別較3 MPa時降低4.62%和6.66%。由此可見，可將巖心驅(qū)替壓差約3 MPa作為注入壓差氣竄緩慢和易氣竄范圍的劃分界限。

2.1.3 非均質(zhì)性對CO2氣竄的影響

圖5為不同非均質(zhì)條件下高滲巖心見氣速率和見氣階段驅(qū)油效率變化，其中滲透率級差為0時的數(shù)據(jù)由均質(zhì)巖心(基質(zhì)巖心)在相同驅(qū)替條件下實驗所得?？紤]到該部分巖心驅(qū)替實驗中采用恒定壓差注入方式且低滲巖心滲透率與2.1.1中低滲巖心滲透率十分接近，認(rèn)為該部分低滲巖心CO2見氣速率和見氣階段驅(qū)油變化規(guī)律與2.1.1中對應(yīng)滲透率巖心相同。

圖5 不同非均質(zhì)性下高滲巖心見氣速率和見氣階段驅(qū)油效率

從圖5可以看出，隨著儲層非均質(zhì)性增強(qiáng)，CO2見氣速率明顯增大，尤其是在滲透率級差大于10后，而見氣階段驅(qū)油效率則總體呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。具體表現(xiàn)為：當(dāng)滲透率級差在0～10時，CO2見氣速率和見氣階段驅(qū)油效率均變化緩慢，說明該非均質(zhì)性對CO2驅(qū)油影響較小；當(dāng)滲透率級差大于10時，高滲巖心CO2見氣速率迅速增大。這主要是由于隨著巖心非均質(zhì)性增強(qiáng)，驅(qū)替過程中CO2在高滲巖心的滲流阻力逐漸降低，CO2見氣速率增大，氣竄加劇所致。由此可見，可將滲透率級差約10作為儲層非均質(zhì)性氣竄緩慢和易氣竄范圍的劃分界限。

2.2 CO2氣竄控制技術(shù)

2.2.1 水氣交替注入

定義CO2見氣速率降低幅度為相同非均質(zhì)性條件下，采取水氣交替或淀粉凝膠體系注入后見氣速率與注入前兩者差值的絕對值與后者的百分比。同此方式，定義未見氣和見氣階段驅(qū)油效率提高幅度。

圖6為水氣交替注入對不同非均質(zhì)性巖心CO2見氣速率、未見氣和見氣階段驅(qū)油效率提高幅度的影響。從圖6可以看出，隨著儲層非均質(zhì)性增強(qiáng)，高滲巖心CO2見氣速率降低幅度呈逐漸降低的態(tài)勢，但不同非均質(zhì)性條件下變化幅度差異較大，而未見氣和見氣階段驅(qū)油效率提高幅度均呈先增大后降低的趨勢。表現(xiàn)為：當(dāng)滲透率級差在5～50時，CO2見氣速率降低幅度由43.31%降至35.26%，未見氣階段驅(qū)油效率提高幅度由18.96%降至16.46%，見氣階段驅(qū)油效率提高幅度由25.21%降至17.21%；當(dāng)滲透率級差增加至100時，CO2見氣速率降低幅度、未見氣和見氣驅(qū)油效率提高幅度均迅速下降，CO2見氣速率降低幅度降至5.28%，未見氣階段驅(qū)油效率提高幅度降至4.55%，見氣階段驅(qū)油效率提高幅度降至1.09%，表明該非均質(zhì)性條件下，水氣交替注入抑制CO2氣竄、提高驅(qū)油效果已十分有限。以上進(jìn)一步說明水氣交替注入對延緩非均質(zhì)性儲層CO2氣竄、提高驅(qū)油效果存在一定的非均質(zhì)性界限，該滲透率級差界限約為50。

圖6 水氣交替注入對不同非均質(zhì)性巖心見氣速率降低幅度和驅(qū)油效率提高幅度影響

與單一CO2驅(qū)相比，水氣交替注入過程容易在巖心多孔介質(zhì)中形成氣水兩相界面，“界面效應(yīng)”增大了兩相驅(qū)替阻力，擴(kuò)大了巖心波及范圍，同時水相可以較好地抑制氣相過早氣竄。從非均質(zhì)巖心(低滲和高滲)CO2見氣速率降低幅度、見氣階段驅(qū)油效率提高幅度及未見氣階段驅(qū)油效率提高幅度可以明顯看出。當(dāng)滲透率級差處于0～50時，未見氣和見氣階段驅(qū)油效率提高幅度均出現(xiàn)先增大后降低的趨勢，這主要是由于巖心非均質(zhì)性較弱時(滲透率級差小于10)，水氣交替注入可以更有效擴(kuò)大驅(qū)替流體在巖心中的波及范圍，提高巖心中前期未被CO2波及到區(qū)域內(nèi)原油驅(qū)油效率。

2.2.2 淀粉凝膠體系注入

圖7為淀粉凝膠體系成膠后在高壓CO2環(huán)境下的黏彈性及其在巖心中的突破壓力曲線(巖心突破壓力測試過程中巖心末端未加回壓)。從淀粉凝膠體系黏彈性曲線可以看出，較高剪切速率下，高壓CO2環(huán)境下淀粉凝膠體系成膠后彈性模量保持在0.55～0.60 MPa，損耗模量維持在約0.045 MPa，這說明該體系強(qiáng)度較高，且性能穩(wěn)定，可滿足CO2驅(qū)油實驗強(qiáng)度的要求。

圖7 高壓CO2環(huán)境下凝膠體系成膠后黏彈性及其巖心突破壓力

表2為注入淀粉凝膠前后CO2驅(qū)見氣速率和見氣階段驅(qū)油效率變化。從表2可知，注入凝膠對抑制裂縫性儲層CO2氣竄和改善CO2驅(qū)油效果明顯。具體表現(xiàn)為：當(dāng)滲透率級差為100時，高滲巖心CO2見氣速率由25.21 m/(h·MPa)快速下降至5.32 m/(h·MPa)，降低幅度達(dá)78.90%，見氣階段驅(qū)油效率提高17.62%；對裂縫性儲層，淀粉凝膠注入后儲層CO2見氣速率降至8.64 m/(h·MPa)，見氣階段驅(qū)油效率提高10.36%。這主要是由于巖心注入淀粉凝膠體系后，對儲層裂縫可形成有效封堵，增大了CO2在高滲層的滲流阻力，延緩了氣竄通道的形成，通過提高CO2波及效率從而改善驅(qū)油效果。

表2 注入淀粉凝膠前后CO2驅(qū)見氣速率和見氣階段驅(qū)油效率變化

3 結(jié) 論

(1)CO2驅(qū)見氣速率和見氣階段驅(qū)油效率隨巖心滲透率、注入壓差和滲透率級差的增大分別呈逐漸升高和先增后降的總體變化規(guī)律，且?guī)r心滲透率約(5～10)×10-3μm2、注入壓差約3 MPa和滲透率級差小于10為開展CO2驅(qū)油的最佳條件。

(2)水氣交替注入抑制CO2氣竄存在明顯非均質(zhì)界限，該滲透率級差界限約為50，當(dāng)滲透率級差為5～50和100時，其降低CO2驅(qū)前緣推進(jìn)速度幅度分別為35.26%～43.31%和5.28%，提高見氣階段驅(qū)油效果幅度分別為17.21%～25.21%和1.09%。

(3)淀粉凝膠體系對抑制裂縫性儲層CO2氣竄效果顯著，淀粉凝膠體系注入后，裂縫性低滲油藏CO2驅(qū)見氣速率降至8.64 m/(h·MPa)，見氣階段驅(qū)油效率提高10.36%。