CO2輔助重力驅(qū)油開發(fā)效果影響因素分析

雷 夢，屈亞光，萬翠蓉，楊 博，何登輝，馬國慶，鞏 旭

(1.長江大學(xué)，湖北 武漢 430100；2.油氣鉆采工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430100；3.中國石油西南油氣田分公司，重慶 400021；4.中國石油長慶油田分公司，甘肅 慶陽 745000；5.中國石油塔里木油田分公司，新疆 庫爾勒 841000)

0 引 言

1 氣體輔助重力驅(qū)油機(jī)理

氣體輔助重力驅(qū)油(GAGD)是模仿稠油熱采工藝的蒸汽輔助泄油(SAGD)而形成的工藝[14-16]。氣體輔助重力驅(qū)油是將重力作為主要驅(qū)動(dòng)力，同時(shí)以注氣形成的氣頂實(shí)現(xiàn)氣體驅(qū)動(dòng)。其主要的驅(qū)油機(jī)理是重力分異作用和氣頂?shù)呐蛎涀饔谩Ｔ诂F(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用中是在產(chǎn)油層位打水平井作為生產(chǎn)井，在頂部打直井作為注氣井(圖1)。氣體入井后由于油氣密度差而造成油氣兩相在空間上的分布差異，氣在上、油在下。氣體聚集形成氣頂，在氣頂膨脹作用下使得油氣界面整體下移推動(dòng)原油進(jìn)入油層底部的水平井，從而達(dá)到驅(qū)替構(gòu)造高部位剩余油的目的。

圖1 氣體輔助重力驅(qū)油示意圖Fig.1 The schematic diagram of gas-assisted gravity flooding

注入氣進(jìn)入油層在形成氣頂?shù)那闆r下，由于油氣界面整體向下移動(dòng)，氣體的波及范圍會(huì)逐漸擴(kuò)大，理論上氣體的波及范圍可以達(dá)到100%[17-18]。綜合來看，氣體輔助重力驅(qū)油具有以下優(yōu)點(diǎn)：①利用了重力分異作用的自然規(guī)律，由于油氣密度差異，很容易在頂部形成氣頂，實(shí)現(xiàn)重力驅(qū)動(dòng)和氣驅(qū)的雙重驅(qū)動(dòng)模式；②在重力分異作用下，構(gòu)造高部位的剩余油會(huì)重新富集在油氣前緣帶，在氣頂膨脹作用的推動(dòng)下，進(jìn)入水平生產(chǎn)井中被采出；③注入氣會(huì)溶解到原油中，減小原油的黏度以及密度，減小氣油流度比，改善流動(dòng)條件；④構(gòu)造底部的水平井增加了與儲(chǔ)層的接觸面積和泄油面積，減小了氣體超覆和氣體錐進(jìn)發(fā)生，有利于提高采收率。

2 三維機(jī)理模型的建立

為明確氣體輔助重力驅(qū)油的影響因素，進(jìn)行敏感性分析，以A油藏為對象，建立如下的機(jī)理模型：x、y、z方向網(wǎng)格步長分別為10、10、15 m，模擬的網(wǎng)格總數(shù)為35×35×6=7350個(gè)。縱向上共分為3層，平均地層滲透率為65 mD，平均孔隙度為17.5%，原始地層平均壓力為31.6 MPa，地層傾角為15 °，油藏頂深為2 300 m，可采儲(chǔ)量為10.2×104t，構(gòu)建了一注一采模型(圖2)，在油藏頂部部署1口CO2注氣井，設(shè)定日注氣量為15 000 m3/d，底部部署采油水平井，水平段長度為200 m。綜合考慮油田開發(fā)實(shí)際狀況，模型模擬時(shí)間均設(shè)置為10 a。

圖2 一注一采模型示意圖Fig.2 The schematic diagram of one-injection and one-recovery model

3 CO2輔助重力驅(qū)油技術(shù)開發(fā)效果影響因素分析

CO2輔助重力驅(qū)油的影響因素主要有3個(gè)方面：①地質(zhì)因素，包括地層的滲透率、孔隙度、傾角、非均質(zhì)性等；②流體因素，包括地層原油的黏度、密度、最小混相壓力，注入氣體的密度、黏度等；③生產(chǎn)參數(shù)，包括采油速度、注入速度以及地層的連通程度和采出程度等。在考慮油田實(shí)際情況的基礎(chǔ)上，通過建立機(jī)理模型研究主要地質(zhì)因素對CO2輔助重力驅(qū)油開發(fā)效果的影響。

3.1 地層沉積韻律的影響

地層的沉積韻律影響著儲(chǔ)層縱向上滲透率和孔隙度，建立CO2輔助重力驅(qū)油的正韻律地層模式(地層傾角為15 °，縱向上分為3層，滲透率為50、65、80 mD)和反韻律地層模式(地層傾角為15 °，縱向上分為3層，滲透率為80、65、50 mD)進(jìn)行模擬，模擬時(shí)間為10 a，得到相關(guān)的生產(chǎn)模擬數(shù)據(jù)(表1)。由表1可知，相較于反韻律地層，正韻律地層最終氣油比更小，采出程度和換油率更高，表明氣竄的風(fēng)險(xiǎn)也更小。因此，正韻律地層可能更適合CO2輔助重力驅(qū)油開發(fā)。此外，由于正韻律沉積的地層，其低滲層位于開發(fā)層系的頂部，較低的滲透率和孔隙度抑制了氣竄的發(fā)生，有利于氣頂?shù)男纬珊陀蜌饨缑婢鶆蛳蛳峦七M(jìn)；同時(shí)在重力分異作用下，低滲層能夠有效氣驅(qū)，提高氣體的波及系數(shù)，提高油藏采收率。

表1 正反韻律沉積生產(chǎn)數(shù)據(jù)Table 1 The production data of positive and negative rhythm sedimentation

3.2 地層傾角的影響

地層傾角是油藏基礎(chǔ)的地質(zhì)參數(shù)之一，也是CO2輔助重力驅(qū)油的重要影響因素。由于原油和CO2自身黏度和密度差異，注入的CO2可能會(huì)在油層頂部發(fā)生流動(dòng)，出現(xiàn)竄流現(xiàn)象。而當(dāng)?shù)貙赢a(chǎn)生一定傾角后，沿著地層傾角方向的重力分力會(huì)作為原油向下流動(dòng)的動(dòng)力，同時(shí)會(huì)改變CO2的流動(dòng)方向，促使CO2向上聚集成氣頂。當(dāng)傾角越大時(shí)，產(chǎn)生的分力越大，重力分異作用越明顯，產(chǎn)生的氣頂才能更加穩(wěn)定地將頂部的油均勻地向構(gòu)造低部位驅(qū)替。

針對上述分析，為研究地層傾角對CO2輔助重力驅(qū)油開發(fā)效果的影響，在保證其他參數(shù)不變的條件下，分別建立了地層傾角為0、5、10、15、20、25、30、45 °的機(jī)理模型進(jìn)行模擬(圖3)，模擬時(shí)間為10 a，得到采出程度和換油率隨傾角的變化圖(圖4)。由圖3、4可知：傾角為5 °時(shí)，注入氣體形成平面驅(qū)替，構(gòu)造高部位驅(qū)替較少，生產(chǎn)井見氣提前，導(dǎo)致?lián)Q油率較??；隨著傾角的逐漸增大，氣頂形成越明顯，構(gòu)造高部位受氣驅(qū)的影響更加明顯，生產(chǎn)井見氣時(shí)間延后，采出程度和換油率均有提高。

圖3 同一時(shí)刻部分地層傾角模型的含氣飽和度分布Fig.3 The distribution of gas saturation at some formation dip angles at the same time

圖4 采出程度和換油率隨地層傾角變化關(guān)系Fig.4 The change of recovery degree and oil exchange rate with the formation dip angle

3.3 滲透率的影響

從CO2輔助重力驅(qū)油的機(jī)理來看，要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的CO2輔助重力驅(qū)油，需要有一定的垂向滲透率才能更好地發(fā)揮重力分異作用，同時(shí)其水平滲透率不宜過大。水平滲透率過大，CO2平面擴(kuò)散的速度加快，油氣界面不能穩(wěn)定地向下推進(jìn)，導(dǎo)致生產(chǎn)井開采后見氣時(shí)間提前，見氣后氣油比快速上升，不利于提高油藏采收率。

為研究地層滲透率對CO2輔助重力驅(qū)油的影響，建立如下機(jī)理模型：考慮到縱向上的非均質(zhì)性，縱向上分為3層，各層的水平滲透率比值為1.0∶1.3∶1.6，且垂直滲透率與水平滲透率比值為0.1，地層傾角為15 °。設(shè)置第1層滲透率分別為10.0、25.0、37.5、75.0、150.0、300.0 mD。模擬時(shí)間為10 a，得到其采出程度和換油率隨地層滲透率變化關(guān)系圖(圖5)。由圖5可知：隨著地層滲透率逐漸增大，采出程度和換油率不斷降低；滲透率小于37.5 mD時(shí)，滲透率的改變對氣體擴(kuò)散有明顯影響，小幅度的滲透率改變會(huì)使采出程度和換油率變化較大。

許振平剛想接話，就聽聽筒里傳來一個(gè)女人的聲音，吳天成的嗓門就提高了不少。是老林，政協(xié)的老林，和我說事呢。接著，聲音微弱下來，老林，那事我們明天再說吧，這不，才回來，老婆等我洗澡呢。

圖5 采出程度和換油率隨滲透率變化關(guān)系Fig.5 The change of recovery degree and oil exchange rate with permeability

3.4 孔隙度的影響

為研究孔隙度對CO2輔助重力驅(qū)油開發(fā)效果的影響，分別建立了孔隙度為10.0%、12.5%、15.0%、17.5%、20.0%、22.5%的機(jī)理模型，模擬時(shí)間為10 a，得到其采出程度和換油率隨地層孔隙度的變化關(guān)系圖(圖6)。由圖6可知：隨著孔隙度的增大，生產(chǎn)井見氣時(shí)間提前，換油率和采出程度逐漸減小。

圖6 采出程度和換油率隨孔隙度變化關(guān)系Fig.6 The change of recovery degree and oil exchange rate with porosity

3.5 垂直滲透率與水平滲透率比值的影響

地層垂直滲透率與水平滲透率比值(KV/KH)反映的是垂向滲透能力的相對強(qiáng)弱，也是反映儲(chǔ)層層內(nèi)非均質(zhì)性強(qiáng)弱的重要標(biāo)志[19]。一般認(rèn)為，在常規(guī)的注氣開發(fā)油藏中，儲(chǔ)層層內(nèi)的非均質(zhì)性越強(qiáng)，開發(fā)效果越差，主要是強(qiáng)非均質(zhì)性會(huì)導(dǎo)致注氣沿高滲部位突破，導(dǎo)致波及系數(shù)較低，開發(fā)效果不理想[20]。但在CO2輔助重力驅(qū)油過程，垂直滲透率與水平滲透率比值越小(非均質(zhì)越強(qiáng))，越有利于提高采收率。這是因?yàn)檩^低的垂直滲透率能對氣體向下部的高滲層位移動(dòng)起封堵作用，有利于提高上部低滲透層的平面驅(qū)替效率[21]。

為研究地層垂直滲透率與水平滲透率比值(KV/KH)對CO2輔助重力驅(qū)油開發(fā)效果的影響，建立了KV/KH分別為1.00、0.60、0.20、0.10、0.05、0.01的機(jī)理模型，模擬時(shí)間為10 a，得到采出程度和換油率隨KV/KH變化的關(guān)系圖(圖7)。由圖7可知：垂直滲透率與水平滲透率比值越大，采出程度和換油率越低。主要是垂直滲透率與水平滲透率比值越大，地層非均質(zhì)性越弱，生產(chǎn)井見氣時(shí)間越早，導(dǎo)致開發(fā)效果越差。

圖7 采出程度和換油率隨KV/KH變化關(guān)系Fig.7 The change of recovery degree and oil exchange rate with KV/KH

實(shí)際模擬過程中發(fā)現(xiàn)，KV/KH=1.00時(shí)，注入的CO2會(huì)在縱向上快速向下移動(dòng)，進(jìn)入底部的高滲層并驅(qū)替該層位的原油，并不能形成穩(wěn)定的油氣界面向下移動(dòng)。該現(xiàn)象會(huì)造成氣體沿著高滲層驅(qū)替，進(jìn)而造成生產(chǎn)井提前見氣，形成氣竄突破，不利于上部低滲層的驅(qū)替，波及效率大大降低；氣竄突破提前使得大量氣體無效注入，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。而隨著KV/KH比值的逐漸減小，CO2在縱向上快速向下移動(dòng)的現(xiàn)象會(huì)逐漸減弱，在KV/KH=0.20時(shí)，該現(xiàn)象基本消失，可以形成穩(wěn)定的油氣界面向下推進(jìn)，同時(shí)重力分異作用能夠得到很好的利用，有利于提高采出程度。

3.6 滲透率級差的影響

與地層垂直滲透率與水平滲透率比值(KV/KH)相類似，地層的滲透率級差反映的是儲(chǔ)層層間的非均質(zhì)性。為研究地層滲透率級差對CO2輔助重力驅(qū)油開發(fā)效果的影響，結(jié)合前文對地層韻律的研究，建立正韻律沉積的地層模式，滲透率級差分別為10、7、5、3、1的機(jī)理模型，模擬時(shí)間為10 a。得到采出程度和換油率隨滲透率級差變化的關(guān)系圖(圖8)。由圖8可知，隨著滲透率級差的增大，生產(chǎn)井見氣時(shí)間略微提前，采出程度和換油率變化不大。表明正韻律沉積模式下，層間的非均質(zhì)性強(qiáng)弱對CO2輔助重力驅(qū)油的開發(fā)效果影響不大。

圖8 采出程度隨滲透率級差變化關(guān)系Fig.8 The change of recovery degree with the permeability max-min ratio

4 CO2輔助重力驅(qū)油開發(fā)效果多因素影響正交實(shí)驗(yàn)分析

4.1 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在上述研究的基礎(chǔ)上，為明確各單因素對CO2輔助重力驅(qū)油的影響程度，采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法[22-24]對各個(gè)單因素進(jìn)行敏感性分析。

4.2 正交模型的建立

正交實(shí)驗(yàn)法的數(shù)據(jù)分析方法主要有極差分析法和方差分析法2種。實(shí)驗(yàn)采用極差分析法對采出程度的影響因素進(jìn)行分析，利用正交設(shè)計(jì)表對地層傾角、地層滲透率、地層孔隙度、垂直滲透率與水平滲透率比值、滲透率級差5個(gè)因素進(jìn)行敏感性分析，每個(gè)因素含有5個(gè)水平，分別用1、2、3、4、5表示；共設(shè)計(jì)25個(gè)正交實(shí)驗(yàn)組，正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案見表2。

表2 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案Table 2 The orthogonal experimental design scheme

4.3 正交模型計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)正交設(shè)計(jì)方案建立相應(yīng)的油藏?cái)?shù)值模擬模型，通過數(shù)值模擬計(jì)算可以得到各個(gè)方案的生產(chǎn)指標(biāo)(表3)，進(jìn)一步采用極差分析法，對結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果見表4(表中k值為各因素對應(yīng)水平實(shí)驗(yàn)結(jié)果的和，m值為對應(yīng)k值的平均值)。由表4可知，不同因素對采出程度影響由大到小依次為垂直滲透率與水平滲透率的比值、地層傾角值、地層滲透率、地層孔隙度、地層滲透率級差。

表3 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表及實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 The orthogonal experimental design list and experimental results

表4 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析Table 4 Analysis of orthogonal experiment results

5 礦場試驗(yàn)效果分析

A油藏為扇三角洲相沉積厚層砂礫巖儲(chǔ)層，儲(chǔ)層內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，構(gòu)造為東南傾單斜，傾角約為15 °，含油面積為21.03 km2，有效厚度為21 m，該油藏自下而上發(fā)育S7、S6和S5砂層組，主力砂層為S7砂層組。原油平均密度為0.85 g/cm3，黏度為2.9 mPa·s，有效孔隙度為15.0%，空氣滲透率為62.5 mD，強(qiáng)非均質(zhì)性。2010年至2016年采用彈性能量開發(fā)，采油速度為1.35%；2017年至2020年注水開發(fā)，受地層敏感性影響，注水井存在注入困難的問題，導(dǎo)致試驗(yàn)區(qū)地層壓力保持程度低，油井產(chǎn)量遞減大，嚴(yán)重影響開發(fā)效果。截至2021年末，油藏采出程度僅為9.8%，含水率高達(dá)81%，平均單井日產(chǎn)油量為0.2 t/d。針對上述問題，結(jié)合油藏開發(fā)實(shí)際需要，后期進(jìn)行注氣開發(fā)。以油藏部分區(qū)域進(jìn)行先導(dǎo)性注氣驅(qū)油開發(fā)試驗(yàn)(氣體輔助重力驅(qū)油)。該區(qū)域內(nèi)A井組采用反七點(diǎn)井網(wǎng)，頂部直井注氣，底部水平井開采。以該井組1 a的注氣開發(fā)效果與其注水開發(fā)階段的開發(fā)效果進(jìn)行對比(表5)可以發(fā)現(xiàn)：相比注水開發(fā)，CO2輔助重力驅(qū)油開發(fā)可以有效提高產(chǎn)量，雖然初期日產(chǎn)油量較接近，但1 a內(nèi)的平均日產(chǎn)油量相差較大，階段累計(jì)產(chǎn)油量增加1 350.5 t，增產(chǎn)效果明顯。因此，在條件允許的情況下該油藏應(yīng)采用CO2輔助重力驅(qū)油的開發(fā)方式，可以獲得較好的開發(fā)效果。

表5 A井組注氣注水開發(fā)生產(chǎn)數(shù)據(jù)Table 5 Development and production data of gas injection and water injection in Well Group A

6 結(jié)論與認(rèn)識

(1) 利用油藏?cái)?shù)值模擬方法，通過建立機(jī)理模型，確定了各單因素對氣體輔助重力驅(qū)油開發(fā)效果的影響規(guī)律：地層傾角與開發(fā)效果呈正相關(guān)；地層滲透率、孔隙度、垂向滲透率與水平滲透率比值和開發(fā)效果呈負(fù)相關(guān)。

(2) 基于5個(gè)單因素分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，明確各個(gè)單因素對CO2輔助重力驅(qū)油的影響程度。研究結(jié)果表明：不同地質(zhì)因素對采出程度影響由大到小依次為垂直滲透率與水平滲透率的比值、地層傾角值、地層滲透率、地層孔隙度、地層滲透率級差。

(3) 礦場實(shí)驗(yàn)表明，CO2輔助重力驅(qū)油開發(fā)能夠使A油藏的階段累計(jì)產(chǎn)油量提高3倍以上，增產(chǎn)效果顯著。