多層非均質(zhì)儲(chǔ)層CO2吞吐及埋存效率實(shí)驗(yàn)

顧 驍，王智林

（中國石化江蘇油田分公司勘探開發(fā)研究院,江蘇揚(yáng)州 225009）

CO2吞吐是一種提高低滲透油田采收率的有效方法,其機(jī)理主要有降低原油黏度、使原油體積膨脹、萃取、溶解氣驅(qū)以及酸化解堵等［1-2］。CO2吞吐不依賴于鄰井的流體驅(qū)動(dòng),涉及油藏范圍小,是提高單井開發(fā)效果的有效措施,具有投入少,周期短,見效快,適用性強(qiáng)的特點(diǎn)［3-5］。隨著氣源的不斷發(fā)現(xiàn)和配套技術(shù)的發(fā)展,采用CO2吞吐改善多層非均質(zhì)油藏的方法得到了不斷推廣,并具有良好的應(yīng)用前景［6-7］。

前人針對(duì)CO2吞吐做了大量物理實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬研究,周拓等［8］通過水平井分段壓裂的CO2吞吐模擬實(shí)驗(yàn)研究認(rèn)為注入壓力是影響CO2吞吐效果的重要因素；王一平等［9］使用人造三維巖心模擬了超深層稠油直井CO2吞吐,發(fā)現(xiàn)CO2吞吐作用半徑隨吞吐周期的增加而增大；羅永成等［10］推導(dǎo)基于CO2擴(kuò)散影響的致密油藏水平井產(chǎn)能預(yù)測(cè)的數(shù)值模型,研究發(fā)現(xiàn)采油指數(shù)與擴(kuò)散系數(shù)呈正相關(guān)；許國晨等［11］通過現(xiàn)場(chǎng)CO2吞吐試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)降黏劑篩選及優(yōu)選合理的注入量是提高水平井CO2吞吐效果的關(guān)鍵,唐人選等［12］基于實(shí)際礦場(chǎng)CO2吞吐施工參數(shù)研究,認(rèn)為換油率與注入量及燜井時(shí)間存在一個(gè)最優(yōu)值。但近年來水平井吞吐研究多以優(yōu)化吞吐參數(shù)為主,關(guān)于多層非均質(zhì)儲(chǔ)層中強(qiáng)非均質(zhì)性對(duì)吞吐的影響［13-14］,以及對(duì)吞吐中埋存效果［15-16］的研究較少。本文主要對(duì)吞吐過程中非均質(zhì)性的作用和因毛管力導(dǎo)致的滯留埋存進(jìn)行研究,通過單管和三管并聯(lián)長(zhǎng)巖心CO2吞吐實(shí)驗(yàn),研究滲透率和非均質(zhì)性對(duì)吞吐效率、氣油比和埋存率的影響,以對(duì)同類油藏的開發(fā)提供借鑒。

1 長(zhǎng)巖心注CO2吞吐室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

為研究非均質(zhì)油藏CO2吞吐的特征,建立非均質(zhì)多管并聯(lián)長(zhǎng)巖心物理模型［17-18］,通過長(zhǎng)巖心實(shí)驗(yàn)對(duì)CO2吞吐效果進(jìn)行研究,明確非均質(zhì)性對(duì)吞吐效率、氣油比和埋存率的影響。

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及材料

1.1.1 巖心

本次實(shí)驗(yàn)選用JS 油田Z43 井取樣的實(shí)際巖心,根據(jù)實(shí)驗(yàn)所需,建立三組長(zhǎng)巖心。

（1）低滲組長(zhǎng)巖心:篩選滲透率在30×10-3μm2左右的巖心組成相對(duì)低滲的組合長(zhǎng)巖心。計(jì)算得到長(zhǎng)巖心的平均滲透率為33.17×10-3μm2,平均孔隙度為22.92%,巖心總孔隙體積為60.73 cm3,見表1。

表1 低滲組組合長(zhǎng)巖心排序（滲透率30×10-3 μm2左右）

（2）中滲組長(zhǎng)巖心：篩選滲透率在90×10-3μm2左右的巖心組成相對(duì)中滲的組合長(zhǎng)巖心。計(jì)算得到長(zhǎng)巖心的平均滲透率為89.53×10-3μm2,孔隙度為25.03%,巖心總孔隙體積為67.37cm3,見表2。

表2 中滲組組合長(zhǎng)巖心排序（滲透率90×10-3 μm2左右）

（3）高滲組長(zhǎng)巖心：篩選滲透率在195×10-3μm2左右的巖心組成相對(duì)高滲的組合長(zhǎng)巖心。計(jì)算長(zhǎng)巖心的算術(shù)平均滲透率為195.87×10-3μm2,孔隙度為39.04%,巖心總孔隙體積為103.43 cm3,見表3。

表3 高滲組組合長(zhǎng)巖心排序（滲透率195×10-3 μm2左右）

1.1.2 流體

本次實(shí)驗(yàn)使用的油是采用JS 油田Z43 井取樣的地面脫氣油和溶解氣,再按照原始?xì)庥捅纫约皩?shí)際油藏溫度壓力,在配樣器中重新復(fù)配的模擬油。地層溫度62.5 ℃,地層壓力14.8 MPa,氣油比24 m3/m3,原油黏度（地層溫度62.5 ℃下）57.23 mPa·s,地層水總礦化度37 936.86 mg/L,水型為NaHCO3,注入氣采用由揚(yáng)州華寶公司提供的工業(yè)純度99.9%的CO2氣體,其CO2含量達(dá)到99%。

1.1.3 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用加拿大Hycal 長(zhǎng)巖心驅(qū)替裝置（見圖1）,主要由注入泵系統(tǒng)、長(zhǎng)巖心夾持器、回壓調(diào)節(jié)器、壓力表、控溫系統(tǒng)、氣液分離裝置、氣量計(jì)等組成,最高實(shí)驗(yàn)壓力70 MPa,最高實(shí)驗(yàn)溫度200 ℃。

圖1 長(zhǎng)巖心CO2吞吐實(shí)驗(yàn)裝置

1.2 實(shí)驗(yàn)流程

（1）計(jì)算長(zhǎng)巖心長(zhǎng)度、總孔隙體積等數(shù)據(jù),按計(jì)算的巖心排序方式在巖心夾持器中安裝好長(zhǎng)巖心,按設(shè)計(jì)連接管線及相關(guān)設(shè)備,用石油醚、酒精等清洗巖心,抽空后備用。

（2）在地層壓力和溫度下,用地層水飽和巖心,之后用脫氣油驅(qū)替巖心,直到出口端不出水為止,建立束縛水飽和度并測(cè)定烴類孔隙體積。

（3）用配置好的模擬油驅(qū)替巖心,每隔一定時(shí)間在出口端記錄油量和氣量,計(jì)算生產(chǎn)氣油比,驅(qū)替至出口氣油比穩(wěn)定。

（4）每間隔2 MPa詳細(xì)記錄產(chǎn)出的油量和氣量、巖心始末端壓力等數(shù)據(jù),當(dāng)采出端壓力降至目前地層壓力后停止衰竭驅(qū)替。

（5）以一定速度從長(zhǎng)巖心采出端反向向巖心內(nèi)注入CO2,注入量為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的高滲管孔隙體積的0.05 PV,停止注氣后燜井24 h。

（6）燜井后再次以每小時(shí)2 MPa的速度衰竭,詳細(xì)記錄產(chǎn)出的油量和氣量、巖心始末端壓力等數(shù)據(jù),當(dāng)采出端壓力降至廢棄壓力（8.8 MPa）后,實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

（7）三管并聯(lián)長(zhǎng)巖心CO2吞吐實(shí)驗(yàn)過程與單管實(shí)驗(yàn)大致相同,區(qū)別在于使用三組不同滲透率的巖心同時(shí)進(jìn)行吞吐實(shí)驗(yàn),采用合吞分吐的方法,注入量為三個(gè)單管實(shí)驗(yàn)的總注入量,分別計(jì)量采出端產(chǎn)出油量和氣量,對(duì)比采收率及換油率。

2 結(jié)果與分析

2.1 單管及三管并聯(lián)吞吐實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本次實(shí)驗(yàn)完成三組單管長(zhǎng)巖心以及一組三管長(zhǎng)巖心實(shí)驗(yàn),采出程度變化如圖2所示。

圖2 單管與三管長(zhǎng)巖心吞吐采出程度

由圖2 可見,前期衰竭階段,采出程度逐漸增加。燜井一天后,開井生產(chǎn),氣體迅速突破,氣油比迅速下降,三管巖心的采出程度都有所增加,表明燜井過程中,CO2能較好地溶于地層原油,降低了原油黏度,對(duì)提高采出程度有一定的作用；開井后氣體迅速突破,氣油比最終趨于0時(shí),采出程度也不再增加,表明吞吐可持續(xù)時(shí)間較短,隨著地層壓力降低,地層彈性能量也消耗殆盡,無法繼續(xù)提高采出程度。

吞吐效率從高到低依次為中滲管、高滲管和低滲管,三管組結(jié)果與單管組結(jié)果接近,且高低關(guān)系也一致,說明多層非均質(zhì)油藏CO2吞吐并非滲透率越大越好,存在一個(gè)最優(yōu)滲透率。過低的滲透率不利于CO2運(yùn)移,而隨著滲透率增加,可以使溶解在原油中的CO2量有所上升,提高采出程度；但過高的滲透率一方面會(huì)使吞入的氣運(yùn)移速度更快,產(chǎn)生氣體超覆現(xiàn)象,減少與底層油的接觸,降低波及面積,另一方面會(huì)使氣體運(yùn)移距離過長(zhǎng),返排時(shí)氣體突破較早,開井后大多數(shù)CO2仍直接被排出,不能帶出更多的油。

在實(shí)驗(yàn)中同時(shí)測(cè)定氣油比變化,如圖3所示。

圖3 單管及三管長(zhǎng)巖心吞吐氣油比

由圖3可見,衰竭階段,氣油比保持在原始?xì)庥捅?4 m3/m3左右,單管組燜井后再開井時(shí),瞬時(shí)氣油比迅速攀升,峰值可達(dá)7 700 m3/m3以上,氣油比由高到低依次為低滲管、中滲管和高滲管,說明單管吞吐時(shí),低滲管由于滲透率過低,注入氣運(yùn)移距離較短,主要聚集在注入端,造成氣相段塞較短,減少了與原油的接觸,只有少量CO2溶解于油中,大量注入氣在開井后被直接排出,無法帶出更多的油,導(dǎo)致瞬時(shí)氣油比較高,而中滲透管和高滲管中溶解了較多的CO2,帶出的油量更多,降低了氣油比。

三管組情況與單管組不同,開井后瞬時(shí)氣油比最高約1 400 m3/m3,遠(yuǎn)低于單管組,且氣油比由高到低依次為高滲管、中滲管和低滲管。這主要是因?yàn)槿芙M吞吐中加強(qiáng)了非均質(zhì)性,滲透率差異使得多數(shù)CO2進(jìn)入到中滲和高滲管中,進(jìn)入低滲管中的CO2相比單管組更少,溶解于油中的CO2相比單管組也更少,幾乎未起到提高采出程度的效果。而進(jìn)入中滲和高滲管中的CO2相比單管組更多,大量的CO2溶解于油中,更能起到提高采出程度的作用,開井后從出口端被排出的氣減少,采出油量更多,瞬時(shí)氣油比普遍低于單管組。

2.2 多層非均質(zhì)性對(duì)驅(qū)油效率影響

將單管組和三管組最終采出程度進(jìn)行對(duì)比,如圖4所示。

圖4 單管組與三管組驅(qū)油效率對(duì)比

由圖4可見,自然衰竭采油階段,三管組與單管組采出程度差距較小,均在1.5%左右,說明衰竭階段采出程度隨滲透率升高而增大,開采主要依靠自身彈性能量,各組實(shí)驗(yàn)采出程度均處于較低水平,因此單管組和三管組驅(qū)替效率相差不多。CO2吞吐階段,三管組的中滲管和高滲管吞吐效率分別為6.58%和5.51%,較單管組吞吐效率提高了1.57%和2.14%,三管組的低滲管吞吐效率為1.52%,比單管組的吞吐效率下降了1.13%。說明由于并聯(lián)導(dǎo)致的儲(chǔ)層非均質(zhì)性增強(qiáng),使得氣體運(yùn)移變快,在相同時(shí)間內(nèi)滲透率較高的中滲管和高滲管能吸收更多的CO2,產(chǎn)生更長(zhǎng)的氣相段塞,并聯(lián)后吞吐產(chǎn)出更多的油,儲(chǔ)層非均質(zhì)性有利于提高采出程度。

單管組總體吞吐效率為12.1%,三管組總體吞吐效率為13.61%,同比上升1.5%,說明低滲孔道的影響起到了類似調(diào)剖的作用,讓更多的CO2進(jìn)入中滲管和高滲管中并溶解,使得另外兩管的吞吐效率比單管組吞吐效率更高,低滲組的存在一定程度上對(duì)提高中滲透組和高滲組的采出程度作出了貢獻(xiàn)。

2.3 多層非均質(zhì)性對(duì)埋存效率影響

由于本次實(shí)驗(yàn)主要使用巖心模型,故不考慮構(gòu)造埋存,認(rèn)為CO2封存主要是在地層水和剩余油中的溶解埋存［19-20］,埋存率如圖5所示。

圖5 單管組與三管組埋存率對(duì)比

由圖5可見,吞吐總體埋存率普遍偏低,單管實(shí)驗(yàn)中,中滲管埋存率最高,高滲管其次,低滲管最低,三管實(shí)驗(yàn)高低關(guān)系與單管實(shí)驗(yàn)相符,但低滲管和高滲管埋存率下降,而中滲管埋存率上升,三管組總體埋存率高于單管組總體埋存率。說明滲透率較低時(shí),氣體主要聚集在近井地帶,波及范圍小,較少的氣溶解在油和地層水中,埋存量較少,導(dǎo)致了埋存率偏低,三管實(shí)驗(yàn)中加強(qiáng)了非均質(zhì)性,導(dǎo)致氣體更多地進(jìn)入到滲透率較高的中滲管和高滲管中,低滲管中吞入的CO2量比單管實(shí)驗(yàn)中更少,埋存率隨之降低；隨著滲透率增加,更多的CO2溶解于油和水,埋存率逐漸提高,但滲透率過高會(huì)導(dǎo)致氣體較早突破,即使三管并聯(lián)中有更多的氣進(jìn)入高滲管,但開井后氣體仍被直接排出,而不是溶解于油和水,導(dǎo)致埋存率降低。因此,多層非均質(zhì)油藏CO2埋存存在一個(gè)最優(yōu)滲透率,層間非均質(zhì)性可以使油和水中溶解的CO2更多,埋存效率更高。

3 結(jié)論

（1）多層非均質(zhì)油藏CO2吞吐的吞吐效率存在一個(gè)最優(yōu)滲透率,過低的滲透率會(huì)降低注入氣波及面積,而過高的滲透率一方面會(huì)產(chǎn)生氣體超覆現(xiàn)象,另一方面容易形成更長(zhǎng)的氣相段塞,使返排時(shí)過早突破。

（2）強(qiáng)層間非均質(zhì)性有利于提高采出程度,多層非均質(zhì)油藏CO2吞吐的吞吐效率比單層CO2吞吐的總吞吐效率高1.5%,由于低滲孔道的存在讓更多的CO2進(jìn)入到中高滲孔道中,提高了高滲孔道的吞吐效率和總體吞吐效率。

（3）CO2吞吐的總體埋存率偏低,埋存效果同樣存在一個(gè)最優(yōu)滲透率。并聯(lián)后低滲管和高滲管埋存率下降,而中滲管埋存率上升,總體埋存率高于單管組。多層非均質(zhì)油藏的非均質(zhì)性越強(qiáng),埋存效率越高。