稠油油藏多輪次減氧空氣吞吐后復(fù)合注氣增油機(jī)理

郭小哲，趙健，高旺來，蒲雅男，李成格爾，高能

（1.中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京 102249；2.中國石油 吐哈油田分公司 勘探開發(fā)研究院，新疆 哈密 839000）

中—深層稠油油藏和海上普通稠油油藏一般采用注水開發(fā)，受儲(chǔ)集層非均質(zhì)性強(qiáng)及油水黏度比大的影響，中—后期含水率上升快，含水率高，采出程度低，水驅(qū)效果大幅降低[1-3]。為了降水增油，提高水驅(qū)稠油油藏的采出程度，注氣吞吐得到了大規(guī)模應(yīng)用，吐哈、大港、勝利、河南、渤海等油田進(jìn)行了不同氣體吞吐的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，并獲得了較好的增油效果[4-9]，對(duì)增油機(jī)理取得了一定程度的認(rèn)識(shí)。

前人通過PVT實(shí)驗(yàn)及填砂管驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，開展二氧化碳和原油體系高壓物性測(cè)定，認(rèn)為增油機(jī)制是二氧化碳溶脹降黏、驅(qū)油及抑制底水錐進(jìn)[10]；通過混溶實(shí)驗(yàn)和核磁共振實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行了減氧空氣吞吐研究，認(rèn)為形成泡沫油流分散降黏，同時(shí)封堵水流優(yōu)勢(shì)通道，擴(kuò)大波及體積為其提效機(jī)理[11]；通過一維填砂管實(shí)驗(yàn)和二維可視化實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為減氧空氣吞吐驅(qū)油機(jī)理是封堵高滲層或者高滲條帶，擴(kuò)大波及體積[12]；通過對(duì)吐玉克油田深層稠油進(jìn)行天然氣溶解與降黏室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為增油機(jī)理主要是原油中溶解天然氣而降黏[13]；根據(jù)注氣膨脹實(shí)驗(yàn)和注氣吞吐物理模擬實(shí)驗(yàn)，二氧化碳與稠油的作用效果要明顯好于減氧空氣，二氧化碳和減氧空氣復(fù)合吞吐可實(shí)現(xiàn)溶解、降黏和增能的協(xié)同效應(yīng)[14]。

在單一氣體吞吐增油機(jī)理研究基礎(chǔ)上，許多學(xué)者開展了不同氣體復(fù)合吞吐[15-19]和多輪次吞吐[20-23]研究，但多集中在二氧化碳、降黏劑、蒸汽等的復(fù)合吞吐，對(duì)減氧空氣、二氧化碳和天然氣復(fù)合吞吐的研究較少。復(fù)合吞吐的機(jī)理不夠明確，其研究也多在熱采或吞吐5輪次以內(nèi)，對(duì)5輪次之后的相關(guān)研究更少。

本文針對(duì)稠油油藏水驅(qū)后含水率增高、開采效率降低、后續(xù)減氧空氣吞吐增油周期變短及吞吐效果變差的問題，開展接續(xù)輪次的減氧空氣、二氧化碳和天然氣復(fù)合吞吐原油組分變化規(guī)律實(shí)驗(yàn)，一維吞吐10輪次增油實(shí)驗(yàn)和三維吞吐8 輪次增油實(shí)驗(yàn)相關(guān)研究，并結(jié)合一注一采正對(duì)井和反五點(diǎn)井網(wǎng)數(shù)值模擬，揭示不同氣體驅(qū)替的增油機(jī)理，提出多輪次后的復(fù)合吞吐優(yōu)化方案，為稠油油藏提產(chǎn)增效提供參考。

1 研究思路

當(dāng)深層稠油和海上稠油經(jīng)歷水驅(qū)后含水率過高時(shí)，進(jìn)入注氣吞吐階段。減氧空氣吞吐中氧氣含量較低，注入過程中氧氣基本消耗完畢，與儲(chǔ)集層液體的相互作用實(shí)質(zhì)上是氮?dú)猓虼?，本文不考慮減氧空氣吞吐中的氧化作用。

稠油油藏的注氣吞吐增油機(jī)理有堵水、降黏、置換、增能、萃取、混相（降低界面張力）等[10-12]，不同氣體吞吐的增油機(jī)理不同（表1）。

減氧空氣很難溶解在油和水中，注入時(shí)快速進(jìn)入水淹通道，返排時(shí)以堵水增油為主，置換作用為輔。天然氣本身為有機(jī)物，易溶于油，注入天然氣可大幅降低原油黏度，生產(chǎn)時(shí)如果控制在一定壓差范圍內(nèi)，可以與原油產(chǎn)生泡沫油，起到堵水作用；同時(shí)，天然氣還可以動(dòng)用原油的重質(zhì)組分。二氧化碳的作用介于減氧空氣和天然氣之間，可以降黏、堵水和置換，可以萃取殘余油中的輕質(zhì)組分。

3 種氣體在稠油吞吐過程中都有增能作用，堵水、降黏等的機(jī)理有差異，單獨(dú)應(yīng)用時(shí)也是多個(gè)增油作用的綜合效果，一般認(rèn)為天然氣優(yōu)于二氧化碳，二氧化碳優(yōu)于減氧空氣。

多輪次吞吐之后，往往存在氣體作用區(qū)域變化小、有效期變短、增油效果降低等現(xiàn)象。借助不同氣體的增油機(jī)理，改變注入氣體，則會(huì)提高生產(chǎn)效益。

因此，在水驅(qū)油藏達(dá)到較高含水率后，首先進(jìn)行10輪次吞吐的一維填砂人造巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，其中前5輪次應(yīng)用減氧空氣吞吐，之后進(jìn)行減氧空氣和二氧化碳復(fù)合吞吐，最后進(jìn)行天然氣和減氧空氣復(fù)合吞吐，由于天然氣和二氧化碳吞吐的混相降黏機(jī)理相似，再考慮更經(jīng)濟(jì)的減氧空氣作為首選，實(shí)驗(yàn)中沒有涉及這2種氣體的復(fù)合。在復(fù)合吞吐過程中，研究周期產(chǎn)油量的變化以及產(chǎn)出原油的組分變化，為研究機(jī)理奠定基礎(chǔ)。在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)值模擬，分別建立正對(duì)井和反五點(diǎn)井網(wǎng)的10 輪次吞吐模型，繼續(xù)評(píng)估復(fù)合吞吐的增油效果；然后在已有優(yōu)化方案基礎(chǔ)上，應(yīng)用三維物理模型模擬8 輪次，進(jìn)一步驗(yàn)證復(fù)合吞吐的效果；最后與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際井的生產(chǎn)進(jìn)行對(duì)比，總結(jié)不同氣體和不同氣體復(fù)合的增油機(jī)理。

2 10輪次吞吐一維實(shí)驗(yàn)

應(yīng)用一維填砂人造巖心進(jìn)行不同氣體10 輪次吞吐實(shí)驗(yàn)（表2），巖心滲透率為300 mD，原油黏度為300 mPa·s，填砂管長(zhǎng)度為30 cm，實(shí)驗(yàn)溫度為80 ℃。水驅(qū)至含水率達(dá)到70%之后進(jìn)行注氣吞吐實(shí)驗(yàn)，以注氣壓力達(dá)到30 MPa設(shè)計(jì)輪次注氣量。

表2 10輪次吞吐—維實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2.Results of one-dimensional experiment on 10 cycles of huff and puff

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：①在吞吐初期，氣體吞吐的效果隨著地層與氣體接觸的區(qū)域變大，周期產(chǎn)油量會(huì)有所上升，第3輪次后效果出現(xiàn)下降趨勢(shì)；②第6輪次下降速度較快，即使運(yùn)用了減氧空氣+二氧化碳的復(fù)合吞吐，也沒有抑制下降的趨勢(shì)；③第7 輪次的二氧化碳+減氧空氣的復(fù)合吞吐在第6 輪次基礎(chǔ)上增油明顯，其原因是二氧化碳進(jìn)入儲(chǔ)集層內(nèi)部與油水混合，發(fā)揮了降黏和堵水作用，減氧空氣在近井端由于賈敏效應(yīng)增加了水流阻力；④第8 輪次的減氧空氣+天然氣吞吐增油最為明顯，初步認(rèn)為其原因是天然氣對(duì)近井區(qū)域的重質(zhì)組分（瀝青質(zhì)和非烴）的溶解作用增強(qiáng)了油相的流動(dòng)性，該假設(shè)可通過后續(xù)組分變化規(guī)律進(jìn)行驗(yàn)證；⑤第9 輪次天然氣+減氧空氣吞吐的效果變差，第10 輪次單一天然氣的吞吐效果優(yōu)于第9 輪次的復(fù)合吞吐，說明天然氣的降黏和增能作用明顯。

3 10輪次吞吐原油組分變化

應(yīng)用吐哈盆地魯克沁油田原油樣品（地下原油黏度約300 mPa·s），在多輪次吞吐一維實(shí)驗(yàn)中，對(duì)產(chǎn)出原油進(jìn)行族組分分析，據(jù)此來判斷吞吐過程中是否存在注入氣對(duì)原油中輕質(zhì)組分的萃取，以及是否存在溶解瀝青質(zhì)或膠質(zhì)的情況（表3）。

表3 魯克沁油田原油樣品多輪次吞吐一維實(shí)驗(yàn)原油族組分分析結(jié)果Table 3.Results of analysis on group components of crude oil samples from Lukeqin oilfield in one-dimensional experiment on multi-cycles of huff and puff

原油族組分構(gòu)成對(duì)黏度的影響具以下規(guī)律：①飽和烴含量越高，黏度越低；②芳香烴含量越高，黏度越低，影響程度低于飽和烴；③非烴含量越高，黏度越大；④瀝青質(zhì)含量越高，黏度越大，影響程度大于非烴。

由以上規(guī)律，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析如下：①減氧空氣吞吐5 輪次后，產(chǎn)出原油的組分與初始原油組分差異不大，注入減氧空氣吞吐的作用機(jī)理是在地層中水淹區(qū)域由分散相小氣泡聚合成大氣泡或段塞流，通過孔隙喉道時(shí)產(chǎn)生賈敏效應(yīng)，增加水流阻力，擴(kuò)大水的波及體積[12]；②天然氣有利于瀝青質(zhì)的采出，第8—第10輪次中測(cè)試了天然氣的復(fù)合吞吐效果，采出的瀝青質(zhì)明顯增加，說明在之前吞吐中近井附近滯留了部分含瀝青質(zhì)較多的重質(zhì)原油，降低了原油的流動(dòng)性能，天然氣的溶解作用使該部分得以動(dòng)用，同時(shí)也起到了解堵作用，提高了增油效果，進(jìn)一步驗(yàn)證了初始的假設(shè)；③先注入減氧空氣再注入天然氣，對(duì)重質(zhì)組分的動(dòng)用程度最大，與最初原油的族組分對(duì)比，復(fù)合吞吐采出油樣中，對(duì)黏度影響較大的非烴和瀝青質(zhì)含量明顯上升（除第7 輪次外），上升幅度最大的是先注入減氧空氣再注入天然氣，減氧空氣深入地層起堵水作用，改善水驅(qū)流線，天然氣可溶解高黏物質(zhì)，增加原油流動(dòng)性；④二氧化碳+減氧空氣復(fù)合吞吐動(dòng)用剩余油效果好，第7 輪次中，吞吐時(shí)先注入二氧化碳，再注入減氧空氣，二氧化碳在儲(chǔ)集層內(nèi)部一方面更易溶于原油，降低油相黏度，另一方面氣水共存形成更好的堵水效果，在減氧空氣的協(xié)同作用下更好地驅(qū)替了剩余油，與其他方案相比，該方案對(duì)動(dòng)用重質(zhì)組分的作用是有限的，因此結(jié)果顯示為飽和烴含量增加。

4 10輪次吞吐數(shù)值模擬分析

為了進(jìn)一步評(píng)估多輪次吞吐的增油效果，應(yīng)用CMG（2015 版）數(shù)值模擬軟件分別建立了一注一采正對(duì)井模型和反五點(diǎn)井網(wǎng)模型。

4.1 一注一采正對(duì)井模型

構(gòu)建網(wǎng)格數(shù)為30×30×3的概念模型，網(wǎng)格步長(zhǎng)Dx=Dy=5 m，Dz=10 m；縱向上，中間層滲透率為300 mD，孔隙度為28%；上層和下層滲透率均為100 mD，孔隙度為25%。地下原油黏度為300.0 mPa·s，地下水黏度為0.5 mPa·s。

應(yīng)用一注一采正對(duì)井模型模擬采油井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)，當(dāng)采油井含水率達(dá)到70%時(shí)，開始注入減氧空氣。第1 輪次注氣速度為4.0×104m3/d，共注入10 d，悶井7 d，注氣和悶井過程中注水井處于關(guān)井狀態(tài)，此后每一輪次的注氣速度依次增加10%，至第10 輪次注氣速度達(dá)到7.6×104m3/d，模擬得到10 輪次生產(chǎn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。

隨著吞吐輪次增加，有效期和增油量遞減，這是客觀的趨勢(shì)，即使每輪次都增加了注氣量，但氣體的作用范圍是有限的，再加上多輪次對(duì)作用有效區(qū)域的掃洗，含油飽和度也會(huì)越來越低，減氧空氣在水道中封堵作用越來越弱。若以增油量250 t 為經(jīng)濟(jì)界限，則第6 輪次后的吞吐已經(jīng)沒有經(jīng)濟(jì)效益。因此，從第6 輪次開始分析不同氣體或者不同氣體復(fù)合的吞吐效果。

二氧化碳和減氧空氣復(fù)合吞吐的增油量對(duì)比如圖1 所示。先注入二氧化碳再注入減氧空氣的增油效果要好于先注入減氧空氣再注入二氧化碳，與一維實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)規(guī)律實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。而單純注入二氧化碳的增油效果則處于二者之間。

天然氣和減氧空氣復(fù)合吞吐的增油量對(duì)比如圖2所示。比較先注入天然氣后注入減氧空氣和先注入減氧空氣后注入天然氣這2 種方案可以看出，后注入天然氣的方案增油效果更好，增油可達(dá)49.51%，同時(shí)也與單管吞吐實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。這是由于天然氣能增加近井地帶的重質(zhì)組分采出，提高洗油效率。模擬中只注入單純天然氣的增油量最高，其原因是天然氣易溶于原油中，可大幅降低原油黏度，在稠油油藏中使用效果較好。

4.2 反五點(diǎn)井網(wǎng)模型

構(gòu)建網(wǎng)格數(shù)為30×30×3的反五點(diǎn)井網(wǎng)模型。模型有4口注水井和1口采油井（也是注氣井），Dx=Dy=5 m，Dz=10 m（儲(chǔ)集層厚度為30 m）；縱向上，中間層滲透率為300 mD，上層和下層均為100 mD。

注氣吞吐前水驅(qū)至含水率70%，然后進(jìn)行10 輪次注入減氧空氣吞吐，各輪次注氣量和悶井時(shí)間與正對(duì)井模型一致。隨著吞吐輪次的增加，增油量逐級(jí)減少。前3 輪次中增油量降低速度快，隨后輪次中降速趨緩。仍以增油量250 t為經(jīng)濟(jì)界限，第4輪次吞吐低于該界限。由此，反五點(diǎn)井網(wǎng)模型從第4 輪次開始探討不同氣體或不同氣體復(fù)合的吞吐效果（圖3）。

先注入二氧化碳再注入減氧空氣方案的增油效果，要好于先注入減氧空氣再注入二氧化碳方案；由于天然氣能增大近井地帶重質(zhì)組分的流動(dòng)性，所以注入天然氣方案都比注入二氧化碳方案的增油效果好，其中，先注入減氧空氣再注入天然氣方案的增油效果最好。

5 8輪次吞吐三維實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證以上一維物理模擬和數(shù)值模擬結(jié)果，建立0.55 m×0.45 m×0.10 m三維物理模型，儲(chǔ)集層分3 層填砂，中間層滲透率約300 mD，上層和下層滲透率約100 mD。采用反五點(diǎn)井網(wǎng)注水，模型4個(gè)角設(shè)置注水井，中心設(shè)置采油井（也是注氣井）。

模型首先飽和水，試壓不滲漏后，測(cè)量飽和水體積，計(jì)算模型孔隙體積；然后進(jìn)行油驅(qū)水，計(jì)算含油飽和度；再進(jìn)行水驅(qū)油，含水率達(dá)到70%之后，進(jìn)行多輪次不同氣體的吞吐，注氣以壓力達(dá)到30 MPa為限。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4 所示，水驅(qū)采出程度17.10%后開始注氣吞吐，周期采出程度均在1.00%以上，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際注氣吞吐具有明顯效果的井基本一致。

表4 三維物理模型不同輪次結(jié)果Table 4.Results of experiments on different cycles of huff and puff in a 3D physical model

由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到結(jié)論如下：①只用減氧空氣吞吐，第3輪次吞吐效果明顯下降；②由第5輪次和第6 輪次可知，二氧化碳和減氧空氣復(fù)合吞吐增油效果明顯，而且輪次效果保持較好，可以多輪次應(yīng)用；③第7輪次中減氧空氣+天然氣增油效果與第3輪次持平，但第8 輪次增油明顯下降，分析原因是模型較小，近井區(qū)域的含油飽和度較低，利用溶解近井原油重質(zhì)組分增加油的流動(dòng)性這一機(jī)理比較難發(fā)揮作用，實(shí)際油藏儲(chǔ)集層較厚，平面和縱向非均質(zhì)性強(qiáng)，比實(shí)驗(yàn)效果會(huì)好，建議吞吐不超過3輪次。

6 增油機(jī)理

由以上實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，總結(jié)不同氣體和不同氣體復(fù)合進(jìn)行稠油多輪次吞吐的增油機(jī)理如下。

（1）減氧空氣不易溶于水和油，注入時(shí)，以分散相小氣泡離散在水流通道中；生產(chǎn)時(shí)，小氣泡聚集成大氣泡或氣體段塞，隨水相流過喉道時(shí)增加阻力，對(duì)水流形成封堵，迫使水轉(zhuǎn)向油富集區(qū)，提高波及體積。在非水淹區(qū)的氣體主要以置換難以流動(dòng)的原油為主。其增油機(jī)理主要是封堵水流通道+置換，其提高采收率模式主要表現(xiàn)為驅(qū)油。

（2）二氧化碳注入時(shí)為液相，進(jìn)入儲(chǔ)集層后增加了膨脹能，易溶于油。在水淹區(qū)一方面降低殘余油黏度和萃取原油輕質(zhì)組分，另一方面和減氧空氣作用相似，游離態(tài)的氣體在水流通道上易發(fā)生賈敏效應(yīng)，增加水流阻力，擴(kuò)大波及體積。在非水淹區(qū)，二氧化碳溶于原油，降低原油黏度，增加原油流動(dòng)性。其增油機(jī)理主要為封堵水流通道+降黏+萃取+增能，其提高采收率模式以驅(qū)油為主，洗油為輔。

（3）天然氣易溶于油，增加原油彈性能，降低原油黏度，可有效動(dòng)用稠油中的重質(zhì)組分。水驅(qū)、減氧空氣或者二氧化碳吞吐后，近井區(qū)域積聚了較多的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)，降低了油相流動(dòng)能力，也堵塞了流動(dòng)通道。天然氣吞吐可降低膠質(zhì)和瀝青質(zhì)的黏度，提高其流動(dòng)性，疏解近井地帶的流動(dòng)通道，彌補(bǔ)了二氧化碳（降黏和萃取輕質(zhì)組分）的不足。其增油機(jī)理主要為降黏+解堵+增能，其提高采收率模式表現(xiàn)為洗油。

（4）二氧化碳+減氧空氣復(fù)合吞吐可充分地發(fā)揮驅(qū)油作用。先注入的二氧化碳在水淹區(qū)域溶解于油中，發(fā)揮深部洗油作用；返排時(shí)形成近似泡沫油，增加水流阻力，實(shí)現(xiàn)深部調(diào)剖。加上減氧空氣的協(xié)同堵水作用，二氧化碳進(jìn)入非水淹區(qū)，發(fā)揮驅(qū)油作用，該復(fù)合吞吐具有深部洗油和雙重驅(qū)油的作用。

（5）減氧空氣+天然氣復(fù)合吞吐有利于瀝青質(zhì)的采出。先注入的減氧空氣深入地層，起堵水作用，改善水驅(qū)流線，天然氣溶解近井高黏物質(zhì)，增加原油流動(dòng)性，解除近井地帶流動(dòng)通道的堵塞，復(fù)合吞吐增強(qiáng)了近井洗油解堵和深部驅(qū)油的協(xié)調(diào)作用。

7 現(xiàn)場(chǎng)效果

7.1 二氧化碳+減氧空氣復(fù)合吞吐

現(xiàn)場(chǎng)有多口井進(jìn)行該復(fù)合吞吐改善了開采效果，特別是玉東2-23 井和玉東2-16 井，前者采用的是減氧空氣+二氧化碳+減氧空氣段塞形式，后者采用的是先注入減氧空氣和二氧化碳的混合氣體，再注入減氧空氣，2 口井的復(fù)合與先注入二氧化碳后注入減氧空氣本質(zhì)是一樣。措施結(jié)果是平均單井增油量5.2 t/d，對(duì)比前一輪次減氧空氣吞吐平均增油2.8 t/d，含水率對(duì)比前一輪次平均下降14%，復(fù)合吞吐取得了一定效果，2口井都是第7輪次采用的復(fù)合吞吐，累計(jì)產(chǎn)油量分別增加了689 t和218 t。

7.2 減氧空氣+天然氣復(fù)合吞吐

現(xiàn)場(chǎng)采用的是減氧空氣吞吐后改注天然氣，其中玉東204-121 井在減氧空氣吞吐中實(shí)現(xiàn)單輪次增油440 t，改為天然氣吞吐后，2 個(gè)輪次都保持高達(dá)600 t的增油量。玉東204-230 井在減氧空氣吞吐中僅有40 t 的增油量，改注天然氣后，實(shí)現(xiàn)了2 個(gè)輪次600 t的增油量。以上2 口井的吞吐實(shí)踐間接驗(yàn)證了先注減氧空氣再注天然氣的增油效果。

8 結(jié)論

（1）減氧空氣吞吐經(jīng)過多個(gè)輪次后，堵水驅(qū)油效果下降，可以通過引入雙重驅(qū)油、洗油或者解堵等機(jī)理，注不同氣體及不同氣體復(fù)合提高增油效果。

（2）天然氣吞吐的洗油效果好，而先注入減氧空氣再注入天然氣復(fù)合吞吐中，在多輪次中對(duì)近井帶的解堵作用有限，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用推薦單一天然氣吞吐。

（3）二氧化碳兼具堵水驅(qū)油和降黏洗油的雙重作用，與減氧空氣復(fù)合吞吐更為可靠，推薦為多輪次減氧空氣吞吐后進(jìn)一步增油提效的首選方案。