低滲透裂縫性油藏CO2驅(qū)氣竄形成機(jī)理及防治技術(shù)研究*

王石頭，馬國偉，郎慶利，楊棠英

(1. 中國石油長慶油田分公司油氣工藝研究院，陜西西安 710018；2. 中國石油長慶油田分公司第三采油廠，寧夏銀川 750000；3. 低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710018)

黃3長8油藏儲(chǔ)層位于黃3三疊系油藏西北部， 非均質(zhì)性強(qiáng)，已進(jìn)入中含水開發(fā)期。由于注水壓力高，不能達(dá)標(biāo)的配注井逐年增多，導(dǎo)致地層壓力保持水平較低(壓力保持水平72.4%)。油藏西北部微裂縫較為發(fā)育，裂縫型見水井較多，因裂縫影響見水導(dǎo)致日損失產(chǎn)能18.5 t。為了建立有效驅(qū)替系統(tǒng)，保持地層壓力，進(jìn)一步提高采收率，2017年7月進(jìn)行注CO2驅(qū)先導(dǎo)試驗(yàn)，整體效果較好，但部分井見氣，氣竄現(xiàn)象嚴(yán)重，降低了CO2驅(qū)替效果[1-6]。

黃3區(qū)油藏儲(chǔ)層裂縫發(fā)育，存在流體優(yōu)勢通道，優(yōu)勢通道的存在會(huì)使CO2過早發(fā)生指進(jìn)與氣竄，使采出液氣油比急劇上升，CO2波及體積下降，采收率降低。因此，為了改善CO2驅(qū)油效果，提高CO2波及效率，針對(duì)黃3區(qū)油藏長8低滲透儲(chǔ)層，通過對(duì)地質(zhì)裂縫特征分析，建立油藏?cái)?shù)值模擬模型，開展歷史擬合研究與動(dòng)態(tài)分析結(jié)合識(shí)別并確定典型區(qū)塊的優(yōu)勢通道分布，此外，通過室內(nèi)試驗(yàn)分析調(diào)驅(qū)劑對(duì)區(qū)塊氣竄防治效果的影響，開發(fā)一套在線氣竄防治系統(tǒng)，優(yōu)化調(diào)驅(qū)劑注入?yún)?shù)并提高CO2驅(qū)波及效率。

1 油藏優(yōu)勢通道模擬及確定

在三維地質(zhì)模型基礎(chǔ)上，結(jié)合油藏流體物性，建立了代表黃3區(qū)CO2試驗(yàn)區(qū)油藏地質(zhì)特征、滲流特征及開發(fā)動(dòng)態(tài)的數(shù)模模型。試驗(yàn)區(qū)網(wǎng)格系統(tǒng)為40×46×30，網(wǎng)格平面步長為50 m×50 m，總的網(wǎng)格數(shù)為55 200。結(jié)合生產(chǎn)動(dòng)態(tài)分析的方式與油藏?cái)?shù)值模擬模型，識(shí)別和確定儲(chǔ)層優(yōu)勢通道分布[7-9]。

采用電容模型[10]，計(jì)算連通體積和注采關(guān)聯(lián)系數(shù)，明確調(diào)整方向，其假設(shè)條件為均質(zhì)無限大地層。

2 試驗(yàn)部分

為明確納米凝膠顆粒調(diào)驅(qū)劑的封竄機(jī)理與封竄效果，通過室內(nèi)試驗(yàn)采用物理模擬方法確定凝膠顆粒運(yùn)移規(guī)律[11-12]。

2.1 主要試驗(yàn)材料及設(shè)備

主要試驗(yàn)材料：人工巖心若干[滲透率(0.1～50)×10-3μm2)]；地層水；納米凝膠顆粒；主要試驗(yàn)設(shè)備包括ISCO恒速泵、巖心夾持器、滲透率測試儀等。

2.2 試驗(yàn)方法

1)顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)優(yōu)選試驗(yàn)。設(shè)計(jì)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米凝膠顆粒對(duì)巖心進(jìn)行水驅(qū)試驗(yàn)，測量驅(qū)替一段時(shí)間后不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米凝膠顆粒對(duì)巖心滲透率的影響。首先將人造巖心充分飽和試驗(yàn)用模擬地層水，飽和48 h后，再以恒定流量0.05 mL/min進(jìn)行驅(qū)替飽和，當(dāng)出液端出液量達(dá)到孔隙體積數(shù)(PV數(shù))2～3后停止，液測巖心滲透率；然后以質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%，0.2%，0.3%，0.4%的凝膠顆粒試樣，開展試樣驅(qū)替流動(dòng)試驗(yàn)，結(jié)束后液測滲透率。

2)滲透率影響程度試驗(yàn)。將人造巖心充分飽和試驗(yàn)用模擬地層水，飽和48 h后，再以恒定流量0.05mL/min進(jìn)行驅(qū)替飽和，當(dāng)出液端出液量達(dá)到PV數(shù)2～3后停止，液測巖心滲透率；采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%的凝膠顆粒試樣，在不同滲透率0.5×10-3，2×10-3，10×10-3，30×10-3μm2，不同注入PV數(shù)(0.5，1，2，3)條件下，進(jìn)行凝膠顆粒體系試樣驅(qū)替流動(dòng)試驗(yàn)，測試滲透率。

3)流體分流試驗(yàn)。設(shè)計(jì)8組不同滲透率級(jí)差的巖心進(jìn)行并聯(lián)水驅(qū)試驗(yàn)，測量恒壓驅(qū)替一段時(shí)間后觀察滲透率級(jí)差對(duì)巖心驅(qū)替流量分流的影響。試驗(yàn)過程中將人造巖心充分飽和試驗(yàn)用模擬地層水，飽和48 h后，設(shè)計(jì)不同滲透率級(jí)差巖心并聯(lián)，再以恒定壓力進(jìn)行驅(qū)替，當(dāng)出液端出液量達(dá)到可對(duì)比計(jì)量后停止，統(tǒng)計(jì)2個(gè)巖心出液量。

4)凝膠顆粒分流試驗(yàn)。將不同滲透率級(jí)差人造巖心并聯(lián)，再以恒定壓力進(jìn)行驅(qū)替凝膠顆粒溶液，當(dāng)出液端出液量達(dá)到可對(duì)比計(jì)量后停止，統(tǒng)計(jì)2個(gè)巖心出液量，并測量驅(qū)替后巖心滲透率。

5)響應(yīng)面方案設(shè)計(jì)試驗(yàn)。以提高試驗(yàn)區(qū)波及效率與采收率為目標(biāo)，改變不同的注入?yún)?shù)，設(shè)計(jì)不同段塞總數(shù)、不同段塞用量逐段降低倍數(shù)、不同注入速率、不同注入時(shí)機(jī)等參數(shù)，模擬計(jì)算對(duì)比試驗(yàn)區(qū)最終采收率。

2.3 調(diào)驅(qū)劑注入?yún)?shù)優(yōu)化

在利用原氣驅(qū)模型的基礎(chǔ)上，加入固相模塊與滲透率時(shí)變模塊，模擬調(diào)驅(qū)劑在儲(chǔ)層中的吸附與運(yùn)移[13-14]。

3 結(jié)果與討論

3.1 油藏優(yōu)勢通道識(shí)別

根據(jù)前期水驅(qū)過程中生產(chǎn)井見水時(shí)間識(shí)別試驗(yàn)區(qū)優(yōu)勢通道，優(yōu)勢通道見圖1。

由圖1可見：在模型中設(shè)置優(yōu)勢通道擬合含水。優(yōu)勢通道同儲(chǔ)層裂縫方向認(rèn)識(shí)一致，裂縫主要方向?yàn)橛诒睎|方向與東向之間，次要方向?yàn)槲鞅毕颉?/p>

圖1 優(yōu)勢通道示意

建立試驗(yàn)區(qū)數(shù)模模型，對(duì)試驗(yàn)區(qū)生產(chǎn)井進(jìn)行歷史擬合研究，得到試驗(yàn)區(qū)優(yōu)勢通道分布。

由圖2可見：通過建立的數(shù)值模擬模型對(duì)歷史數(shù)據(jù)擬合得到試驗(yàn)區(qū)滲透率分布，擬合得到的優(yōu)勢通道與前期地質(zhì)認(rèn)識(shí)一致。

圖2 試驗(yàn)區(qū)模型滲透率分布

黃3試驗(yàn)區(qū)采用了井間示蹤劑監(jiān)測方案，監(jiān)測到第5天、第15天示蹤劑分布結(jié)果，結(jié)果顯示示蹤劑滲流前緣及井間滲流推進(jìn)速率差異較大，滲流優(yōu)勢通道影響明顯，結(jié)合示蹤劑分析結(jié)果，修正試驗(yàn)區(qū)高滲通道[15-16]。

通過建立的電容模型，計(jì)算出注采井之間的連通系數(shù)，試驗(yàn)區(qū)高滲通道分布見圖3。

圖3 黃3區(qū)注采連通關(guān)系

通過電容模型計(jì)算出每個(gè)注采井之間連通系數(shù)。連通系數(shù)越大表明連通性越強(qiáng)。

表1 黃3區(qū)注采連通系數(shù)

3.2 調(diào)驅(qū)劑影響規(guī)律試驗(yàn)

3.2.1 顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)優(yōu)選

黃3區(qū)長8油藏儲(chǔ)層平均滲透率為0.47×10-3μm2，地層中的微裂縫與高滲條帶在注水注氣過程中會(huì)形成優(yōu)勢通道，為了防止注氣過程中氣竄，導(dǎo)致波及效果變差，在注氣過程中注入一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米凝膠顆粒，封堵裂縫與優(yōu)勢通道，增加波及體積。在注氣過程中注入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米凝膠顆粒的封堵效果見表2。

表2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米凝膠顆粒的封堵效果

由表2可見：凝膠顆粒的封堵效率與其質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)性。即隨著凝膠顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，封堵效果逐步提高；當(dāng)凝膠顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至一定程度，封堵效率的提高速率減緩，從封堵效果與經(jīng)濟(jì)效益方面考慮，納米凝膠顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)優(yōu)選為0.2%。

3.2.2 滲透率影響程度分析

為了考察采用凝膠顆粒時(shí)，不同滲透率及注入量對(duì)滲透率的影響，試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 不同滲透率及驅(qū)替倍數(shù)對(duì)封堵率的影響

由圖4可見：凝膠顆粒的封堵效率與注入量呈正相關(guān)性，即注入量增大，凝膠顆粒體系調(diào)驅(qū)劑的封堵效果逐步提升；與滲透率呈負(fù)相關(guān)性，滲透率越低，凝膠顆粒體系調(diào)驅(qū)劑的封堵效果越好。

3.2.3 流體分流分析

在實(shí)際地層中的微裂縫與高滲條帶在注水注氣過程中會(huì)形成優(yōu)勢通道，優(yōu)勢通道與低滲儲(chǔ)層滲透率級(jí)差很大，研究不同級(jí)差滲透率對(duì)注水注氣分流的影響，可為防治氣竄提供理論依據(jù)。不同滲透率級(jí)差分流效果見表3。

表3 不同滲透率級(jí)差分流效果

由表3可見：當(dāng)透率級(jí)差大于100倍時(shí)，高滲巖心分流率高達(dá)96.0%；滲透率級(jí)差降至24.7時(shí)，高滲巖心分流率為82.8%；滲透率級(jí)差繼續(xù)降至7.8時(shí)，高滲巖心的分流率降至61.6%；滲透率級(jí)差降至2.1時(shí)，高滲巖心的分流率降至52.2%，表明滲透率級(jí)差大于10倍以上，高滲巖心流量的分流現(xiàn)象較顯著，而隨著級(jí)差作用的減小，高滲和低滲巖心在同一個(gè)驅(qū)替壓力下更接近平行狀態(tài)的等流量流動(dòng)。

3.2.4 凝膠顆粒分流分析

調(diào)驅(qū)后不同滲透率級(jí)差分流效果見表4。

表4 調(diào)驅(qū)后不同滲透率級(jí)差分流效果表

由表4可見：凝膠溶液驅(qū)原始滲透率級(jí)差為13.8，高滲巖心的分流率為69.4%，結(jié)合表3中水驅(qū)滲透率級(jí)差為12.7時(shí)，高滲巖心的分流率為85.2%的試驗(yàn)結(jié)果，凝膠溶液驅(qū)與水驅(qū)比較發(fā)現(xiàn)，水驅(qū)試驗(yàn)第4組與凝膠驅(qū)試驗(yàn)第3組滲透率級(jí)差接近，凝膠溶液驅(qū)后分流率有很大改善。同時(shí)驅(qū)替后巖心滲透率變低，并聯(lián)巖心滲透率級(jí)差變小，表明凝膠顆粒封堵效果好，驅(qū)替效率提高。

3.3 調(diào)驅(qū)劑注入?yún)?shù)優(yōu)化

根據(jù)單井參數(shù)設(shè)計(jì)的注入段塞用量結(jié)果見表5。

表5 不同井注入段塞用量

由表5可見：在擬合好模型的基礎(chǔ)上，考慮調(diào)驅(qū)劑吸附與滲透率時(shí)變，開展調(diào)驅(qū)注入?yún)?shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高波及體積增加值為目標(biāo)，優(yōu)化最佳注入?yún)?shù)和注入方式。

3.3.1 水驅(qū)含水率

設(shè)計(jì)模型基礎(chǔ)注入?yún)?shù)，在計(jì)算單井注入量基礎(chǔ)上，調(diào)驅(qū)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%，注入速率20 m3/d，分別在水驅(qū)含水率高于75%，80%，85%，90%，95%時(shí)注入，通過測定停注調(diào)驅(qū)劑半年后的二氧化碳波及體積對(duì)調(diào)驅(qū)效果進(jìn)行對(duì)比。

由圖5可見：不同水驅(qū)含水率對(duì)改善波及體積效果影響不大。

圖5 不同水驅(qū)含水率對(duì)調(diào)驅(qū)效果的影響

建立機(jī)理模型，考察水驅(qū)含水率對(duì)最終采收率的影響，結(jié)果見圖6。

圖6 不同水驅(qū)含水率注入時(shí)機(jī)調(diào)驅(qū)效果

由圖6可見：調(diào)驅(qū)劑注入時(shí)機(jī)對(duì)最終采收率有較大影響，水驅(qū)含水率越低時(shí)注入對(duì)提高采收率效果越好。

3.3.2 注入速率

設(shè)計(jì)模型基礎(chǔ)注入?yún)?shù)，根據(jù)計(jì)算單井注入量，在調(diào)驅(qū)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%，注入速率10，15，20，25，30 m3/d的條件下，對(duì)比調(diào)驅(qū)效果，結(jié)果見圖7。

由圖7可見：注入速率越快，改善波及體積越小。注入速率超過30 m3/d時(shí)，調(diào)驅(qū)效果變差。

圖7 不同注入速率對(duì)調(diào)驅(qū)效果的影響

3.3.3 調(diào)驅(qū)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)

設(shè)計(jì)模型基礎(chǔ)注入?yún)?shù)，根據(jù)單井注入量，在注入速率20 m3/d，調(diào)驅(qū)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%，0.15%，0.2%，0.25%，0.3%，0.35%，0.4%的條件下，對(duì)比調(diào)驅(qū)效果，結(jié)果見圖8。

圖8 不同調(diào)驅(qū)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)調(diào)驅(qū)效果的影響

由圖8可見：當(dāng)調(diào)驅(qū)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.2%時(shí)，調(diào)驅(qū)效果明顯變好，當(dāng)調(diào)驅(qū)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.2%后，調(diào)驅(qū)效果增幅不大，調(diào)驅(qū)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)優(yōu)選0.2%～0.3%。

采用響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，計(jì)算段塞總數(shù)S(1～6個(gè))，段塞用量逐段降低倍數(shù)R(0～0.5)、注入速率V(10～30 m3/d)、注入時(shí)機(jī)(0～3 a)，計(jì)算波及體積增加量/增油量[17-18]，結(jié)果顯示：注入時(shí)機(jī)越早越好；分4段塞注入；段塞用量逐段降低50%；注入速率15～20 m3/d，優(yōu)勢通道多的可適當(dāng)提高注入速率。

4 結(jié)論

1)通過歷史擬合、電容法、示蹤劑驗(yàn)證多手段驗(yàn)證優(yōu)勢通道，優(yōu)勢通道同儲(chǔ)層裂縫方向認(rèn)識(shí)一致，主要為北東東方向。

2)通過室內(nèi)試驗(yàn)得到注入納米凝膠顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%時(shí)，封堵效率與經(jīng)濟(jì)性最好；注入量越大，滲透率越小，凝膠顆粒體系調(diào)驅(qū)劑的封堵效果越好；此外，納米凝膠顆粒溶液驅(qū)替后巖心滲透率變低，并聯(lián)巖心滲透率級(jí)差變小，封堵效果好，驅(qū)替效率提高。

3)根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)規(guī)律進(jìn)行吸附模型與滲透率時(shí)變模型模擬，建立全周期氣竄防治模擬系統(tǒng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)調(diào)驅(qū)劑注入時(shí)機(jī)越早越好，分4段塞注入，段塞用量逐段降低50%，注入速率15～20 m3/d。