近混相狀態(tài)下油/水/烴氣三相流的相對滲透率研究

賀月祥， 張 可， 孔德彬*， 張 宇， 李 傲

(1.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院， 北京 100083； 2.中國石油勘探開發(fā)研究院 提高采收率國家重點實驗室， 北京 100083； 3.中國石油大學(xué)(北京) 化學(xué)工程與環(huán)境學(xué)院， 北京 102200)

0 引言

注氣提高采收率技術(shù)是指自地面向油層中注入氣體驅(qū)油從而增加原油產(chǎn)量的油田開發(fā)技術(shù)[1,2].按驅(qū)油機理分為混相驅(qū)、近混相驅(qū)和非混相驅(qū)；按驅(qū)油氣介質(zhì)分為烴類氣驅(qū)和非烴類氣驅(qū)，其中烴類氣驅(qū)主要包括注液化石油氣驅(qū)、富氣驅(qū)、貧氣驅(qū).

祝浪濤等[3]研究了不同氣體(N2、CH4、CO2和煙道氣)對注入烴氣混相驅(qū)油效果影響，其研究結(jié)果表明：N2、CH4和煙道氣能夠不同程度地增大原油的烴氣驅(qū)最低混相壓力.Hu等[4]提出了烴類氣驅(qū)候選儲層綜合評價新方法，在大量文獻研究的基礎(chǔ)上，篩選出了11個影響烴類氣體注入開發(fā)的因素.這11個因素構(gòu)成了油氣驅(qū)候選油藏的適宜性評價指標，采用模糊統(tǒng)計法、層次分析法和專家評估法得出各評價指標的權(quán)重值.He等[5]根據(jù)實驗數(shù)據(jù)提出了一種采氣回注最低混相壓力預(yù)測經(jīng)驗公式.

董云鵬等[6]研究了水濕性巖心和油濕性巖心不同飽和歷程(IDD、DDI)下油氣水三相相對滲透率變化規(guī)律.結(jié)果表明：在水濕巖心中，水相滲透率是自身含水飽和度的函數(shù);在油濕巖心中，油、氣、水三相的等滲線都是凸向100%自身飽和度頂點的曲線，飽和歷程的差異對油、氣、水三相等滲線有不同程度的影響.田巍等[7]揭示致密砂巖儲層中的油氣水三相滲流規(guī)律，其研究結(jié)果表明：致密砂巖三相共滲區(qū)域范圍相對較窄，各相的相滲值都較低；油、氣兩相的相對滲透率與油、氣、水三相的飽和度均相關(guān)，而水相相對滲透率只與其自身飽和度相關(guān).Huang J等[8]通過封閉的汽液平衡(VLE)中得到的毛細管壓力加上Young-Laplace方程來計算的混合濕相頁巖油藏三相滲流，研究結(jié)果表明：由于有機基質(zhì)的滲透率相對較低，在油濕條件下油的流動性較差，因此有機基質(zhì)中的富含烴類很難被生產(chǎn).Moghadasi L等[9]對石英砂巖巖心進行了穩(wěn)態(tài)兩相油/水和油/氣實驗及穩(wěn)態(tài)三相實驗，通過X射線吸收法測量水相、油相和氣相飽和度.實驗結(jié)果表明：根據(jù)典型的誤差平方和標準進行評估Baker模型充分解釋了整組實驗數(shù)據(jù).

目前常見的幾種經(jīng)驗公式能夠有效預(yù)測油氣水三相流中油相滲透率Kro.油相滲透率預(yù)測模型分為兩類，包括油水及油氣兩相流中油相滲透率變化規(guī)律預(yù)測三相流中油相滲透率或油氣水三相流體的飽和度值預(yù)測油相滲透率.常用兩相滲透率變化規(guī)律預(yù)測三相流中油相滲透率預(yù)測模型為StoneⅠ模型[10]，常見的油氣水三相飽和度預(yù)測三相流中油相滲透率模型為Corey模型[11].

油田采出氣驅(qū)效果顯著，但并非所有油藏都適用[12,13].油田采出氣驅(qū)造成采收率低的潛在原因可能是高滲透率導(dǎo)致嚴重的氣體突破和高溫降低油田采出氣在原油中的溶解度.當基質(zhì)滲透率過低時，油田采出氣很難注入地層[14,15].針對上述問題，文中研究了油田采出氣回注后混相狀態(tài)及三相流中相對滲透率變化規(guī)律，并為高含水油藏采出氣回注技術(shù)提供了新的見解和理論基礎(chǔ).

1 實驗條件及方案

1.1 實驗材料

該油藏地面脫氣原油，采用Agilent7890A油相色譜儀，對脫水過濾后的原油進行組分測定，烴氣組分采用Agilent6890A氣相色譜儀分析，組分結(jié)果見圖1所示.實驗測得原油密度為0.808 9 g/cm3，平均分子量為211.98.地層條件下測得油樣粘度為2.4 mPa·s.

圖1 油氣組分類型及數(shù)據(jù)

三相滲透率測試使用儲層巖心為粉砂巖—中砂巖.使用PDP-200孔滲測試儀測定巖心樣品的孔隙度、滲透率.巖心稱干重，抽真空飽和地層水，然后稱濕重，使用稱重法確定各巖心的孔隙體積和孔隙度.巖心烘干，利用烴氣驅(qū)替測量滲透率.實驗所用巖心孔隙度、滲透率見表1所示.

表1 天然巖心數(shù)據(jù)

三相相對滲透率實驗測試過程中使用復(fù)配地層水，有效克服水敏效應(yīng)對實驗結(jié)果的影響，地層水密度為1.128 3 g/cm3，PH值為6.4，礦化度為196 233 mg/L.地層水型為CaCl2型，地層水具體離子含量見表2所示.

表2 實驗用地層水離子含量

1.2 實驗設(shè)備

實驗使用設(shè)備：1.美國產(chǎn)CFS-100多功能綜合驅(qū)替系統(tǒng)1臺(150 ℃恒溫箱、長度120 cm高溫高壓巖心夾持器一個)；2.中間容器；3.精密壓力表、數(shù)值壓力表；4.恒速恒壓泵3個；5.油氣水計量器；6、電阻率記錄儀器；7.細管一根.具體實驗流程如圖2所示.

圖2 實驗流程圖

1.3 實驗方法

1.3.1 細管實驗

按照圖2實驗流程圖連接實驗設(shè)備，將巖心換成細管.細管長度為15.4 m，內(nèi)徑4.5 mm，測量其孔隙度為39.30%，驅(qū)替系統(tǒng)總體積為99.51 cm3.具體實驗流程如下：

(1)使用石油醚以0.5 mL/min流速清洗細管，注入3 PV石油醚，細管出口石油醚澄清停止.調(diào)節(jié)回壓達到實驗所需壓力.

(2)以0.2 mL/min的流速給細管飽和油樣，泵入1.5 PV油樣后，測量出口端氣油比當和原始樣品一致時，轉(zhuǎn)注氣測量采收率.

(3)恒溫49 ℃，流速度0.2 mL/min，分別在18 MPa、20 MPa、22 MPa、24 MPa、26 MPa、28 MPa壓力條件下進行烴氣驅(qū)，計算在各個壓力條件下的階段采收率，分析得到最小混相壓力.

1.3.2 三相滲透率測試

本次實驗使用天然巖心1～6號(見表1)串聯(lián)而成.1號和6號巖心為試驗段巖心的末端段巖心，該方法能夠有效的消除末端效應(yīng).實驗過程中，巖心飽和歷程為“W—O—G”，待油氣水流速穩(wěn)定后，再記錄壓差及油氣水流量，利用達西公式計算滲透率.具體操練流程如下：

(1)巖心稱干重，抽真空飽和地層水，然后稱濕重，使用稱重法確定各巖心的孔隙體積和孔隙度.

(2)按照圖2連接儀器，將實驗流體放入恒溫箱，在49 ℃下恒溫4 h；將飽和地層水的巖樣裝入巖心夾持器，用模擬油以0.1 mL/min的排量驅(qū)替巖心中的水，累計驅(qū)油量3 PV，巖心末端不出水后停止驅(qū)替，記錄累積排出水量V，計算束縛水飽和度Swc.

(3)在實驗溫度49 ℃，壓力18 MPa條件下，用模擬油以0.1 mL/min的速度驅(qū)替巖心，穩(wěn)定后，記錄巖心上下游壓力P1、P2，測量出口端流量，計算束縛水狀態(tài)下油的有效滲透率.

(4)以恒定壓力P1進行烴氣驅(qū)替，驅(qū)替1.2 PV直至出口端不再出油，達到殘余油狀態(tài).通過氣體流量計記錄氣體流量，計算氣相的有效滲透率，取出巖心稱濕重，計算此時的含油飽和度Sorg.

(5)以恒定壓力P1，用烴氣驅(qū)替巖心，穩(wěn)定后，油水按一定流速比例注入巖樣，建立巖心內(nèi)部三相滲流(為了防止初期氣竄，先關(guān)閉六通閥上的開關(guān)，等兩相驅(qū)替壓力升至P1后，再打開開關(guān))，出口端油水流速穩(wěn)定后，計算油、氣、水相有效滲透率；用電阻率儀測定巖心的含水飽和度Sw，將試驗段的巖心從巖心夾持中卸下來，稱重記為Gt.由電阻率儀測出含有油、氣、水巖心的電壓值，根據(jù)電壓值求得巖心含水重量Gw.

(6)以恒定壓力P1，用烴氣驅(qū)替巖心，改變油水流速的比例，重復(fù)步驟(1)～(5)，即可測得不同飽和度下的油、氣、水相有效滲透率.

1.3.3 飽和度計算方法

實驗過程中，巖心中含水飽和度利用電阻率計算[6]，含油飽和度采取稱重法求解，具體計算方法如下:

Gow=Gt-Gd

(1)

Go=Gow-Gw

(2)

式(1)～(2)中：Gt為干巖心與液體重量之和，g；Gd為干巖心重量，g；Gow為巖心中液體的總重量，g；Gw為巖心中水的重量，g；Go為巖心中油的重量，g.

(3)

(4)

Sg=100-So-Sw

(5)

式(3)～(5)中：So為油相飽和度，%；Sw為水相飽和度，%；Sg為氣相飽和度，%；γo為油相密度，g/cm3；γw為水相密度，g/cm3；Vp為巖心孔隙體積，mL.

2 結(jié)果與討論

2.1 細管實驗

由圖3(a)可知，烴氣驅(qū)油過程中，驅(qū)替壓力越高，氣竄時間越晚.這是因為，烴氣驅(qū)油過程中，驅(qū)替壓力越高，溶解/混相能力越強.分析不同驅(qū)替壓力下的最終采收率，其結(jié)果如圖3(b)所示.可以發(fā)現(xiàn)，實驗測得最終采收率擬合線斜率的變化分為兩個區(qū)域：驅(qū)替壓力在18.0～23.24 MPa，原油與烴氣處于非混相狀態(tài).驅(qū)替壓力大于23.24 MPa時，原油與烴氣處于混相狀態(tài).實驗測得最低混相壓力(23.24 MPa)比地層壓力(18 MPa)高.但是，地層條件下烴氣驅(qū)原油的采收率是78.40%，接近近混相驅(qū).

在分析采收率變化規(guī)律時，從圖3(b)可以發(fā)現(xiàn)，原油最終采收率(1.2 PV情況下)與階段采收率(0.4 PV、0.5 PV、0.6 PV情況下)曲線變化規(guī)律不同，且不同驅(qū)替壓力下階段采收率變化規(guī)律呈現(xiàn)“v”形.這是因為，在非混相狀態(tài)下，驅(qū)替壓力越低，烴氣在原油中的溶解效果越差，相同注入氣體積下，烴氣‘指進’現(xiàn)象越強，導(dǎo)致氣竄前期驅(qū)替階段采收率較高.但是驅(qū)替壓力越低，氣驅(qū)波及效率越低，氣竄越早，驅(qū)油效果越差，導(dǎo)致最終采收率越低.在混相驅(qū)替階段，驅(qū)油效果主要取決于烴氣與原油的混合程度.烴氣與原油混相是一個多次接觸、逐漸混相的過程，驅(qū)替壓力越高，混相效果越明顯.因此，驅(qū)替壓力越高，油氣混相波及體積越大，階段采收率及最終采收率也越高.

圖3 不同驅(qū)替壓力下氣油比、壓差及采收率變化規(guī)律

2.2 三相相對滲透率實驗

通過開展三相相對滲透率實驗，分析在儲層條件下油、氣、水三相的相對滲透率變化規(guī)律.繪制油水氣三相相對滲透率等滲三元圖見圖4(a)、(b)、(c)所示.實驗過程中發(fā)現(xiàn)油水的流量較大時，巖心發(fā)生一定的液鎖效應(yīng)，及存在烴氣無法注入的現(xiàn)象.

圖4 油水氣三相相對滲透率曲線

由圖4(a)可知，油相等滲透率曲線為一簇凹向含氣飽和度的曲線.由圖4(b)可知，水相等滲透率曲線為一簇平行于含水飽和度的曲線，水相滲透率不受油氣飽和度影響.由圖4(c)可知，氣相等滲透率曲線為一簇略微凹向含油飽和度的曲線.對比油氣水三相滲透率發(fā)現(xiàn)，油氣水三相流中‘Kro>Krw>Krg’.這是由于巖心的親水性導(dǎo)致水相滲透率低于油相滲透率，此外巖心的液鎖效應(yīng)導(dǎo)致氣相滲透率遠低于油水相滲透率.

2.3 油氣水三相滲透率與飽和度相關(guān)性分析

由圖5(a)可知，油相滲透率與含油飽和度存在線性相關(guān)性(R2>0.947 3)，即含水飽和度對于油相滲透率影響較小.實驗結(jié)果表明：注入烴氣能夠有效提高地層中殘余油相滲透率.但是，當含氣飽和度Sg>20%后，殘余油滲透率幾乎不受含氣飽和度影響.此外，對比不同含氣飽和度下油相滲透率及其飽和度變化關(guān)系發(fā)現(xiàn)：含氣飽和度越高，油相滲透率受含油飽和度影響越大(斜率K越小).

這是因為，水相與油氣相不能相溶，但氣相易溶于油相，且實驗巖心為親水性.油水兩相流中(圖6(a))，油相飽和度越高，占據(jù)地層孔隙體積越大，滲透率也越高.油氣水三相流動過程中，水相緊貼孔隙內(nèi)壁流動，氣相在孔隙中心流動，油相介于氣相與水相之間流動.當含氣飽和度越高(Sg<20%)(圖6(b))，氣相在油相中溶解度越大，油相溶解氣降粘效果越好、流動性越強，油相滲透率越高.當含氣飽和度較高時(Sg>20%)(圖6(c))，烴氣在油相中溶解度達到飽和狀態(tài).因此，油相滲透率只與殘余油飽和度有關(guān).

由圖5(b)可知，水相滲透率與含水飽和度呈線性相關(guān)性(R2=0.988 5)，含水飽和度越高，水相流動通道越大，水相滲透率越高；由圖5(c)可知，氣相滲透率與含氣飽和度線性相關(guān)性較差，即氣相滲透率受油水飽和度影響較大.

圖5 油氣水三相滲透率與飽和度相關(guān)性

圖6 油氣水三相流動狀態(tài)示意圖

2.4 油相滲透率預(yù)測模型

2.4.1 Corey模型

Corey模型按照潤濕性的不同將流體分為潤濕相、非潤濕相和中間潤濕相，其中，水為潤濕相，氣為非潤濕相，油為中間潤濕相.具體表達式如下：

SLr=Swc+Sorg

(6)

(7)

式(6)、(7)中：Sw、SL和SLr分別代表三相流實驗中獲得的含水飽和度、總液相(油/水)飽和度和殘余液相飽和度.

2.4.2 油相滲透率模型適用性評估

評估Corey油相滲透率預(yù)測模型與非混相烴氣驅(qū)油三相流中油相滲透率的相關(guān)性.平均百分比相對誤差是實驗數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)的相對偏差，定義為：

(8)

(9)

式(8)、(9)中：Ei是模擬值與實驗值的相對偏差，表示為相對誤差百分比；μexp為實驗測量數(shù)據(jù)；μest為模擬數(shù)據(jù).

由表3可知，油相滲透率實驗值與Corey模型模擬值之間平均百分比相對誤差為2.43%，模型驗證結(jié)果較好.驗證結(jié)果表明：Corey預(yù)測模型能夠有效預(yù)測該油藏中烴氣/油/水三相流中油相滲透率.

表3 Corey模型適用性評估表

3 結(jié)論

(1)細管實驗結(jié)果表明：烴氣驅(qū)油過程中，驅(qū)替壓力越高，氣竄時間越晚；驅(qū)替壓力小于混相壓力時，驅(qū)替壓力越高，階段采收率越低；驅(qū)替壓力大于混相壓力時，驅(qū)替壓力越高，階段采收率越高.實驗測得最低混相壓力(23.24 MPa)比地層壓力(18 MPa)高，地層條件下烴氣驅(qū)油狀態(tài)為近混相驅(qū).

(2)三相相滲實驗結(jié)果表明：油相等滲透率曲線為一簇凹向含氣飽和度的曲線；水相等滲透率曲線為一簇平行于含水飽和度的曲線；氣相等滲透率曲線為一簇略微凹向含油飽和度的曲線.對比油氣水三相滲透率發(fā)現(xiàn)，油氣水三相流中‘Kro>Krw>Krg’.

(3)近混相狀態(tài)下，分析油氣水三相滲透率與飽和度相關(guān)性發(fā)現(xiàn)：①注入烴氣能夠有效提高地層中殘余油相滲透率，油相滲透率與含油飽和度存在線性相關(guān)性(R2>0.947 3).當含氣飽和度Sg>20%后，殘余油滲透率幾乎不受含氣飽和度影響.此外，對比不同含氣飽和度下油相滲透率及其飽和度變化關(guān)系發(fā)現(xiàn)：含氣飽和度越高，油相滲透率受含油飽和度影響越大；②水相滲透率與含水飽和度呈線性相關(guān)性(R2=0.988 5)；③氣相滲透率與含氣飽和度線性相關(guān)性較差.

(4)油相滲透率預(yù)測模型驗證結(jié)果表明：油相滲透率實驗值與Corey模型模擬值之間平均百分比相對誤差為2.43%，模型驗證結(jié)果較好.Corey預(yù)測模型能夠有效預(yù)測地層條件下該油藏中烴氣/油/水三相流中油相滲透率.