華北油田長(zhǎng)巖心注CO2驅(qū)替室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究

張桂迎，李 棟，賈國(guó)輝，鄧成明，賈志中

(中國(guó)石油華北油田公司第三采油廠，河北河間 062450)

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)注氣驅(qū)油技術(shù)的研究較為廣泛，尤其是CO2驅(qū)、N2驅(qū)、煙道氣驅(qū)等氣體驅(qū)替技術(shù)的研究[1-3]。CO2驅(qū)油技術(shù)是把CO2注入到油層，降低地層原油黏度和地層流體的界面張力，使原油體積膨脹，形成混相或近混相狀態(tài)，繼而降低滲流阻力，提高原油采收率[4-7]。

巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)有短巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)和長(zhǎng)巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，短巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)很難為后期現(xiàn)場(chǎng)優(yōu)化方案提供精準(zhǔn)的參數(shù)，因此大多使用長(zhǎng)巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)來(lái)衡量評(píng)價(jià)注氣驅(qū)油效果[8-12]。為探索華北油田A區(qū)塊注CO2提高采收率的潛力大小，開(kāi)展長(zhǎng)巖心注CO2驅(qū)替室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究，系統(tǒng)地評(píng)價(jià)混相壓力、非混相壓力及混相條件下水氣交替采收率，為現(xiàn)場(chǎng)CO2驅(qū)替提高采收率方式的優(yōu)選提供理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 實(shí)驗(yàn)條件

華北油田A區(qū)塊儲(chǔ)層巖性主要以不等粒礫巖、砂礫巖為主，孔隙類型主要是粒間孔、粒內(nèi)溶孔，屬低孔低滲儲(chǔ)層。

1.2 活油、地層水的配置及氣源準(zhǔn)備

根據(jù)華北油田A區(qū)塊原始飽和壓力，利用井口原油和套管氣制備地層原油，活油配置的原油物性參數(shù)見(jiàn)表1；樣品制備裝置設(shè)定溫度為儲(chǔ)層溫度，壓力為原始飽和壓力；地層水礦化度為7 200 mg/L，根據(jù)地層水礦化度制備模擬地層水，用于氣水交替和巖心飽和地層水實(shí)驗(yàn)中的水段塞注入；實(shí)驗(yàn)溫度為62 ℃；驅(qū)替速度為0.08 mL/min；采用工業(yè)級(jí)純CO2，純度大于99.995%，N2含量小于25.01 mg/m3，O2含量小于7.14 mg/m3，水分含量小于5 mg/kg，總烴含量小于10 mg/kg。

表1 原油物性參數(shù)

1.3 長(zhǎng)巖心的制備

實(shí)驗(yàn)采用直徑38 mm的天然礫巖巖心，選取膠結(jié)強(qiáng)度較高、端面整齊、礫石尺寸適中的巖心，并按照SY/T 5336-2006規(guī)定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)巖心進(jìn)行清理，去除殘留原油。先將巖心烘干，測(cè)量巖心干重G1，巖心直徑D，長(zhǎng)度L，氣測(cè)滲透率K1；再將巖心抽真空后飽和模擬地層水，抽真空12 h后引入地層水，繼續(xù)抽真空3 h，然后對(duì)容器加壓飽和5 h后，測(cè)量巖心濕重G2。

長(zhǎng)巖心滲透率設(shè)計(jì)：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)資料及實(shí)驗(yàn)條件，長(zhǎng)巖心設(shè)計(jì)滲透率為20×10-3μm2，選取不同滲透率巖心按公式(1)進(jìn)行排序組合[13]。

(1)

式中：L為長(zhǎng)巖心總長(zhǎng)度，cm；K為長(zhǎng)巖心平均氣測(cè)滲透率，10-3μm2；n為巖心個(gè)數(shù)，個(gè)；Ln為第n塊巖心長(zhǎng)度，cm；Kn為第n塊巖心氣測(cè)滲透率，10-3μm2。

長(zhǎng)巖心由5塊不同長(zhǎng)度、不同滲透率的短巖心串聯(lián)組成，長(zhǎng)巖心總長(zhǎng)度26.39 cm，總孔隙體積45.96 mL，平均孔隙度15.23 %，平均滲透率67.50×10-3μm2，短巖心串聯(lián)順序見(jiàn)表2。

表2 長(zhǎng)巖心串聯(lián)排序設(shè)計(jì)

1.4 實(shí)驗(yàn)裝置

長(zhǎng)巖心驅(qū)替裝置由長(zhǎng)巖心、回壓控制器、注入泵、輔助泵、CO2容器、地層原油容器、分離器、采出氣液計(jì)量裝置、壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)組成。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，恒溫箱恒定地層溫度。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.1 建立束縛水

利用泵將驅(qū)替原油注入到長(zhǎng)巖心中，每隔2 h記錄一次驅(qū)替壓力、環(huán)壓、出口端的流水量；逐漸提高驅(qū)替速度，當(dāng)出口端的流水量不再增加時(shí)，完成束縛水的建立。

2.2 建立回壓

將長(zhǎng)巖心出口端連接回壓控制器，注入泵注入地面原油(死油)，當(dāng)回壓控制器出口處持續(xù)有地面原油流出時(shí)，回壓控制器開(kāi)始升壓。同時(shí)，長(zhǎng)巖心的環(huán)壓由輔助泵同步激發(fā)，環(huán)壓始終保持在比注入壓力高2.0～5.0 MPa。當(dāng)回壓控制器壓力增加到地層壓力并且地表原油不斷從出口流出時(shí)，回壓建立完成。

2.3 飽和地層原油(活油)

長(zhǎng)巖心進(jìn)口端預(yù)先排空管線，采用輔助泵將地層原油容器的壓力提高到與長(zhǎng)巖心入口端相同的壓力，將地層原油容器與長(zhǎng)巖心進(jìn)口端連接，并且在保持壓力不變的情況下將地層原油注入長(zhǎng)巖心中。當(dāng)連續(xù)驅(qū)替地層原油注入量達(dá)到1.5 PV，且連續(xù)三次測(cè)得的回壓控制器出口流出物的氣油比與制備的地層原油數(shù)據(jù)一致時(shí)，完成飽和地層原油的建立。

3 不同條件下CO2驅(qū)替實(shí)驗(yàn)

長(zhǎng)巖心進(jìn)口端預(yù)先排空管線，將CO2容器升壓至與長(zhǎng)巖心進(jìn)口端壓力一致，連接CO2容器與長(zhǎng)巖心進(jìn)口端，分別在非混相壓力(14.0 MPa)和混相壓力(19.0 MPa)條件下，驅(qū)替CO2至長(zhǎng)巖心中，進(jìn)行氣驅(qū)實(shí)驗(yàn)。每隔0.01 PV記錄驅(qū)替時(shí)間、分離器產(chǎn)出的油量和氣量、驅(qū)替壓力、回壓等數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算得到原油采收率。

當(dāng)產(chǎn)出端氣油比過(guò)高時(shí)，在混相壓力條件下驅(qū)替地層水0.10 PV，在此壓力下驅(qū)替CO2至長(zhǎng)巖心中，進(jìn)行氣水交替實(shí)驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù)并計(jì)算原油采收率。

3.1 非混相壓力條件下CO2長(zhǎng)巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)

非混相壓力條件下CO2長(zhǎng)巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)基本參數(shù)見(jiàn)表3，回壓設(shè)置為14.0 MPa，注氣速度0.08 mL/min。

表3 非混相壓力條件CO2長(zhǎng)巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)基本參數(shù)

從圖1可以看出，隨著CO2注入量的增加，驅(qū)替壓力快速增高，然后緩慢下降并趨于平穩(wěn)；當(dāng)CO2的注入量大于0.50 PV時(shí)，采出液的氣油比明顯上升，說(shuō)明此時(shí)注入氣前緣已推進(jìn)至巖心末端，氣竄通道逐漸形成；此后，氣竄現(xiàn)象明顯，產(chǎn)油量降低，采收率趨于平穩(wěn)。最終，非混相條件下CO2驅(qū)采收率為53.69%，其中注氣竄流前，采收率為46.56%；CO2采出端突破至完全氣竄，該階段采收率提高了7.13%。

圖1 非混相CO2驅(qū)驅(qū)替壓力、采收率及氣油比的變化

3.2 混相壓力條件CO2長(zhǎng)巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)

混相壓力條件下CO2長(zhǎng)巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)基本參數(shù)見(jiàn)表4，回壓設(shè)置為19.0 MPa，注氣速度0.08 mL/min。

表4 混相壓力條件CO2長(zhǎng)巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)基本參數(shù)

從圖2可以看出，隨著CO2注入量的增加，驅(qū)替壓力升高速度較快，然后快速下降并趨于平緩，分析認(rèn)為，混相壓力條件下CO2驅(qū)油能力較強(qiáng)，CO2沿氣竄通道突進(jìn)的同時(shí)，在較強(qiáng)的混相作用影響下，部分原油會(huì)隨CO2進(jìn)入竄流通道，造成通道內(nèi)出現(xiàn)短時(shí)的封堵，導(dǎo)致壓力快速上升；隨著后續(xù)CO2繼續(xù)向前推進(jìn)，通道恢復(fù)竄流狀態(tài)，壓力明顯下降；之后不斷重復(fù)這個(gè)過(guò)程，形成了壓力波動(dòng)的情況，竄流通道附近原油飽和度下降，壓力波動(dòng)幅度逐漸降低。當(dāng)CO2的注入量大于0.57 PV時(shí)，采出液的氣油比急劇上升，說(shuō)明采出端注入氣突破，在完全氣竄前，氣油比略有波動(dòng)，其原因與壓力波動(dòng)原因基本相同，即在氣竄通道形成初期，通道附近部分原油在混相作用下，隨CO2進(jìn)入氣竄通道，導(dǎo)致通道暫時(shí)封堵，造成注入氣竄流暫時(shí)受到影響，從而使采出端氣油比出現(xiàn)小范圍波動(dòng)，隨著通道附近原油逐漸被采出，氣竄通道逐漸穩(wěn)定，最終形成較強(qiáng)的注氣竄流，在此過(guò)程中氣油比先表現(xiàn)為波動(dòng)上升，然后大幅升高。當(dāng)CO2的注入量大于0.59 PV時(shí)，發(fā)生明顯的氣竄，最終，混相條件下CO2驅(qū)采收率為60.55%，其中注氣突破前，采收率56.05%；CO2采出端突破至完全氣竄，該階段采收率提高了4.50%。

圖2 混相CO2驅(qū)驅(qū)替壓力、采收率及氣油比的變化

3.3 混相壓力條件CO2長(zhǎng)巖心氣水交替實(shí)驗(yàn)

混相壓力條件下CO2長(zhǎng)巖心氣水交替實(shí)驗(yàn)基本參數(shù)見(jiàn)表5，回壓設(shè)置為19.0 MPa。實(shí)驗(yàn)初期為CO2驅(qū)油，注氣速度0.08 mL/min，驅(qū)替至注入氣竄流，開(kāi)始進(jìn)行氣水交替注入，即先向巖心內(nèi)注入0.10 PV的模擬地層水，注入速度0.08 mL/min，再繼續(xù)使用CO2驅(qū)替巖心，注入速度0.08 mL/min，驅(qū)替至注入氣竄流，完成第1次氣水交替注入周期；之后，以相同的注入?yún)?shù)和步驟完成第2次氣水交替注入周期。

表5 混相壓力條件CO2長(zhǎng)巖心氣水交替實(shí)驗(yàn)基本參數(shù)

混相壓力條件下，CO2氣水交替采收率及氣油比、驅(qū)替壓力的變化見(jiàn)圖3。

圖3 CO2氣水交替驅(qū)替壓力、采收率及氣油比的變化

連續(xù)氣驅(qū)階段：實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后，隨著CO2注入量的增加，注入壓力逐漸升高然后緩慢下降，注入壓力下降過(guò)程中略有波動(dòng)。當(dāng)CO2注入量約為0.35 PV后，采出液氣油比逐漸上升，CO2注入量達(dá)到0.43 PV后，采出液氣油比明顯上升，達(dá)到450，說(shuō)明注入氣發(fā)生竄流，連續(xù)氣驅(qū)階段結(jié)束，本階段采收率為60.55%。

氣水交替第二輪次：實(shí)驗(yàn)過(guò)程與氣水交替第一輪次基本相同，水段塞注入量為0.10 PV后，再注入CO2至完全氣竄；水段塞注入結(jié)束時(shí)，驅(qū)替壓力升高至21.28 MPa，同時(shí)氣油比逐漸下降；然后繼續(xù)向巖心內(nèi)注入CO2，注入過(guò)程中注入壓力最高達(dá)20.36 MPa，之后注入壓力逐漸降低，氣油比回升。0.20 PV氣段塞注入結(jié)束，氣油比升至9 400 m3/m3時(shí)，氣水交替第二輪次結(jié)束。此時(shí)累計(jì)注入量為1.21 PV，總采收率為76.56%，本階段采收率增幅4.15%。

從圖4可以看出，采取氣水交替注入后，由于水段塞的前置封堵擾動(dòng)作用，同時(shí)氣相相對(duì)滲透率降低，造成注入峰值壓力大幅度升高；同時(shí)在氣水交替第二輪次，注入氣重新竄流后，由于水段塞的存在，氣相相對(duì)滲透率依然較低，氣竄時(shí)的穩(wěn)定注入壓力遠(yuǎn)高于初期連續(xù)氣驅(qū)時(shí)氣竄階段的注入壓力。

圖4 混相壓力條件下CO2氣水交替驅(qū)油各階段采收率及最大注氣壓差

3.4 不同驅(qū)替方式效果對(duì)比

通過(guò)對(duì)比不同驅(qū)替方式得到的采收率可以看出，19 MPa氣水交替實(shí)驗(yàn)條件下采收率最高，達(dá)76.56%(圖5)。

圖5 不同驅(qū)替方式采收率對(duì)比

從圖6可以看出，連續(xù)驅(qū)油過(guò)程中，CO2換油率均呈現(xiàn)先上升后降低的趨勢(shì)，主要是因?yàn)轵?qū)油后期氣竄通道形成，驅(qū)油效率下降，導(dǎo)致?lián)Q油率降低；19.0 MPa氣水交替實(shí)驗(yàn)第二輪次中的CO2換油率出現(xiàn)一定的回升，但提高幅度較小，主要是因?yàn)樵摃r(shí)段水段塞暫時(shí)封堵了氣竄通道，導(dǎo)致CO2相對(duì)滲透率下降、驅(qū)替壓力增大，造成產(chǎn)油量上升，從而使換油率出現(xiàn)一定程度的升高，但由于水段塞對(duì)氣竄抑制能力較差，氣體突破較快，換油率上升幅度較小。

圖6 不同驅(qū)替方式下CO2瞬時(shí)換油率

4 結(jié)論

(1)非混相條件下(回壓14.0MPa)CO2驅(qū)采收率為53.69%，其中注氣竄流前，采收率46.56%；CO2采出端突破至完全氣竄，該階段采收率提高了7.13%。

(2)混相條件下(回壓19.0MPa)CO2驅(qū)采收率為60.55%，其中注氣突破前，采收率56.05%；CO2采出端突破至完全氣竄，該階段采收率提高了4.50%。

(3)混相壓力(19.0 MPa)條件下CO2氣水交替驅(qū)油時(shí)，在連續(xù)注入階段采收率60.55%，交替第一輪次總采收率72.41%，增加了11.86%；交替第二輪次總采收率76.56%，增加了4.15%。

(4)對(duì)比不同驅(qū)替方式得到的采收率可知，19 MPa氣水交替下采收率最高，達(dá)76.56%。