注CO2重力驅(qū)技術(shù)在海拉爾油田高傾角斷塊油藏的適用性

孔凡順 李延軍 郭天嬌 劉建棟 南金浩

（1. 國(guó)家能源陸相砂巖老油田持續(xù)開(kāi)采研發(fā)中心，黑龍江 大慶 163712；2. 中國(guó)石油大慶油田有限責(zé)任公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，黑龍江 大慶 163712）

0 引 言

隨著中國(guó)“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略的推進(jìn)及對(duì)CO2減排政策的支持，注CO2驅(qū)油再一次成為研究熱點(diǎn)。由于CO2具有易混相且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的特點(diǎn)，在常規(guī)注水開(kāi)發(fā)難以建立有效驅(qū)動(dòng)體系的油藏中，尤其是具有強(qiáng)水敏性的低滲透及特低滲透油藏中，注CO2是有效補(bǔ)充地層能量的驅(qū)油方式。目前，國(guó)內(nèi)外在CO2混相驅(qū)、非混相驅(qū)機(jī)理方面做了大量研究，CO2驅(qū)油技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟［1-5］。經(jīng)過(guò)多年采用面積井網(wǎng)注CO2驅(qū)油的研究及試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在高傾角斷塊油藏中，利用構(gòu)造頂部注氣重力驅(qū)，能實(shí)現(xiàn)高傾角斷塊油藏有效補(bǔ)能，可以提高采油速度及最終采收率。國(guó)外頂部注氣重力驅(qū)技術(shù)起步早、發(fā)展迅速、采收率高，經(jīng)過(guò)60 多年的發(fā)展，已成為稀油油藏提高采收率的首選技術(shù)。美國(guó)得克薩斯州沃夫坎普油田、霍金斯油田采用注CO2重力驅(qū)后，采出程度分別增加了27%和80%。中國(guó)目前在西部油田注氣重力驅(qū)試驗(yàn)取得成功，如青海油田采用構(gòu)造頂部注氣重力驅(qū)，采收率較水驅(qū)提高了14.9%，塔里木油田注烴氣混相重力驅(qū)，提高采收率18%以上［6-11］。海拉爾油田受地層傾角大、儲(chǔ)層物性差等因素制約，水驅(qū)開(kāi)發(fā)效果差，目前平均采油速度僅0.41%，采出程度7.65%。亟需探索注氣提高采收率技術(shù)，然而對(duì)于海拉爾復(fù)雜斷塊油藏來(lái)說(shuō)，尤其是帶有一定地層傾角的情況下，注氣提高采收率技術(shù)的適應(yīng)性及影響因素并不明確。

因此，本文以室內(nèi)驅(qū)油實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)并利用油藏?cái)?shù)值模擬，開(kāi)展海拉爾油田注CO2重力驅(qū)油機(jī)理、影響因素及適用性等方面的研究，研究成果對(duì)海拉爾高傾角斷塊油藏的高效開(kāi)發(fā)具有重要意義。

1 地質(zhì)特征及開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀

海拉爾斷陷盆地具有3 大典型特征：一是各斷塊構(gòu)造傾角大，地層傾角1°～25.5°，平均12.8°；二是儲(chǔ)層巖性復(fù)雜且埋藏深，發(fā)育粉砂巖、砂巖、砂礫巖、輕微變質(zhì)含炭質(zhì)砂巖、火山碎屑巖、凝灰?guī)r，各斷塊儲(chǔ)層均以低滲透、特低滲透為主，已提交石油探明地質(zhì)儲(chǔ)量中，滲透率小于0.01 μm2的儲(chǔ)量占69.5%，大多數(shù)斷塊油藏埋深大于2 km；三是儲(chǔ)層中普遍含凝灰質(zhì)，具有強(qiáng)水敏性。上述3 大典型地質(zhì)特征導(dǎo)致海拉爾油田水驅(qū)開(kāi)發(fā)面臨很大挑戰(zhàn)，油田開(kāi)發(fā)初期雖然采取油井壓裂、水井加注防膨劑等增產(chǎn)及儲(chǔ)層保護(hù)措施，開(kāi)發(fā)效果仍不理想，部分油田采油速度小于0.4%，產(chǎn)量遞減嚴(yán)重。地層傾角越大的斷塊，受重力作用影響，構(gòu)造低部位油井水淹嚴(yán)重，油田穩(wěn)產(chǎn)極其困難。在油田水驅(qū)開(kāi)發(fā)面臨嚴(yán)峻形勢(shì)的情況下，研究海拉爾油田注CO2重力驅(qū)技術(shù)的適應(yīng)性，顯得尤為緊迫和重要。

2 注CO2重力驅(qū)室內(nèi)驅(qū)油實(shí)驗(yàn)

CO2驅(qū)油提高采收率技術(shù)核心機(jī)理是在油藏條件下，原油與CO2形成混相，消除油水界面，使多孔介質(zhì)中的毛細(xì)管壓力降低至零，從而減少因毛細(xì)管效應(yīng)產(chǎn)生毛細(xì)管滯留所圈捕的石油，殘余油飽和度就會(huì)降至最低，從而達(dá)到提高采收率的效果，理論上微觀驅(qū)油效率可以達(dá)到百分之百。注CO2重力驅(qū)油機(jī)理，除了CO2氣體與地層原油混相外，還充分利用了地層傾角產(chǎn)生的重力驅(qū)，以此來(lái)提高帶有一定地層傾角的油藏注CO2驅(qū)油的采收率。為研究海拉爾高傾角斷塊油藏注CO2重力驅(qū)油效率，以海拉爾油田貝X62 斷塊地層原油為樣品，以CO2作為驅(qū)替介質(zhì)，進(jìn)行注氣重力驅(qū)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)。貝X62 斷塊儲(chǔ)層平均滲透率37.5×10-3μm2，地層傾角大，平均18.2°，原始地層壓力10.57 MPa，儲(chǔ)層水敏指數(shù)0.86，屬?gòu)?qiáng)水敏。貝X62 斷塊儲(chǔ)層地質(zhì)特征與海拉爾油田其他斷塊類似，具有一定代表性。

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)主要以長(zhǎng)巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)和細(xì)管實(shí)驗(yàn)為主。長(zhǎng)巖心室內(nèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)M地層傾角為18°，巖心樣品采用貝X62 斷塊真實(shí)巖心，長(zhǎng)度30 cm，直徑2.5 cm，假設(shè)油藏各部位地層傾角和滲透率恒定不變。細(xì)管實(shí)驗(yàn)主要是在模擬地層溫度35.23 ℃下，不同注入壓力CO2的驅(qū)油效率，從而獲得地層原油最小混相壓力的方法。細(xì)管實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在原始地層壓力10.57 MPa 下注入1.2 PV 的CO2時(shí)，CO2驅(qū)油效率為55.88%，并且隨著地層壓力的上升，驅(qū)油效率逐漸升高。在地層壓力達(dá)到27 MPa 時(shí)，驅(qū)油效率理論可達(dá)93.10%（圖1）。長(zhǎng)巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)是在油藏溫度35.23 ℃、注入壓力13 MPa、巖心與水平面夾角為18°條件下，先在頂部注入CO2恒壓驅(qū)替，當(dāng)CO2注入量為0.78 PV 時(shí)開(kāi)始見(jiàn)氣，繼續(xù)注氣直到底部不出油，CO2總注入量為1.44 PV，階段驅(qū)油效率為41.96%。此時(shí)轉(zhuǎn)底部注水13 MPa恒壓驅(qū)替，當(dāng)總注入量為1.64 PV 時(shí)見(jiàn)水，繼續(xù)注水直到頂部不出油，最終驅(qū)油效率為49.58%（圖2）。

圖1 細(xì)管注CO2驅(qū)替驅(qū)油效率隨注入量變化Fig. 1 Variation of CO2 slim tube injection displacement efficiency with injection volume

圖2 長(zhǎng)巖心驅(qū)替驅(qū)油效率隨注入量變化Fig. 2 Variation of long core displacement efficiency with injection volume

室內(nèi)驅(qū)油實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在存在傾角的地層情況下，采用頂部注CO2重力驅(qū)油可以達(dá)到較高的驅(qū)油效率。但室內(nèi)實(shí)驗(yàn)只是測(cè)試了特定地質(zhì)條件下的重力驅(qū)油效率，國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)實(shí)踐也表明，礦場(chǎng)應(yīng)用注CO2重力驅(qū)油受多種因素影響，實(shí)際油藏各項(xiàng)地質(zhì)參數(shù)并不像室內(nèi)實(shí)驗(yàn)所假設(shè)的條件恒定不變，同一油藏在不同構(gòu)造位置的地層傾角、儲(chǔ)層滲透率及注氣的工作制度等都會(huì)對(duì)注CO2重力驅(qū)的驅(qū)油效率產(chǎn)生一定影響［12-21］。因此，有必要利用油藏?cái)?shù)值模擬研究海拉爾油田注CO2重力驅(qū)的主要影響因素，以利于在礦場(chǎng)實(shí)際注氣過(guò)程中避免不利條件，充分利用有利條件來(lái)提高注氣重力驅(qū)的驅(qū)油效率。

3 注CO2重力驅(qū)模型及影響因素

3.1 頂部注CO2重力驅(qū)油藏?cái)?shù)值模型

通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，注CO2重力驅(qū)能夠大幅度提高帶有一定地層傾角的斷塊油藏采收率，是高傾角斷塊油藏改善開(kāi)發(fā)效果的有效技術(shù)手段，但是由于海拉爾油田地質(zhì)條件較復(fù)雜，注CO2重力驅(qū)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中會(huì)受到諸多因素影響。為找出各類因素對(duì)注氣重力驅(qū)開(kāi)發(fā)效果的影響規(guī)律，以貝X62斷塊油藏流體相態(tài)模擬結(jié)果為基礎(chǔ)（表1），利用數(shù)值模擬軟件建立頂部注CO2重力驅(qū)一注一采三維理想模型，模型采用直角網(wǎng)格，x、y、z方向的尺寸為10 m×10 m×4 m，注采井距300 m，模擬計(jì)算不同地層傾角、儲(chǔ)層滲透率、注氣速度等因素下，在構(gòu)造頂部注氣時(shí)，油藏采出程度、剩余油分布和CO2波及情況。

表1 海拉爾油田貝X62斷塊流體性質(zhì)擬合結(jié)果Table 1 Fluid property matching results of fault block BeiX62 in Hailar Oilfield

3.2 影響因素

3.2.1 地層傾角

客觀存在的地層傾角對(duì)注氣重力驅(qū)的開(kāi)發(fā)效果起到關(guān)鍵性作用。分別建立了傾角為0°、10°、20°、30°和40°的理想模型。設(shè)定儲(chǔ)層為均質(zhì)，滲透率為30×10-3μm2，地面注氣速度為0.05 PV/a，模擬計(jì)算開(kāi)發(fā)20 a 采出程度。結(jié)果表明，隨著地層傾角的增加，采出程度增加，當(dāng)傾角超過(guò)30°后，采出程度增加幅度變?。ū?）。

表2 不同地層傾角下頂部注CO2驅(qū)油采出程度Table 2 Recovery percent of OOIP by CO2 injection at the top with different dips

剩余油分布模擬結(jié)果顯示（圖3、圖4），隨著地層傾角的增大，高部位剩余油飽和度降低，證實(shí)了高部位注氣可將構(gòu)造頂部剩余油采出（圖3）。傾角越高，構(gòu)造頂部含氣飽和度越高，形成了一定規(guī)模的氣頂，更有利于注入氣發(fā)揮重力驅(qū)作用（圖4）。

圖3 不同地層傾角模擬末期剩余油飽和度模型Table 3 Remaining oil saturation models at the end of simulation with different stratigraphic dips

圖4 不同地層傾角模擬末期含氣飽和度模型Table 4 Gas saturation models at the end of simulation with different stratigraphic dips

3.2.2 儲(chǔ)層滲透率

儲(chǔ)層滲透率不僅對(duì)于注水開(kāi)發(fā)的油藏影響較大，對(duì)于注氣重力驅(qū)油藏同樣存在較大影響。為分析儲(chǔ)層滲透率對(duì)注氣重力驅(qū)的影響規(guī)律，將理論模型設(shè)定為地層傾角30°，隨著儲(chǔ)層水平滲透率的增加，采出程度增加幅度較大，當(dāng)滲透率增加到一定值后采出程度增加幅度變緩（圖5）；隨著垂向滲透率與水平滲透率比值（Kv/Kh）的增大，采出程度越來(lái)越大，但增加幅度越來(lái)越?。▓D6）。分析認(rèn)為，Kv/Kh比值越大，氣體越容易發(fā)生垂向竄流，從而增加了重力分異作用，提高了注入氣體的波及效率，使頂部注氣開(kāi)采效果變好。

圖5 不同水平滲透率注CO2重力驅(qū)采出程度Fig. 5 Recovery percent of OOIP by CO2 gravity drainage with different horizontal permeability

圖6 不同Kv/Kh的CO2重力驅(qū)采出程度Fig. 6 Recovery percent of OOIP by CO2 gravity drainage with different Kv/Kh

3.2.3 注氣速度

注氣速度會(huì)影響氣-油界面的穩(wěn)定性。注氣速度過(guò)高會(huì)加快驅(qū)替氣體指進(jìn)，氣體過(guò)早突破從而降低開(kāi)發(fā)效果；速度過(guò)低則延遲注氣見(jiàn)效期，影響經(jīng)濟(jì)效益。利用理論模型，計(jì)算了不同地面注入強(qiáng)度下的油藏采出程度。由圖7 可知，隨著注氣速度的逐漸增加，采出程度逐漸增加，當(dāng)注氣強(qiáng)度增加到一定值后，油藏采出程度開(kāi)始降低，因此可以得到該理論模型條件下的最佳地面注氣強(qiáng)度為0.2 t/（d·m）。在地面注氣強(qiáng)度超過(guò)0.2 t/（d·m）后，采出程度明顯下降，這是由于注氣速度過(guò)快，發(fā)生了氣體指進(jìn)現(xiàn)象，從理論模型中不同注氣強(qiáng)度的含氣飽和度看，可以證實(shí)氣體指進(jìn)現(xiàn)象的發(fā)生（圖8）。另外，在實(shí)際注氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中，由于儲(chǔ)層非均質(zhì)性會(huì)導(dǎo)致氣竄更突出，因此合理的注氣速度對(duì)于高傾角且非均質(zhì)性較強(qiáng)的儲(chǔ)層尤為重要。據(jù)此推斷，不同傾角的高傾角斷塊油藏采用注氣重力驅(qū)油時(shí)，都會(huì)有一個(gè)最佳注氣強(qiáng)度。高傾角油藏在頂部注氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中，注氣強(qiáng)度越接近理論最佳注氣強(qiáng)度，注氣重力驅(qū)的開(kāi)發(fā)效果越好。

圖7 不同地面注氣強(qiáng)度的采出程度Fig. 7 Recovery percent of OOIP with different surfacegas injection intensity

圖8 不同地面注氣強(qiáng)度的含氣飽和度模型Fig. 8 Gas saturation models with different surface injection intensity

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及前景

4.1 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

在海拉爾油田貝14 區(qū)塊首次開(kāi)展了注CO2重力驅(qū)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)區(qū)地層傾角為15°～25°，儲(chǔ)層發(fā)育有效厚度45.6 m，巖石類型以凝灰質(zhì)砂巖、凝灰質(zhì)粉砂巖為主，具有強(qiáng)水敏性，平均孔隙度16.1%，平均空氣滲透率3.55×10-3μm2，為中低孔、特低滲儲(chǔ)層。開(kāi)發(fā)初期單井日注水量小于10 m3，區(qū)塊整體吸水能力低，油井未受效。在構(gòu)造頂部?jī)?chǔ)層物性較好井區(qū)開(kāi)辟注氣先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)共設(shè)計(jì)9 口注氣井，31 口采出井，采用連續(xù)注氣方式，以籠統(tǒng)注氣為主，井口最大注氣壓力20.0 MPa，油藏?cái)?shù)值模擬計(jì)算試驗(yàn)區(qū)最佳日注氣820 t。經(jīng)過(guò)探索實(shí)踐，先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)注入狀況明顯改善，與水驅(qū)相比注入能量提高了5 倍，油層厚度動(dòng)用比例由51.4%上升到73.7%，試驗(yàn)區(qū)共29 口采油井受效，受效井比例93.5%，平均單井日產(chǎn)油量由水驅(qū)1.3 t 上升到注氣受效后3.2 t，采油速度由注氣前0.3%上升到注氣受效后1.14%。試驗(yàn)階段增油量14.4×104t，換油率0.42 t/t，預(yù)測(cè)最終提高采收率12 百分點(diǎn)（注入CO20.13 PV）。證實(shí)了注CO2重力驅(qū)在海拉爾高傾角斷塊油藏的有效性，尤其是能夠建立強(qiáng)水敏儲(chǔ)層注采井間的有效驅(qū)替，明顯改善開(kāi)發(fā)效果，可以提高高地層傾角的斷塊油藏采油速度和最終采收率。

4.2 應(yīng)用前景

注CO2重力驅(qū)油技術(shù)能有效解決高傾角斷塊油藏構(gòu)造頂部油井能量不足的問(wèn)題，可以實(shí)現(xiàn)油藏開(kāi)發(fā)中后期構(gòu)造頂部剩余油挖潛。在大力提倡注氣提高采收率及水驅(qū)開(kāi)發(fā)效果不理想的背景下，注CO2重力驅(qū)技術(shù)在海拉爾油田迎來(lái)重大機(jī)遇。

通過(guò)對(duì)海拉爾已開(kāi)發(fā)油田油品性質(zhì)評(píng)價(jià)及CO2氣體與地層原油最小混相壓力的測(cè)定，并綜合各油田的地層傾角、儲(chǔ)層滲透率等因素，確定烏爾遜、蘇德?tīng)柼?、貝爾及呼和諾仁油田地層傾角大于10°，相對(duì)混相程度較高，其地質(zhì)儲(chǔ)量合計(jì)為4 411.35×104t（表3），適合開(kāi)展注CO2重力驅(qū)提高采收率，具有廣闊的應(yīng)用前景。

表3 海拉爾已開(kāi)發(fā)油田適合構(gòu)造頂部注CO2驅(qū)油潛力Table 3 Hailar developed oilfields with displacement potential of CO2 injection at the top of structures

5 結(jié) 論

（1）注CO2重力驅(qū)能有效解決海拉爾油田高傾角斷塊油藏常規(guī)水驅(qū)開(kāi)發(fā)后期構(gòu)造高部位油井受效差、低部位油井水淹快的矛盾，可實(shí)現(xiàn)油藏開(kāi)發(fā)中后期構(gòu)造頂部剩余油挖潛，能大幅度提高高傾角斷塊油藏采收率。

（2）地層傾角、儲(chǔ)層滲透率是影響高傾角斷塊油藏頂部注氣采出程度的關(guān)鍵地質(zhì)因素，注氣速度是影響油氣界面穩(wěn)定性的關(guān)鍵開(kāi)發(fā)參數(shù)。

（3）對(duì)于油品混相程度高、滲透率較低、地層傾角大的海拉爾油田，注CO2重力驅(qū)技術(shù)提高采收率是水驅(qū)調(diào)整后的必然選擇，注CO2重力驅(qū)技術(shù)在海拉爾油田高傾角斷塊油藏適用性較好且應(yīng)用前景廣闊。