CO2驅(qū)后水氣交替注入驅(qū)替特征及剩余油啟動機制

孫成巖

（中國石油大慶油田有限責(zé)任公司呼倫貝爾分公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021000）

0 引 言

CO2驅(qū)是目前低滲透油藏提高采收率的重要手段［1-7］，但受儲層非均質(zhì)性影響，CO2驅(qū)開發(fā)中后期易產(chǎn)生氣竄，導(dǎo)致注入氣波及體積增長受限，在儲層中形成大量剩余油，極大影響了CO2驅(qū)增油效果［8-11］。因此，對CO2驅(qū)過程中氣竄控制機理及方法的研究至關(guān)重要。水氣交替注入（WAG）目前被證實是控制氣竄的有效手段之一，且施工方便，已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外各大油田。其主要機理為改善流度比及穩(wěn)定驅(qū)替前緣，從而抑制氣竄并擴大波及體積［12-14］。有學(xué)者也指出WAG 能夠引起孔隙介質(zhì)中油水飽和度的循環(huán)變化從而提高采收率［15］。目前WAG 驅(qū)所采用氣體類型主要為CO2、烴類氣體以及氮氣，相關(guān)研究側(cè)重于開發(fā)技術(shù)政策的優(yōu)化設(shè)計，包括段塞尺寸、水氣注入比例、注入速度、注入周期及次數(shù)和井網(wǎng)等［16-17］。盡管WAG 驅(qū)在提高采收率方面具有明顯的機理優(yōu)勢，但目前現(xiàn)場應(yīng)用效果參差不齊，主要原因是方案設(shè)計與油藏特征、驅(qū)替特征、剩余油分布和啟動機制的匹配程度不足，尤其是針對CO2連續(xù)氣驅(qū)后的油藏，在WAG驅(qū)替特征及微觀剩余油啟動機制還不明確。

設(shè)計適合特定油藏特征及剩余油分布特征的WAG 驅(qū)方案，對提高現(xiàn)場應(yīng)用成功率具有重要意義。本文以海拉爾油田貝14 區(qū)塊為研究對象，開展CO2驅(qū)后WAG 驅(qū)的相關(guān)實驗研究。首先通過Micro-CT 微觀實驗分析目標(biāo)區(qū)塊巖心的孔徑分布特征，結(jié)合巖心在線驅(qū)替實驗分析了CO2驅(qū)后微觀剩余油分布特征及WAG 驅(qū)剩余油啟動機制。采用長巖心驅(qū)替實驗，研究CO2驅(qū)后水氣交替注入的驅(qū)替特征，同時針對WAG 驅(qū)的段塞尺寸、氣水比進(jìn)行優(yōu)化，以確定CO2驅(qū)后WAG 驅(qū)的重要注入?yún)?shù)，為油田現(xiàn)場施工提供支撐。

1 實驗設(shè)計

1.1 實驗材料及儀器

1.1.1 實驗材料

實驗用巖心取自海拉爾油田貝14 區(qū)塊，巖心基礎(chǔ)物性參數(shù)如表1 所示，其中，1 號為標(biāo)準(zhǔn)巖心，用于微觀剩余油分布及啟動機制研究，2―10號為長巖心，用于WAG 驅(qū)替特征及驅(qū)替參數(shù)研究。

表1 實驗用巖心的基礎(chǔ)物性參數(shù)Table 1 Basic property parameters of experiment cores

實驗用水取自目標(biāo)區(qū)塊的地層水，其水型為NaHCO3，礦化度為1 970.72 mg/L；實驗用油為模擬油，室溫下黏度為11.95 mPa·s。

1.1.2 實驗儀器

Micro-CT 微觀實驗裝置為MicroXCT-400 型三維重構(gòu)成像X 射線顯微鏡，美國Xradia 公司；長巖心WAG 驅(qū)替實驗采用了耐溫耐壓物理模擬裝置開展實驗，主要裝置包含恒溫箱、巖心夾持器、恒速恒壓泵、壓力傳感器、流量計、中間容器等（圖1）。

圖1 水氣交替注入驅(qū)替實驗裝置示意Fig. 1 Schematic diagram of WAG displacement experimental equipment

實驗在地層溫壓條件下進(jìn)行（溫度為68 ℃，壓力為17.6 MPa）。

1.2 實驗方案

1.2.1 Micro-CT微觀實驗

（1）將1 號巖心洗凈、烘干后，利用Micro-CT掃描成像和圖像處理技術(shù)對干巖心進(jìn)行3D 重建，得到巖心模型，對孔隙數(shù)量和孔隙體積進(jìn)行統(tǒng)計。

（2）對巖心進(jìn)行抽真空、飽和地層水和模擬油，靜置24 h 后對飽和油的數(shù)量和體積進(jìn)行掃描，計算飽和油在孔隙體積中的比例。

（3）在地層溫度68 ℃條件下，利用巖心夾持器開展CO2連續(xù)氣驅(qū)至出口端不出油，取出巖心，利用實驗儀器掃描剩余油分布。

（4）再次利用巖心夾持器開展水-CO2交替注入實驗，段塞尺寸0.10 PV，氣水比1∶1，交替5個段塞后取出巖心，利用實驗儀器掃描剩余油分布。

1.2.2 長巖心WAG驅(qū)替實驗

（1）將2 號長巖心放入巖心夾持器中，置于68 ℃的恒溫箱中，飽和地層水，以0.1 mL/min 流速飽和模擬油，直至巖心夾持器出口端不出水，將飽和油后的巖心在恒溫箱中靜置老化24 h。

（2）以0.125 mL/min 的注入速度開展CO2連續(xù)氣驅(qū)，每間隔5 min 后記錄產(chǎn)油量、產(chǎn)氣量和驅(qū)替壓差，直至出口端生產(chǎn)氣油比大于5 000 m3/m3，計算CO2連續(xù)氣驅(qū)的采收率、含水率和生產(chǎn)氣油比。

（3）設(shè)定氣水比為1∶1，注入段塞為0.10 PV，開展水-CO2交替注入共10 個輪次，每間隔5 min后記錄產(chǎn)油量、產(chǎn)氣量和驅(qū)替壓差，實驗結(jié)束后計算采收率、含水率和生產(chǎn)氣油比，分析CO2驅(qū)后水氣交替注入的驅(qū)替特征。

（4）更換巖心分別為3―10 號長巖心，重復(fù)步驟（1）―（3）。固定段塞尺寸0.10 PV，改變氣水比分別為2∶1、1.5∶1、1∶1 和1∶2，開展4 組WAG 驅(qū)實驗；同樣固定水氣比為1∶1，改變段塞尺寸分別為0.05、0.10、0.15 和0.20 PV，開展4 組WAG 驅(qū)實驗。通過8 組實驗，分析氣水比和段塞尺寸對WAG 驅(qū)增油效果的影響。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 CO2驅(qū)后WAG驅(qū)剩余油啟動機制

圖2 給出了Micro-CT 掃描后的巖心干樣、飽和油巖樣、CO2驅(qū)和后續(xù)WAG 驅(qū)的三維重建結(jié)果，巖心由孔隙、礦物和基質(zhì)組成（圖2（a）、（b）），去除基質(zhì)和礦物，干樣巖心的孔隙三維分布如圖2（c）所示，其孔隙數(shù)量和孔隙體積的分析結(jié)果如圖3 所示。干樣巖心中孔隙直徑分布范圍較廣，為（0，350］μm。從數(shù)量上看，（0，10］μm 孔徑和（10，30］μm 孔徑數(shù)量較多，比例分別為33.71%和33.58%，占總孔隙數(shù)量的2 3；然而，（180，350］和（100，180］μm 孔徑的孔隙體積比例接近86%，說明巖心孔隙體積主要由大孔道貢獻(xiàn)，這些大孔道也是CO2驅(qū)氣竄的潛在通道。

圖2 巖心Micro-CT三維重建圖像Fig. 2 Micro-CT 3D reconstructed core images

圖2（d）給出了巖樣飽和油的三維分布，其中綠色部分被束縛水占據(jù)，不同孔徑中巖心孔隙數(shù)量、體積及飽和油體積比例如圖3 所示。模擬油在大孔徑（180，350］μm 中的比例僅為32.89%，大部分被束縛水占據(jù)，說明巖心中的大孔喉呈現(xiàn)親水特性；（100，180］和（80，100］μm 孔徑區(qū)間內(nèi)，模擬油比例分別為74.57%和84.04%，潤濕性逐漸向中性潤濕或油濕轉(zhuǎn)變；在（60，80］、（40，60］和（30，40］μm 孔徑內(nèi)，模擬油比例達(dá)到了95%以上，其中（30，40］μm 孔徑內(nèi)更是達(dá)到了99.01%，說明此范圍內(nèi)的孔徑完全被模擬油占據(jù)，中孔徑偏油濕。在（10，30］和（0，10］μm 孔徑內(nèi)，模擬油比例分別降至84.97%和79.39%，分析可能由于模擬油分子較大，難以進(jìn)入此區(qū)間的孔徑內(nèi)，部分小孔徑被水分子占據(jù)。綜合各區(qū)間孔徑內(nèi)模擬油的潤濕性，先導(dǎo)試驗區(qū)儲層整體偏油濕。

圖2（d）―（f）分別給出了初始模擬油分布、CO2驅(qū)以及后續(xù)WAG 驅(qū)后的剩余油三維分布，隨著開發(fā)階段的進(jìn)行，巖樣中含油飽和度逐漸降低。圖4 定量給出了CO2驅(qū)和WAG 驅(qū)后不同孔徑范圍內(nèi)剩余油所占的體積。

圖4 CO2驅(qū)和WAG驅(qū)后剩余油體積分布jFig. 4 Volume distribution of remaining oil after CO2 flooding and WAG flooding

CO2連續(xù)氣驅(qū)后，孔徑為（180，350］μm 內(nèi)的模擬油全部被采出，孔徑為（100，180］μm 內(nèi)的模擬油也被動用了63.54%，說明CO2驅(qū)主要動用了大孔隙中的模擬油?？讖綖椋?0，100］、（60，80］、（40，60］和（30，40］ μm 內(nèi)的模擬油動用的比例分別為44.05%、45.45%、26.48%和12.14%，部分被動用；孔徑為（10，30］和（0，10］ μm 內(nèi)的模擬油體積反而增加，分析可能由于CO2的抽提作用，將模擬油中的輕質(zhì)組分帶至小孔隙中。

WAG 驅(qū)階段，各孔徑區(qū)間內(nèi)模擬油的體積進(jìn)一步降低，其中，孔徑為（100，180］μm 內(nèi)的模擬油體積僅為初始體積的21.95%，（80，100］、（60，80］、（40，60］μm 等中孔徑范圍內(nèi)的模擬油分別為初始體積的40.89%、38.70 和57.00%，較CO2驅(qū)后剩余油大幅度降低。（10，30］ 和（0，10］μm 內(nèi)模擬油的體積也較CO2驅(qū)后剩余油體積有所降低，說明WAG 驅(qū)不僅進(jìn)一步啟動了次級大孔隙（100~180 μm）中的剩余油，對中小孔隙中的剩余油也用不同程度的動用。

綜合實驗結(jié)果，認(rèn)為WAG 驅(qū)對CO2驅(qū)后的剩余油啟動機制有2 個方面：一是改善不利的油氣流度比、穩(wěn)定驅(qū)替前緣，即注入水延緩了CO2在大孔隙中的氣竄，迫使CO2進(jìn)一步驅(qū)掃大孔隙中的油膜、盲端油和孤島油；二是注入水提高了大孔隙中流體的滲流阻力，對高滲帶起到一定的封堵作用，迫使后續(xù)CO2段塞更多地進(jìn)入中小孔隙中啟動剩余油［18］。

2.2 CO2驅(qū)后WAG驅(qū)替特征

圖5 和圖6 給出2 號長巖心CO2驅(qū)和后續(xù)WAG驅(qū)的生產(chǎn)動態(tài)曲線。在CO2驅(qū)階段，初期采收率和驅(qū)替壓差隨著注入量的增加逐漸增大；當(dāng)注入量達(dá)到0.33 PV 時，CO2氣體沿大孔道突破，氣油比逐漸增加，采收率增幅放緩，驅(qū)替壓差也逐漸下降；當(dāng)氣油比升至5 000 m3/m3以上時，CO2驅(qū)采收率為47.95%，驅(qū)替壓差穩(wěn)定在0.37 MPa。注入氣體沿大孔道的竄流導(dǎo)致CO2無效循環(huán)，且采收率較低。

圖5 采收率和驅(qū)替壓差隨注入量變化（氣液比1∶1，段塞尺寸0.10 PV）Fig. 5 Variation of recovery and displacement pressure difference with injection PV(gas-liquid ratio = 1∶1, plug size = 0.10 PV)

在WAG 驅(qū)第1、2 輪次，采收率增幅較緩，水段塞注入時壓力增加，氣段塞注入時壓力降低，生產(chǎn)氣油比仍維持在較高水平，此時注入的水段塞在大孔道內(nèi)改善流度并逐漸封堵，為后續(xù)提高采收率作準(zhǔn)備；第3 個輪次后，由于水段塞在大孔道內(nèi)的流度改善和封堵作用起效，采收率增幅明顯加大，驅(qū)替壓差高于CO2連續(xù)氣驅(qū)壓差，生產(chǎn)氣油比也降低至較低水平；第4 至第10 輪次內(nèi)，水-氣段塞的交替注入在大孔道中形成了穩(wěn)定的液流轉(zhuǎn)向作用，驅(qū)替壓差始終高于CO2驅(qū)壓差，氣油比和含水率曲線呈周期性變化，采收率也逐漸增加。巖心最終采收率為66.63%，WAG 驅(qū)提高采收率18.68 百分點，增油效果顯著。

從上述實驗結(jié)果可知，在CO2驅(qū)后實施WAG驅(qū)，要至少經(jīng)過2 個交替周期、總注入量0.4 PV 以后才能見到采收率的大幅度上升，第3、4 輪次是主要增產(chǎn)階段，第5 輪次后，隨著水-氣段塞在出口端的突破，單輪次內(nèi)采收率增幅下降，直至第9輪次后趨于平穩(wěn)。

2.3 CO2驅(qū)后WAG驅(qū)參數(shù)優(yōu)化

圖7 和圖8 分別給出了WAG 驅(qū)不同氣水比和段塞尺寸條件下采收率隨注入量的變化，可知在CO2驅(qū)后，WAG 驅(qū)初期采收率增加不明顯，當(dāng)注入量達(dá)到0.4 PV 左右時采收率才大幅增加，與驅(qū)替特征實驗結(jié)果一致。也再次說明CO2驅(qū)后WAG驅(qū)提高采收率效果的體現(xiàn)存在“過渡期”，不宜在初期未見效果時判斷措施無效而終止實施。

圖7 不同氣水比條件下采收率隨注入量的變化Fig. 7 Variation of recovery with injection PV under different gas-water ratios

圖8 不同段塞尺寸條件下采收率隨注入量的變化Fig. 8 Variation of recovery with injection PV under different plug sizes

此外，由圖7 可知，氣水比增大，最終采收率先增后減，即氣水比過大或過小均不利于WAG 驅(qū)增油效果的發(fā)揮，氣水比大時氣竄快，氣水比小時CO2對中-小孔隙剩余油的動用有限，且會導(dǎo)致后期水竄現(xiàn)象加重。由圖8 可知，WAG 驅(qū)也存在一個最優(yōu)段塞尺寸，段塞尺寸過大，單周期內(nèi)容易發(fā)生氣竄或水竄，段塞尺寸過小，流度控制及動態(tài)封堵作用較弱，且CO2無法形成有效的氣流通道［19］。

綜上認(rèn)為，當(dāng)氣水比為1∶1、段塞大小為0.10 PV 時，CO2驅(qū)后WAG 驅(qū)在目標(biāo)區(qū)塊的提高采收率效果最好。

3 結(jié) 論

（1）特低滲透油藏CO2驅(qū)主要動用大孔隙中的原油，中孔隙原油部分被動用；后續(xù)WAG 驅(qū)不僅可啟動次級大孔隙中的剩余油，對中小孔隙的剩余油也有不同程度的動用。

（2）WAG 驅(qū)剩余油啟動機制：一是改善流度比、穩(wěn)定驅(qū)替前緣，迫使CO2驅(qū)掃大孔隙中的剩余油；二是注入水對高滲帶的封堵作用迫使CO2進(jìn)入中小孔隙中啟動剩余油。

（3）WAG 驅(qū)過程中水-氣段塞需要交替注入一定量后采收率才能大幅增加，氣水比1∶1、交替段塞0.10 PV 的WAG 驅(qū)采收率增幅主要由第3、4輪次貢獻(xiàn)。

（4）WAG 驅(qū)的氣水比和段塞尺寸不宜過大或過小，對目標(biāo)區(qū)塊優(yōu)化的氣水比和段塞尺寸分別為1∶1 和0.10 PV，10 輪次WAG 驅(qū)可在CO2驅(qū)的基礎(chǔ)上提高采收率18.68 百分點。