汪益寧，吳曉東 （石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 （中國石油大學(xué) （北京）），北京102249）

張少波 （中石化江漢油田分公司坪北經(jīng)理部，陜西 延安717408）

賴楓鵬 （中國地質(zhì)大學(xué) （北京）能源學(xué)院，北京100083）

滕蔓 （中海油服油技事業(yè)部科技部，河北 廊坊065201）

CO2驅(qū)油是油田三次采油中提高原油采收率的一項(xiàng)重要手段，通過向地層注入CO2氣體，降低原油黏度，達(dá)到提高原油采收率的目的[1]。在美國，CO2驅(qū)成為成長最快的提高采收率技術(shù)，自1980年起，熱采、化學(xué)驅(qū)等提高采收率技術(shù)的應(yīng)用快速下降，CO2驅(qū)的工程項(xiàng)目增加了3倍以上[2，3]。CO2驅(qū)的主要途徑是在地層高溫高壓條件下，通過原油體積膨脹和黏度降低——降黏效應(yīng)的非混相驅(qū)，即溶解氣驅(qū)；通過混相效應(yīng)在油藏中析取原油中的烴，即混相驅(qū)[4～8]。細(xì)管試驗(yàn)測試結(jié)果表明，大慶油田、長慶油田、吉林油田等油藏地層壓力系數(shù)多在0.8～1.1MPa/100m之間，2000m左右埋深原油在地層壓力20MPa下即使是純CO2也達(dá)不到混相。不同壓力下的細(xì)管試驗(yàn)測得在最小混相壓力為35～54MPa，油層混相壓力遠(yuǎn)高于地層壓力，因此只能重點(diǎn)考慮非混相驅(qū)。下面對特低滲透油層CO2非混相驅(qū)油試驗(yàn)進(jìn)行研究。

1 CO2驅(qū)滲流模型

1.1 CO2驅(qū)的基本滲流方程

低于最小混相壓力時，油相和CO2處于分離狀態(tài)，油、水、氣的滲流基本方程分別為[9，10]：

式中：Kro、Krw、Krg分別為油、水、氣相相對滲透率，為含油飽和度So、含水飽和度Sw的函數(shù)；Bo、Bg、Bw分別為油、氣、水相體積系數(shù)，為壓力p的函數(shù)；μo、μg、μw分別為油、氣、水相的黏度，mPa·s；φ為孔隙度，1；Rso、Rsw分別為CO2溶解氣油、氣水比，為壓力p的函數(shù)稱為哈米爾頓算子。

1.2 分流方程建立

垂向各向異性及重力分異作用修正的分流量計算理論，結(jié)合了Koval（1963）因子法核算不穩(wěn)定混驅(qū) （指進(jìn)），并將Koval方法擴(kuò)展應(yīng)用到表述重力分離的影響，同時參考了Paul等 （1984）利用特征值法計算一維分流量方程的解法[11]。

分流理論考慮非混相水（i＝1）出現(xiàn)時是由第一次接觸混相溶劑氣（i＝3）驅(qū)替的油相（i＝2）的。這些組分分布在水相（j＝1）和油相（j＝2）之間，其一維質(zhì)量守恒方程表示為：

其中，下標(biāo)D表示無量綱?？偟臐舛群头至髁糠謩e表示為：

方程（4）是基于理想混合、不可壓縮流體和巖石，忽略彌散效應(yīng)、毛管壓力和重力，忽略CO2在水中的溶解作用的假設(shè)。方程（4）表示為：

以方程（6）中參數(shù)的形式定義一個濃度速度，在附著條件下，各相的濃度速度是相等的：

在附著條件下對方程（7）求全導(dǎo)數(shù)，可表示為2個特征參數(shù)的特征值：

式中：F22、F33為組分2和組分3的分流量連續(xù)且可微的二階導(dǎo)數(shù)。

為了校正黏性指進(jìn)對分流理論的影響，改變方程（5）的定義為：

式中：K′＝ H[0.78＋0.22（μ2o/μ3o）1/4]4為 Koval因子；H 是非均質(zhì)因子，1；C為濃度，%；f為分流量，為單相流量與總流量的比值；Fi為組分i的總分流量，為i相體積流量與總體積流量的比值。

1.3 黏滯力與重力的影響

以反五點(diǎn)法井網(wǎng)為例，計算黏滯力和重力對各相滲流速度的影響。反五點(diǎn)法平均前緣速度為[11]：

根據(jù)達(dá)西定律，由于重力作用在垂向上產(chǎn)生的流體速度為Vv＝0.835×10－3KvΔρ/μc；在油層中垂向移動距離h所需時間tv＝h/Vv。因此，水平和垂向的時間比為：

式中：Δρ為水和CO2的密度差，g/cm3；μc為CO2黏度，mPa·s；h為油層厚度，m。

2 長6油層CO2驅(qū)油先導(dǎo)性試驗(yàn)效果分析

2.1 試驗(yàn)區(qū)基本情況

2002年底，在長慶油田坪北P12井區(qū)開展了長6油層CO2驅(qū)油現(xiàn)場試驗(yàn)。試驗(yàn)區(qū)含油面積0.43km2，地質(zhì)儲量16×104t，空氣滲透率0.18～1.78mD （平均1.4mD），有效孔隙度12.8%。2002年初，以200～300m井距 “一注四采”擬五點(diǎn)法井網(wǎng)投產(chǎn)5口井。為加快試驗(yàn)進(jìn)展，2004年8月又投產(chǎn)了井距80m的P12－5試驗(yàn)井。目前試驗(yàn)區(qū)有注氣井1口、生產(chǎn)井5口 （表1）。注氣井P12－6井，平均單井砂巖厚度8.3m，有效厚度6.7m；射開長61Ⅳ層，砂巖厚度10.3m，射開有效厚度6.0m，巖心空氣滲透率0.451～0.697mD，未壓裂直接投注。

表1 P12井區(qū)先導(dǎo)性試驗(yàn)區(qū)生產(chǎn)井、注氣井基礎(chǔ)地質(zhì)參數(shù)表

2.2 試驗(yàn)區(qū)注采情況

該區(qū)2002年12月投產(chǎn)，未壓裂的P12－6井于2003年3月開始注氣，注氣井初期日注氣3～5t；方案設(shè)計為連續(xù)注氣，但由于CO2氣供應(yīng)不足和控制氣竄實(shí)施了間歇注入，到2009年2月共注入7個階段，到2009年8月5個階段累計注入607d，累計注氣24755t（圖1），總計注入PV數(shù)0.495，平均注氣強(qiáng)度約為9.0t/（d·m）。在注入過程中初期注入壓力較高，2006年根據(jù)試驗(yàn)井組油井受效和見氣情況，改為周期注氣，之后整體注入壓力呈下降趨勢，在日注氣40t以上的情況下，注氣壓力由13.53MPa下降到11.5～12.0MPa （圖2）。

圖1 P12－6井累注氣量和日注氣量隨時間變化曲線

圖2 P12－6井注氣量壓力隨時間的變化曲線

該試驗(yàn)區(qū)初期有4口生產(chǎn)井，均壓裂投產(chǎn)，初期4口井日產(chǎn)油14.2t，平均單井日產(chǎn)油3.6t，綜合含水3.3%。2004年8月P12－5井未壓裂投產(chǎn)，初期日產(chǎn)油0.02t，含水10%。到2007年7月5口油井累計產(chǎn)油1.57×104t，除P12－5井因投產(chǎn)晚和未壓裂累計產(chǎn)油780t外，其他4口井累積產(chǎn)油均在2142～2824t之間，采出程度6.61%，綜合含水12.2%。此外，將CO2驅(qū)條件下的產(chǎn)量與相鄰井區(qū)水驅(qū)開發(fā)的產(chǎn)能動態(tài)進(jìn)行對比 （圖3、圖4），可見CO2驅(qū)具有產(chǎn)量遞減慢、含水上升速度慢的特點(diǎn)。

圖3 CO2驅(qū)與水驅(qū)單井平均日產(chǎn)油量對比曲線

圖4 CO2驅(qū)與水驅(qū)單井平均日產(chǎn)水量對比曲線

3 長6油層CO2吞吐試驗(yàn)

CO2吞吐采油技術(shù)的增油機(jī)理主要有降黏機(jī)理、膨脹機(jī)理、酸化解堵作用、形成混相流體以及改善油水流度比等作用。試驗(yàn)井區(qū)油層的油藏壓力多沒有達(dá)到混相壓力，所以形成混相的幾率極小。但油層中注入CO2后，會產(chǎn)生原油膨脹、黏度降低等作用，同時其表面張力發(fā)生變化，能夠增加原油的流動性。

2010年7～10月長慶油田坪北P20井區(qū)先后選擇了4口油井進(jìn)行CO2吞吐試驗(yàn)，統(tǒng)計2口井，平均單井液態(tài)CO2用量為28m3，初期采液強(qiáng)度提高1.07t/（d·m），日增油2.1t，平均單井累積增油125t。

4 CO2驅(qū)開發(fā)動態(tài)分析及預(yù)測

對CO2驅(qū)滲流模型求解，并進(jìn)行編程計算，輸入P12井試驗(yàn)區(qū)油藏及注入?yún)?shù)，可得到試驗(yàn)區(qū)平均單井日產(chǎn)油量、累計產(chǎn)油量的計算值等動態(tài)參數(shù) （圖5、6），計算值與實(shí)際值有較高的擬合精度。因此，利用滲流模型可預(yù)測今后一段時間的動態(tài)產(chǎn)能指標(biāo)。預(yù)測結(jié)果表明，到2012年末，即生產(chǎn)10年后，試驗(yàn)井組累計產(chǎn)油量將達(dá)到1.298×104t，采收率達(dá)到8.11%。與同類特低滲透油藏相比，開采指標(biāo)較高。

圖5 試驗(yàn)區(qū)平均單井日產(chǎn)油量預(yù)測

圖6 試驗(yàn)區(qū)累計產(chǎn)油量預(yù)測線

5 結(jié)論和認(rèn)識

通過CO2驅(qū)及吞吐采油技術(shù)的增油機(jī)理和滲流模型的研究，并總結(jié)現(xiàn)場試驗(yàn)效果，得出以下幾點(diǎn)認(rèn)識：

1）CO2吞吐提高采收率的主要機(jī)理是原油膨脹、黏度降低、相間界面張力降低，是一種非混相驅(qū)。

2）注氣壓力較低，油層吸氣能力較強(qiáng)，注CO2能在一定程度上解決特低滲透油藏注入難的問題。

3）采液強(qiáng)度相對較低，并且生產(chǎn)井含水在較低水平的井效果較好。與相鄰井區(qū)水驅(qū)開發(fā)的產(chǎn)能動態(tài)進(jìn)行對比，可見CO2驅(qū)具有產(chǎn)量遞減慢、含水低的特點(diǎn)。

4）利用預(yù)測模型預(yù)測了CO2驅(qū)條件下的產(chǎn)量，預(yù)測結(jié)果表明，生產(chǎn)10年后，試驗(yàn)井組的采收率達(dá)到8.11%，與同類特低滲透油藏相比，開采指標(biāo)較高。

5）在與注水井連通較差、不連通厚度較大或在斷層附近無法實(shí)施壓裂的油井可以進(jìn)行CO2吞吐試驗(yàn)。

[1]Randal M B，James D H，Oscar B A.Immiscible CO2flooding for increased oil recovery and reduced emissions[J].SPE59328，2000.

[2]Hurter S，Labregere D，Berge J.Simulations for CO2injection projects with compositional simulator[J].SPE108540，2007.

[3]Berenblyum R，Calderon G，Kollbotn L，et al.Modelling CO2injection：IOR potential after waterflooding [J].SPE113436，2008.

[4]郭慶安 .松南氣田注CO2驅(qū)油實(shí)驗(yàn)研究 [J].石油天然氣學(xué)報 （江漢石油學(xué)院學(xué)報），2010，32（4）：130～132.

[5]何應(yīng)付，周錫生，李敏，等 .特低滲透油藏注CO2驅(qū)油注入方式研究 [J].石油天然氣學(xué)報 （江漢石油學(xué)院學(xué)報），2010，32（6）：131～134.

[6]李成文 .注二氧化碳 （CO2）提高原油采收率 [J].國外油田工程，1994，（6）：1～4.

[7]劉洪濤，韓軍，孫建國，等 .低滲透窄薄砂體油藏CO2吞吐采油研究與應(yīng)用 [J].石油天然氣學(xué)報 （江漢石油學(xué)院學(xué)報），2005，27 （2）：389～391.

[8]王德民，張景存，李林，等 .國外三次采油技術(shù) [M].上海：上海交通大學(xué)出版社，1992.

[9]郎兆新 .油氣地下滲流力學(xué) [M].東營：石油大學(xué)出版社，2001.

[10]孔祥言 .高等滲流力學(xué) [M].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，1999.

[11]Paul G W，Lake L W.A simplified predictive model for CO2miscible flooding [J].SPE13238，1984.