特高含水油藏CO2微觀驅(qū)油機(jī)制

崔茂蕾, 王 銳, 呂成遠(yuǎn), 倫增珉,趙淑霞, 王友啟, 唐永強(qiáng)

(1.頁(yè)巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083; 2.中國(guó)石化海相油氣藏開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083; 3.中國(guó)石化石油勘探開發(fā)研究院,北京 100083)

CO2驅(qū)[1-4]可以在水驅(qū)的基礎(chǔ)之上提高采收率10%～20%[5-7],在低滲透油藏提高采收率方面的應(yīng)用也很有前景[8-11]。向油藏中注CO2不僅能夠驅(qū)替地下原油,而且還能起到有效埋存CO2的效果[12]。中國(guó)大多數(shù)油藏已經(jīng)進(jìn)入高含水甚至特高含水階段,化學(xué)驅(qū)技術(shù)是水驅(qū)開發(fā)后期穩(wěn)產(chǎn)的主要技術(shù)手段。雖然耐溫抗鹽聚合物驅(qū)體系不斷涌現(xiàn),但在高溫高鹽油藏中并未得到廣泛應(yīng)用[13]。包括CO2驅(qū)在內(nèi)的氣驅(qū)技術(shù)在高溫高鹽油藏中具有較好的適應(yīng)性。目前在大慶油田、吉林油田、草舍油田和中原油田都開展了CO2驅(qū)礦場(chǎng)試驗(yàn)[14-17]。筆者針對(duì)中原油田濮城沙一下特高含水油藏開展的CO2混相驅(qū)礦場(chǎng)試驗(yàn),結(jié)合特高含水階段微觀剩余油分布特點(diǎn),揭示特高含水條件下CO2驅(qū)微觀驅(qū)油機(jī)制。

1 實(shí)驗(yàn)原理

圖2 CO2驅(qū)過(guò)程中的油水氣接觸Fig.2 Process of oil-water-CO2 interaction

特高含水期微觀剩余油主要呈不連續(xù)網(wǎng)絡(luò)狀分布,多位于小孔喉部位和孔隙內(nèi)壁[18](圖1),由于巖石孔喉結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,水驅(qū)后形成了不同類型的剩余油。在CO2注入過(guò)程中,水的存在使CO2與剩余油接觸過(guò)程變化更加復(fù)雜[7](圖2)。在已有對(duì)剩余油特征描述的基礎(chǔ)上,建立特高含水條件下CO2微觀驅(qū)油機(jī)制實(shí)驗(yàn)研究方法,開展水驅(qū)后CO2驅(qū)微觀可視化實(shí)驗(yàn)研究。認(rèn)清CO2-油-水間復(fù)雜的接觸和溶解過(guò)程,分析水對(duì)CO2與原油接觸過(guò)程和溶解規(guī)律的影響。

2 實(shí)驗(yàn)步驟

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用自主研發(fā)的高溫高壓微觀可視化裝置,主要由注采系統(tǒng)、帶有藍(lán)寶石視窗的高溫高壓加持系統(tǒng)和圖像采集及分析系統(tǒng)3部分組成。注采系統(tǒng)包括控制模型圍壓和回壓的ISCO和Quizix高精度流量泵以及流量控制精度為0.01 mL/min的微流量回壓閥。高溫高壓加持系統(tǒng)的工作溫度為0～300 ℃,最高工作壓力為70 MPa。圖像采集及分析系統(tǒng)包括Phantom Miro M320S數(shù)字高速攝像機(jī)和圖像分析軟件,拍攝精度達(dá)到1 320幀/s,能夠捕捉CO2與剩余油瞬間的接觸方式和整個(gè)接觸過(guò)程;利用圖像識(shí)別技術(shù)計(jì)算階段原油采收率。圖3和圖4分別給出了微觀實(shí)驗(yàn)流程示意圖和可視化實(shí)驗(yàn)裝置圖。

圖3 微觀模擬實(shí)驗(yàn)流程Fig.3 Microscopic simulation process

圖4 高溫高壓可視化裝置Fig.4 Device of HPHT for CO2 displacement

2.2 模 型

目前常見(jiàn)的描述水驅(qū)剩余油類型包括盲端剩余油、孤島狀剩余油、膜狀剩余油、簇狀或柱狀剩余油等。根據(jù)剩余油形成機(jī)制及其賦存狀態(tài)抽提出3種理想模型,利用鑄體薄片和激光刻蝕技術(shù)制作成玻璃刻蝕模型。圖5給出了3種理想剩余油模型(盲端剩余油、孤島狀剩余油以及簇狀剩余油)和多孔介質(zhì)模型。

圖5 特高含水期微觀剩余油類型Fig.5 Type of residual oil at super water cut stage

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)模型抽真空和飽和。將模型水平置于加持系統(tǒng)中,對(duì)模型抽真空后飽和煤油,將模型的溫度和壓力逐步升至原始地層條件,再向模型飽和目標(biāo)油藏的含氣原油(活油)。其中,油層溫度為82.5 ℃,礦化度為240 g/L,地層水黏度為0.5 mPa·s,滲透率為0.69 μm2, 地下原油黏度為1.74 mPa·s,CO2-原油最小混相壓力為18～20 MPa,綜合含水率為98.2%,地層壓力為20.2 MPa。

(2)水驅(qū)過(guò)程。設(shè)定模型出口處的回壓閥壓力,利用ISCO泵恒壓模式向模型注入端注水,保證注入量在0.05 mL/min。水驅(qū)至模型的采出端不含油氣為止。

(3)CO2注入過(guò)程。相同的注入方式向模型注入端注入CO2,捕捉并記錄CO2與油、水的微觀作用時(shí)間和剩余油變化。

(4)不同壓力注入CO2。重復(fù)(1)～(3),改變注入端壓力和回壓,分別捕捉并記錄CO2與油水的微觀作用時(shí)間和剩余油變化。

(5)數(shù)據(jù)處理。通過(guò)捕捉不同時(shí)刻CO2與油水接觸瞬間,研究接觸時(shí)間與剩余油的變化規(guī)律,分析水對(duì)CO2與原油接觸過(guò)程的影響。結(jié)合圖像分析軟件,計(jì)算不同驅(qū)替階段的原油采收率。

3 結(jié)果分析

3.1 不同剩余油類型微觀驅(qū)油機(jī)制

圖6為注入壓力大于最小混相壓力(18～20 MPa)情況下,不同驅(qū)替階段結(jié)束后3種理想模型剩余油分布規(guī)律?？梢钥闯?簇狀模型中水驅(qū)剩余油以旁通、孤立油滴以及油膜的形式賦存于小、大孔喉中,CO2注入后首先發(fā)揮驅(qū)替作用,將大、小孔喉中的旁通和孤立油滴驅(qū)替出來(lái),隨后CO2逐漸溶解于孔壁處的油膜中,并將輕質(zhì)組分抽提出來(lái),在不斷的溶解和抽提作用下達(dá)到混相狀態(tài)。孤島模型中水驅(qū)形成水流通道,剩余油以孤島的形式賦存在擴(kuò)徑角隅處;CO2注入后首先將水驅(qū)替出去,驅(qū)替過(guò)程中會(huì)攜帶部分剩余油,隨后CO2會(huì)透過(guò)水膜進(jìn)入原油中,在CO2的溶解和抽提作用下,剩余油逐漸被驅(qū)替出來(lái)。盲端模型中剩余油被一段水膜封閉在盲端內(nèi)部,在擴(kuò)散作用下CO2能夠透過(guò)水膜溶解于原油中,使原油體積膨脹,剩余油厚度不斷增加,水膜厚度逐漸降低,最終CO2與剩余油直接接觸。在抽提作用下CO2逐漸將盲端剩余油驅(qū)替出來(lái),在此過(guò)程中CO2的溶解和抽提作用發(fā)揮了主要作用。

3.2 壓力對(duì)微觀作用過(guò)程的影響

圖7給出了不同注入壓力下CO2與盲端剩余油微觀混相作用過(guò)程。由圖可知,注入壓力越高,CO2溶解抽提能力越強(qiáng),盲端剩余油顏色越深、組分越重。當(dāng)注入壓力(25 MPa)大于混相壓力時(shí),注氣11 min后盲端剩余油幾乎全部被驅(qū)替出來(lái),即CO2與原油達(dá)到了混相狀態(tài)。當(dāng)注入壓力(20 MPa)在混相壓力附近時(shí),注氣36 min后盲端剩余油幾乎全部被驅(qū)替出來(lái),與25 MPa的注入壓力相比,雖然20 MPa同樣能夠達(dá)到混相狀態(tài),但達(dá)到混相狀態(tài)的時(shí)間明顯延長(zhǎng),說(shuō)明當(dāng)注入壓力大于最小混相壓力時(shí),混相壓力越高越容易達(dá)到混相,并以溶解抽提作用機(jī)制為主。當(dāng)注入壓力(15 MPa)小于最小混相壓力時(shí),無(wú)論驅(qū)替多長(zhǎng)時(shí)間CO2都不能完全驅(qū)替出盲端剩余油,即不能達(dá)到混相狀態(tài)。通過(guò)逐漸加壓至約18.4 MPa時(shí),盲端剩余油逐漸被驅(qū)替出來(lái),說(shuō)明當(dāng)注入壓力小于最小混相壓力時(shí),溶解抽提作用效果減弱。因此,在特高含水油藏開展CO2驅(qū)過(guò)程中,適當(dāng)增加注氣壓力能夠提高CO2混相驅(qū)油效果。

圖6 不同剩余油類型特高含水期CO2與原油微觀作用過(guò)程Fig.6 Process of interaction between oil and CO2 at super water cut stage

圖7 不同注入壓力CO2與盲端剩余油的混相作用Fig.7 Process of displacement in different pressure

3.3 含水對(duì)微觀作用過(guò)程的影響

3.3.1 水膜對(duì)驅(qū)油效果的影響

圖8和圖9分別為注入壓力(大于最小混相壓力),在有水膜和沒(méi)有水膜的條件下CO2與盲端剩余油的微觀作用過(guò)程。在沒(méi)有水膜的情況下,整個(gè)驅(qū)替過(guò)程包括3個(gè)階段:①溶解過(guò)程。隨著CO2的不斷注入,越來(lái)越多的CO2逐漸溶解于原油中,直至飽和狀態(tài);②抽提過(guò)程。飽和狀態(tài)下CO2逐漸抽提盲端剩余油中的輕質(zhì)組分,并被驅(qū)替出來(lái);③混相過(guò)程。CO2與剩余油如此反復(fù)的溶解和抽提過(guò)程,最終達(dá)到混相狀態(tài),并被完全驅(qū)替出來(lái)。

當(dāng)存在水膜時(shí),整個(gè)驅(qū)替過(guò)程包括4個(gè)階段:①溶解過(guò)程,與上述過(guò)程不同的是,CO2首先與水膜接觸,并溶解于水膜中;隨著CO2的不斷注入,溶解于水膜中的CO2逐漸增加,并穿透水膜溶解于原油中,隨著CO2注入量的不斷增加,溶解于原油中的CO2越來(lái)越多;②原油膨脹過(guò)程。隨著剩余油中溶解的CO2量越來(lái)越多,原油體積不斷膨脹,水膜逐漸變薄,最終CO2突破水膜與剩余油直接接觸;③CO2抽提原油過(guò)程,CO2與剩余油直接接觸后,CO2溶解于原油中,原油中的輕質(zhì)組分不斷抽提到CO2中,CO2與原油很快達(dá)到混相狀態(tài),并逐漸抽提原油中的輕質(zhì)組分,剩余組分顏色逐漸變深,組分逐漸變重;④凝析過(guò)程。當(dāng)抽提出的輕質(zhì)組分在采出過(guò)程中遇到水膜時(shí),在水膜表面發(fā)生凝析現(xiàn)象,但隨后與后續(xù)的CO2再一次達(dá)到混相,最終被驅(qū)替出來(lái)。整個(gè)驅(qū)替過(guò)程中,CO2與原油發(fā)生了反復(fù)的溶解、抽提、凝析過(guò)程,并最終達(dá)到混相驅(qū)替效果。水膜的存在不僅延緩了CO2與剩余油的微觀接觸,而且使二者的接觸過(guò)程更加復(fù)雜化。

圖8 無(wú)水膜條件下CO2與原油作用過(guò)程Fig.8 Process of interaction between CO2 and oil without water film

3.3.2 水膜厚度對(duì)驅(qū)油效果的影響

為了量化研究水膜對(duì)驅(qū)油效果的影響,開展不同水膜厚度對(duì)CO2與原油微觀作用過(guò)程的影響研究。圖10為不同水膜厚度條件下CO2與原油的微觀作用過(guò)程。

圖9 有水膜條件下CO2與原油作用過(guò)程Fig.9 Process of interaction between CO2 and oil with water film

圖10 不同水膜厚度CO2與原油微觀作用過(guò)程Fig.10 Process of interaction between CO2 and oil with different water film

左側(cè)水膜附著在盲端外部(出口)的壁面,厚度較小(無(wú)法測(cè)量)。由左側(cè)的CO2與原油接觸過(guò)程可知,當(dāng)水膜以壁面附著的形式存在時(shí),CO2與原油接觸過(guò)程包括溶解、抽提、凝析并最終達(dá)到混相,從溶解到混相的時(shí)間為106 min。圖10中右側(cè)水膜以柱狀的形式存在,水膜的厚度為300 μm,與左側(cè)相比,CO2與原油接觸過(guò)程更加復(fù)雜,接觸過(guò)程經(jīng)歷了溶解、膨脹、抽提、凝析并最終達(dá)到混相,從溶解到混相的時(shí)間為388 min,其中CO2穿透水膜的時(shí)間為155 min。雖然不同水膜厚度CO2與原油最終都達(dá)到了混相狀態(tài),但水膜存在還是明顯的延緩了二者的混相過(guò)程,而且水膜厚度越大混相時(shí)間越長(zhǎng)。

水對(duì)混相過(guò)程的延緩作用可以分為2個(gè)方面:

一是水膜對(duì)CO2的屏蔽作用,表現(xiàn)在CO2進(jìn)入剩余油前穿透水膜的時(shí)間(155 min);另一個(gè)是水膜對(duì)富化CO2的凝析作用,表現(xiàn)在CO2在反復(fù)溶解和抽提原油后遇到水膜而發(fā)生凝析的現(xiàn)象,這兩方面的作用延長(zhǎng)了CO2與原油的混相過(guò)程。在CO2注入過(guò)程中,建議采用低速的注入方式:一方面在發(fā)生氣竄前增加CO2與原油的接觸時(shí)間,保證更多的CO2能夠透過(guò)水膜進(jìn)入原油中,提高注入CO2的有效利用率;另一方面有利于延緩氣竄,擴(kuò)大氣驅(qū)波及體積。

在特高含水油藏開展CO2驅(qū)過(guò)程中,為了充分發(fā)揮CO2混相驅(qū)效果,實(shí)施高壓低速的注入方式能夠有效提高CO2混相驅(qū)采收率。

3.4 多孔介質(zhì)微觀驅(qū)油效果評(píng)價(jià)

在多孔介質(zhì)仿真模型中分別開展水驅(qū)、水驅(qū)后CO2驅(qū)微觀實(shí)驗(yàn)。利用圖像分析軟件對(duì)微觀模型中的剩余油進(jìn)行識(shí)別并定量計(jì)算。由圖11可知,水驅(qū)后模型分布大量的剩余油,計(jì)算的水驅(qū)采收率為38%;水驅(qū)后開展低于最小混相壓力的CO2驅(qū),氣驅(qū)結(jié)束后采收率提高了16%;隨后提高注氣壓力至25 MPa(大于混相壓力),升壓氣驅(qū)結(jié)束后,氣驅(qū)采收率進(jìn)一步提高了40%,最終采收率為94%。說(shuō)明特高含水油藏開展CO2混相驅(qū)能夠進(jìn)一步提高原油采收率。

圖11 不同驅(qū)替過(guò)程剩余油分布及識(shí)別Fig.11 Distribution and calculation of residual oil after water or CO2 flooding

4 CO2穿透水膜理論計(jì)算

實(shí)驗(yàn)表明,特高含水條件下CO2能夠透過(guò)水膜與剩余油接觸。根據(jù)費(fèi)克第二定律,假設(shè)水膜一側(cè)為單組分,另一側(cè)該組分濃度為0,推導(dǎo)得到該組分通過(guò)擴(kuò)散作用穿透水膜的時(shí)間,Tamimi等[19]修正了油藏條件下CO2在地層水中擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算公式:

(1)

(2)

式中,Lw為水膜厚度,m;Dw為CO2在水中的擴(kuò)散系數(shù),m2/s;SPw為CO2在水中的溶解度,m3/m3;μw為地層水的黏度,mPa·s;T為油藏溫度,K。

經(jīng)過(guò)計(jì)算,在油藏條件下CO2在水中的擴(kuò)散系數(shù)約為0.04×10-9m2/s;侯大力等[20]提出了高溫高壓下CO2在水中溶解度的理論模型,計(jì)算出油藏條件下CO2在水中的溶解度約為25 m3/m3。將參數(shù)帶入式(1),水膜厚度為300 μm,計(jì)算CO2穿透水膜的時(shí)間約為150 min與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

針對(duì)CO2穿透水膜進(jìn)入油相使原油體積膨脹,水膜變薄后油氣接觸的實(shí)際情況,繪制了CO2與油水接觸示意圖,見(jiàn)圖12。根據(jù)費(fèi)克第一定律、CO2在原油中的溶解膨脹性質(zhì)和質(zhì)量守恒方程,得到表征該機(jī)制的方程組:

(3)

式中,Co(t)為CO2在油中的濃度,mol/m2;Cg(t)為驅(qū)替介質(zhì)中的CO2濃度,mol/m2。

圖12 CO2-油水接觸示意圖Fig.12 Diagram of CO2-oil-water

圖13為油、水膜厚度隨時(shí)間的變化曲線，計(jì)算出的油膜和水膜厚度變化規(guī)律與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果基本一致。

圖13 油-水膜厚度隨時(shí)間的變化曲線Fig.13 Thickness change of water-oil film with time

5 結(jié) 論

(1)特高含水油藏CO2微觀驅(qū)油機(jī)制實(shí)驗(yàn)研究方法首次采用基于不同類型水驅(qū)剩余油特點(diǎn)的微觀玻璃刻蝕模型,應(yīng)用自主研發(fā)的高溫高壓微觀可視化實(shí)驗(yàn)裝置,保證了耐溫(300 ℃)、耐壓(70 MPa)、高精度視頻捕捉能力(1 320 幀/s)的實(shí)驗(yàn)要求,觀察并研究了CO2注入過(guò)程中與水驅(qū)剩余油瞬間的接觸方式和過(guò)程。

(2)盲端剩余油驅(qū)油機(jī)制以溶解抽提為主,驅(qū)替為輔;孤島剩余油和簇狀剩余油驅(qū)油機(jī)制以驅(qū)替為主,溶解抽提為輔。

(3)在特高含水條件下,水膜延緩了CO2與原油的接觸過(guò)程,增大了混相難度,使得驅(qū)油過(guò)程延長(zhǎng),水膜厚度越大,達(dá)到混相的時(shí)間越長(zhǎng)。通過(guò)建立的CO2穿透水膜時(shí)間模型和CO2作用過(guò)程中油水膜厚度變化模型,計(jì)算出時(shí)間和厚度變化規(guī)律與實(shí)驗(yàn)結(jié)果保持一致。

(4)在特高含水油藏實(shí)施CO2驅(qū)過(guò)程中,采用高壓低速注氣方式,不僅能夠提高CO2與原油的混相程度,而且在氣體突破前保證更多的CO2溶解于原油中,從而提高水驅(qū)后CO2驅(qū)油效果。

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