張剛 王維釗 閆建偉

摘要：頁巖油藏的低采收率和巨大的頁巖油儲量激發(fā)了我們努力研究增強(qiáng)油采方法在頁巖油藏中的應(yīng)用。最近的數(shù)值研究表明，循環(huán)注氣可以是提高頁巖油儲層采收率的有效方法，可以緩解氣竄現(xiàn)象。本文介紹了我們的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和量化方法，以通過頁巖油藏中的循環(huán)注氣提高采收率。使用了Barnett，Marcos和Eagle Ford頁巖的巖心塞。所使用的油是礦物油（Soltrol 130），采用氮?dú)庾鳛轵?qū)氣。實(shí)驗(yàn)中使用未破裂的巖心。研究了循環(huán)時(shí)間和注入壓力對油采收率的影響，以及其他參數(shù)。我們的結(jié)果還表明，取決于注入壓力和頁巖巖心類型，循環(huán)氣注入可將采收率從10%提高到50%。這項(xiàng)研究表明，循環(huán)氣體注入的重要機(jī)制之一是在生產(chǎn)階段引起大壓降的壓力效應(yīng)。循環(huán)注氣為改善頁巖儲層中的油采收率提供了有效而實(shí)用的方法，因?yàn)樗璧臍怏w可在富含液體的頁巖層中獲得。

關(guān)鍵詞：頁巖原油;采收率;循環(huán)注氣;氣體驅(qū)動(dòng)

中圖分類號：TE341

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）12-0127-05

0 引言

利用傳統(tǒng)工業(yè)方法從油層中開采石油的效果在世界范圍內(nèi)被認(rèn)為是不令人滿意的，而石油產(chǎn)品的消費(fèi)量每年都在增長。因此，應(yīng)用提高采收率技術(shù)，可以大幅度提高已開發(fā)油藏的采收率，隨著技術(shù)的進(jìn)步、非常規(guī)資源油氣產(chǎn)量的下降和燃料需求的增加，我們將研發(fā)重點(diǎn)轉(zhuǎn)向非常規(guī)資源，如果不進(jìn)行大規(guī)模增產(chǎn)處理或?qū)嵤?qiáng)化采油工藝，非常規(guī)油藏就無法以經(jīng)濟(jì)流量生產(chǎn)以及先進(jìn)的技術(shù)。大規(guī)模的增產(chǎn)措施是從這些儲層中有效開采石油的主要解決方案。

為了研究在頁巖油氣藏上采用提高采收率方法的可行性，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，探索了在頁巖油氣藏上實(shí)施huff-n-puff方法的可能性，并探討了關(guān)鍵參數(shù)對該技術(shù)成敗的影響。通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究了循環(huán)各種氣體的初始生產(chǎn)潛力。

1 常規(guī)IOR和EOR方法

常規(guī)IOR和EOR方法是指為提高或提高常規(guī)油藏的采收率而開發(fā)的方法，包括二次和三次采油方法。一般而言，在二次水驅(qū)或氣驅(qū)（即限制ior方法）后，常規(guī)油藏的RFs可從約20%提高到約35%-45%。三次采油或提高采收率方法是指利用物理、化學(xué)、生物技術(shù)從成熟油田經(jīng)濟(jì)地回收碳?xì)浠衔锏姆椒ǎā滦钥刂?、化學(xué)驅(qū)油、二氧化碳提高采收率以及目前大多數(shù)采用納米粒子的技術(shù)。一般來說，采用三次提高采收率方法，常規(guī)油田的采收率可進(jìn)一步提高5-20%。

1.1 水驅(qū)法

一次采油后，通常注入水以補(bǔ)充儲層能量和驅(qū)替剩余油。研究了水驅(qū)的波及效率和驅(qū)替效率。掃描效率很大程度上取決于遷移率：

其中v是間隙速度，μ是流體動(dòng)力粘度，σ是界面張力（IFT）。原油采收率隨Ca的增加而增加，建議動(dòng)員原油時(shí)Ca應(yīng)大于10^-5。假設(shè)流速為10^-6m/s，水粘度為10^-3pa/s，IFT為25mN/m，Ca為4×10^-8，此時(shí)孔隙中的油幾乎是不流動(dòng)的。如果注入表面活性劑溶液，例如石油磺酸鹽，可以將IFT降低到10^-2，那么Ca可以降低到10^-4，然后大約一半的油可以被回收。

宏觀上，由于注入水比一般油藏油重、粘度小，水驅(qū)存在重力分異和指進(jìn)問題，導(dǎo)致早期突破。儲層的非均質(zhì)性和天然裂縫可能進(jìn)一步降低波及效率，使水通過儲層的高滲透部分并形成以水為主的通道。

1.2 氣驅(qū)法

注氣作為美國一種主要的提高采收率方法，通常采用CO2、N2或天然氣在im混相或混相條件下驅(qū)油。與水驅(qū)相比，注氣具有更高的驅(qū)油效率，適用范圍更廣，特別適用于低滲透稠油油藏。不混相注氣的主要采油機(jī)理是補(bǔ)充儲層壓力，使油向生產(chǎn)井方向驅(qū)油，使氣溶于油相，使其輕而不粘。對于混相過程，除上述機(jī)理外，注入氣與油之間的界面張力顯著降低甚至消除，從而顯著提高微觀驅(qū)油效率。

混相注氣要求井下壓力高于最小混相壓力（MMP），最小混相壓力可通過小管試驗(yàn)或上升氣泡試驗(yàn)確定。除極高壓儲層外，注入氣在與儲層流體初次接觸時(shí)不能達(dá)到混相，而是在流動(dòng)過程中逐漸從油相中抽出較輕組分，經(jīng)過多次接觸后最終與油混相。在多接觸過程中，由于注入井和混相帶之間存在兩相區(qū)，仍有相當(dāng)多的油被捕獲。

由于天然氣與原位烴的配伍性，在較低的壓力下可以實(shí)現(xiàn)混相。一種有效的天然氣注入技術(shù)是回收采出的天然氣以保持儲層壓力。在注入之前，從表面產(chǎn)生的氣體中除去重組分（C3+）和水。

混相驅(qū)雖然可以消除孔隙尺度的毛管力，但混相驅(qū)仍不能達(dá)到理想的波及效果。宏觀尺度上的儲層非均質(zhì)性可誘導(dǎo)成象和成網(wǎng)，使低粘混相在高滲透層中形成較好的流動(dòng)通道。通過建立三相組分模型，研究非均質(zhì)性對混相氣驅(qū)的影響，發(fā)現(xiàn)即使是微非均質(zhì)性氣藏，也會出現(xiàn)明顯的成象現(xiàn)象。一旦混相通道穿過高滲透帶，就會留下一定數(shù)量的原地流體。

1.3 水氣交替驅(qū)動(dòng)法

另一種有效的注入氣流度控制方法是水氣交替，即先注氣后注水。這個(gè)替代序列可以重復(fù)幾次。注入氣段塞與前緣油氣藏形成混相帶，而水段塞則改變了氣藏的注入剖面，阻止了氣藏的指進(jìn)和竄出。水氣交替驅(qū)動(dòng)已成為提高氣驅(qū)波及效率的有效技術(shù)。韓和顧在Bakken致密巖心上實(shí)驗(yàn)優(yōu)化了CO2-水交替注入段塞尺寸和注入比例。

低鹽度水也被用于水氣交替，稱為低鹽度水CO2驅(qū)氣交替驅(qū)動(dòng)，通過一系列進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了低鹽度水CO2驅(qū)氣交替驅(qū)動(dòng)的可行性和性能。本質(zhì)上，低鹽度水CO2驅(qū)氣交替驅(qū)動(dòng)結(jié)合了低鹽度水驅(qū)和CO2氣驅(qū)的優(yōu)點(diǎn)。低鹽度水提高了微觀效率，CO2氣驅(qū)提高了宏觀效率。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

在我們的研究中使用了3種不同的頁巖巖芯：Bamett、Marcos和Engle Ford，直徑為1.5英寸，長度為2英寸。使用礦物油溶劑130。在對每個(gè)芯進(jìn)行每個(gè)實(shí)驗(yàn)之前，對芯進(jìn)行命名和干燥稱重，然后抽真空3d。之后，他們被溶劑130浸透。堆芯在2000psig高壓下飽和48h。圖1顯示了飽和過程中使用的設(shè)置。用飽和重量與干重之差除以溶劑130的密度，計(jì)算每個(gè)巖心中的飽和油體積。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，溫度保持在35℃。在巖心飽和并記錄濕重后，將其放人巖心夾持器中，并開始huff-n-puff程序。

循環(huán)CO2已經(jīng)引起了人們的廣泛關(guān)注，然而，在大多數(shù)情況下，CO2的購買和注入成本太高，工藝不經(jīng)濟(jì)，或者由于某些領(lǐng)域缺乏管道設(shè)備系統(tǒng)而無法輸送CO2。因此，我們在研究中使用了氮，因?yàn)樗某杀竞陀行远己艿?。但是，在今后的工作中將進(jìn)行CO2循環(huán)注入實(shí)驗(yàn)，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)有工作進(jìn)行比較。

2.2 巖心驅(qū)油裝置

實(shí)驗(yàn)裝置的原理圖如圖2所示，主要組成如下：三個(gè)高壓不銹鋼芯子夾持器、二通和三通閥、頁巖芯子、氮?dú)夂投趸间撈俊⒁粋€(gè)壓力調(diào)節(jié)器和一個(gè)控制溫度的大烘箱。三個(gè)壓力計(jì)，直接連接到核心保持架的頂部，用于記錄每個(gè)實(shí)驗(yàn)中核心周圍的壓力。它們還用于觀察浸泡或關(guān)井后的壓力損耗。

2.3 Huff-n-puff程序

本研究所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)旨在模擬典型的噴氣過程中發(fā)生的序列。在注氣階段，從三個(gè)巖心保持器（包括飽和巖心）的增壓開始進(jìn)行吞吐操作。浸泡一段時(shí)間后，氣體可以溶解到油中。最后，在背壓罩控制的生產(chǎn)階段（吹氣階段），堆芯保持器發(fā)生減壓。所有步驟均在35℃恒溫下進(jìn)行。所研究的壓力范圍包括不混溶（低壓）和接近混溶條件（高壓）。為了研究操作壓力對最終回收率的影響，采用了1000Psi、2000Psi、3000Psi、3500Psi的均熱壓力。同時(shí)，研究了不同浸泡時(shí)間對浸泡時(shí)間的影響。

3 結(jié)果與討論

為了評價(jià)頁巖氣循環(huán)注入的可行性，研究了操作壓力對頁巖氣吞吐采氣工藝性能的影響。將低壓注氮（即不混溶條件）與近混溶情況進(jìn)行了比較。

3.1 工作壓力的影響

表1和表2包括不同工作壓力下Bamett和Marcos頁巖巖芯氮?dú)馔掏鹿に嚨幕厥障禂?shù)。堆芯在IOOOPsi、2000Psi、3000Psi和3500Psi壓力下與氮?dú)饨佑|，ld的關(guān)井期，然后是生產(chǎn)期。在相同壓力下重復(fù)該工藝，但關(guān)井周期改為2d和3d，以考察關(guān)井周期對循環(huán)過程操作壓力性能的影響。不同壓力下的采收率比較清楚地表明，當(dāng)操作壓力從lOOOPsi（即不混相條件）改變?yōu)槲覀冋J(rèn)為在3000Psi操作壓力下幾乎可混相時(shí)，石油產(chǎn)量急劇增加。

結(jié)果表明，巴內(nèi)特頁巖巖芯的采收率由1000psi時(shí)的6.5%提高到3000psi時(shí)的14.91%，由1000psi時(shí)的7.53%提高到了20.65%。此外，使用Marcos頁巖巖芯的結(jié)果表明，使用1d關(guān)閉期，回收率從1000psig時(shí)的約8.38%增加到3000psi時(shí)的約13.5%，使用3d關(guān)閉期，從1000psi時(shí)的9%增加到3000psi時(shí)的19.59%。圖3和圖4中的曲線表明，在接近混相條件的壓力下注入氮?dú)鈱ψ罱K采收率有很大影響。然而，從這些數(shù)據(jù)來看，不同壓力下的采收率差異似乎更為明顯。這些數(shù)據(jù)表明，再增壓是氮?dú)馔掏逻^程中的重要采油機(jī)理。這一觀察結(jié)果與我們研究小組的模擬研究得出的一個(gè)結(jié)論相一致。

3.2 浸泡時(shí)間的影響（關(guān)井時(shí)間）

為了研究關(guān)井時(shí)間對吞吐過程的影響，將巖心置于不同的操作壓力下，固定壓力，改變關(guān)井時(shí)間。表3說明了浸泡期對回收率的影響結(jié)果。在1000psig的不混溶條件下，即使浸泡時(shí)間從2d變?yōu)?d或4d，浸泡時(shí)間也不會影響回收率。當(dāng)壓力達(dá)到接近混相狀態(tài)時(shí)，關(guān)井期的影響較小。3000psig浸泡時(shí)間由1d改為3d時(shí)，回收率提高到5%左右。同時(shí)R.F也從停產(chǎn)一天的13.5%上升到停產(chǎn)五天后的22.46%。這意味著，當(dāng)操作壓力達(dá)到需要更多關(guān)井時(shí)間的混相條件時(shí)，均熱期確實(shí)會影響采收率。結(jié)果還表明，在接近混相的條件下，關(guān)井5d后，采收率趨于穩(wěn)定。用Bamett和Marcos頁巖巖心觀察到了類似的結(jié)果。

3.3 循環(huán)次數(shù)的影響

圖4在2000Psig的工作壓力下，生產(chǎn)峰值在第一個(gè)循環(huán)中為11.23%，并在每個(gè)循環(huán)中以平均3%的速度增加，直到在第七個(gè)循環(huán)后以平均32.5%的速度達(dá)到平衡。圖5在接近可混相條件3500Psig的壓力下，采油高峰出現(xiàn)在第一和第二個(gè)循環(huán)，第二個(gè)循環(huán)后開始略微增加2%或更少，直到第六個(gè)循環(huán)后穩(wěn)定下來，平均值分別為32.15%、56.26%和71.2%，如表5所示。工作壓力對采出油量的影響也影響到提取最高油量所需的循環(huán)次數(shù)。

4 結(jié)語

1）氮?dú)庋h(huán)注氣工藝可作為提高頁巖裂縫性油藏采收率的有效手段。

2）當(dāng)注入壓力接近氮?dú)饣煜鄺l件時(shí)，室內(nèi)平均采收率較高。

3）在接近混相的條件下，原油采收率在第一和第二個(gè)循環(huán)時(shí)達(dá)到峰值，第二個(gè)循環(huán)后略有上升2%或更低，直到第六個(gè)循環(huán)后趨于穩(wěn)定。

4）在頁巖油氣藏的吞吐過程中，再增壓是一種重要的采油機(jī)理。

5）與Bamett和Marcos頁巖巖芯相比，Eagle ford頁巖巖芯的采收率較高，這很好地表明了Eagle ford頁巖油藏氮?dú)馔掏逻^程的高潛力。

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