砂巖油藏CO2驅提高采收率油藏篩選與潛力評價

何應付，趙淑霞，計秉玉，廖海嬰，周元龍

（中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083）

隨著人們對溫室效應的關注及對難采儲量（致密油、頁巖油等）進一步提高采收率的需求，注CO2驅備受重視［1-9］。自2000年以來，中國共開展CO2驅先導（井組）試驗51 項，覆蓋地質儲量超過6 500×104t，但還未進入規(guī)模化應用階段。

CO2驅油藏篩選與潛力評價方法是進行中長期發(fā)展規(guī)劃和規(guī)?；V場應用的基礎，很多學者對此進行了大量的研究，主要形成了3 類方法。第1 類是二元對比法，如美國的混相驅篩選標準［10-13］、中國的篩選標準［14］；該方法主要將CO2驅分為混相驅和非混相驅，并給出相關參數(shù)的取值范圍；該方法簡單易行，但沒有考慮油藏各參數(shù)的綜合影響。第2類方法為代理模型法，即數(shù)值模擬與實驗設計方法相結合，建立采收率、換油率等計算模型，如WOOD等建立的基于無量綱參數(shù)的篩選模型［15］；該方法建立過程較復雜，適用性受模型建立時取值范圍的影響，推廣性差。第3 類為模糊評判方法，如DANIEL等提出的利用參數(shù)權重向量乘參數(shù)適宜度矩陣來對油藏進行綜合評價的方法［16］，該方法考慮油藏各參數(shù)的綜合影響，但依賴于油藏二元篩選參數(shù)。

目前，中國油藏篩選大多采用第1 類和第3 類方法，主要借用外國提出的二元篩選參數(shù)，并將驅替類型分為混相驅和非混相驅。但是中國油藏以陸相沉積、陸相生油為主，CO2驅混相壓力較高，且油藏非均質性強，使得以混相-非混相驅理論為指導的篩選標準難以適應。為此，在對CO2驅混相特征分析的基礎上，利用模糊綜合評價和層次分析方法，建立了一套新的CO2驅油藏篩選和評價標準，并將其應用于中國石化CO2驅油藏潛力評價。

1 CO2驅混相特征分析

CO2與原油間主要的物理化學作用可以概括為3 個方面：①溶解/凝析作用。CO2從氣相轉移到油相中，降低了油相密度與黏度，增加彈性能量，降低油氣界面張力。②蒸發(fā)/萃取作用。油相中的輕烴組分轉移到CO2相中，使油相密度與黏度增大，對高含蠟油藏或高含瀝青質油藏，甚至會出現(xiàn)固相沉積。③CO2在油相中的擴散作用。可以分為分子擴散和水力彌散［17］，擴散作用使CO2組分的波及系數(shù)遠大于CO2相的波及系數(shù)。

這3種物理化學作用受油藏所處的動力學條件影響，尤其是注入端高壓反漏斗、采出端低壓漏斗和整個壓力剖面均對注采井間相變化特征和物理化學特征影響重大［18］，在大量組分模擬計算基礎上，分析CO2驅相與相界面的變化規(guī)律，并進一步研究了CO2驅混相程度的變化特征。

1.1 相與相界面變化規(guī)律

使用組分模型可以計算CO2的驅替過程。為不失一般性，采用東北某油田的流體物性和儲層參數(shù)，左側為注入井，右側為采出井，注入0.4 PV 時，模擬獲得注入井與采出井連井剖面上的油藏壓力（p）及飽和度分布（圖1）。

圖1 油藏壓力及油、氣相飽和度分布Fig.1 Distribution of pressure，oil and gas saturation

注入初期，在注入井附近儲層壓力一般高于CO2與原油間一次接觸的混相壓力。此時CO2與原油達到一次接觸混相狀態(tài)，相界面消失。在此過程中，壓力場對混相起主導作用，出現(xiàn)暫時混相，該現(xiàn)象具有普遍性。

注入中期，隨著CO2的持續(xù)注入，儲層流體向低壓采出井推進，CO2及部分輕烴組分逐漸分離出來，形成單獨相，即富CO2氣相，油氣相界面產(chǎn)生。在油氣兩相區(qū)內(nèi)，存在CO2相前緣和油相后緣。由于蒸發(fā)混相效應，無因次時間（tD）為0.1～0.2時，前緣界面張力升高速度較慢，后緣界面張力升高速度較快（圖2）。當界面張力低于臨界界面張力時，低界面張力區(qū)內(nèi)的相滲曲線、毛管力曲線同樣會發(fā)生變化，其驅替過程不同于典型的非混相驅，屬于近混相驅范疇。同時，前緣運動速度大于后緣運動速度，因此兩相區(qū)范圍不斷增大。在該階段，CO2對原油的萃取作用逐漸成為關鍵因素。

圖2 兩相區(qū)范圍及兩相區(qū)中油氣界面張力分布Fig.2 Range of two-phase region and interfacial tension distribution in two-phase region

注入后期，隨著CO2相前緣進一步向采出端推進，儲層壓力下降較大，壓力作用又成為主導。油相中溶解的CO2重新蒸發(fā)到氣相中建立新的平衡，油相中CO2濃度進一步降低，密度增大；氣相密度隨著壓力降低持續(xù)減小，tD為0.5 時，油氣界面張力增大（圖2），并在整個兩相區(qū)內(nèi)均大于近混相臨界表面張力，驅替過程轉變?yōu)槠胀ǖ姆腔煜囹屘妗?/p>

在整個CO2驅過程中，呈現(xiàn)暫時混相、相分離、前緣界面張力降低、采出井界面張力升高的規(guī)律。在驅替過程中某一時刻，儲層不同位置同時存在混相、近混相、非混相等多種狀態(tài)。儲層內(nèi)某一點，可能依次經(jīng)歷混相、近混相、非混相。

1.2 混相程度變化特征

采用數(shù)值模擬方法，建立概念模型，計算多個油樣在不同油藏壓力下混相程度和混相體積系數(shù)。根據(jù)目前中國CO2驅油典型區(qū)塊的物性參數(shù)，取五點法井網(wǎng)的1/4建立如下概念模型：網(wǎng)格劃分為25×25×1，網(wǎng)格步長為5 m，平面滲透率為2 mD，孔隙度為15%，有效厚度為5 m，油水和油氣相對滲透率曲線采用東北某油田的數(shù)據(jù)，油樣的地層原油黏度為0.7 mPa·s，密度為0.75 g/cm3，原油組分及相關PVT熱力學參數(shù)見表1所示。

表1 原油組分及PVT熱力學參數(shù)Table1 Oil components and PVT thermodynamics parameters

從模擬計算結果可以看出，混相程度與油藏壓力呈“S”形曲線（圖3），當油藏壓力較低時（非混相驅替），混相程度增加速度降低；當油藏壓力增加到一定程度時（近混相驅替），混相程度增加較快；當油藏壓力超過最小混相壓力（MMP）時（混相驅替），混相程度增加速度再次降低。與之相對應，當油藏壓力較低時，絕對混相體積系數(shù)［18］接近0；當油藏壓力增加到18 MPa 后，絕對混相體積系數(shù)增加較快（圖4）。

由油藏壓力與波及系數(shù)關系曲線（圖5）可以看出，存在16 和18 MPa 這2 個拐點，當油藏壓力較低（12～16 MPa）和較高（18～24 MPa）時，波及系數(shù)隨油藏壓力增加，下降速度均較快；而在近混相驅階段（油藏壓力為16～18 MPa），波及系數(shù)隨油藏壓力增加變化較小。

圖3 油藏壓力與混相程度關系曲線Fig.3 Relationship curve between reservoir pressure and miscibility degree

圖4 油藏壓力與絕對混相體積系數(shù)關系曲線Fig.4 Relationship curve between reservoir pressure and fully miscible volume factor

圖5 油藏壓力與波及系數(shù)關系曲線Fig.5 Relationship between reservoir pressure and sweep coefficient

油藏壓力與混相程度曲線（圖3）和波及系數(shù)曲線（圖5）均存在2 個拐點，第1 拐點位于非混相向近混相的轉變處；第2 個拐點位于近混相向混相的轉變處。該油樣MMP 值為18 MPa，發(fā)現(xiàn)從非混相驅轉變?yōu)榻煜囹?，其拐點處p/MMP 值約為0.8。因此，在進行油藏篩選時，通過增加油藏壓力與MMP比值，將CO2驅分為非混相驅、近混相驅和混相驅：當p/MMP＜0.8 時，為非混相驅；當0.8≤p/MMP＜1.0時，為近混相驅；當p/MMP≥1.0時，為混相驅。

2 CO2驅油藏篩選標準

統(tǒng)計現(xiàn)行注CO2項目［19］，發(fā)現(xiàn)CO2驅油藏的適應范圍較為廣泛。滿足滲透率為1～50 mD、深度小于2 000 m、原油API度為30.0～45.0、原油黏度小于2 mPa?s、油藏溫度為30～90 ℃、剩余油飽和度大于30%、儲量規(guī)模多大于100×104t 的油藏也被認為是注CO2驅的最佳標準。據(jù)此，并結合前人提出的油藏篩選標準（表2）［10-13］，提出考慮混相、近混相和非混相3 種類型的注CO2驅油藏篩選新標準（表3），表3 包括原油黏度、原油密度、含油飽和度、油藏深度、油藏溫度、滲透率、變異系數(shù)、油藏壓力和儲量規(guī)模9 個標準及其區(qū)間。同時，在篩選開發(fā)單元時，還應滿足以下一般性標準：①注氣驅目的層油藏密封性好，蓋層吸附氣體能力要差，斷層和巖墻遮擋性較好。②層內(nèi)非均質性強，層間滲透率差異小，無高滲透。③油藏連通性較好，注采井網(wǎng)較完善，有一定的油層厚度，但不能過大，提高波及體積。④原油重質組分少，尤其是膠質和瀝青質含量少，C2—C12含量高。⑤地層水中Ca2+，Mg2+，Al3+等離子濃度偏高，不宜進行氣驅。⑥井況較好，不存在如套損等故障問題。

表2 美國注CO2混相驅油藏篩選標準Table2 Reservoir screening criteria of CO2miscible flooding in the US

表3 注CO2驅油藏潛力篩選標準Table3 Reservoir screening criteria of CO2flooding

3 CO2驅油藏篩選方法

在對CO2驅油藏評價過程中，不能僅憑一個或幾個標準進行評價。因為即使具有較大潛力的油藏，也不是所有參數(shù)均能達到篩選標準，所以需要采用一種綜合評價的方法。模糊綜合評價法是基于模糊數(shù)學和層次分析理論的一種綜合評價方法，已有諸多學者采用該方法對CO2驅油藏篩選進行過研究［20-23］。分析注氣成功實例的數(shù)據(jù)庫，結合中國石化的具體情況，利用模糊綜合評價和層次分析法確定上述9個標準的權重，其值分別為0.255，0.132，0.068，0.034，0.062，0.132，0.052，0.242 和0.024，據(jù)此建立了達標、基本達標、基本不達標和不達標4個CO2驅油藏評價等級（表4）。

除權重和評價等級外，模糊綜合評價方法的關鍵為隸屬度函數(shù)的計算。大量的研究和實例計算表明，單因素評價向量必須遵守：大隸屬度原則、區(qū)別性原則、一致性原則和極限原則。為了使確定的隸屬度函數(shù)滿足上述四個基本原則，本文將傳統(tǒng)的嶺形函數(shù)加以引申；同時將非等距的區(qū)間線性變化成等距區(qū)間，將隸屬度分布密度函數(shù)用對稱形式的嶺形分布表示；另外，根據(jù)極限準則，確定分布密度函數(shù)的左右零點；從而獲得模糊綜合評價矩陣[22]。模糊綜合評價矩陣和權重的乘積反映同一油藏各評價參數(shù)之間對注CO2適宜性的加權表現(xiàn)，結合最大隸屬度原則，即可確定候選油藏注CO2的適宜性。油藏篩選過程中涉及到最小混相壓力，該參數(shù)確定方法很多，目前應用最廣泛的是長細管實驗方法。但對大量的油田進行篩選，全部進行長細管實驗顯然是不現(xiàn)實的。為此，筆者建議根據(jù)各油藏資料齊全程度，選擇合適的經(jīng)驗公式計算最小混相壓力。

表4 CO2驅油藏評價等級及9個標準權重Table4 Evaluation order and nine standard weights of reservoir parameter for CO2flooding

4 應用實例

本次CO2驅潛力評價以2017 年底中國石化已開發(fā)單元為基礎，評價對象為中國石化上游油氣生產(chǎn)企業(yè)的勝利、西北、中原、河南、江蘇、江漢、西南、華北、華東、東北、上海等11 個油田分公司，共涉及2 580個已開發(fā)單元。以現(xiàn)有的開發(fā)數(shù)據(jù)資料（動態(tài)和靜態(tài)數(shù)據(jù)）為條件，采用上述篩選標準和模糊評判方法進行低滲透油藏CO2驅潛力篩選評價。

評價結果顯示，中國石化共有597 個單元、22.62×108t 的石油地質探明儲量適宜CO2驅，其中混相驅、近混相驅和非混相驅的單元個數(shù)和石油地質探明儲量分別為162 個、4.89×108t，191 個、6.59×108t，244 個、11.14×108t。從預測結果看，中國石化適宜CO2混相驅、近混相驅的油藏較少，以非混相驅替為主。

從CO2驅油實踐結果看，CO2混相驅效果最好，近混相驅次之，非混相驅效果明顯差。從中國已實施CO2驅開發(fā)先導試驗結果看，混相驅、近混相驅和非混相驅提高采收率幅度分別為＞12%，8%～12%和6%～8%，混相驅、近混相驅和非混相驅提高采收率幅度分別按12%，10%和7%計算，預計增加可采儲量分別為5 868×104，6 589×104和7 798×104t。

5 結論

分析注CO2驅混相特征，認為在整個CO2驅過程中，注采井間依次經(jīng)歷混相、近混相和非混相，并依據(jù)p/MMP值大小，將CO2驅分為混相驅、近混相驅和非混相驅。在中外CO2驅礦場實例數(shù)據(jù)分析的基礎上，利用模糊綜合評價法篩選原油黏度、原油密度、含油飽和度、滲透率、變異系數(shù)、油藏深度、油藏溫度、油藏壓力和儲量規(guī)模9個指標，采用層次分析法分別確定其權重，最終建立了一套新的CO2驅油藏篩選標準，中國石化CO2驅油藏篩選結果表明，剔出化學驅油藏和稠油油藏后，適合CO2驅的石油地質探明儲量達22.62×108t，其中混相驅、近混相驅和非混相驅分別為4.89×108，6.59×108和11.14×108t，預計增加可采儲量2.03×108t。