低滲和特低滲油層CO2-N2復(fù)合驅(qū)研究

陳濤平， 畢佳琪， 趙 斌， 孫 文

(1.東北石油大學(xué)提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 大慶 163318; 2.中國(guó)石油華北油田公司采油三廠， 河間 062450)

近年來，中國(guó)新探明原油地質(zhì)儲(chǔ)量中相當(dāng)數(shù)量屬于低滲、特低滲油層，對(duì)于這類油層普遍存在地層能量不足、自然產(chǎn)能低、地層壓力下降快、采出程度低的問題，大多數(shù)不適宜用水驅(qū)開發(fā)，注氣開發(fā)成為這類油層倍受關(guān)注的提高采收率技術(shù)。與其他非烴類氣體相比，CO2容易與原油發(fā)生混相，具有降黏、膨脹、萃取等作用，大大減少了原油流動(dòng)過程中的毛管阻力和流動(dòng)阻力，從而可較大幅度地提高原油采收率。隨著節(jié)能減排和CO2等溫室氣體地下埋存技術(shù)的研究[1]，進(jìn)一步促進(jìn)了CO2提高采收率技術(shù)的發(fā)展，使CO2驅(qū)油技術(shù)在北美地區(qū)被廣泛應(yīng)用[2-3]。文獻(xiàn)[4]通過研究CO2注入機(jī)理和最佳應(yīng)用思路，認(rèn)為CO2驅(qū)可以有效地實(shí)現(xiàn)埋存與提高采收率的有機(jī)結(jié)合，使CO2驅(qū)成為中國(guó)開發(fā)低滲、特低滲油藏頗具前景的提高采收率技術(shù)[5-9]。

中國(guó)曾對(duì)CO2驅(qū)油技術(shù)開展了大量的室內(nèi)研究，文獻(xiàn)[10]以中原油田為目標(biāo)區(qū)塊，利用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)CO2多級(jí)接觸過程中流體物性參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算；文獻(xiàn)[11]通過室內(nèi)長(zhǎng)巖心CO2驅(qū)物理模擬實(shí)驗(yàn)得出，CO2驅(qū)替過程中，驅(qū)油效率和氣體突破時(shí)間都隨滲透率降低而增大；文獻(xiàn)[12]通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，研究了注入CO2、N2、天然氣后原油性質(zhì)的變化；文獻(xiàn)[13]利用超臨界狀態(tài)下的CO2進(jìn)行了混相驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，指出混相條件下CO2可以與原油形成混相帶阻滯CO2指進(jìn)，同時(shí)在水氣交替時(shí)，水對(duì)混相有不利的因素，需要對(duì)段塞進(jìn)行調(diào)整；文獻(xiàn)[14]對(duì)CO2-原油體系混相狀態(tài)的滲流特性進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[15]通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，分析了CO2在油水中的溶解于擴(kuò)散性能和注CO2后原油性質(zhì)的變化規(guī)律；文獻(xiàn)[16]指出CO2中的雜質(zhì)氣體對(duì)原油最小混相壓力有較大影響；文獻(xiàn)[17]利用數(shù)值模擬的方法研究改善CO2驅(qū)油效果的方法，研究結(jié)果表明，注入前置輕烴段塞，可以增大混相程度，延緩氣體突破的時(shí)間，提高油藏的采出程度；文獻(xiàn)[18]采用室內(nèi)物理模擬方法，分析了非混相、近混相和混相不同階段的曲線特征，建立了近混相驅(qū)區(qū)域的確定方法，并指出非均質(zhì)模型中CO2在驅(qū)替過程中容易發(fā)生氣竄；文獻(xiàn)[19]通過研究低滲透油藏CO2驅(qū)中后期的提效方法，認(rèn)為水氣交替方式提高采收率的效果更佳；文獻(xiàn)[20]通過開展室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，研究了混相調(diào)節(jié)劑降低CO2與原油最小混相壓力的作用，測(cè)試了CO2混相調(diào)節(jié)劑降低最小混相壓力的機(jī)理；文獻(xiàn)[21]通過數(shù)值模擬對(duì)CO2驅(qū)最小混相壓力影響因素的研究，認(rèn)為最小混相壓力隨著原油中甲烷和氮?dú)鉂舛葴p小而降低。這些研究為CO2驅(qū)油技術(shù)提供了理論基礎(chǔ)。

中國(guó)已在大慶、華北、吉林等地進(jìn)行了CO2驅(qū)先導(dǎo)試驗(yàn)并取得了良好的效果[22]，2008年在吉林油田建成了國(guó)內(nèi)首個(gè)CO2提高采收率國(guó)家示范工程，但由于受CO2氣源限制，無法將CO2驅(qū)大面積推廣應(yīng)用，于是人們常把N2作為氣驅(qū)介質(zhì)。對(duì)比CO2與N2驅(qū)油機(jī)理不難發(fā)現(xiàn)，N2最小混相壓力高于CO2，導(dǎo)致N2驅(qū)的提高采收率幅度遠(yuǎn)低于CO2驅(qū)[23-24]，且受地層破裂壓力限制，礦場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用過程中很難達(dá)到N2混相壓力，N2驅(qū)以彈性驅(qū)替為主，驅(qū)替效率有限[25]。對(duì)此，人們考慮用N2部分替代CO2進(jìn)行低滲、特低滲油藏開發(fā)，文獻(xiàn)[26-27]均指出利用N2作為CO2段塞的頂替介質(zhì)可達(dá)到節(jié)約CO2提高采收率的目的，但因CO2與N2間存在擴(kuò)散和彌散作用，為了不影響CO2與原油之間的混相，CO2段塞需要一定的長(zhǎng)度。為此，以大慶外圍YS油田的特低滲透油層為背景，開展低滲、特低滲油層CO2-N2復(fù)合驅(qū)數(shù)值模擬計(jì)算和物理模擬實(shí)驗(yàn)兩方面的研究，以探索在減少CO2用量的基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮CO2與N2各自的優(yōu)勢(shì)，達(dá)到有效提高采收率的目的。

1 復(fù)合驅(qū)油方式

圖1 油水相對(duì)滲透率曲線Fig.1 Oil-water relative permeability curve

圖2 油氣相對(duì)滲透率曲線Fig.2 Oil-gas relative permeability curve

1.1 N2對(duì)最小混相壓力的影響

計(jì)算了CO2與N2混合氣驅(qū)油時(shí)，不同N2含量下混合氣體與原油的最小混相壓力(MMP)，結(jié)果如表1所示。

表1 最小混相壓力與N2含量的關(guān)系Table 1 The relative of MMP with N2 content

1.2 段塞尺寸及組合方式

分別模擬計(jì)算了不同大小CO2段塞、以及在CO2段塞總量為0.3倍孔隙體積(PV)條件下不同交替次數(shù)的驅(qū)油效率，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同驅(qū)替方式的驅(qū)油效率Fig.3 The oil recovery with different flooding method

由圖3可以看出，在CO2總注入量(0.3 PV)不變的前提下，CO2與N2的交替次數(shù)越多，驅(qū)油效率越低?？梢姴捎枚啻窝h(huán)交替注入CO2的方式不如一次性注入等量CO2的驅(qū)替效果好，且多次交替注入CO2的驅(qū)替方式現(xiàn)場(chǎng)工藝較為煩瑣，不便應(yīng)用。

2 影響復(fù)合驅(qū)采收率的因素

以大慶外圍YS油田的特低滲透油層為背景，巖石及油氣物性同前，壓力梯度0.1 MPa/m，通過CMG軟件建立理想均質(zhì)、非均質(zhì)模型，開展了CO2-N2復(fù)合驅(qū)數(shù)值模擬研究。

2.1 油層長(zhǎng)厚比

為了研究均質(zhì)油層長(zhǎng)厚比(LTR)對(duì)CO2驅(qū)最終采收率的影響，選取3×10-3μm2滲透率，10.0%孔隙度的均質(zhì)模型，計(jì)算在厚度1 cm、寬度4 cm、不同長(zhǎng)度的模型中持續(xù)注入CO2時(shí)的最終采收率，結(jié)果如圖4所示。

圖4 CO2驅(qū)采收率與長(zhǎng)厚比關(guān)系曲線Fig.4 Relation curve between recovery and LTR of CO2 flooding

由圖4可以看出，當(dāng)油層長(zhǎng)厚比小于100時(shí)，采收率隨著油層長(zhǎng)厚比的增加而增大；當(dāng)油層長(zhǎng)厚比達(dá)到100后最終采收率增幅較小，此時(shí)采收率為72.42%；此后采收率趨于平穩(wěn)，基本不隨油層長(zhǎng)厚比的增加而增大。

分析認(rèn)為，當(dāng)油層長(zhǎng)厚比小于100時(shí)，驅(qū)替過程中CO2易發(fā)生氣竄，因而與原油接觸時(shí)間短，不易達(dá)到混相，導(dǎo)致驅(qū)替效率低，采收率不高；隨著油層長(zhǎng)厚比的增加，CO2與原油接觸時(shí)間逐漸增大，更多的CO2可與原油形成混相，故驅(qū)替效率增加，采收率增大；當(dāng)油層長(zhǎng)厚比大于100時(shí)，地層呈長(zhǎng)細(xì)管形狀，CO2與原油混相帶基本穩(wěn)定，采收率也保持穩(wěn)定。即厚度小于井距1%的油層更有利于提高采收率。

2.2 CO2段塞尺寸

考慮到Y(jié)S油田實(shí)際油層長(zhǎng)厚比約為30的情況，選取30 cm(長(zhǎng))×4 cm(寬)×1 cm(厚)模型，油層滲透率為3×10-3μm2，孔隙度為10.0%，計(jì)算了CO2-N2復(fù)合驅(qū)中注不同PV數(shù)CO2時(shí)的采收率，結(jié)果如圖5所示。

在殘膜回收過程中，仍有部分區(qū)域采取最傳統(tǒng)的操作方式，在土地犁耕或是收獲之后通過機(jī)械耙回收等措施處理之后進(jìn)行人工拾取，但是仍有較多殘膜在土地中殘留，不能得到有效回收，會(huì)導(dǎo)致污染問題的發(fā)生。加上部分地區(qū)的政府部門各項(xiàng)社會(huì)化宣傳未能有效落實(shí)，部分農(nóng)民對(duì)于農(nóng)田殘膜危害性尚未形成明確認(rèn)識(shí)，對(duì)殘膜回收缺乏積極性，加上機(jī)械化成本投入費(fèi)用較高，短時(shí)間內(nèi)實(shí)際獲取的經(jīng)濟(jì)效益值較低，導(dǎo)致農(nóng)田殘膜回收機(jī)械化技術(shù)難以全面推廣應(yīng)用。

圖5表明，CO2-N2復(fù)合驅(qū)采收率隨CO2注入體積的增加而增大，達(dá)到0.3 PV時(shí)，采收率為43.41%，此后采收率受注入體積影響較小，無明顯變化。表明當(dāng)注入CO2注入體積小于0.3PV時(shí)，注入的CO2能夠有效溶解于原油，與原油達(dá)到混相，有效發(fā)揮驅(qū)油作用，故采收率隨CO2注入體積的增加而增大；當(dāng)大于0.3PV后，因先注入的CO2與原油充分接觸，萃取原油中的輕質(zhì)烴組分，達(dá)到混相，形成“油墻”，油墻過后留下重質(zhì)烴組分；而后注入的CO2接觸到的原油中重?zé)N組分含量多，無法發(fā)揮應(yīng)有作用，致使采收率在CO2段塞大于0.3PV后無明顯增長(zhǎng)。

圖5 復(fù)合驅(qū)采收率與CO2段塞尺寸數(shù)關(guān)系曲線Fig.5 Relation curve between recovery of composite flooding and CO2 injectd PV number

2.3 滲透率

為了研究滲透率對(duì)CO2-N2復(fù)合驅(qū)采收率的影響，選取3×10-3、6×10-3、9×10-3、30×10-3μm2共4種滲透率的模型，分別計(jì)算注入CO2不同PV數(shù)時(shí)的采收率，結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同滲透率油層的采收率Fig.6 The recovery of different permeability layers

由圖6可以看出，注入不同PV數(shù)CO2的采收率曲線變化趨勢(shì)基本一致；注入同一PV數(shù)CO2時(shí)，滲透率小于10×10-3μm2時(shí)，隨著滲透率的增加，復(fù)合驅(qū)采收率降低。這是因?yàn)?，?dāng)注入同一PV數(shù)CO2時(shí)，滲透率越低，CO2在原油中的指進(jìn)現(xiàn)象越弱，越有利于CO2與原油混相，復(fù)合驅(qū)的驅(qū)替效率越高。因此3×10-3μm2滲透率模型的采收率始終高于其他3種滲透率模型的采收率。

2.4 滲透率級(jí)差

非均質(zhì)模型中特低滲層滲透率為3×10-3μm2，孔隙度為10.0%，滲透率級(jí)差為3時(shí)的油層滲透率為9×10-3μm2，孔隙度為10.5%，在模型長(zhǎng)厚比為30的情況下，計(jì)算了4種滲透率級(jí)差的正韻律油層CO2前置段塞+N2復(fù)合驅(qū)采收率與滲透率級(jí)差的關(guān)系曲線，結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同滲透率級(jí)差油層的采收率Fig.7 The recovery of different permeability ratio layers

由圖7可以看出，注入不同PV數(shù)CO2的采收率曲線變化趨勢(shì)基本一致；CO2的注入PV數(shù)一定時(shí)，復(fù)合驅(qū)采收率隨滲透率級(jí)差的增加而減??；當(dāng)滲透率級(jí)差由1.5增加至3時(shí)，注入0.3 PV的CO2時(shí)最終采收率從36.34%降至31.34%。

3 復(fù)合驅(qū)實(shí)驗(yàn)研究

為了確定CO2-N2復(fù)合中CO2合理段塞尺寸及驅(qū)油效果，現(xiàn)采用低滲透、特低滲透2種天然巖心開展實(shí)驗(yàn)研究。

3.1 實(shí)驗(yàn)材料及方案

實(shí)驗(yàn)所用巖心為天然巖心，物性參數(shù)如表2所示。飽和用油為YS油田樹99-碳斜13井模擬油，原始溶解氣油比為22.3 m3/m3。

驅(qū)替實(shí)驗(yàn)在恒溫恒壓及完全混相條件下進(jìn)行，出口回壓28.60 MPa，實(shí)驗(yàn)溫度90 ℃；實(shí)驗(yàn)結(jié)束條件為產(chǎn)出流體的氣油比達(dá)到1 500 mL/mL。驅(qū)替方案共5種：全N2驅(qū)；全CO2驅(qū)；分別先注入0.1、0.2、0.3 PV CO2，后續(xù)注入N2驅(qū)。

表2 天然巖心物性參數(shù)Table 2 Natural core physical parameters

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

針對(duì)實(shí)驗(yàn)所用巖心，用數(shù)值模擬的方法計(jì)算了不同注入方案采收率的理論曲線，并與物模驅(qū)油實(shí)驗(yàn)結(jié)果一并繪于圖8中。不同巖心各驅(qū)替方案的最終采收率與CO2段塞PV數(shù)關(guān)系如圖8所示。

圖8 巖心采收率與CO2段塞尺寸關(guān)系曲線Fig.8 Relation curve between recovery and CO2 slug size

圖8中低滲、特低滲巖心的數(shù)模計(jì)算曲線與物模實(shí)驗(yàn)結(jié)果很吻合，證明本研究的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果是可靠的。

由圖8可以看出，相對(duì)于低滲透巖心，特低滲透巖心采用CO2前置段塞+N2復(fù)合驅(qū)的驅(qū)替方式可以獲得更好的驅(qū)替效果；隨著CO2注入量的增加，CO2前置段塞+N2頂替復(fù)合驅(qū)采收率不斷增加，當(dāng)CO2注入量約為0.3 PV時(shí)，可以達(dá)到一個(gè)較好的效果，其采收率與全注CO2采收率相接近。

為了清晰地分析其機(jī)理，用一維細(xì)管理想模型進(jìn)行了CO2-N2復(fù)合驅(qū)過程中CO2、N2在油氣相中的動(dòng)態(tài)分布數(shù)值模擬計(jì)算，結(jié)果如圖9所示。圖9中無量綱距離0處為注入端、1處為采出端。

從圖9(a)、圖9(b)可以看出，在很大范圍(無量綱距離為0.3～0.8)內(nèi)，N2和CO2在氣相中是以混合氣的形式存在，油相中N2摩爾含量較高，N2與混相前緣發(fā)生了直接接觸，表明(0.1～0.2) PV的CO2段塞不能有效隔離N2對(duì)CO2混相前緣驅(qū)替的影響，因而其采收率不夠高。從圖9(c)中可以看出，無量綱距離約0.7～1范圍內(nèi)為CO2區(qū)，其中僅含極少量的N2；0.9附近為混相前緣；0.8～1油相中N2摩爾含量極低，表明0.3 PV 的CO2有效阻止了N2竄逸對(duì)CO2混相前緣驅(qū)替的影響。就其本質(zhì)而言，由于CO2、N2之間的擴(kuò)散和彌散作用以及CO2與油相之間密度、黏度的差異導(dǎo)致了CO2前置段塞、N2推進(jìn)驅(qū)替過程中不可避免地存在著混合帶。因此，從提高采收率的效果上看，CO2前置段塞必須能滿足形成穩(wěn)定的中間帶避免N2與CO2混合帶竄逸至CO2前緣。

圖9 CO2、N2在油氣相中的動(dòng)態(tài)分布Fig.9 Dynamic distribution of CO2 and N2 in hydrocarbon phase

4 五點(diǎn)法井網(wǎng)二氧化碳段塞優(yōu)選

實(shí)際油田中，注水井與生產(chǎn)井以井網(wǎng)的形式存在，為了優(yōu)選井網(wǎng)條件下CO2-N2復(fù)合驅(qū)CO2的段塞尺寸，通過CMG油藏?cái)?shù)值模擬軟件建立了五點(diǎn)法井網(wǎng)單元模型，模型長(zhǎng)300 m×寬300 m×厚10 m，網(wǎng)格劃分i×j×k=120×120×4，網(wǎng)格步長(zhǎng)2.5 m，五點(diǎn)法井網(wǎng)單元模型及其全注CO2驅(qū)結(jié)束時(shí)含油飽和度分布如圖10所示。模型滲透率為3×10-3μm2，孔隙度10.0%，溫度90 ℃，壓力梯度0.071 MPa/m，注入井井底壓力40 MPa，生產(chǎn)井井底壓力10 MPa，其余巖石及油氣物性同前。

圖10 五點(diǎn)法井網(wǎng)單元模型Fig.10 Five-spot well pattern element model

分別計(jì)算注不同PV數(shù)CO2的復(fù)合驅(qū)及全部注CO2驅(qū)時(shí)的采收率，結(jié)果如圖11示。

圖11 井網(wǎng)單元采收率與CO2段塞尺寸關(guān)系Fig.11 Relationship between pattern element recovery and CO2 slug size

由圖11可知，五點(diǎn)法井網(wǎng)單元復(fù)合驅(qū)采收率隨著CO2注入PV數(shù)的增加而增大，當(dāng)注入段塞為0.3 PV CO2+N2時(shí)，復(fù)合驅(qū)采收率達(dá)到最大值48.94%，比全CO2驅(qū)(0.35 PV)的采收率45.39%高3.55%，表明CO2-N2復(fù)合驅(qū)中后續(xù)注入的N2充分發(fā)揮了補(bǔ)充能量的優(yōu)勢(shì)，有效驅(qū)動(dòng)了前置CO2段塞混相后的原油，從而提高了原油采收率。因此，五點(diǎn)法井網(wǎng)條件下CO2-N2復(fù)合驅(qū)CO2的合理段塞為0.3 PV。

5 結(jié)論

(1)低滲、特低滲透油層CO2-N2復(fù)合驅(qū)不宜采用CO2與N2混合驅(qū)方式，而應(yīng)采用CO2段塞+N2的段塞組合驅(qū)方式。

(2)油層滲透率越低或滲透率級(jí)差越小，越有利于提高CO2-N2復(fù)合驅(qū)采收率。厚度小于井距1%的油層也有利于提高采收率。

(3)驅(qū)油實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著CO2注入量的增加，CO2前置段塞+N2頂替復(fù)合驅(qū)采收率不斷增加，當(dāng)CO2注入量約為0.3 PV時(shí)，可以達(dá)到一個(gè)較好的效果，且相對(duì)于低滲透巖心，特低滲透巖心可以獲得更好的驅(qū)替效果。

(4)五點(diǎn)法井網(wǎng)中，CO2-N2復(fù)合驅(qū)的段塞組成以0.3 PV前置CO2段塞+后續(xù)N2為宜。它不僅可以減少CO2用量，而且可以充分發(fā)揮CO2與N2各自的優(yōu)勢(shì)，獲得優(yōu)于全部注CO2驅(qū)的驅(qū)油效果。