陳濤平,畢佳琪,孫文
1.提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東北石油大學(xué)),黑龍江 大慶 163318 2.宿松徽商長(zhǎng)城能源有限公司,安徽 安慶 246500
氣驅(qū)是最具優(yōu)勢(shì)的提高低滲透油層原油采收率的方法[1],在多數(shù)油田可以很容易地得到氣田氣或油田伴生氣,具有不受地層水礦化度的影響、能解決低滲透油層注水困難或水敏性油層的難題、注入后不會(huì)污染油層、且可以回收利用的特點(diǎn)[2],因而被廣泛應(yīng)用于提高原油采收率。
美國(guó)和加拿大最早開(kāi)始注富氣提高原油采收率現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[3],前蘇聯(lián)在北海油田成功應(yīng)用了水-天然氣交替驅(qū)技術(shù)[4],委內(nèi)瑞拉曾實(shí)施了全世界最大的注天然氣驅(qū)油項(xiàng)目[5]。我國(guó)中原油田自20世紀(jì)80年代開(kāi)始探索注天然氣驅(qū)油方法[6],2005年進(jìn)入礦場(chǎng)先導(dǎo)試驗(yàn);繼此之后,許多油田也相繼進(jìn)行了注天然氣驅(qū)油礦場(chǎng)試驗(yàn)[7],其中,長(zhǎng)慶安塞油田進(jìn)行了特低滲透油層現(xiàn)場(chǎng)注氣驅(qū)油試驗(yàn)。
烴類氣驅(qū)的研究開(kāi)始較早,20世紀(jì)80年代,CHEN等[8]研究了烴氣混相驅(qū)中溶劑段塞尺寸對(duì)驅(qū)油效果的影響,GLASO[9]提出了預(yù)測(cè)富氣與原油的最小混相壓力關(guān)系式,SHYEH-YUNG[10]研究了加富天然氣組分與注入壓力對(duì)驅(qū)替效率的影響。近年來(lái),國(guó)內(nèi)對(duì)烴類氣驅(qū)做了大量的研究工作。曾有學(xué)者先后研究了尺度效應(yīng)對(duì)天然氣混相驅(qū)油效果的影響[11],分析了烴類氣體驅(qū)油過(guò)程中的組分質(zhì)量傳遞、相態(tài)變化、多次接觸混相機(jī)理及相態(tài)特征[12-14]等,為深入開(kāi)展烴類氣體驅(qū)油奠定了理論基礎(chǔ)。丁名臣等[15]分別利用細(xì)管和長(zhǎng)巖心物理模型研究了壓力、原油含氣性質(zhì)、烴類氣體組成和氣體注入方式對(duì)烴類氣驅(qū)驅(qū)油效率的影響;賴文君[16]利用數(shù)值模擬計(jì)算和室內(nèi)物理試驗(yàn),研究了高于和低于泡點(diǎn)壓力下的注烴氣驅(qū)油效率;王生奎等[17]研究了富氣驅(qū)過(guò)程中產(chǎn)出氣密度變化規(guī)律,提出了一種高效的富氣、水交替驅(qū)注入方法;還有學(xué)者利用油藏?cái)?shù)值模擬技術(shù),研究了影響特定油田注烴氣開(kāi)發(fā)效果的因素,并優(yōu)化了工程參數(shù)[18]。這些研究為注氣開(kāi)發(fā)提供了重要的技術(shù)支撐。
富氣驅(qū)油具有多次接觸混相驅(qū)和非混相驅(qū)2種驅(qū)替方式,其中混相驅(qū)以驅(qū)替效率較高而倍受重視。徐芊[19]的研究結(jié)果表明向原油中注入較輕質(zhì)的烴類氣體,蒸發(fā)氣驅(qū)機(jī)理主導(dǎo)氣驅(qū)過(guò)程,但若油氣組分不匹配也無(wú)法最終實(shí)現(xiàn)混相;向原油中注入重質(zhì)組分較多的烴類氣體,其混相機(jī)理復(fù)雜,應(yīng)當(dāng)是凝析和蒸發(fā)雙重機(jī)理共同作用形成的近混相。人們?cè)扇「鞣N措施期望在低滲、特低滲油層中實(shí)施的富氣驅(qū)都能實(shí)現(xiàn)混相驅(qū),但受油藏環(huán)境以及開(kāi)發(fā)方式等因素影響,許多油田往往只能實(shí)施非混相驅(qū);即便在實(shí)施富氣混相驅(qū)的油田,其注入井附近的油層壓力高于富氣-原油的最小混相壓力,能實(shí)現(xiàn)富氣混相或近混相驅(qū);但在采出井附近一定范圍內(nèi)的油層壓力常低于富氣與原油的最小混相壓力,已處于非混相驅(qū)狀態(tài)。因此,在對(duì)低滲、特低滲油層混相條件下富氣-N2復(fù)合驅(qū)進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上[20],有必要繼續(xù)開(kāi)展低滲、特低滲巖心混相、非混相富氣-N2復(fù)合驅(qū)比較研究,通過(guò)物模試驗(yàn)確定其驅(qū)替效果,進(jìn)而為富氣-N2復(fù)合驅(qū)的實(shí)施提供可靠的試驗(yàn)依據(jù)。
實(shí)際油田中,注采井井底壓力差異較大,注入井井底附近一定范圍內(nèi)的油層壓力能夠高于富氣與原油的最小混相壓力,實(shí)現(xiàn)富氣與原油的混相驅(qū);但在采出井附近一定范圍內(nèi)的油層壓力常低于富氣與原油的最小混相壓力,處于非混相驅(qū)狀態(tài)。因此,有必要開(kāi)展低滲、特低滲巖心混相、非混相富氣-N2復(fù)合驅(qū)試驗(yàn)研究,以確定其驅(qū)替效果。
混相、非混相條件下富氣-N2復(fù)合驅(qū)物模驅(qū)試驗(yàn)的主要目的是研究不同富氣段塞+N2復(fù)合驅(qū)時(shí)的采收率,以確定合理的富氣段塞尺寸。考慮到巖心物性對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響及試驗(yàn)溫度要求,物理模擬試驗(yàn)宜采用天然巖心及含氣原油。
1.1.1 試驗(yàn)材料
1)飽和用水。模擬大慶油田原始地層水,礦化度為6778mg/L,具體組成見(jiàn)表1;飽和用油,YS油田S99-TX13井(含氣)模擬油,溶解氣油比為22.3m3/m3。
表1 飽和巖心用水組成
2)富氣。經(jīng)脫水凈化后的油田井口伴生氣,具體組成見(jiàn)表2,45℃加壓至30MPa備用;富氣-原油的最小混相壓力為27.4MPa。
表2 富氣的組成
3)巖心。因油井取巖心尺寸過(guò)小,只能以滲透率為主要指標(biāo),選擇適宜的低滲、特低滲巖心,根據(jù)實(shí)際油層長(zhǎng)厚比約為30的情況,確定了物模試驗(yàn)所用巖心的尺寸約為長(zhǎng)30cm、寬4.5cm、厚1.3cm?;煜?、非混相富氣-N2復(fù)合驅(qū)所用巖心物性參數(shù)分別見(jiàn)表3和表4,可以看出試驗(yàn)所用天然露頭巖心孔隙度偏高,但滲透率與含油飽和度完全滿足要求。
表3 混相富氣-N2復(fù)合驅(qū)試驗(yàn)用天然巖心物性參數(shù)
表4 非混相富氣-N2復(fù)合驅(qū)試驗(yàn)用天然巖心物性參數(shù)
1.1.2 試驗(yàn)設(shè)備
HBCD-70高溫高壓巖心驅(qū)替裝置包括高壓計(jì)量泵、特制高溫高壓夾持器、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、計(jì)量系統(tǒng)、儀表控制系統(tǒng)、真空泵、微型高壓定量?jī)?chǔ)氣容器等。
采用相同的設(shè)備,在不同的試驗(yàn)條件下分別進(jìn)行混相、非混相富氣-N2復(fù)合驅(qū)物模驅(qū)油試驗(yàn)。
1.2.1 混相富氣-N2復(fù)合驅(qū)試驗(yàn)方法
1)試驗(yàn)條件。試驗(yàn)溫度90℃,注入壓力30.2MPa,出口回壓28.6MPa。
2)試驗(yàn)方案。物模試驗(yàn)設(shè)計(jì)5種方案:全N2驅(qū)、0.2PV富氣+N2驅(qū)、0.4PV富氣+N2驅(qū)、0.6PV富氣+N2驅(qū)、全富氣驅(qū);試驗(yàn)中實(shí)時(shí)記錄產(chǎn)油量、產(chǎn)氣量等,直至產(chǎn)出流體的氣油比達(dá)到1500mL/mL以上時(shí)結(jié)束試驗(yàn)。
3)試驗(yàn)步驟。 ①抽真空:將試驗(yàn)用巖心裝入特制高溫高壓夾持器中抽真空4h以上。②飽和水:記錄計(jì)量泵初值,開(kāi)巖心進(jìn)口閥門飽和水;壓力穩(wěn)定至0.5MPa時(shí),記錄計(jì)量泵終值,開(kāi)巖心出口閥門;靜置至壓力為0MPa時(shí),讀取出水量,并計(jì)算飽和水量及孔隙度。③水測(cè)滲透率:連接精密差壓傳感器,以不同排量恒速注入飽和水,分別記錄不同流速下的壓差,根據(jù)達(dá)西定律計(jì)算出水測(cè)滲透率。④飽和油:出口回壓設(shè)為28.6MPa,飽和含氣原油,計(jì)量累計(jì)出水量,計(jì)算原始含油飽和度。⑤老化:關(guān)閉進(jìn)出口閥門,將飽和油后的巖心置于試驗(yàn)條件下老化24h以上。⑥驅(qū)油:設(shè)置出口回壓為28.6MPa,先注入不同PV數(shù)的富氣,再注入N2至試驗(yàn)結(jié)束,適時(shí)記錄注氣量、產(chǎn)油量、累計(jì)產(chǎn)氣量等,并繪制出相應(yīng)的試驗(yàn)曲線。
1.2.2 非混相富氣-N2復(fù)合驅(qū)試驗(yàn)方法
1)試驗(yàn)條件。試驗(yàn)溫度90℃,注入壓力17.1MPa,出口回壓16MPa。
2)試驗(yàn)方案。物模試驗(yàn)設(shè)計(jì)4種方案:0.2PV富氣+N2驅(qū)、0.4PV富氣+N2驅(qū)、0.6PV富氣+N2驅(qū)、全富氣驅(qū);試驗(yàn)中實(shí)時(shí)記錄產(chǎn)油量、產(chǎn)氣量等,直至產(chǎn)出流體的氣油比達(dá)到1500mL/mL以上時(shí)結(jié)束試驗(yàn)。
3)試驗(yàn)步驟。試驗(yàn)所用富氣-原油的最小混相壓力為27.4MPa,飽和油及驅(qū)油試驗(yàn)中巖心出口回壓設(shè)為16MPa,注入壓力17.1MPa,以保證富氣-原油為非混相狀態(tài)。其余步驟同混相富氣-N2復(fù)合驅(qū)試驗(yàn)。
用低滲、特低滲巖心分別進(jìn)行了5種驅(qū)替方案的試驗(yàn)研究,各驅(qū)替方案的最終采收率見(jiàn)表5。
表5 混相富氣-N2復(fù)合驅(qū)試驗(yàn)結(jié)果
根據(jù)試驗(yàn)所用低滲、特低滲天然巖心的平均物性參數(shù)及注采壓力,利用CMG油藏?cái)?shù)值模擬軟件建立了與試驗(yàn)所用巖心及流體參數(shù)完全一致的數(shù)理模型,計(jì)算了不同注入方案的采收率,并將物模驅(qū)油試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)模理論采收率曲線繪于同一圖中(見(jiàn)圖1)??梢钥闯觯锬T囼?yàn)結(jié)果與試驗(yàn)所用物理模型的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果基本相符,不同富氣PV數(shù)對(duì)應(yīng)的采收率結(jié)果相近,其偏差在合理范圍內(nèi)。特別是0.6PV富氣+N2的驅(qū)替方案,可以獲得較好的驅(qū)油效果,其采收率接近或超過(guò)全注富氣驅(qū)時(shí)的采收率。表明0.6PV富氣+N2驅(qū)時(shí),富氣段塞有效地遮擋了N2對(duì)富氣混相前緣的影響,且后續(xù)N2充分發(fā)揮了其彈性驅(qū)替效果優(yōu)于富氣的作用,故采收率較高。
隨著富氣注入量的增加,富氣+N2復(fù)合驅(qū)采收率不斷增加,當(dāng)富氣段塞達(dá)到0.6PV時(shí),達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值。這是由于富氣、N2之間的擴(kuò)散和彌散作用以及富氣與油相之間密度、黏度的差異導(dǎo)致了富氣前置段塞、N2推進(jìn)驅(qū)替過(guò)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,富氣前置段塞必須能滿足形成穩(wěn)定的中間帶避免N2與富氣混合帶竄逸至富氣前緣。當(dāng)富氣段塞小于0.6PV時(shí),N2突破了富氣段塞與模擬油發(fā)生接觸,影響了富氣與模擬油的混相,進(jìn)而影響了采收率。對(duì)比圖1(a)與圖1(b),特低滲巖心較低滲透巖心具有能緩減氣竄作用,從而獲得更好的驅(qū)替效果。
圖1 混相復(fù)合驅(qū)數(shù)模與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.1 Comparison of numerical simulation and experimental results in miscible compound flooding
用低滲、特低滲巖心分別進(jìn)行了4種驅(qū)替方案的試驗(yàn)研究,各驅(qū)替方案的最終采收率見(jiàn)表6。對(duì)比表5與表6,可以看出低滲及特低滲巖心中,混相條件下富氣+N2復(fù)合驅(qū)的采收率均比非混相條件下的采收率高,且富氣段塞PV數(shù)越大,采收率差別亦越大。富氣段塞為0.6PV時(shí),低滲及特低滲巖心混相驅(qū)的采收率比非混相驅(qū)分別高10.93%和10.80%,證實(shí)了混相復(fù)合驅(qū)的優(yōu)越性。
表6 非混相富氣-N2復(fù)合驅(qū)試驗(yàn)結(jié)果
由圖2可知,混相復(fù)合驅(qū)時(shí)低滲、特低滲巖心富氣合理段塞均為0.6PV;非混相復(fù)合驅(qū)時(shí)低滲透巖心合理富氣段塞為0.6PV、特低滲巖心合理富氣段塞為0.4PV。當(dāng)富氣段塞為0.2PV時(shí),混相與非混相復(fù)合驅(qū)采收率差別很小,隨著富氣段塞PV數(shù)增大,混相與非混相復(fù)合驅(qū)采收率差別逐漸增大,直至接近混相、非混相各自的合理PV數(shù)后,采收率差別不再增大。分析認(rèn)為,富氣段塞為0.2PV時(shí),由于富氣段塞過(guò)小,后續(xù)注入的N2會(huì)穿越富氣到達(dá)油氣混相前緣,從而使富氣的混相作用基本發(fā)揮不出來(lái),故混相、非混相壓力下復(fù)合驅(qū)的采收率基本一致;隨著富氣段塞PV數(shù)的增大,后續(xù)注入到巖心中N2不能完全穿越富氣到達(dá)油氣混相前緣,富氣的混相作用隨段塞PV數(shù)的增大而逐漸發(fā)揮出來(lái),混相壓力下復(fù)合驅(qū)的采收率隨之高于非混相壓力下復(fù)合驅(qū)的采收率,富氣段塞的PV數(shù)越大,混相、非混相驅(qū)的采收率差別越大;接近混相、非混相驅(qū)各自的合理段塞PV數(shù)后,富氣的混相驅(qū)替作用已基本發(fā)揮完畢,隨之而來(lái)的是同樣靠后續(xù)N2的頂替、膨脹作用將原油驅(qū)替出來(lái),故此時(shí)采收率差別不再增大。
圖2 采收率與富氣段塞PV數(shù)關(guān)系Fig.2 Relationship between recovery ratio and PV number of rich gas slug
根據(jù)表5中的數(shù)據(jù)計(jì)算了低滲、特低滲巖心混相富氣-N2復(fù)合驅(qū)中不同富氣段塞PV數(shù)的噸油氣體成本,結(jié)果如圖3所示。其中,標(biāo)況下富氣的價(jià)格取2.28元/m3,N2價(jià)格取1.47元/m3,原油價(jià)格取50美元/桶,美元對(duì)人民幣匯率取7.0。由圖3可以看出,隨著富氣段塞PV數(shù)的增加,低滲與特低滲巖心的噸油氣體成本持續(xù)增加,低滲巖心的噸油氣體成本始終高于特低滲巖心的噸油氣體成本。結(jié)合圖1,當(dāng)富氣段塞PV數(shù)相同時(shí),低滲巖心的采收率低于特低滲巖心的采收率,以至于低滲巖心的噸油氣體成本較高。低滲與特低滲巖心的富氣-N2復(fù)合驅(qū)中富氣的合理段塞為均0.6PV,此時(shí)特低滲巖心的噸油氣體成本為857.26元,而低滲巖心的噸油氣體成本為935.58元(比特低滲巖心的噸油氣體成本高78.32元)。
為了更直觀地反映富氣-N2復(fù)合驅(qū)的氣驅(qū)效益,計(jì)算了不同富氣段塞時(shí)復(fù)合驅(qū)的投入產(chǎn)出比,結(jié)果如圖4所示。注相同富氣段塞PV數(shù)時(shí),低滲巖心的投入產(chǎn)出比始終低于特低滲巖心的投入產(chǎn)出比。試驗(yàn)中,同一富氣段塞PV數(shù)下,低滲巖心中所需后續(xù)N2的PV數(shù)與特低滲巖心的基本相同,即低滲巖心富氣-N2復(fù)合驅(qū)的注入氣體成本與特低滲巖心富氣-N2復(fù)合驅(qū)的注入氣體成本基本相同,所以低滲透巖心的投入產(chǎn)出比與特低滲巖心的投入產(chǎn)出比主要受采收率影響,而低滲透巖心的采收率始終低于特低滲巖心的采收率。因此注相同富氣段塞PV數(shù)時(shí),特低滲巖心的投入產(chǎn)出比始終高于低滲透巖心的投入產(chǎn)出比。當(dāng)富氣段塞為0.6PV時(shí),特低滲巖心的投入產(chǎn)出比是低滲透巖心的投入產(chǎn)出比的1.09倍。
圖3 混相復(fù)合驅(qū)噸油氣體成本對(duì)比圖圖4 混相復(fù)合驅(qū)投入產(chǎn)出比對(duì)比圖 Fig.3 Comparison of gas cost per ton oil in Fig.4 Comparison of input-output ratio in miscible compound flooding miscible compound flooding
在試驗(yàn)條件下,采用富氣-N2復(fù)合驅(qū)方式,可獲得接近于全富氣驅(qū)的驅(qū)油效果。以提高采收率幅度為主要目標(biāo),綜合分析采收率、噸油氣體成本和投入產(chǎn)出比,混相驅(qū)復(fù)合驅(qū)時(shí)低滲、特低滲巖心富氣合理段塞均為0.6PV。
根據(jù)表6中的數(shù)據(jù),分別計(jì)算了低滲、特低滲巖心的混相和非混相富氣-N2復(fù)合驅(qū)噸油氣體成本,結(jié)果如圖5所示,隨著注富氣段塞PV數(shù)的增加,低滲、特低滲巖心混相與非混相復(fù)合驅(qū)的噸油氣體成本均持續(xù)增加,且混相復(fù)合驅(qū)噸油氣體成本始終高于非混相復(fù)合驅(qū)的噸油氣體成本。低滲巖心復(fù)合驅(qū)富氣段塞為0.6PV時(shí),混相復(fù)合驅(qū)噸油氣體成本(948.29元)比非混相復(fù)合驅(qū)噸油氣體成本(692.89元)高出255.4元;特低滲巖心復(fù)合驅(qū)富氣段塞為0.6PV時(shí),混相復(fù)合驅(qū)噸油氣體成本(857.26元)比非混相復(fù)合驅(qū)噸油氣體成本(692.14元)高出165.12元。
圖5 復(fù)合驅(qū)噸油氣體成本對(duì)比Fig.5 Comparison of gas cost per ton oil in compound flooding
雖然在混相條件下,低滲、特低滲巖心富氣段塞為0.6PV時(shí),混相復(fù)合驅(qū)比非混相復(fù)合驅(qū)的采收率分別高10.93%和10.80%,但由于混相驅(qū)的注入壓力(30.2MPa)是非混相驅(qū)的注入壓力(17.1MPa)的1.766倍,注入相同PV數(shù)的富氣在標(biāo)況下的體積相差1.6倍之多,以致于混相驅(qū)采收率的增值不足以彌補(bǔ)其注富氣量的增值,所以混相復(fù)合驅(qū)的噸油氣體成本始終高于非混相復(fù)合驅(qū)的噸油氣體成本。
為了更直觀地反映富氣-N2復(fù)合驅(qū)的氣驅(qū)效益,分別計(jì)算了低滲、特低滲巖心混相和非混相富氣-N2復(fù)合驅(qū)的投入產(chǎn)出比,結(jié)果如圖6所示。隨著注富氣段塞PV數(shù)的增加,低滲、特低滲巖心混相與非混相復(fù)合驅(qū)的投入產(chǎn)出比均呈現(xiàn)降低趨勢(shì),且混相復(fù)合驅(qū)投入產(chǎn)出比始終低于非混相復(fù)合驅(qū)的投入產(chǎn)出比。低滲巖心復(fù)合驅(qū)富氣段塞為0.6PV時(shí),非混相復(fù)合驅(qū)投入產(chǎn)出比(3.278)是混相復(fù)合驅(qū)投入產(chǎn)出比(2.401)的1.365倍;特低滲巖心復(fù)合驅(qū)富氣段塞為0.6PV時(shí),非混相復(fù)合驅(qū)投入產(chǎn)出比(3.354)是混相復(fù)合驅(qū)投入產(chǎn)出比(2.658)的1.262倍;非混相復(fù)合驅(qū)投入產(chǎn)出比平均為混相復(fù)合驅(qū)投入產(chǎn)出比的1.314倍。
圖6 復(fù)合驅(qū)投入產(chǎn)出比對(duì)比Fig.6 Comparison of input-output ratio in compound flooding
綜上所述,低滲、特低滲巖心中,混相富氣-N2復(fù)合驅(qū)采收率平均比非混相復(fù)合驅(qū)采收率高10.87%,技術(shù)指標(biāo)具有優(yōu)勢(shì);但非混相復(fù)合驅(qū)投入產(chǎn)出比平均為混相復(fù)合驅(qū)投入產(chǎn)出比的1.314倍,經(jīng)濟(jì)上具有優(yōu)勢(shì)。
1)采用富氣-N2復(fù)合驅(qū)方式,可獲得接近于全富氣驅(qū)的驅(qū)油效果?;煜鄰?fù)合驅(qū)時(shí)低滲、特低滲巖心合理富氣段塞均為0.6PV;非混相復(fù)合驅(qū)時(shí)低滲巖心合理富氣段塞為0.6PV、特低滲巖心合理富氣段塞為0.4PV。
2)相對(duì)于低滲巖心來(lái)說(shuō),特低滲巖心富氣-N2復(fù)合驅(qū)可以獲得更好的驅(qū)替效果,在混相條件下,采用0.6PV富氣+N2復(fù)合驅(qū)的驅(qū)替方式時(shí),特低滲巖心的采收率為73.21%,比低滲巖心的采收率(65.91%)高7.30個(gè)百分點(diǎn);在非混相條件下,特低滲巖心0.4PV富氣+N2復(fù)合驅(qū)的采收率為62.05%,比低滲巖心0.6PV富氣+N2復(fù)合驅(qū)的采收率(54.98%)高7.07個(gè)百分點(diǎn)。
3)低滲、特低滲巖心中,混相富氣-N2復(fù)合驅(qū)采收率平均比非混相復(fù)合驅(qū)采收率高10.87%,在技術(shù)指標(biāo)上具有優(yōu)勢(shì);但非混相復(fù)合驅(qū)注入壓力低、注相同PV數(shù)時(shí)所需氣量少,其投入產(chǎn)出比為混相復(fù)合驅(qū)的1.314倍,在經(jīng)濟(jì)上具有優(yōu)勢(shì)。