低滲—特低滲透油層氣體段塞組合驅比較研究

陳濤平，畢佳琪，趙 斌，孫 文

（東北石油大學提高油氣采收率教育部重點實驗室，黑龍江 大慶 163318）

注氣開發(fā)是低滲、特低滲油層最有效的開發(fā)手段，其中二氧化碳和烴類氣體是最具優(yōu)勢的提高原油采收率的方法。近年來一些學者對二氧化碳混相驅油機理進行了許多探索，但受氣源限制，國內(nèi)二氧化碳驅未能大面積推廣應用；另有一些學者對烴類氣驅的最小混相壓力、影響驅油效率的因素等進行了研究，國內(nèi)多個油田也相繼進行過注天然氣驅油礦場試驗，但也因氣源及成本等問題未能大面積推廣應用；氮氣源于空氣，其資源豐富，但氮氣與原油的混相壓力高，多以彈性氣驅為主，其驅替效率有限。

人們?yōu)榱私鉀Q油田注氣開發(fā)中的氣竄及氣源問題，曾嘗試用混合氣體驅油或實施氣/水交替注入，但混合氣體的混相壓力仍較高，常難以形成混相驅替，在低滲尤其是特低滲油層氣/水交替也難以實施；另有一些學者根據(jù)細管模型數(shù)值模擬計算結果，提出了注CO2前置段塞+N2頂替提高采收率的方法[1-2]，以達到節(jié)約CO2提高采收率的目的。文獻[3]對比研究了CO2驅與N2驅的機理，文獻[4]對比研究了低滲透油藏不同氣驅提高采收率技術，但這些對比研究中尚未涉及氣體段塞組合驅的比較分析。因此，為了改善低滲、特低滲透油層氣驅效果，在“十三五”國家科技重大專項跟蹤專家組的建議下，在分別對低滲、特低滲油藏二氧化碳—氮氣驅及富氣—氮氣驅進行研究的基礎上[2,5]，擬對二氧化碳—氮氣與富氣—氮氣兩種氣體段塞組合驅進行比較研究，從而為低滲、特低滲油層氣驅方法優(yōu)選提供依據(jù)。

1 均質條狀模型數(shù)模

為了研究影響氣驅油效果的因素，同時便于與后續(xù)物模實驗進行對比，根據(jù)Y 油田油層及其流體物性參數(shù)，利用CMG油藏數(shù)值模擬軟件建立了與Y油田油層長厚比一致（約30）、滲透率為3×10-3μm2的理想均質條狀模型，油層溫度90℃，壓力梯度0.1MPa/m。

1.1 長厚比對采收率的影響

為了全面反映尺度效應對驅油效果的影響，在厚1cm×寬4cm×不同長度的模型上布置4×16×100 個網(wǎng)格，計算了不同長厚比模型中持續(xù)注CO2或富氣的最終采收率，并繪于同一圖中，結果如圖1所示。

從圖1可以看出，CO2驅與富氣驅的采收率曲線變化趨勢存在差異。CO2驅的采收率隨著長厚比的增加先增大、后保持穩(wěn)定，而富氣驅的采收率則隨著長厚比的增加先增大，后減小，最后保持穩(wěn)定，且富氣驅的采收率始終小于CO2驅的采收率。由此可以推斷，實際油層長厚比過?。ň嘈　⒑穸却螅r，不利于氣驅提高采收率。

圖1 采收率與模型長厚比的關系曲線對比

1.2 段塞尺寸對采收率的影響

將長30cm×寬4cm×厚1cm均質模型中注入不同尺寸的前置CO2或富氣段塞+后續(xù)N2時，CO2-N2驅和富氣-N2驅的采收率繪制在同一圖中，如圖2所示。

圖2 采收率與前置段塞尺寸關系曲線對比

由圖2 可知，富氣-N2驅與CO2-N2驅的采收率均隨前置段塞尺寸的增加而不斷增大并趨于穩(wěn)定，兩種氣體段塞組合驅采收率的變化趨勢相同。在注入前置段塞尺寸小于0.4PV 時，富氣-N2驅的采收率小于CO2-N2驅的采收率；在注入前置段塞尺寸大于0.4PV后，富氣-N2驅的采收率大于CO2-N2驅的采收率。獲得最大采收率時，富氣-N2驅的合理前置段塞為0.6PV，CO2-N2驅的合理前置段塞為0.3PV，即富氣的合理前置段塞是CO2合理前置段塞的2倍，此時富氣-N2驅的采收率較CO2-N2驅的采收率高12.22%。

2 物理模型實驗

為了確定二氧化碳—氮氣驅和富氣—氮氣驅中合理前段塞尺寸及其驅油效果，現(xiàn)選用低滲透和特低滲透天然巖芯進行驅油實驗研究。

為了便于比較研究，分別將2類巖芯中二氧化碳—氮氣驅與富氣—氮氣驅實驗曲線繪于同一圖中，如圖3、圖4所示。

圖4 特低滲透巖芯物模采收率對比

由圖3 和圖4 可以看出，在相同尺寸前置段塞下，CO2-N2驅的采收率始終高于富氣-N2驅的采收率；采收率相同時，所需富氣段塞尺寸始終大于所需CO2段塞尺寸。在低滲、特低滲透巖芯中，采用0.3PV 前置CO2段塞+后續(xù)N2的驅替方式，可以達到全CO2驅的最終采收率；而采用富氣段塞-N2驅方式時，欲達到全注富氣時的采收率數(shù)值，則富氣段塞需要0.6PV。富氣-N2驅最終采收率比CO2-N2驅最終采收率高約4%，但所需富氣的段塞尺寸是CO2段塞尺寸的2倍。

分析認為，由于本實驗中富氣與原油的最小混相壓力（27.4MPa）高于二氧化碳與原油的最小混相壓力（25.9MPa），在同一注入壓力30.2MPa 下，CO2的溶解能力強，比富氣更易形成混相帶；且在注入PV 數(shù)相同時，CO2在驅替壓力下呈液態(tài)、密度較大，其總質量遠大于在驅替壓力下呈氣態(tài)的富氣，所以二氧化碳—氮氣驅采收率較高。

3 五點法井網(wǎng)數(shù)模

為了確定實際油田井網(wǎng)條件下CO2-N2驅CO2的段塞尺寸及驅油效果，用CMG油藏數(shù)值模擬軟件建立了井距300m 五點法井網(wǎng)單元模型，油層溫度90℃，壓力梯度0.1MPa/m，注、采井井底壓力分別為40MPa 和10MPa，其余巖石及油氣物性同前。模型長212m×寬212m×厚10m，網(wǎng)格劃分i×j×k=106×106×5，網(wǎng)格步長2.0m，極限生產(chǎn)氣油比取1500m3/m3。

3.1 低滲油層五點法井網(wǎng)

在低滲透油層模型滲透率30×10-3μm2，孔隙度15.5%條件下，分別計算了注不同尺寸前置段塞+N2驅時的采收率，根據(jù)計算結果所做采收率與前置段塞尺寸的關系曲線如圖5所示。

由圖5 可知，在低滲油層五點法井網(wǎng)單元模型中，同一前置段塞尺寸下，CO2-N2驅的采收率始終高于富氣-N2驅的采收率；兩種氣體段塞組合驅的合理前置段塞分別為0.4PV 和0.6PV；在合理前置段塞條件下，二者的采收率分別為58.19%和51.46%，相差6.73%。

圖5 低滲油層五點法井網(wǎng)單元采收率對比

為了進一步比較CO2-N2驅與富氣-N2驅的氣驅效益，計算了注不同尺寸前置段塞時氣驅的投入產(chǎn)出比，結果如圖6所示。

圖6 低滲油層五點法井網(wǎng)單元投入產(chǎn)出比對比

由圖6可知，注相同尺寸前置段塞時，CO2-N2驅的投入產(chǎn)出比始終高于富氣-N2驅的投入產(chǎn)出比。結合圖5，前置段塞尺寸相同時，CO2-N2驅的采收率高于富氣-N2驅的采收率，且CO2的價格低于富氣價格，所以CO2-N2驅的投入產(chǎn)出比始終高于富氣-N2驅的投入產(chǎn)出比。

綜上，低滲油層五點法井網(wǎng)中，CO2-N2驅的合理前置段塞為0.4PV，其投入產(chǎn)出比為4.48；富氣-N2驅合理前置段塞為0.6PV，其投入產(chǎn)出比為1.69；此時CO2-N2驅的采收率比富氣-N2驅的高6.73%，投入產(chǎn)出比是富氣-N2驅的2.65倍。

3.2 特低滲油層五點法井網(wǎng)

在特低滲油層模型滲透率3×10-3μm2、孔隙度10%條件下，分別計算了注不同尺寸前置段塞+N2驅時的采收率，根據(jù)計算結果所做采收率與前置段塞尺寸的關系曲線如圖7所示。

圖7 特低滲油層五點法井網(wǎng)單元采收率對比

由圖7可知，在五點法井網(wǎng)單元模型中，CO2-N2驅的采收率始終高于富氣-N2驅的采收率；CO2-N2驅的合理段塞為0.4PV，此時采收率為62.98%；富氣-N2驅的合理段塞為0.6PV，此時采收率為50.88%。注合理段塞時，兩種氣驅的采收相差12.10%。

為了進一步比較CO2-N2驅與富氣-N2驅的氣驅效益，計算了注不同尺寸前置段塞時氣驅的投入產(chǎn)出比，結果如圖8所示。

由圖8可知，注相同尺寸的前置段塞時，CO2-N2驅的投入產(chǎn)出比始終高于富氣-N2驅的投入產(chǎn)出比。結合圖7，前置段塞尺寸相同時，CO2-N2驅的采收率高于富氣-N2驅的采收率，且CO2的價格低于富氣價格，所以CO2-N2驅的投入產(chǎn)出比始終高于富氣-N2驅的投入產(chǎn)出比。

圖8 特低滲油層五點井網(wǎng)單元投入產(chǎn)出比對比

綜上所述，特低滲油層五點法井網(wǎng)模型中，CO2-N2驅的合理前置段塞為0.4PV，富氣-N2驅合理前置段塞為0.6PV，此時CO2-N2驅的采收率比富氣-N2驅的采收率高12.10%，CO2-N2驅的投入產(chǎn)出比是富氣-N2驅投入產(chǎn)出比的2.55倍。

4 綜合比較

為了便于對低滲、特低滲油層中，CO2-N2驅與富氣-N2驅的驅油效果和氣驅效益進行綜合比較，將兩種氣體段塞組合驅的合理前置段塞、采收率及投入產(chǎn)出比等主要指標匯總于表1中。

由表1 可以看出，在實驗模型完全混相驅條件下，富氣—氮氣驅的采收率具有一定的優(yōu)勢，但投入產(chǎn)出比處于劣勢；在五點法井網(wǎng)部分混相驅條件下，二氧化碳—氮氣驅的采收率和投入產(chǎn)出比均比富氣—氮氣驅具有優(yōu)勢。

表1 二氧化碳—氮氣驅與富氣—氮氣驅主要指標對比

前述采收率等指標均是指油井生產(chǎn)至極限氣油比大于1500m3/m3時，停止注氣生產(chǎn)的值。在此之后油田可進入衰竭期生產(chǎn)，即僅靠油層中剩余氣體的膨脹能驅替至單井日產(chǎn)氣量小于某一值（取100m3/d）時，停產(chǎn)廢棄油井。五點法井網(wǎng)單元不同氣驅的衰竭期技術指標匯總于表2。

表2 二氧化碳—氮氣驅與富氣—氮氣驅衰竭期技術指標對比

由表2可以看出，在衰竭生產(chǎn)階段，低滲、特低滲油層五點法井網(wǎng)單元CO2-N2驅原油采收率和注入氣回采率均比富氣-N2驅的高。這是因為五點法井網(wǎng)單元CO2-N2驅中CO2合理前置段塞為0.4PV，比富氣-N2驅中富氣合理前置段塞0.6PV 少三分之一，相同凈產(chǎn)注入氣量下的注入氣回采率會高于富氣-N2驅；加之注入井附近CO2為純液態(tài)、富氣大多為氣態(tài)，同樣注采壓力場分布下，液態(tài)CO2的膨脹率較高；因此衰竭期CO2-N2驅的采收率和注入氣回采率均比富氣-N2驅的高。

總體而言，衰竭生產(chǎn)期的階段采收率較低，但卻大幅度提高了注入氣回采率，說明此階段的主要貢獻是凈產(chǎn)注入氣，這些氣體經(jīng)處理后可回注入油層提高采收率或做它用。

5 結論

（1）低滲、特低滲均質和非均質條狀模型中，CO2-N2驅的合理段塞小于富氣-N2驅的合理段塞，此時CO2-N2驅的采收率比富氣-N2驅采收率低，但CO2-N2驅的投入產(chǎn)出比較富氣-N2驅的投入產(chǎn)出比高。

（2）低滲、特低滲透巖芯完全混相物模驅油實驗表明，雖然富氣-N2驅最終采收率比CO2-N2驅最終采收率高約4%，但因所需富氣的合理前置段塞尺寸是CO2的合理前置段塞尺寸的2倍，加之注入條件下單位體積富氣價格是CO2價格的1.82倍，所以CO2-N2驅的最終投入產(chǎn)出比是富氣-N2驅的2.0～2.69倍。

（3）五點法井網(wǎng)中，低滲、特低滲油層CO2-N2驅的合理前置段塞均為0.4PV，雖然均比富氣-N2驅合理前置段塞0.6PV 少三分之一（0.2PV），但CO2-N2驅的采收率卻比富氣-N2驅的采收率分別高6.73%和12.10%，故CO2-N2驅的投入產(chǎn)出比分別是富氣-N2驅投入產(chǎn)出比的2.65和2.55倍。

（4）在實驗室?guī)r芯完全混相驅條件下，富氣-N2驅的采收率具有一定的優(yōu)勢，但投入產(chǎn)出比處于劣勢；在實際油層五點法井網(wǎng)部分混相驅條件下，CO2-N2驅的采收率和投入產(chǎn)出比均比富氣-N2驅具有優(yōu)勢。