王 歡， 廖新維， 趙曉亮， 劉姣姣， 李小鋒

(1.中國石油大學(xué)(北京) 石油工程教育部重點實驗室， 北京 昌平 102249； 2.中國石油長慶油田分公司 蘇里格氣田研究中心， 陜西 西安 710018)

0 引言

二氧化碳驅(qū)已經(jīng)成為全球石油工業(yè)普遍采用的提高原油采收率的方法[1].同時，將二氧化碳注入到已開發(fā)的油氣藏中可以減少其在大氣中的濃度，從而減緩溫室氣體效應(yīng)[2]，是解決全球氣候變暖的有效途徑之一.二氧化碳驅(qū)提高原油采收率和地質(zhì)埋存技術(shù)在國內(nèi)外已有廣泛研究，在許多油田進行了礦場實施[3-7].

目前對于二氧化碳驅(qū)提高原油采收率和埋存潛力的評價，一般都是應(yīng)用室內(nèi)實驗和數(shù)值模擬的方法[8-12].這些方法主要基于油田后期詳細(xì)的開發(fā)方案設(shè)計，評價所需數(shù)據(jù)較多，過程繁瑣，而且如果要在較短時間內(nèi)進行大規(guī)模的CO2驅(qū)提高原油采收率和地質(zhì)埋存潛力評價，這些方法會表現(xiàn)出許多不足.

本論文基于分流理論，提出一套CO2驅(qū)提高原油采收率與埋存潛力評價方法，并對新疆油田進行了二氧化碳驅(qū)提高原油采收率和地質(zhì)埋存潛力的評價，這可為新疆油田后期提高原油采收率開發(fā)決策提供一定的參考依據(jù).

1 CO2驅(qū)提高原油采收率與地質(zhì)埋存潛力評價模型理論基礎(chǔ)

要建立CO2驅(qū)提高原油采收率與埋存潛力評價軟件，首先需要建立相應(yīng)的評價模型，下面是模型的基本假設(shè)和理論基礎(chǔ)[13].

模型的假設(shè)條件為：①流體流動過程中，油與水都不揮發(fā)到氣相中去，注入氣與原油一次接觸混相；②驅(qū)替是等溫過程；③用Koval系數(shù)描述粘性指進；④當(dāng)注入方式為水汽交替時，水和CO2以一定的WAG比例同時注入；⑤油藏沒有大的裂縫，注入CO2沒有泄露；⑥沒有自由氣存在(非混相驅(qū)沒有這一項).

根據(jù)質(zhì)量守恒定律，可以得到組分濃度與分流量的關(guān)系方程為：

(1)

Ci=Ci1S1+Ci2S2+Ci3S3,i=1,2,3

(2)

Fi=Ci1f1+Ci2f2+Ci3f3，i=1,2,3

(3)

Cij—j相中組分i的濃度.根據(jù)油與水都不揮發(fā)到氣相中去的假設(shè)條件，則上式中C33=1，C13=C23=0.j=1—水相；j=2—油相；j=3—氣相；Sj—j相飽和度；fj—j相分流.

以上模型是非混相的模型，當(dāng)為混相時，方程(2)中Ci3S3這一項為0，方程(3)中Ci3f3這一項也為0，并且i=1,2.

在模型中，油及注入氣的突破和采收率是通過修正后的分流理論來計算，修正后的分流理論考慮了粘性指進、面積波及系數(shù)、縱向非均質(zhì)性及重力分異等因素的影響，用特征線方法對模型進行求解.

模型中用Koval系數(shù)描述粘性指進、縱向非均質(zhì)性等因素對分流的影響；由于注入氣的密度小于油和水，注入氣有向油層頂部移動以及在油層較低部位發(fā)生超覆或繞流的傾向，因此模型中用增大Koval系數(shù)的方法來修正重力的影響.模型通過流管模擬，利用分流理論將二維平面驅(qū)替計算轉(zhuǎn)化為一維的驅(qū)替計算，從而獲得高效、相對準(zhǔn)確的滲流計算模型.應(yīng)用該模型可以預(yù)測油、氣前緣突破時間和原油采收率及地質(zhì)埋存系數(shù)等參數(shù).

CO2地質(zhì)埋存量的計算模型如下：

Me=N*Rsco2

(4)

式中：Me—油藏中CO2有效埋存量，t；N—油藏中原油的地質(zhì)儲量，t；Rsco2—CO2地質(zhì)埋存系數(shù)，t/t，即CO2埋入地下的量與原油地質(zhì)儲量的比值.

2 CO2驅(qū)提高原油采收率與地質(zhì)埋存潛力評價步驟

2.1 評價所需參數(shù)

在應(yīng)用CO2驅(qū)提高原油采收率與埋存潛力評價軟件，進行CO2驅(qū)提高原油采收率和地質(zhì)埋存量評價時，評價所需參數(shù)有：(1)油藏地質(zhì)儲量；(2)相對滲透率數(shù)據(jù)，包括油水、油氣相對滲透率數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是通過巖心油水、氣水驅(qū)替實驗獲得的；(3)通過高壓物性(PVT)實驗得到流度數(shù)據(jù)，如原油粘度，水粘度，原油體積系數(shù)，CO2相對密度，油的密度(地面)，溶解汽油比；(4)儲層及流體數(shù)據(jù)，如溫度，地層壓力，非均質(zhì)性系數(shù)，滲透率，儲層厚度，孔隙度，層數(shù)，原始含油飽和度，原始含水飽和度，原始含氣飽和度，垂直與水平滲透率比值，水的礦化度.這些數(shù)據(jù)通過測井、試井以及巖心實驗獲得；(5)最小混相壓力，通過下文提出的最小混相壓力模型計算得到；(6)井網(wǎng)數(shù)據(jù)，如井距、排距；(7)注入數(shù)據(jù)，如注入階段數(shù)，注水速率，注CO2速率，注入比，注入量(HCPV).

2.2 關(guān)鍵參數(shù)最小混相壓力(MMP)的確定

在進行CO2驅(qū)提高原油采收率和地質(zhì)埋存潛力評價之前，首先要確定目標(biāo)油藏的最小混相壓力(MMP)，以判斷是否能夠?qū)崿F(xiàn)混相[14-16]，因此，最小混相壓力是用該方法評價的關(guān)鍵參數(shù).

目前最小混相壓力的確定方法歸納起來主要有：經(jīng)驗公式計算法、實驗法(細(xì)管實驗、升泡儀)和狀態(tài)方程法.對于一個油田的幾十個甚至上百個油藏進行評價，不可能對每個油藏都做最小混相壓力實驗，所以本文采用細(xì)管實驗與經(jīng)驗公式相結(jié)合的方法，既保證了求取的最小混相壓力的準(zhǔn)確性，又保證了其便捷性.

以細(xì)管實驗結(jié)果結(jié)合美國能源部的NPC方法[17]，可以通過油藏溫度及原油中的C5+分子量來預(yù)測MMP，下式是適合于新疆油田的最小混相壓力計算模型.

MMP=-329.558+(7.727*MW*1.005T)-(4.377*MW)

(5)

2.3 典型區(qū)塊評價步驟

下面以目標(biāo)油田AA開發(fā)單元評價為例，詳細(xì)說明CO2驅(qū)提高原油采收率和地質(zhì)埋存潛力評價步驟.

(1)評價基礎(chǔ)參數(shù)確定

AA開發(fā)單元的儲層數(shù)據(jù)、流體數(shù)據(jù)等如表1所示.

(2)最小混相壓力的計算

將AA開發(fā)單元油藏溫度62 ℃，油的密度(地面)838 kg/m3代入上文提出的最小混相壓力計算模型，計算得到了其最小混相壓力為18.74 MPa，對比表1中給出的AA開發(fā)單元的原始地層壓力25.5 MPa，可知該開發(fā)單元可以實現(xiàn)CO2混相驅(qū)開發(fā).

(3)相滲數(shù)據(jù)的測定

通過AA區(qū)塊的巖心驅(qū)替實驗，得到油水相滲曲線，油氣相滲曲線通過Corey模型計算得到，分別如圖1和圖2所示.

圖1 油水相滲曲線

圖2 油氣相滲曲線

(4)預(yù)測方案設(shè)計及評價結(jié)果

AA開發(fā)單元采用反五點井網(wǎng)，井距和排距都為350 m.設(shè)定兩個注入方案.方案一：注水開發(fā)，注水速率為60 m3/d，注入量為1.2HCPV；方案二：先以60 m3/d的速率注0.6HCPV的水，再轉(zhuǎn)注CO2，注氣速率為2×104m3/d(地面)，注入量為0.6HCPV.方案一和方案二的評價結(jié)果分別如圖3和圖4所示. 由圖3可知，方案一以連續(xù)注水1.2HCPV的方式進行開發(fā)，原油最終采收率為32.24%.由圖4可知，方案二以先注入0.6HCPV的水，再轉(zhuǎn)注0.6HCPV的CO2的方式進行開發(fā)，原油最終采收率為41.6%.由此可知,水驅(qū)后轉(zhuǎn)CO2氣驅(qū)比連續(xù)水驅(qū)具有更好的開發(fā)效果，可以提高采收率9.36%.由圖5可知，在CO2驅(qū)過程中可以埋存的CO2量為1 098.3×104t，埋存系數(shù)為0.347.

圖3 方案一原油采收率

圖4 方案二原油采收率

圖5 方案二CO2累計注入量與地質(zhì)埋存量對比圖

3 新疆油田CO2驅(qū)潛力評價及結(jié)果分析

新疆油田所在的準(zhǔn)噶爾盆地位于我國新疆維吾爾族自治區(qū)北部，盆地面積為13.487×104km2.是在前寒武紀(jì)結(jié)晶基底和晚元古代——古生代臺相沉積的基礎(chǔ)上形成的一個以晚古生代和中、新生代陸相沉積為主的大型疊合盆地，由于構(gòu)造運動的多次疊加，形成擠壓環(huán)境下的復(fù)合疊加盆地.構(gòu)造上主要表現(xiàn)為受斷裂遮擋的單斜、被斷裂簡單切割或保存完整的背斜以及復(fù)雜斷塊等特點.油藏埋深變化大，一般淺者300 m左右，深者可達4 500 m左右.儲層孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，孔隙度和滲透率較低，在平面、剖面上具有較嚴(yán)重的非均質(zhì)性.

新疆油田是中國西部重要的油氣田，有很好的地質(zhì)圈閉，以及完備的注采設(shè)施，并且很多油藏已經(jīng)進入水驅(qū)開發(fā)的后期，水驅(qū)效果變差，CO2驅(qū)作為一項頗具應(yīng)用前景的提高原油采收率方法，其有可能是新疆油田未來提高原油采收率的重要方法之一.因此，對新疆油田進行CO2驅(qū)提高原油采收率和地質(zhì)埋存潛力評價具有重要的實際意義.

應(yīng)用前文提出的評價方法及步驟， 針對新疆油田挑選了20個具有代表性的典型油藏區(qū)塊(混相區(qū)塊和非混相區(qū)塊各10個)，如圖6所示，進行了水驅(qū)(0.6HCPV)后轉(zhuǎn)CO2氣驅(qū)(0.6HCPV)提高原油采收率和地質(zhì)埋存量的潛力評價，評價結(jié)果如表2所示.

圖6 典型油藏區(qū)塊分布圖

表2 新疆油田典型區(qū)塊CO2提高原油采收率和地質(zhì)埋存量平價結(jié)果表

續(xù)表1

通過以上評價結(jié)果可知，(1)10個典型混相區(qū)塊水驅(qū)后轉(zhuǎn)CO2驅(qū)提高原油采收率的平均值為14.19%，CO2埋存系數(shù)的平均值為0.35 t/t;10個典型非混相驅(qū)塊水驅(qū)后轉(zhuǎn)CO2驅(qū)提高原油采收率的平均值為7.58%，CO2埋存系數(shù)的平均值為0.25 t/t.(2)CO2混相驅(qū)比非混相驅(qū)原油采收率能提高6.61個百分點.(3)CO2混相驅(qū)比非混相驅(qū)的埋存系數(shù)要大.分析其主要原因為：混相驅(qū)時CO2與原油達成混相，驅(qū)替出更多的原油，讓出更多的空間，作為CO2的儲集空間.

進一步應(yīng)用本文提出的最小混相壓力計算模型，對新疆油田的275個開發(fā)單元進行了初步篩選，確定出其中139個開發(fā)單元適合混相驅(qū)，地質(zhì)儲量87 495.24×104t；136個開發(fā)單元適合非混相驅(qū)，地質(zhì)儲量75 649.78×104t.

用前文評價出的典型混相和非混相區(qū)塊水驅(qū)后轉(zhuǎn)CO2氣驅(qū)平均提高原油采收率幅度和埋存系數(shù)進行計算，新疆油田139個CO2混相驅(qū)開發(fā)單元水驅(qū)后可額外采出原油12 415.57×104t，CO2埋存量30 623.33×104t；136個非混相開發(fā)單元水驅(qū)后可額外采出原油5 734.25×104t，CO2埋存量18 912.45×104t.總計新疆油田275個開發(fā)單元水驅(qū)后CO2驅(qū)可額外采出原油18 149.82×104t，CO2埋存量49 535.78×104t.

4 結(jié)束語

(1)本文提出了一套以分流理論為基礎(chǔ)的CO2驅(qū)提高原油采收率與埋存潛力評價方法，該方法較常規(guī)數(shù)值模擬方法簡便，所需數(shù)據(jù)比較容易獲得，這些數(shù)據(jù)一般在油田數(shù)據(jù)庫中都能找到.文中所用的評價方法也可用于其它油田類似的潛力評價.

(2)通過新疆油田典型區(qū)塊的評價可知，水驅(qū)之后轉(zhuǎn)CO2混相驅(qū)提高原油采收率的平均值為14.19%，CO2埋存系數(shù)的平均值為0.35 t/t；水驅(qū)后轉(zhuǎn)CO2非混相驅(qū)提高原油采收率的平均值為7.58%，CO2埋存系數(shù)的平均值為0.25 t/t.

對新疆油田的275個開發(fā)單元進行評價得出，適合CO2混相驅(qū)的開發(fā)單元139個，適合CO2非混相驅(qū)的開發(fā)單元136個.275個開發(fā)單元水驅(qū)后轉(zhuǎn)CO2驅(qū)可額外采出原油18 149.82×104t，CO2埋存量49 535.78×104t，CO2驅(qū)提高原油采收率和地質(zhì)埋存在新疆油田具有很好的應(yīng)用前景.

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