高 達 馬勇新 米洪剛 劉鵬超 歐志鵬 陳建華

(中海石油(中國)有限公司湛江分公司 廣東湛江 524057)

南海西部海域鶯歌海盆地東方與樂東氣田群泥底辟構(gòu)造發(fā)育，導(dǎo)致殼源CO2由沉積蓋層深處向淺部運移[1]，縱向上部分區(qū)塊及層位的CO2富集，形成高含CO2氣藏(以下簡稱“高碳氣藏”)。高碳氣藏開發(fā)的經(jīng)濟價值較低，而且生產(chǎn)的CO2還需脫碳分離后放空排放，增加開發(fā)成本并且不利于環(huán)保[2]，因此這類高碳氣藏儲量動用程度較低，地層壓力仍較高；而高烴氣藏目前采出程度已較高，地層壓力已大幅下降。馬勇新 等[3]提出了“油氣人工運移”方法及將該方法用于開發(fā)利用高碳氣藏的思路，即通過鉆人工運移井建立高碳氣藏與已開發(fā)高烴氣藏之間的運移通道，依靠層間壓力差將高含CO2氣(以下簡稱“高碳氣”)運移注入到高烴氣藏，提高高烴氣藏開發(fā)效果以及間接開發(fā)利用高碳氣藏，但未說明該方法的開發(fā)機理及開發(fā)效果。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，通過室內(nèi)實驗和數(shù)值模擬，深入研究并明確了高碳氣藏運移驅(qū)替開發(fā)高烴氣藏的兩大主要機理：一是高碳氣驅(qū)替高烴氣至生產(chǎn)井采出(類似于自流注水[4-5])，即驅(qū)替提高采收率機理；二是由于地層束縛水對CO2的溶解度遠大于烴類氣體[6-7]，地層束縛水可溶解吸收部分高碳氣中的CO2，改善高碳氣品質(zhì)，即溶解吸收改質(zhì)機理。在機理研究基礎(chǔ)上，通過對先導(dǎo)試驗區(qū)開發(fā)方案效果模擬,綜合分析了高碳氣運移驅(qū)替開發(fā)高烴氣的開發(fā)效果。

1 方法可行性室內(nèi)實驗

為驗證高碳氣運移驅(qū)替開發(fā)高烴氣方法的驅(qū)替提高采收率機理及溶解吸收改質(zhì)機理，開展了以下室內(nèi)實驗研究：①長巖心驅(qū)替實驗，測試用CO2氣體驅(qū)替長巖心中CH4氣體的驅(qū)替效果，模擬高碳氣驅(qū)替高烴氣提高采收率可行性機理及效果；②溶解吸收改質(zhì)實驗，將高碳氣注入到已溶解高烴氣至飽和狀態(tài)的水溶液中，測試烴組分與CO2組分的變化，模擬地層水對高碳氣的溶解吸收改質(zhì)可行性機理及效果。

1.1 長巖心驅(qū)替實驗

1) 實驗材料。

由滲透率不等的天然短巖心拼接而成的長巖心，氣測滲透率為8.9 mD，原始飽和氣體為高純CH4(濃度>99.99%，代表高烴氣)；驅(qū)替用注入氣體為高純CO2(濃度>99.99%，代表高碳氣)。

2) 實驗儀器。

主要包括高壓驅(qū)替泵、恒溫箱、長巖心夾持器、氣體流量計、氣相色譜儀等。

3) 實驗步驟。

將長巖心夾持器放入恒溫箱(長巖心水平放置)，并設(shè)定溫度為80 ℃(模擬地層溫度)，清洗，吹干、抽真空；用純CH4驅(qū)替長巖心以飽和純CH4氣體；連接純CO2中間容器，進行驅(qū)替實驗，回壓設(shè)置為14 MPa(模擬地層壓力)，每隔0.1 PV記錄氣量，同時進行氣相色譜分析，記錄產(chǎn)出氣中CO2和CH4濃度，當產(chǎn)出氣中CO2含量接近100%時，停止驅(qū)替。

4) 實驗結(jié)果。

設(shè)計驅(qū)替速度分別為0.1、0.2、0.4 mL/min，各驅(qū)替速度下采出端CO2摩爾濃度變化情況見圖1，可以看出：注入 CO20.6～0.8 PV時，CO2開始突破采出端，之后含量快速上升；驅(qū)替速度越小，CO2突破時的PV數(shù)越小，主要原因是受氣體擴散作用影響，即驅(qū)替速度越小，氣體擴散作用時效越長，因此在后續(xù)數(shù)值模擬研究中也考慮了氣體擴散。圖2為通過采出端CO2摩爾濃度變化計算出的CH4采出程度變化情況，可以看出：注入 CO21 PV時，CH4采出程度已達到91.3%～94.0%，驅(qū)替效果非常好；注入 CO21.2 PV以上時，采收率達到93.8%～95.0%，接近100%，此時采出端CO2濃度已接近100%(圖1)，主要原因是CO2和CH4都為氣體，黏度差異很小，波及系數(shù)和驅(qū)替效率都接近100%。通過該室內(nèi)實驗，有效地驗證了高碳氣驅(qū)替高烴氣，提高高烴氣采收率的可行性及效果。

圖1 長巖心驅(qū)替實驗采出端CO2含量變化情況Fig.1 CO2 concentration at the production of the long core displacement experiments

圖2 長巖心驅(qū)替實驗CH4采出程度變化情況Fig.2 Recovery of CH4 of the long core displacement experiments

1.2 溶解吸收改質(zhì)實驗

1) 實驗材料。

參照南海西部海域鶯歌海盆地東方M氣田Ⅱ氣組高烴氣藏天然氣組分和Ⅲ氣組高碳氣藏天然氣組分，配制天然氣樣品(表1，實際氣藏含有部分N2氣體)，參照氣田實際地層水配制實驗用地層水。

2) 實驗儀器。

主要包括高溫高壓反應(yīng)釜、高壓驅(qū)替泵、氣體計量計、氣相色譜儀等。

3) 實驗步驟。

設(shè)定實驗溫度80 ℃(模擬地層溫度)，在高溫高壓反應(yīng)釜中配制充分溶解至飽和的Ⅱ氣組高烴氣水溶液；將Ⅲ氣組高碳氣注入到高溫高壓反應(yīng)釜飽和水溶液中，充分溶解后測試未溶解氣的組成。

表1 實驗?zāi)M氣體組成及溶解吸收改質(zhì)實驗結(jié)果Table 1 Gas composition of experimental simulation and dissolution absorption modification test results

4) 實驗結(jié)果。

壓力14 MPa下的實驗結(jié)果見表1，可以看出：高碳氣注入飽和高烴氣水溶液后，未溶解氣中CO2摩爾含量從67.6%下降為30.1%，CH4摩爾含量從27.5%上升至56.9%，起到了較顯著的改質(zhì)效果。分析認為，高碳氣注入到高烴氣水溶液中，原有的溶解平衡被打破，CO2在氣相中的濃度大幅度升高，分壓值大幅度增加，CO2在水中的溶解度隨著分壓值升高而增大，且CO2在水中的溶解度較高，因此高碳氣中大部分CO2會溶解于水中，從而降低了高碳氣中的CO2含量；CH4在氣相中的濃度降低，分壓值降低，水溶液中部分溶解的CH4會脫出至氣相中，由于高碳氣中CO2氣體的大量溶解以及水溶液中部分CH4氣體的脫出，未溶解氣組成中CO2含量降低、CH4含量提高，提高了高碳氣的天然氣品質(zhì)。實驗?zāi)M了在14、12、10、8、5、3 MPa等不同壓力下高碳氣注入高烴氣水溶液的情況，不同壓力下溶解吸收改質(zhì)實驗未溶解氣組成見圖3。從圖3可以看出，壓力越高，未溶解氣組成中CO2摩爾含量下降量越大，CO2被溶解凈化的程度越高，主要原因是壓力越高，地層束縛水可溶解吸收的CO2量越多。通過該室內(nèi)實驗，有效地驗證了高烴氣藏地層束縛水溶解吸收高碳氣中CO2，改質(zhì)高碳氣的可行性及效果。

圖3 不同壓力下溶解吸收改質(zhì)實驗未溶解氣組成Fig.3 Composition of undissolved gas of dissolution absorption modification test under different pressures

2 開發(fā)效果數(shù)值模擬

為進一步驗證和模擬高碳氣運移驅(qū)替開發(fā)高烴氣方法的可行性機理及效果，利用油藏數(shù)值模擬軟件Eclipse中可模擬多組分氣體的E300組分模型以及可模擬CH4與CO2等氣體在水相中溶解度的GASWAT模塊，以東方M氣田Ⅱ氣組高烴氣藏和Ⅲ氣組高碳氣藏為參照，建立了高碳氣藏驅(qū)替高烴氣藏數(shù)值模擬概念模型(圖4)。該模型設(shè)置上下兩套氣層，下層模擬Ⅲ氣組高碳氣藏(紅色表示高碳氣)，上層模擬Ⅱ氣組高烴氣藏(藍色表示高烴氣)，儲層孔隙度為24%，滲透率為20 mD，束縛水飽和度為50%，原始地層壓力為14 MPa；模型中設(shè)置1口生產(chǎn)井單采上層高烴氣層，設(shè)置1口運移通道井同時射開上下兩套氣層。E300組分模型中GASWAT模塊主要基于改進的PR狀態(tài)方程[8]，利用氣-水相平衡計算氣體在地層水中的溶解度，模型建立過程中通過調(diào)整模型參數(shù)擬合室內(nèi)實驗測得的CH4、CO2組分的溶解氣水比，擬合后與實驗值基本吻合(圖5)，為模擬溶解吸收改質(zhì)效果奠定了基礎(chǔ)。模擬過程中運移通道井不配產(chǎn)，在模型中利用上下氣層之間的壓差，在井筒內(nèi)形成竄流，模擬下氣層高碳氣運移注入上氣層高烴氣藏。

圖4 高碳氣驅(qū)替高烴氣數(shù)值模擬概念模型示意圖Fig.4 Schematic diagram of numerical simulation model of high CO2 gas displacing high CH4 gas

圖5 CH4與CO2組分溶解氣水比擬合效果Fig.5 Fitting effect of dissolved gas-water ratio of CH4 and CO2 components dissolved in water

基于概念模型，模擬了高碳氣運移驅(qū)替開發(fā)高烴氣的驅(qū)替效果及地層束縛水對高碳氣中CO2組分的溶解吸收改質(zhì)作用。在高碳氣驅(qū)替開發(fā)前，高烴氣藏氣相中CO2含量及地層束縛水中的CO2溶解量均非常低；高碳氣注入后，初期運移通道井眼處氣相中的CO2含量大幅增加(圖6a)，高碳氣已經(jīng)注入至高烴氣藏，運移通道井眼附近的地層束縛水中CO2溶解量也大幅增加(圖7a)；隨著驅(qū)替的進行，高碳氣波及范圍逐漸擴大(圖6b)，波及區(qū)域的地層束縛水中CO2溶解量大幅增加(圖7b)；驅(qū)替末期，高碳氣波及范圍基本不再擴大(波及范圍與井網(wǎng)有關(guān))，運移通道井與生產(chǎn)井之間高烴氣基本都被置換為高碳氣(圖6c，紅色網(wǎng)格表示被置換為高碳氣)，與長巖心驅(qū)替實驗結(jié)果互為驗證，但由于衰竭式開采造成地層壓力整體下降，開發(fā)末期束縛水中CO2溶解量會比中期略有下降(圖7c)。由此可見，通過數(shù)值模擬概念模型模擬了高碳氣驅(qū)替置換高烴氣，提高了高烴氣采收率，且波及區(qū)域的地層束縛水溶解吸收了部分CO2，起到了溶解吸收CO2改善高碳氣品質(zhì)的作用。

圖6 高碳氣驅(qū)替高烴氣波及范圍及氣相中CO2濃度模擬圖Fig.6 Sweep region of high CH4 gas displacd by high CO2 gas and CO2 concentration in the gas phase

圖7 高碳氣驅(qū)替高烴氣地層束縛水中CO2溶解量模擬圖Fig.7 Concentration of CO2 dissolved in the irreducible water in the sweep region of high CH4 gas displacd by high CO2 gas

3 先導(dǎo)試驗效果預(yù)測

通過對南海西部海域鶯歌海盆地東方與樂東氣田群多個區(qū)塊進行篩選，優(yōu)選縱向上疊合性好的東方M氣田Ⅲ氣組南區(qū)與Ⅱ氣組西南區(qū)開展先導(dǎo)試驗方案設(shè)計。東方M氣田Ⅲ氣組南區(qū)為高碳氣藏，由于尚未開發(fā)動用，目前地層壓力仍為原始地層壓力(約14 MPa)；Ⅱ氣組西南區(qū)為高烴氣藏，多口開發(fā)井在生產(chǎn)，目前地層壓力約5 MPa。先導(dǎo)試驗方案設(shè)計部署1口運移通道井A3H1井，主要受效井為現(xiàn)有生產(chǎn)井A1H與A2H井(圖8);運移通道井A3H1井定向井段斜穿Ⅱ氣組，水平井段部署在Ⅲ氣組，同時射開Ⅱ氣組和Ⅲ氣組，利用Ⅲ氣組與Ⅱ氣組的壓力差在井筒內(nèi)形成竄流，將Ⅲ氣組高碳氣引入Ⅱ氣組西南區(qū)高烴氣藏進行驅(qū)替開發(fā)(藍色為高烴氣，紅色為高碳氣)。

圖8 先導(dǎo)區(qū)高碳氣驅(qū)替高烴氣平面波及效果Fig.8 Areal sweep efficiency of pilot test of high CO2 displace high CH4

油藏數(shù)值模擬初期Ⅲ氣組與Ⅱ氣組之間的壓力差約9 MPa，運移通道井初期從Ⅲ氣組向Ⅱ氣組注入高碳氣量約33×104m3/d，預(yù)測生產(chǎn)4a后高碳氣前緣突破至生產(chǎn)井A1H井，A1H井產(chǎn)出氣組分中CO2含量逐漸升高(圖9)。模擬開發(fā)結(jié)束時，A3H1井累計向Ⅱ氣組注入高碳氣7.2×108m3，與不進行高碳氣注入開發(fā)的基礎(chǔ)方案相比(均模擬開采18 a)，Ⅱ氣組西南區(qū)生產(chǎn)井累計增產(chǎn)氣量5.2×108m3，其中由于驅(qū)替作用多采出Ⅱ氣組高烴氣約3.4×108m3，比基礎(chǔ)方案提高采收率約11%，Ⅱ氣組西南區(qū)地層束縛水累計增加溶解CO2量約1.1×108m3(相當于凈化了約1.6×108m3的Ⅲ氣組高碳氣)?？梢姡ㄟ^該方法既提高了Ⅱ氣組高烴氣藏采收率，又改質(zhì)凈化了部分Ⅲ氣組高碳氣，并且經(jīng)濟價值低且對環(huán)境不利的高碳氣仍主要封存在地下孔隙及地層束縛水中。

圖9 生產(chǎn)井A1H井組分變化曲線Fig.9 Component changing curves of production Well A1H

4 結(jié)束語

從室內(nèi)實驗、數(shù)值模擬、先導(dǎo)區(qū)開發(fā)效果模擬預(yù)測等多方面研究分析了高碳氣運移驅(qū)替開發(fā)高烴氣主要機理及開發(fā)效果，認為主要機理為高碳氣驅(qū)替置換高烴氣以提高高烴氣采收率和地層束縛水溶解吸收部分高碳氣中CO2從而改善高碳氣品質(zhì)。南海西部海域鶯歌海盆地存在數(shù)量眾多的高碳氣藏，目前開發(fā)動用程度很低甚至完全未開發(fā)，通過本文方法開發(fā)利用高碳氣藏，一方面可增“烴”減“碳”，充分挖掘高烴氣藏的經(jīng)濟價值；另一方面部分高碳氣通過地層束縛水溶解吸收CO2改質(zhì)為高烴氣，提高了高碳氣的經(jīng)濟價值，并且開發(fā)結(jié)束后高碳氣仍主要封存在地下孔隙與地層束縛水中，控制了CO2氣體的排放，可以實現(xiàn)經(jīng)濟效益和環(huán)境效益的雙贏。