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CO2-原油混相帶形成機理與表征方法

2020-03-24 12:29陳志豪郝永卯季迎春韋馨林曾旭智
油氣地質(zhì)與采收率 2020年1期
關(guān)鍵詞:油相前緣氣相

陳志豪,郝永卯,季迎春,韋馨林,曾旭智

(1.非常規(guī)油氣開發(fā)教育部重點實驗室中國石油大學(華東),山東青島 266580;2.中國石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院,山東東營 257015)

CO2混相驅(qū)提高采收率的效果明顯高于CO2非混相驅(qū)[1-2]。CO2非混相驅(qū)條件下,黏性指進和重力超覆使CO2驅(qū)波及系數(shù)較低,同時油氣之間存在界面張力,洗油效率較低。而CO2混相驅(qū)條件下,CO2與原油多次接觸逐步混相,可有效改善黏性指進和重力超覆,從而提高波及系數(shù);CO2與原油界面張力消失,毛管力為0,理論上洗油效率可達100%。因此,相比于CO2非混相驅(qū),CO2混相驅(qū)更有利于提高采油率[3-9]。CO2-原油混相帶是表征混相驅(qū)和非混相驅(qū)的重要依據(jù),但目前研究主要集中在混相過程方面,而對混相帶的研究較少。趙越超等運用核磁共振成像技術(shù)研究CO2混相驅(qū)驅(qū)油過程[10],結(jié)果表明驅(qū)替前緣保持勻速推進,有效地抑制指進和竄流。章星等通過細管實驗研究CO2與原油的混相動態(tài),并量化分析了混相帶的特征[11]。BOOTH等運用數(shù)值模擬研究混相驅(qū)驅(qū)油過程中混相帶的變化特征[12],結(jié)果表明混相帶面積增大并存在黏性指進現(xiàn)象。李南等運用數(shù)值模擬技術(shù),將流體黏度和油氣界面張力作為劃分混相帶的指標,研究混相驅(qū)驅(qū)油過程中混相帶的波及規(guī)律[13]。為此,筆者在系統(tǒng)研究CO2-原油混相帶形成機理基礎(chǔ)上[14],建立混相帶劃分標準和表征方法,以期為CO2混相驅(qū)提供理論指導(dǎo)。

圖1 各實驗參數(shù)擬合結(jié)果Fig.1 Fitting results of each parameter

1 CO2-原油相態(tài)模型

1.1 擬組分劃分

根據(jù)勝利油田G 區(qū)塊原油的組成,并按照性質(zhì)相似相近原則,對原油組分進行合并,考慮各組分的相態(tài)、摩爾分數(shù)、目標區(qū)塊復(fù)配油的黏度等,將原油劃分為CO2,N2+C1,C2-NC4,IC5-C7,C8-C12,C13-C20及C21+共7個擬組分,減少模型運算時間。各擬組分摩爾分數(shù)分別為0.004 4,0.239 5,0.080 7,0.176 7,0.262 3,0.184 7和0.052 4。

1.2 PVT實驗數(shù)據(jù)擬合

利用CMG-Winprop 相態(tài)模擬軟件包對PVT 實驗數(shù)據(jù)進行擬合來調(diào)整狀態(tài)方程參數(shù),建立真實的流體相態(tài)模型。主要調(diào)整數(shù)據(jù)包括各擬組分的相互作用系數(shù)、偏心因子、黏度系數(shù)等,主要擬合實驗參數(shù)包括相對體積系數(shù)、膨脹系數(shù)、黏度等(圖1)。從圖1中可以看出,各實驗參數(shù)的擬合效果較好,相態(tài)模型可以準確表征地層流體性質(zhì)。

2 CO2-原油混相帶形成機理

CO2與原油的混相過程一般為多級接觸混相,且壓力越大,CO2與原油間的汽化-凝析作用強度和速率越大,越易形成混相。從CO2混相驅(qū)驅(qū)油過程中的多級接觸混相示意圖(圖2)中可以看出,當CO2注入油藏時,第一次與原油O接觸、混合并經(jīng)閃蒸分離產(chǎn)生平衡氣相Y1和平衡液相X1。由于氣相的流度大于液相的流度,且平衡氣相Y1將向前運移與原油接觸,而平衡液相X1與后方的注入氣G相接觸,為了方便表示,將平衡氣相Y1放在平衡液相X1之前,這是油氣第1次接觸結(jié)果。

圖2 CO2混相驅(qū)驅(qū)油過程中多級接觸混相示意Fig.2 Diagram of multiple-contact miscibility during CO2miscible flooding

第2 次接觸包括注入氣G向前運移時與平衡液相X1的接觸和平衡氣相Y1向前運移時與原油O的接觸。驅(qū)替過程中,注入氣G向前運移與平衡液相X1接觸、混合并經(jīng)閃蒸分離產(chǎn)生平衡液相X21和平衡氣相Y21,平衡氣相Y1向前運移和原油O接觸、混合并經(jīng)閃蒸分離產(chǎn)生平衡液相X22和平衡氣相Y22,這是第2 次接觸結(jié)果。同理,第N次接觸結(jié)果,將產(chǎn)生一系列平衡氣相YN1,YN2,…,YNN以及平衡液相XN1,XN2,…,XNN。

由圖2 可知,在CO2混相驅(qū)驅(qū)油過程中,沿驅(qū)替方向,一開始油藏中的組成只有注入氣G和原油O,這2 個組成是不連續(xù)的、離散的,經(jīng)過一系列的汽化-凝析作用,逐漸產(chǎn)生一系列連續(xù)分布的平衡氣相YN1,YN2,…,YNN以及平衡液相XN1,XN2,…,XNN,且隨著接觸次數(shù)的增加,氣相組成YNN和液相組成XNN越來越接近,最終達到一致并實現(xiàn)混相,形成混相帶。因此,在混相過程中,汽化-凝析作用使油藏中氣相的組成從注入氣G的組成逐漸的、連續(xù)的變化為一系列連續(xù)的組成YN1,YN2,…,YNN,從而實現(xiàn)注入氣性質(zhì)(黏度、密度等)到混相帶性質(zhì)的平穩(wěn)過渡。

在混相帶形成之前,氣相前緣的組成YNN逐漸靠近臨界點,被富化的程度越來越高,與原油O組成也越來越接近,因此氣相前緣與原油間的汽化-凝析作用在混相帶形成過程中越來越弱。當混相帶M形成之后,位于混相帶之后的平衡氣相YNN無法與原油O直接接觸,而是與混相帶M后緣相接觸。混相帶后緣的組成位于氣液相平衡的臨界點,而氣相前緣的組成YNN也非??拷R界點,即可認為氣相前緣組成與混相帶后緣的組成非常接近,因此在混相帶M形成后,氣相前緣與混相帶后緣間的汽化-凝析作用非常弱。

另一方面,當混相帶剛形成時,可認為混相帶前緣的組成也位于氣液相平衡的臨界點,混相帶前緣與原油相接觸。由于混相帶前緣的組分含量(CO2和輕質(zhì)組分)和原油組分含量存在差異,混相帶前緣中CO2含量較高,輕質(zhì)組分含量較低,造成混相帶和原油組分濃度和流速分布不均,且混相帶和原油是可以互溶的,從而引起分子擴散和機械彌散帶前緣和原油之間存在水動力彌散現(xiàn)象。與汽化-凝析作用使注入氣組成到臨界點組成連續(xù)變化作用類似,水動力彌散作用的結(jié)果將使混相帶組成與原油的組成連續(xù)的變化。

綜上所述,CO2與原油的混相過程可以分為2個步驟:①混相帶形成之前,CO2前緣不斷向前運移,不斷與原油接觸,通過多次的、較強的汽化-凝析作用實現(xiàn)油氣混相,形成混相帶。在這個過程中汽化-凝析作用使油藏中注入氣組成到臨界點組成連續(xù)變化,汽化-凝析作用逐漸減弱。②混相帶形成之后,由于混相帶前緣與原油組分濃度存在差異,在混相帶前緣將出現(xiàn)水動力彌散現(xiàn)象,最終使得混相帶與原油間的組成連續(xù)變化。

3 混相帶表征方法

3.1 數(shù)值模擬模型的建立

建立二維平面油藏模型,尺寸為200 m×200 m×8 m,對角設(shè)置一注一采井組。油藏頂深為3 000 m,溫度為126 ℃,初始地層壓力為28.9 MPa,孔隙度為10%,滲透率為10 mD,含水飽和度為30%。流體模型采用勝利油田G 區(qū)塊的流體模型,原油組分劃分成7 個擬組分。模擬連續(xù)CO2驅(qū),注氣井定流量為0.001 PV/d 進行注入,采油井定流壓為28.9 MPa 進行生產(chǎn),保證整個油藏區(qū)域內(nèi)壓力高于最小混相壓力。

3.2 混相帶的劃分

一般劃分混相區(qū)域的方法是比較壓力是否大于最小混相壓力,但是在驅(qū)替過程中,由于汽化-凝析作用,使得波及區(qū)內(nèi)的油相組分在不斷變化,因此油氣的最小混相壓力也在不斷變化,因此需要尋找一個更加準確判定混相帶的方法。擬采用油氣界面張力和油相中CO2含量作為主要指標來劃分混相帶。利用油氣界面張力和油相中CO2含量劃分的方法來定義混相帶。

從圖3可知,混相帶后緣位于油氣兩相區(qū)之中,利用油氣界面張力確定其位置,油氣組成越接近,油氣界面張力越低。利用勝利油田G區(qū)塊的流體模型,建立細管模型,CO2累積注入量為0.4 PV 時,油氣界面張力隨無因次距離(注氣井的距離與井距之比)變化規(guī)律(圖4)。根據(jù)油氣界面張力的變化趨勢,將油氣界面張力等于0.1 dyn/cm 定義為臨界油氣混相界面張力,即油氣界面張力低于0.1 dyn/cm時,可認為CO2與原油已達到混相狀態(tài)。

圖3 CO2混相驅(qū)過程中流體分布示意Fig.3 Diagrammatic sketch of fluid distribution in CO2miscible flooding process

圖4 油氣界面張力隨無因次距離變化規(guī)律Fig.4 Interfacial tension variation with the dimensionless distance

混相帶前緣位于溶有CO2的油相區(qū)中,只存在液相,不存在油氣界面張力,故需其他的指標。李南等利用流體黏度確定其位置,即將油相黏度降低一定幅度的位置定義為混相帶前緣[13],但是壓力的降低也會導(dǎo)致油相黏度降低,因此這種劃分方法并不準確。油相中CO2含量和油相黏度分布示意如圖5 所示,CO2含量為0.2 時,油相的黏度降幅約為25%,根據(jù)實驗數(shù)據(jù)此時油相的膨脹系數(shù)約為1.1,可認為這已達到工程上所需的混相效果。因此,將油相中CO2含量等于0.2的位置定義為混相帶前緣。

圖5 油相中CO2含量和油相黏度分布示意Fig.5 Schematic diagram of CO2content in oil phase and oil viscosity distribution

3.3 混相帶的表征方法

基于混相帶的定義,在二維平面油藏模型基礎(chǔ)上,分別說明混相帶前緣和后緣的確定方法,進而建立混相帶寬度表征方法。首先利用油氣界面張力分布進行線性插值作出油氣界面張力等于0.1 dyn/cm 的等值線(圖6a),即混相帶后緣;然后利用油相中CO2含量分布進行線性插值作出油相中CO2含量為0.2 的等值線,即混相帶前緣(圖6b)。將混相帶展開等效為一個矩形,矩形的面積就是混相帶的面積,矩形的長度等于混相帶前緣與原油接觸面的長度,即混相帶前緣形成的包絡(luò)線的長度,將矩形的寬度定義為混相帶的寬度,即混相帶的寬度等于無因次混相帶面積與混相帶前緣包絡(luò)線的長度之比。

圖6 油氣界面張力和油相中CO2含量分布Fig.6 Oil-gas interfacial tension and CO2content distribution in oil phase

從混相帶寬度隨累積注入量的變化(圖7)可以看出,在混相前緣突破之前,隨著累積注入量的增加,混相帶的寬度一直在增大,說明混相帶面積的增大不僅僅是因為混相帶前緣與原油接觸面在增大?;煜鄮У膶挾仍龃蟮闹饕蚴怯捎谒畡恿浬⑹够煜鄮熬壍倪\移速度大于混相帶后緣的運移速度,導(dǎo)致混相帶的寬度在增加。同時可以看出,混相帶寬度的增大趨于平緩,也就是混相帶前緣與后緣之間的運移速度越來越接近。分析其原因主要包括:①隨著混相帶寬度的增大,氣相與原油接觸變難,即通過油氣多級接觸、汽化-凝析作用的方式增加混相帶的寬度難度增大。②隨著混相帶寬度的增大,混相帶之間的組分含量變化趨于平緩,即組分的濃度梯度變小,導(dǎo)致水動力彌散作用變?nèi)?,混相帶前緣運移速度減慢。在混相帶前緣突破時,混相帶寬度達到最大,約為模型寬度的15%。在混相帶前緣突破到混相帶后緣突破之間,混相帶寬度迅速下降,之后趨于平穩(wěn)。

圖7 混相帶寬度隨累積注入量變化Fig.7 Curve of miscible zone width with cumulative injection volume

4 結(jié)論

CO2-原油混相帶形成之前,CO2相前緣不斷向前運移,通過多次較強的汽化-凝析作用實現(xiàn)油氣混相,形成混相帶,注入氣組成到氣液平衡臨界點組成連續(xù)變化;CO2-原油混相帶形成之后,混相帶前緣與原油組分濃度存在差異,在混相帶前緣出現(xiàn)水動力彌散現(xiàn)象,結(jié)果使得混相帶與原油間的組成連續(xù)變化。

CO2-原油混相帶的劃分方法是將油氣界面張力等于0.1 dyn/cm 的等值線作為混相帶后緣,將油相中CO2含量為0.2 的等值線作為混相帶前緣。建立了CO2-原油混相帶寬度的表征方法,即混相帶的寬度等于無因次混相帶面積與混相帶前緣包絡(luò)線的長度之比;在混相帶前緣突破之前,混相帶寬度逐漸增大但增速逐漸減慢;在混相帶前緣突破之后到混相帶后緣突破之前,混相帶寬度迅速下降,之后趨于平穩(wěn)。

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