李 敏，關(guān) 華，胡世勇，王 鑫，李 齊，袁少民

（1.大慶油田勘探開發(fā)研究院 黑龍江省油層物理及滲流力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶163712；2.西南石油大學(xué)，成都 610500）

我國低滲透油藏資源十分豐富，但可動(dòng)用程度不足50%[1-2]。特低滲透油藏儲(chǔ)層物性致密，非均質(zhì)嚴(yán)重[3-4]，注水開發(fā)效果差，而氣體比水更容易進(jìn)入小的孔隙[5-6]，采用注氣提高這類油藏的采收率[7-8]，可以有效改善開發(fā)效果[9]。

國內(nèi)外的研究和生產(chǎn)實(shí)踐表明，注CO2驅(qū)可以提高采收率15%～25%[10]。2010 年EOR 調(diào)查報(bào)告[11]顯示，美國正在運(yùn)行的混相驅(qū)項(xiàng)目有109 個(gè)，相比2008 年增加8 個(gè)，原油產(chǎn)量也大幅增加，且極少數(shù)淺層二疊系盆地為非混相；2011 年，Li 等人[12]對水驅(qū)困難的高89-1 油藏，提出CO2混相驅(qū)進(jìn)行室內(nèi)膨脹測試、細(xì)管實(shí)驗(yàn)及長巖芯驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，并采用數(shù)值模擬進(jìn)行優(yōu)選參數(shù)發(fā)現(xiàn)CO2混相驅(qū)能有效提高采收率。但國內(nèi)實(shí)施的CO2驅(qū)多數(shù)為非混相驅(qū)，2015 年陳征等人[13]建立基于支持向量機(jī)的CO2非混相驅(qū)效果預(yù)測方法，對腰英臺(tái)油田CO2非混相驅(qū)進(jìn)行預(yù)測表明其增產(chǎn)效果不明顯。

注氣達(dá)到混相比非混相的驅(qū)替效果好，對于非均質(zhì)比較嚴(yán)重的特低滲油藏，無論是混相還是非混相驅(qū)，開發(fā)到一定階段注氣效果會(huì)減弱，因此為了提高開發(fā)效果后續(xù)多采用水氣交替的注入方式生產(chǎn)，交替注入一定孔隙體積的CO2和水，可以有效提高波及效率，達(dá)到更好的開發(fā)效果[14-16]。水氣交替注采參數(shù)對CO2驅(qū)的開發(fā)效果影響較大[17-20]，但傳統(tǒng)的單因素分析方法不能定量描述各注采參數(shù)對開發(fā)效果的影響程度。該研究以大慶油田貝14 區(qū)塊和樹101 區(qū)塊特低滲油藏為研究對象，采用經(jīng)濟(jì)學(xué)評價(jià)方法，對CO2混相驅(qū)和非混相驅(qū)過程中的水氣比、注氣速度、水氣交替時(shí)間和水氣交替時(shí)機(jī)進(jìn)行了研究，得到了最優(yōu)化的組合方案。

1 區(qū)域概況

貝14 區(qū)塊平均有效孔隙度13.49%，平均滲透率1.12 mD，地層原油密度0.769 g/cm3，黏度4.70 mPa·s，體積系數(shù)1.069 5，原始飽和壓力3.5 MPa，地面脫氣原油密度0.838 9 g/cm3，油層原始地層壓力17.6 MPa，壓力系數(shù)0.99，地層溫度為71.0 ℃，地溫梯度4.2 ℃/100 m，屬較高地溫梯度特低滲透油藏。

樹101 區(qū)塊平均孔隙度10%，平均滲透率1 mD，原始飽和壓力4.94 MPa，原始?xì)庥捅?2.8 m3/t，體積系數(shù)1.108，地層原油黏度3.6 mPa·s，油層溫度變化區(qū)間為94.4～106.1 ℃，平均98.5 ℃，地溫梯度5.1 ℃/100 m，屬于正常溫度特低滲透油藏。

2 個(gè)區(qū)塊都面臨注水難的問題，采用CO2驅(qū)后，開發(fā)效果得到了明顯改善。

2 數(shù)值模擬模型的建立

考慮貝14 和樹101 工區(qū)實(shí)際的地質(zhì)構(gòu)造特征，在平面上建立角點(diǎn)網(wǎng)格模型，其中貝14 區(qū)塊縱向上根據(jù)小層性質(zhì)劃分為26 層，東西向、南北向和縱向最終網(wǎng)格劃分為143×106×26，模型總有效網(wǎng)格數(shù)為230 620 個(gè)，平面上網(wǎng)格大小為16 m；樹101 區(qū)塊縱向上根據(jù)小層性質(zhì)劃分為49 層，東西向、南北向和縱向最終網(wǎng)格劃分為92×112×49，模型總有效網(wǎng)格數(shù)為41 972 個(gè)，平面上網(wǎng)格大小為24 m×23 m，貝14區(qū)塊和樹101 區(qū)塊的有效厚度、孔隙度、滲透率等參數(shù)則根據(jù)地質(zhì)及油藏描述等資料離散到模型網(wǎng)格。同時(shí)，為了使模型更加接近區(qū)塊實(shí)際，模型采用擬合后的PVT 建立組分模型進(jìn)行研究。

應(yīng)用ECLIPSE 模擬軟件中的PVTi 模塊，將貝14油藏流體按照組分相近的原則，劃分為9個(gè)擬組分：N2，CO2，C1，C2+，C4+，C10+，C15+，C25+，C43+；將樹101 劃分為10 個(gè)擬組分：N2，CO2，C1，C2+，C5+，C7+，C10+，C13+，C18+，C23+。各組分的摩爾分?jǐn)?shù)如表1 和表2 所示。通過細(xì)管實(shí)驗(yàn)，得到貝14 區(qū)塊屬于混相驅(qū)，樹101 區(qū)塊屬于非混相驅(qū)。

表1 貝14 區(qū)塊各組分摩爾分?jǐn)?shù)Table1 Mole fraction of components in block Bei14

表2 樹101 各組分摩爾分?jǐn)?shù)Table2 Mole fraction of components in block S101

3 CO2 驅(qū)注采參數(shù)優(yōu)化

3.1 注氣方式的優(yōu)選

目前，CO2驅(qū)油是提高原油采收率的有效手段之一，特別是特低滲透油藏，CO2驅(qū)油有明顯的優(yōu)勢。但是連續(xù)CO2驅(qū)會(huì)出現(xiàn)氣體波及效率低、突破早的情況，水氣交替驅(qū)中的水可以起到一定的調(diào)剖作用，改善開發(fā)效果。

根據(jù)實(shí)際油藏的地質(zhì)特征，結(jié)合注水難開發(fā)的特點(diǎn)，針對混相驅(qū)的貝14 和非混相驅(qū)的樹101，對連續(xù)注氣和水氣交替進(jìn)行了研究。水氣交替的段塞為0.01HCPV、水氣體積比1：1、水氣交替時(shí)間注1 月水注1 月氣、水氣交替時(shí)機(jī)為氣油比達(dá)到150 m3/t 時(shí)進(jìn)行水氣交替。連續(xù)注氣和水氣交替兩種方法各自生產(chǎn)20 年的生產(chǎn)指標(biāo)如表3 所示。

表3 不同注氣方式的生產(chǎn)指標(biāo)Table3 Production indexes of different gas injection modes

從表3 中可以看出，在相同注氣量的前提下，2 個(gè)區(qū)塊的水氣交替采收率均大于連續(xù)注氣，連續(xù)注氣可能導(dǎo)致生產(chǎn)井過早氣竄，油藏中剩余油較多；水氣交替由于水的存在，起到了一定的調(diào)剖作用，能夠提高氣體的波及體積。水氣交替的注入方式改善了特低滲透油藏的開發(fā)效果。因此，2 個(gè)區(qū)塊的CO2驅(qū)的注入方式優(yōu)選為水氣交替。

3.2 經(jīng)濟(jì)評價(jià)法及注采參數(shù)優(yōu)化

3.2.1 經(jīng)濟(jì)評價(jià)及模擬結(jié)果

對于CO2驅(qū)水氣交替注入技術(shù)，水氣比、注氣速度、水氣交替時(shí)間和水氣交替時(shí)機(jī)是影響開發(fā)效果的重要因素。該方案中模型的工作制度為先注氣達(dá)到指定的氣油比然后進(jìn)行水氣交替，其中生產(chǎn)井始終保持井底流壓5 MPa 生產(chǎn)，注入井最高注入壓力為40 MPa，注入速度、水氣交替周期等按方案設(shè)計(jì)中的參數(shù)值。對于CO2混相驅(qū)，水氣比為1:1，2:1，3:1 和4:1，注氣速度為5 m3/d，10 m3/d，15 m3/d，20 m3/d，25 m3/d，30 m3/d 和35 m3/d，氣油比達(dá)到50 m3/t，150 m3/t，250 m3/t 時(shí)，注入井開始水氣交替，交替時(shí)間為注1 個(gè)月水1 個(gè)月氣、注2 個(gè)月水1 個(gè)月氣、注3 個(gè)月水1 個(gè)月氣、注2 個(gè)月水2 個(gè)月氣、注3 個(gè)月水2 個(gè)月氣、注3 個(gè)月水3 個(gè)月氣。對于CO2非混相驅(qū)，氣油比達(dá)到150 m3/t，250 m3/t，350 m3/t 時(shí)，注入井開始水氣交替，其他和混相驅(qū)一樣。為了分析CO2驅(qū)的開發(fā)效果，確定了累計(jì)產(chǎn)油量和利潤2 個(gè)評價(jià)指標(biāo)。其中，累計(jì)產(chǎn)油量是評價(jià)CO2驅(qū)開發(fā)效果的技術(shù)指標(biāo)，而利潤是評價(jià)CO2驅(qū)效果的直接經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。對這40 套方案進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算和經(jīng)濟(jì)評價(jià)，得到對應(yīng)的模擬結(jié)果，見表4 和表5。

表4 混相驅(qū)模擬結(jié)果Table4 Simulation results of miscible flooding

表5 非混相驅(qū)模擬結(jié)果Table5 Simulation results of immiscible flooding

續(xù)表5

3.2.2 參數(shù)優(yōu)化

對CO2混相驅(qū)，首先是對注氣速度的優(yōu)化，選取水氣交替體積比1:1 和4:1，對水氣交替時(shí)間為注1 月水注1 月氣、水氣交替時(shí)機(jī)為氣油比達(dá)到50 m3/t時(shí)進(jìn)行水氣交替，對6 個(gè)注氣速度10 m3/d，15 m3/d，20 m3/d，25 m3/d，30 m3/d，35 m3/d 進(jìn)行2 個(gè)周期的模擬研究，結(jié)果如圖1 和圖2 所示。

圖1 水氣交替體積比1:1 時(shí)不同注氣速度下的利潤變化圖Fig.1 Profit change chart under different gas injection speed when water gas volume ratio is 1:1

從圖1 看出，當(dāng)注氣速度為25 m3/d 后，曲線下降平緩；從圖2 中可以看出，當(dāng)注氣速度為25 m3/d 后，曲線上升變平緩，所以，結(jié)合油田開發(fā)過程中實(shí)際的注氣情況，優(yōu)選最佳速度為25 m3/d。

然后，按照注氣速度為25 m3/d、水氣交替時(shí)間為注1 月水注1 月氣、水氣交替時(shí)機(jī)為氣油比達(dá)到50 m3/t 時(shí)進(jìn)行水氣交替，對4 個(gè)水氣交替體積比1:1，2:1，3:1 和4:1 進(jìn)行2 個(gè)周期的模擬研究，結(jié)果如圖3 所示。

圖2 水氣交替體積比為4:1 時(shí)不同注氣速度下的利潤變化圖Fig.2 Profit change chart under different gas injection speed when water gas volume ratio is 4:1

圖3 注氣速度為25 m3/d 時(shí)不同水氣交替體積比下的利潤變化圖Fig.3 Profit change chart under different volume ratio of water and gas alternation when gas injection speed is 25 m3/d

從注氣速度為25 m3/d 時(shí)不同水氣交替體積比下的利潤變化曲線來看，不同水氣交替體積比對利潤的變化有很大的影響，隨著水氣交替體積比增大，生產(chǎn)利潤不斷增加。當(dāng)水氣交替體積比為4:1 時(shí)，利潤最大。所以，綜合考慮可以得到水氣交替體積比4:1是適合貝14 區(qū)塊開發(fā)的最優(yōu)水氣交替體積比。

按照注氣速度為25 m3/d、水氣交替體積比4:1、水氣交替時(shí)機(jī)為氣油比達(dá)到50 m3/t 時(shí)進(jìn)行水氣交替，對6 個(gè)水氣交替時(shí)間為注1 個(gè)月水1 個(gè)月氣、注2個(gè)月水1 個(gè)月氣、注3 個(gè)月水1 個(gè)月氣、注2 個(gè)月水2 個(gè)月氣、注3 個(gè)月水2 個(gè)月氣、注3 個(gè)月水3個(gè)月氣進(jìn)行2 個(gè)周期的模擬研究，結(jié)果如圖4 所示。

當(dāng)注氣時(shí)間相同都為1 個(gè)月時(shí)，注水的時(shí)間越長利潤越大；當(dāng)注水的時(shí)間相同都為3 個(gè)月時(shí)，注氣的時(shí)間越長，利潤越小。所以，貝14 區(qū)塊水氣交替最佳時(shí)長為注3 個(gè)月水、注1 個(gè)月氣。

圖4 注氣速度25 m3/d、體積比4:1 時(shí)不同水氣交替時(shí)間的利潤變化圖Fig.4 Profit change chart of different water gas alternation time with gas injection speed of 25 m3/d and volume ratio of 4:1

按照注氣速度為25 m3/d、水氣交替體積比4:1、水氣交替時(shí)間為注3 個(gè)月水注1 個(gè)月氣，對3 個(gè)水氣交替時(shí)機(jī)即氣油比達(dá)到50 m3/t，150 m3/t 和250 m3/t 時(shí)，用水氣交替進(jìn)行2個(gè)周期的模擬研究，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同水氣交替時(shí)機(jī)下的利潤變化圖Fig.5 Profit change chart under different water and gas alternation opportunities

隨著注入時(shí)氣油比增加，利潤逐漸減少，因此注氣時(shí)機(jī)為氣油比50 m3/t 時(shí)是最佳的交替時(shí)機(jī)。

綜合上述分析，貝14 的注采參數(shù)優(yōu)選結(jié)果如表6 所示。

表6 貝14 注采參數(shù)優(yōu)選結(jié)果Table6 Optimization results of injection production parameters of Bei14

對于CO2非混相驅(qū)，和混相驅(qū)優(yōu)選的方式相同，首先是對注氣速度的優(yōu)化，選取水氣交替體積比1:1 和4:1，對水氣交替時(shí)間為注1 個(gè)月水注1 個(gè)月氣、水氣交替時(shí)機(jī)為氣油比達(dá)到350 m3/t 時(shí)進(jìn)行水氣交替，對7 個(gè)注氣速度5 m3/d，10 m3/d，15 m3/d，20 m3/d，25 m3/d，30 m3/d，35 m3/d 進(jìn)行2 個(gè)周期的模擬研究。結(jié)果如圖6 和圖7 所示。

從圖6 和圖7 看出，當(dāng)注氣速度約為20 m3/d 時(shí)，曲線趨于平緩下降，所以，結(jié)合油田開發(fā)過程中實(shí)際的注氣情況，優(yōu)選最佳速度為20 m3/d。

然后，按照注氣速度為20 m3/d、水氣交替時(shí)間為注1 個(gè)月水注1 個(gè)月氣、水氣交替時(shí)機(jī)為氣油比達(dá)到350 m3/t 時(shí)進(jìn)行水氣交替，對4 個(gè)水氣交替體積比1:1，2:1，3:1 和4:1 進(jìn)行2 個(gè)周期的模擬研究，結(jié)果如圖8 所示。

圖6 水氣交替體積比為1:1 時(shí)不同注氣速度下的利潤變化圖Fig.6 Profit change chart under different gas injection speed when water gas volume ratio is 1:1

圖7 水氣交替體積比為4:1 時(shí)不同注氣速度下的利潤變化圖Fig.7 Profit change chart under different gas injection speed when water gas volume ratio is 4:1

圖8 注氣速度為20 m3/d 時(shí)不同水氣交替體積比下的利潤變化圖Fig.8 Profit change chart under different volume ratio of water and gas alternation when gas injection speed is 20 m3/d

從注氣速度為20 m3/d 時(shí)不同水氣交替體積比下的利潤變化曲線來看，不同水氣交替體積比對利潤的變化有很大的影響，水氣交替體積比1:1 時(shí)利潤達(dá)到最大，超過1:1 時(shí)，隨著水氣交替體積比增大，生產(chǎn)利潤不斷增加。所以，綜合考慮可以得到水氣交替體積比1:1 是適合樹101 區(qū)塊開發(fā)的最優(yōu)水氣交替體積比。

按照注氣速度為20 m3/d、水氣交替體積比1:1、水氣交替時(shí)機(jī)為氣油比達(dá)到350 m3/t 時(shí)進(jìn)行水氣交替，對6 個(gè)水氣交替時(shí)間為注1 個(gè)月水注1 個(gè)月氣、注2 個(gè)月水1 個(gè)月氣、注3 個(gè)月水1 個(gè)月氣、注2 個(gè)月水2 個(gè)月氣、注3 個(gè)月水2 個(gè)月氣、注3 個(gè)月水3個(gè)月氣進(jìn)行2 個(gè)周期的模擬研究，結(jié)果如圖9 所示。

圖9 注氣速度20 m3/d、體積比1:1 時(shí)不同水氣交替時(shí)間的利潤變化圖Fig.9 Profit change chart of different water gas alternation time when gas injection speed is 20 m3/d and volume ratio is 1:1

當(dāng)注氣時(shí)間相同都為1 個(gè)月時(shí)，注水的時(shí)間越長利潤越大；當(dāng)注水的時(shí)間相同都為3 個(gè)月時(shí)，注氣的時(shí)間越長，利潤越小。所以，貝14 區(qū)塊水氣交替最佳時(shí)長為注1 個(gè)月水、注1 個(gè)月氣。

按照注氣速度為20 m3/d、水氣交替體積比1:1、水氣交替時(shí)間為注1 個(gè)月水注1 個(gè)月氣，對3 個(gè)水氣交替時(shí)機(jī)即氣油比達(dá)到150 m3/t，250 m3/t 和350 m3/t時(shí)進(jìn)行2 個(gè)周期的模擬研究，結(jié)果如圖10 所示。

圖10 不同水氣交替時(shí)機(jī)下的利潤變化圖Fig.10 Profit change chart under different water and gas alternation opportunities

當(dāng)氣油比小于250 m3/t 時(shí)，隨著注入時(shí)氣油比增加，利潤逐漸增加；當(dāng)氣油比大于250 m3/t 時(shí)，隨著注入時(shí)氣油比增加，利潤逐漸減??；氣油比為250 m3/t 時(shí)利潤達(dá)到最大，因此注氣時(shí)機(jī)為氣油比250 m3/t 時(shí)是最佳的交替時(shí)機(jī)。

綜合上述分析，樹101的注采參數(shù)優(yōu)選結(jié)果見表7。

表7 樹101 注采參數(shù)優(yōu)選結(jié)果Table7 Optimization results of injection production parameters of shu101

4 結(jié)語

對于特低滲透油藏，注CO2驅(qū)可以很好地改善開發(fā)效果。無論是CO2混相驅(qū)還是非混相驅(qū)，水氣交替都比連續(xù)CO2驅(qū)的效果好，通過優(yōu)選水氣交替體積、水氣交替周期、水氣交替時(shí)機(jī)等參數(shù)可以得到適合區(qū)塊開發(fā)的最優(yōu)參數(shù)。從方案優(yōu)選的結(jié)果來看，水氣交替CO2混相比非混相驅(qū)的注入氣量要小。該研究為現(xiàn)場CO2驅(qū)的方案編制提供了理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。