孔凡群

(中國石化勝利油田分公司,山東東營 257000)

氣驅(qū)采油可以大幅度提高低滲透油藏的采收率,且具有不存在儲層敏感性影響的優(yōu)勢?；煜囹?qū)和非混相驅(qū)是氣驅(qū)采油的兩種主要方式。隨著溫室效應(yīng)加重,越來越多的人開始研究如何減少CO2的排放,以及有效的收集利用CO2[1-7]。因此將CO2用于氣驅(qū)采油就是一種十分有益的減少溫室效應(yīng)的手段,而且CO2驅(qū)油也具有很好的提高采收率的效果[8]。溶解了CO2的原油,原油的黏度和油-水界面張力都有了明顯降低,這是CO2用于氣驅(qū)采油的一個重要優(yōu)勢也是實現(xiàn)增產(chǎn)的主要原因。當溫度大于 31.1 ℃,壓力大于 7.38 MPa后,CO2便處于超臨界狀態(tài)[9]。因此在多數(shù)油藏條件下,CO2都處在超臨界狀態(tài)下。由于超臨界狀態(tài)下的CO2黏度低且擴散性強,因此油田利用CO2進行驅(qū)油時,竄流現(xiàn)象很容易發(fā)生,這對于提高采收率實現(xiàn)增產(chǎn)不利。如何實現(xiàn)更有效的CO2減排以及如何利用CO2進行油田增產(chǎn)是近年來國內(nèi)外的研究熱點,CO2驅(qū)也因此得到了國內(nèi)外專家更多的關(guān)注[10-13]。相較于CO2混相驅(qū),CO2非混相驅(qū)由于低黏度和重力分異作用,很容易出現(xiàn)竄流。這使CO2非混相驅(qū)波及系數(shù)較低,提高采收率的效果不太理想[14-19]。針對上述問題,筆者通過試驗研究CO2非混相驅(qū)過程中壓力、溫度、注氣速度和滲透率級差對氣竄現(xiàn)象的影響。

1 試 驗

1.1 試驗材料

主要試驗材料:試驗用油為勝利油田某低滲區(qū)塊原油,其密度為0.833 g/cm3,25和50 ℃黏度分別為10.3和3.1 mPa·s,該區(qū)塊初始油藏壓力為23.5 MPa,油藏溫度為87.2 ℃;試驗用水為勝利油田某區(qū)塊同礦化度模擬地層水,其中NaCl質(zhì)量分數(shù)為2.9%,CaCl2質(zhì)量分數(shù)為0.3%,密度為 1.06 g/cm3,25和50 ℃黏度分別為1.01和0.55 mPa·s;試驗用氣為純度99.9%的CO2,青島天源氣體制造有限公司生產(chǎn)。試驗采用方型均質(zhì)人工壓制巖心及雙層方型非均質(zhì)人工壓制巖心,巖心具體數(shù)據(jù)見表1和2。

表1 方型均質(zhì)巖心參數(shù)

1.2 試驗設(shè)備

利用TRACKER-H型界面流變儀(溫度和壓力上限分別為150 ℃和35 MPa),通過懸滴法測量CO2與原油的界面張力。其測量原理基于毛細管前端的圓球形液珠的形變與密度以及界面張力的關(guān)系,即圓球形液珠的形變在重力場中隨著液體密度增大而增大,隨著液珠界面張力增大而減小。因此只需要知道液體的密度和重力,并精確測得小液珠的形狀就可以計算得出界面張力[20]。

表2 方型雙層非均質(zhì)巖心參數(shù)

將巖心放置于巖心夾持器中,抽真空后用ISCO泵將水注入到夾持器中,在巖心飽和水之后,利用ISCO泵向巖心中飽和原油,飽和之后,利用氣瓶中CO2進行驅(qū)替試驗,通過回壓閥控制試驗過程中的回壓,利用壓力變送器檢測試驗過程中的壓力,將驅(qū)替出的油、氣、水利用計量裝置分開計量。試驗裝置流程見圖1所示。

圖1 試驗裝置

1.3 試驗步驟

1.3.1 界面張力試驗

在地層溫度下利用TRACKER-H型界面流變儀測量CO2與原油的界面張力,試驗步驟為:

(1)將界面流變儀中的高溫高壓容器和針管清洗干凈,檢驗界面流變儀的密封性能。

(2)將針管裝滿試驗用的原油,并安裝在高溫高壓容器中。

(3)將高溫高壓容器中的空氣利用CO2排凈。

(4)將CO2氣體進行加壓,隨后注入到高溫高壓容器中,加熱2 h。

(5)在溫度和壓力保持穩(wěn)定之后,啟動界面流變儀,在針管尖端上形成一個小液珠;測量小液珠形狀、體積、界面張力以及擴張模量,重復(fù)測量3～5次。

(6)對試驗數(shù)據(jù)進行整理分析[8]。

1.3.2 巖心驅(qū)替試驗

研究壓力影響因素的驅(qū)替試驗采用均質(zhì)巖心,其余影響因素下的驅(qū)替試驗均采用非均質(zhì)巖心,試驗步驟如下:

(1)烘干人工巖心,稱重。

(2)將巖心抽真空,在飽和水之后稱量其濕重。

(3)計算巖心孔隙體積和孔隙度。

(4)在巖心夾持器中放入巖心,檢測裝置的氣密性。

(5)以0.5 mL/min的速度飽和原油,計算含油飽和度[21]。

(6)在溫度為80 ℃、注氣速度為2 mL/min下,分別使用巖心1-1、1-2、1-3進行壓力為12.5、24.8、32.2 MPa的CO2驅(qū)替試驗,試驗時回壓閥壓力始終小于注入壓力約1 MPa,記錄產(chǎn)油量、產(chǎn)氣量、氣竄時間,待產(chǎn)油量基本不變時停止試驗。

(7)在巖心滲透率級差為3、壓力為10 MPa、注氣速度為2 mL/min下,分別使用巖心3-1、3-2進行溫度為80和120 ℃的CO2驅(qū)替試驗,記錄產(chǎn)油量、產(chǎn)氣量、氣竄時間,當產(chǎn)油量基本不變時停止試驗。

(8)在巖心滲透率級差為3、壓力為10 MPa、溫度為80 ℃下,分別使用巖心3-3、3-4、3-5、3-6進行注氣速度為1、2、4、8 mL/min的驅(qū)替試驗,記錄產(chǎn)油量、產(chǎn)氣量、氣竄時間,當產(chǎn)油量基本不變時停止試驗。

(9)在壓力為10 MPa、溫度為80 ℃、注氣速度為2 mL/min下,分別使用巖心3-4、5-1、10-1進行滲透率級差為3、5、10的驅(qū)替試驗,記錄產(chǎn)油量、產(chǎn)氣量、氣竄時間,當產(chǎn)油量基本不變時停止試驗。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 懸滴法測混相壓力

圖2為利用懸滴法在模擬地層溫度條件下測定的CO2與地層原油間的界面張力。從圖2中可以看出,隨著壓力升高,界面張力在不斷下降,這是由于隨著壓力升高,CO2的密度升高,與原油的密度差異不斷減小,原油與CO2之間的界面張力也不斷減小。在壓力約為17 MPa時出現(xiàn)了拐點,拐點前后分別做切線與壓力坐標軸相交，交點對應(yīng)著最小混相壓力和最大混相壓力。最小混相壓力即多次接觸混相壓力,CO2不斷從原油中抽提輕組分,降低了兩相組分差異,進而降低了混相壓力,最大混相壓力為一次接觸混相壓力,混相壓力較高。根據(jù)界面張力與壓力的變化關(guān)系,從圖2中得出原油和CO2最小混相壓力為23.2 MPa,最大混相壓力為31.1 MPa。該油藏注入井壓力大于最小混相壓力,生產(chǎn)井周圍壓力小于最小混相壓力,處于非混相驅(qū)狀態(tài)。

圖2 CO2與原油界面張力

2.2 壓力對CO2氣竄的影響

結(jié)合試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn),可以將整個CO2非混相驅(qū)替試驗以氣竄時間為節(jié)點分成前后兩個階段。第一階段為氣竄現(xiàn)象出現(xiàn)以前的階段,這一階段CO2尚未突破。試驗開始初期,注入的CO2較少,在注入壓力以及CO2本身物理性質(zhì)的影響下,CO2在巖心中運移擴散,同時也有部分CO2溶解進入原油中,一定程度上降低了原油的黏度。這一階段CO2驅(qū)替前緣還沒有到達出口端,因此出口端沒有氣體出現(xiàn),產(chǎn)出液的油水組成基本不變,生產(chǎn)氣油比也基本為0。采收率在這一階段增加最多,是產(chǎn)油的主要階段。隨著注入氣量的不斷增加,CO2驅(qū)替前緣不斷前移,當驅(qū)替前緣到達出口端時,CO2突破,氣竄現(xiàn)象出現(xiàn),驅(qū)替試驗進入第二個階段。出口端隨著CO2的突破,由油水兩相流動轉(zhuǎn)變?yōu)橛?、氣、水三相流動。在形成竄流通道后,CO2的驅(qū)替效果變得很差,采收率增長緩慢,但產(chǎn)氣量和生產(chǎn)氣油比迅速升高。

圖3為不同壓力下CO2驅(qū)替過程中采收率與CO2注入量的關(guān)系。從圖3中可以看出，非混相驅(qū)采收率(65%)明顯低于混相驅(qū)采收率(87.3%)。3條曲線均存在一段突增階段,但是非混相驅(qū)突增階段明顯短于混相驅(qū),并且增加幅度也小于混相驅(qū)。這主要是因為與非混相驅(qū)相比,混相驅(qū)過程中CO2與原油間的界面張力較低,有利于CO2驅(qū)動原油并利于CO2不斷與原油形成混相,增加多次接觸混相的機會,從而有利于形成混相帶,避免CO2在巖心中形成指進現(xiàn)象,有利于阻止氣竄現(xiàn)象的發(fā)生,使動用程度加大,采收率增幅變高。

圖3 不同壓力下CO2驅(qū)采收率

圖4為不同壓力下生產(chǎn)氣油比隨CO2注入量的變化曲線。由圖4可以看出,在注入氣量小于0.4VP(VP為孔隙體積)時3個壓力下的生產(chǎn)氣油比均為0,即這時產(chǎn)出端沒有氣體產(chǎn)出。隨著注入氣量的增加,生產(chǎn)氣油比開始不為0,在生產(chǎn)氣油比超過500時,即可判斷試驗出現(xiàn)氣竄現(xiàn)象。從圖4中可以看出壓力越高氣竄現(xiàn)象出現(xiàn)的越晚,即混相驅(qū)氣竄時間要晚于非混相驅(qū),這也證明了CO2與原油混相后,CO2在巖心中的均勻推進增大了其波及面積,使驅(qū)油效果變好。

圖4 不同壓力下CO2驅(qū)生產(chǎn)氣油比

2.3 注氣速度對CO2氣竄的影響

圖5為不同注氣速度下CO2驅(qū)替過程中采收率與CO2注入量的關(guān)系。從圖5中可以看出,氣竄出現(xiàn)之前的階段貢獻了最主要的產(chǎn)能,在氣竄出現(xiàn)之后采收率增加很少,小于5%。在注氣速度分別為1、2、4、8 mL/min時,氣竄時注入氣量分別為0.45VP、0.43VP、0.39VP和0.35VP。通過對比發(fā)現(xiàn),隨著注氣速度的增大氣竄時間提前,氣竄前CO2采出程度也隨之降低。這是由于隨著注氣速度的增大,CO2將油水兩相更快速地推向出口端,同時CO2在孔隙中與原油接觸的時間縮短,溶解進原油的CO2量減少,加重了黏性指進現(xiàn)象。但是不同注氣速度下氣竄發(fā)生后的采收率增加相差很小。這是由于氣竄發(fā)生后,采收率的增加主要依靠CO2的竄流攜帶出原油,因此在形成穩(wěn)定的氣竄通道之后,增大注氣速度對于提高采收率貢獻不大。

圖5 不同注氣速度下CO2驅(qū)采收率

不同注氣速度下生產(chǎn)氣油比與CO2注入量的關(guān)系如圖6所示。從圖6可以看出,非混相條件下隨著注氣速度的變大,氣竄時間逐漸前移,這主要是因為當注氣速度變大時,氣體在巖心中推進速度變快,而CO2在同等條件下擴散系數(shù)不變,推進速度變快,CO2溶解進原油中的量減少,在水及原油中的擴散時間也變短,使CO2氣體來不及擴散便被后續(xù)注入氣體向出口端推進。同時由于擴散時間變短,導致CO2波及面積變小,在原油中的溶解量變小,導致注入較少量CO2時便發(fā)生氣竄。另外,注氣速度較大時,CO2在巖心中發(fā)生的擴散作用以對流擴散作用占主導地位,然而其對流擴散方向是沿注入方向,當注氣速度較慢時,CO2的自然擴散作用才能夠發(fā)揮出一定效應(yīng),而自然擴散的方向是從高質(zhì)量分數(shù)向低質(zhì)量分數(shù)的方向,因此利于CO2發(fā)生重力超覆作用,使部分CO2進入低滲層,推遲氣竄的發(fā)生。

圖6 不同注氣速度下CO2驅(qū)生產(chǎn)氣油比

2.4 溫度對CO2氣竄的影響

通過驅(qū)替試驗測試了相同壓力下溫度對CO2氣竄的影響,試驗結(jié)果如圖7所示。兩組試驗壓力均為10 MPa,溫度分別為80和120 ℃,氣竄時注入氣量分別為0.43VP和0.37VP。由試驗結(jié)果可以看出,隨著溫度的增加CO2的突破時間提前,120 ℃下的氣竄現(xiàn)象出現(xiàn)時間要早于80 ℃的。從圖7中可以看出,在氣竄現(xiàn)象出現(xiàn)之前兩組試驗的采收率相差不大,這是因為兩組試驗的溫度都比較高且試驗所用的原油黏度較低,所以氣竄以前兩者采收率基本一致。但是隨著巖心溫度的提高,CO2在原油中的溶解度降低,CO2驅(qū)替氣竄時機提前,因此120 ℃下驅(qū)替試驗最終采收率低于80 ℃的最終采收率。

圖7 不同溫度下CO2驅(qū)采收率和生產(chǎn)氣油比

2.5 滲透率級差對CO2氣竄的影響

不同滲透率級差條件下CO2氣竄時累積注氣量的變化如圖8所示。在滲透率級差為3、5、10時,氣竄時注入氣量分別為0.43VP、0.38VP、0.30VP,通過對比分析可知,同一注氣速度條件下,隨著滲透率級差的增大,氣竄時間逐漸前移。由于試驗使用的巖心低滲層滲透率相同,因此滲透率級差越大,平均滲透率越高,CO2驅(qū)替過程中也就越容易形成竄流通道。另外,由于壓力、溫度等條件基本一致,使CO2在巖心中的擴散性基本相同,但是滲透率級差變大時,CO2擴散進入低滲層的機會變小,在自身擴散性的驅(qū)使下沿軸向方向擴散占主導,即竄流通道沿著高滲透層形成,進而導致氣竄過早發(fā)生。由于CO2氣竄時間隨著滲透率級差的升高而提前,累積采收率降低。

圖8 不同滲透率級差下CO2驅(qū)采收率和生產(chǎn)氣油比

3 結(jié) 論

(1)CO2突破前階段為CO2驅(qū)替過程的主要產(chǎn)油階段,CO2突破后階段采收率小于10%,因此一旦形成CO2竄流通道,后續(xù)注入的CO2對原油的動用效果十分有限。

(2)隨著壓力的增高,CO2驅(qū)替逐漸達到混相驅(qū),CO2氣竄程度降低,這主要是因為與非混相驅(qū)相比,混相驅(qū)過程中CO2與原油間的界面張力較低,通過多次接觸形成CO2與原油的混相帶,抑制了CO2在巖心中的黏性指進,有利于減緩氣竄現(xiàn)象的發(fā)生,使動用程度加大、采收率增加。

(3)隨著溫度的增加,CO2擴散系數(shù)增大,突破時間提前。另外隨著巖心溫度的提高,使CO2在原油中的溶解度降低,CO2驅(qū)替氣竄時機提前,采收率有所降低。

(4)在非混相條件下,隨著注入速度和非均質(zhì)性的增加,CO2竄流提前,生產(chǎn)氣油比提高,采收率降低。