考慮分子擴散的裂縫性油藏CO2混相驅數值模擬

左文永，丁志文，姚健歡，丁道權，趙 超，封欽亞

(中國石油大學(北京)石油工程教育部重點實驗室，北京昌平 102249)

1 研究背景

在世界范圍內，裂縫性碳酸鹽巖油藏分布較為廣泛。我國裂縫性碳酸鹽巖油藏也較為常見，例如華北任丘潛山碳酸鹽巖油藏、四川大安寨碳酸鹽儲層、大港縫洞型潛山油藏等都是裂縫性碳酸鹽巖油藏。在裂縫性碳酸鹽巖油藏開發中，CO2混相驅是提高采收率的一種有效手段，注入的混相氣體通過重力排驅、毛管驅動、分子擴散等作用，實現裂縫與基質巖塊之間的交叉流和傳質作用驅替基巖中的殘留油的目的[1-2]。目前，國內很多學者對CO2混相驅的數值模擬做了研究，蘇玉亮[3]針對低滲油藏，建立了考慮吸附現象的CO2混相驅油數學模型并模擬了CO2混相驅油過程；孫曉旭[4]應用數值模擬軟件，用正五點法單元井網對華北任丘裂縫性底水潛山油藏CO2驅注氣參數進行了優化；宋道萬[5]利用概念模型和實際油藏模型分析了勝利油區某低滲透油藏CO2混相驅的影響因素。國內雖對CO2混相驅的數值模擬做了不少研究，但針對裂縫性碳酸鹽巖油藏CO2混相驅的研究較少，而絕大多數研究沒有考慮分子擴散作用對CO2混相驅的影響。文玉蓮建立了考慮分子擴散行為影響的雙重介質黑油模型，論證了分子擴散對開發效果的影響，但是黑油模型并不能精確地模擬復雜的CO2混相驅過程。本文針對裂縫性碳酸鹽巖油藏建立了基質/裂縫雙重介質組分模型，對考慮分子擴散和沒有考慮分子擴散條件下的CO2混相驅的過程進行了模擬，評價了分子擴散對CO2混相驅開發效果的影響，并對影響CO2混相驅的擴散系數、油藏壓力、基質滲透率、裂縫密度和CO2注入速度等參數做了敏感性分析。

2 基質/裂縫雙重介質組分模型描述

國內X區塊碳酸鹽巖油藏，由于沉積、風化殼巖溶、埋藏溶蝕等綜合作用，形成了裂縫性碳酸鹽巖儲層，總體上表現出低孔低滲特征，儲層孔隙度在2.64%～7.2%之間，滲透率在(0.10～11.80)×10-3μm2之間，平均滲透率為1.53×10-3μm2。地層流體表現出低密度、低黏度、低含硫、低膠質含量的特點，其中，油層相對密度0.839 t/m3，20℃時原油黏度6.53mPa·s，含蠟量6.98%，含硫量0.9%。

為了模擬該區塊的CO2混相驅過程，建立了基質/裂縫雙重介質組分模型，模型中的裂縫系統采用局部網格加密等效處理，模型基質被裂縫系統分割成75塊，每個基質塊由9個網格組成，基質塊平面網格步長根據需要可設定不同值(如2.5 m、5 m和10 m)。模擬采用正方形油藏模型，在油藏對角線上分布一注一采 2 口直井，生產井所在的平面網格坐標為(3，3)，注氣井所在的平面網格坐標為(27，27)。本次模擬采用國內X區塊碳酸鹽巖油藏流體性質，組分數為25，包括N2、CO2、H2S及C1～C20(含IC4、IC5)，組分模擬借助軟件PVTSIM分析，相態擬合采用狀態方程SRK3，黏度系數類型選擇采用Lorenz-Bray-Clark，從而擬合得到各組分的臨界參數、偏心因子等重要參數。實驗得到的油、氣、水相對滲透率通過 Corey 經驗模型插值修正。

3 CO2驅替機理模擬

裂縫性碳酸鹽巖油藏注氣過程中，一方面氣體在驅動力的作用下進入裂隙中，另一方面由于密度差的原因而向儲層上部運動，并且氣體分子與基質或死孔隙中的原油分子發生分子擴散作用而進行質量傳遞，同時降低油氣界面張力，從而有效驅替基質孔隙中的殘余油[6-8]。圖1給出了不同時間氣驅后油藏飽和度分布情況，可以看出，氣驅前緣并不均勻，圖B和圖C明顯看出氣體優先占據裂縫系統，然后與周圍基質進行滲流和擴散傳質作用，導致裂縫系統周圍的含油飽和度明顯較低，擴大了與外圍基質的油氣分子濃度差，由此擴散作用繼續向外圍擴展，最終使得整個油藏驅替得較為徹底(圖D)，采出程度達92.1%，比不考慮分子擴散的采出程度提高34.5%，可見分子擴散作用對產能貢獻很大。

圖1 不同時間氣驅油藏后含油飽和度分布圖

4 CO2驅替敏感性參數分析

本文主要分析了影響裂縫性酸鹽巖油藏CO2混相驅的因素，包括擴散系數、油藏壓力、基質滲透率、裂縫密度和CO2注入速度，為了對比各因素對氣驅效果的影響，本文共設計了28種方案(表1)，并對各方案進行了1300天的預測。

4．1 擴散系數對CO2驅替影響

本文所指的分子擴散僅限于流體內部或者不同流體之間組分的濃度差引起的，不考慮熱、壓力或強制擴散所進行的分子傳遞。本文選取了三組氣體擴散系數D，分別為0.12×10-5m2/d、0.48×10-5m2/d和1.92×10-5m2/d，其計算方法參考文獻[1]。模擬結果表明：在相同條件下，考慮分子擴散作用與不考慮分析擴散作用對氣驅開發效果差別很大，如圖2所示，擴散系數為1.92×10-5m2/d的方案比不考慮分子擴散時，采出程度值高達34.5%，而且采出程度隨著擴散系數增大而增大，但是增幅有所減小。該研究充分說明了分子擴散作用能夠有效地提高基質原油的動用程度，且氣體分子擴散能力越大，對產能的貢獻越大。

4．2 油藏壓力對CO2驅替影響

本文分別對考慮分子擴散和不考慮分子擴散的氣驅設置了三組油藏壓力值，分別為50 MPa、55 MPa和60 MPa，模擬結果如圖3所示，由圖可知：油藏壓力對氣驅效果影響明顯，不論是否考慮分子擴散作用，增大油藏壓力都能有效提高采收率，但考慮分子擴散作用的方案對油藏壓力更為敏感。考慮分子擴散作用時，早期采出程度隨油藏壓力增大，采出程度反而略有降低，但最終采出程度是增大的，這是因為早期在較低油藏壓力條件下CO2密度較小，重力驅替發揮了主要作用，而在早期重力驅替占主導地位，但一段時間后，這一主導地位被子擴散作用所替代。

4．3 基質滲透率對CO2驅替影響

本文在基質滲透率值分別為0.5×10-3μm2、5×10-3μm2和10×10-3μm2條件下，對過程進行了模擬，模擬結果如圖4所示，由圖可知：隨著基質滲透率的增大，考慮分子擴散和不考慮分子擴散的氣驅方案采出程度都增大；對同一基質滲透率條件下，在早期考慮分子擴散時和不考慮分子擴散時的采出程度相差不大，但最終相差較大，且基質滲透率越小，考慮分子擴散時和不考慮分子擴散時最終采出程度相差越大(基質滲透率為0.5×10-3μm2時兩者相差21.0%，基質滲透率為5.0×10-3μm2時兩者相差9.1%)，這一點說明了在低滲條件下，分子擴散作用對產能的貢獻作用更大。

表1 氣驅效果分析設計

圖2 不同擴散系數條件下的采出程度對比

圖3 不同油藏壓力條件下的采出程度對比

圖4 不同基質滲透率條件下的采出程度對比

4．4 裂縫密度對CO2驅替影響

本文采用的裂縫密度主要反映基質巖塊的大小，參考Kazemi[9]的形狀因子：σ=4(1/Lx2+ 1/Ly2+ 1/Lz2)，其中Lx、Ly、Lz分別為基質巖塊X、Y和Z方向的尺寸大小，模擬采用的基質塊大小分別為2.5 m、5 m和10 m，對應的裂縫密度分別為0.12 m-2、0.48 m-2和1.92 m-2，上式表明基質塊尺寸越大，裂縫密度越大。這里對這三種密度條件下考慮分子擴散和不考慮分子擴散的氣驅方案進行了模擬，模擬結果如圖5所示，模擬結果表明：隨著裂縫密度的增大，考慮分子擴散和不考慮分子擴散的氣驅方案采出程度都增大，裂縫密度越大，采出基質原油越快，但最終采出程度相差不大，這說明裂縫密度主要影響采油快慢，但對最終采出程度的影響并不明顯。

圖5 不同裂縫密度條件下的采出程度對比

4．5 注氣速度對CO2驅替影響

注氣速度對CO2驅替效果影響如圖6所示，在CO2注入速度分別為2000 m3/d、4000 m3/d和6000 m3/d條件下，考慮分子擴散和不考慮分子擴散的氣驅的采出程度相差明顯，隨著CO2注入速度的減小，采出程度減小幅度較大，這是因為CO2供應不足會減弱氣體分子的擴散作用，影響驅替效率。

圖6 不同CO2注入速度條件下的采出程度對比

5 結論

(1)基于雙重介質組分模型，模擬了裂縫性碳酸鹽巖油藏混相驅替過程，模擬結果表明，重力作用和分子擴散作用是兩個關鍵的驅動力，前者主要作用于早期，后者在中后期表現明顯，早期在較低油藏壓力條件下CO2密度較小，重力驅替發揮了主要作用，在早期重力驅替占主導地位，但一段時間后，這一主導地位被子擴散作用所替代，考慮擴散作用的氣驅采出程度明顯大于不考慮擴散時的氣驅采出程度。

(2)對影響CO2混相驅效果的擴散系數、油藏壓力、基質滲透率、裂縫密度和CO2注入速度等主要參數做了敏感性分析，模擬結果表明，油藏最終采出程度與以上五種因素呈正相關關系；儲層基質滲透率越低，分子擴散作用對產能的貢獻越明顯；裂縫密度越大，采出程度增大越快，相對而言，最終采出程度相差不大；CO2混相驅效果對CO2注入速度這一因素十分明顯，CO2的足夠供應是影響采出程度的關鍵因素。

[1] 文玉蓮.裂縫性油藏注氣開發分子擴散行為研究及數值模擬[D].四川成都：西南石油學院,2005.

[2] 文玉蓮,杜志敏,郭肖,等.裂縫性油藏注氣提高采收率技術進展[J].西南石油學院學報,2005,(6):48-52，102.

[3] 蘇玉亮,吳曉東,侯艷紅,等.低滲透油藏CO2混相驅油機制及影響因素[J].中國石油大學學報(自然科學版),2011,(3):99-102.

[4] 孫曉旭,楊勝來,吳曉云.裂縫性底水潛山油藏注氣數值模擬研究[J].復雜油氣藏,2012,(1):63-66.

[5] 宋道萬.二氧化碳混相驅數值模擬結果的主要影響因素[J].油氣地質與采收率,2008,(4):72-74，115-116.

[6] D Beliveau，D A Payne.Analysis of a tertiary CO2Flood pilot in a naturally fractured reservoir[J].SPE 22947,1991.

[7] J E Burger,K K Mohanty.Mass transfer from bypassed zones during gas injection[J].SPE 30768,1995.

[8] 郭平，李士倫，張思永,等.裂縫性特低滲碳酸鹽巖油藏注烴類氣驅油室內實驗研究[J].石油勘探與開發，2001，28(2):76-78.

[9] Kazemi H,Merrill L S,Porterfield K L,et al .Numerical simulation of water-oil flow in naturally fractured reservoirs[J].SPE,1976:317-326.