邊底水氣藏注二氧化碳泡沫控水技術(shù)研究

牛保倫

(1.中國(guó)石化中原油田分公司，河南 濮陽 457001；2.濮陽市提高石油采收率重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 濮陽 457001)

0 引 言

天然氣作為一種清潔能源，具有良好的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。中國(guó)天然氣藏大多具有邊底水，且水體入侵是影響氣藏壽命的關(guān)鍵因素[1-2]。氣田堵水[3-6]常用措施包括化學(xué)堵水和機(jī)械堵水兩大類，措施范圍多為井筒積液、近井井筒堵水，但存在有效期短，無法從根本上阻擋水體入侵。天然氣藏原始組分中多含CO2，超臨界條件下CO2密度遠(yuǎn)高于N2、空氣等常規(guī)氣體，有利于在氣水界面形成隔離層[7]。若將天然氣伴生的CO2捕集并回注地層，并配合泡沫產(chǎn)生控水效果，可有效穩(wěn)定氣田產(chǎn)量同時(shí)減輕環(huán)保壓力，實(shí)現(xiàn)綠色開發(fā)。

普光氣田是中國(guó)高含硫氣藏成功開發(fā)的典范，已成為川氣東送的重要?dú)庠础Ｒ云展馑嵝詺馓餅槔接懽饪厮尚行浴Ｆ展鈿馓锸欠忾]的邊底水活躍氣藏，且儲(chǔ)集層屬裂縫-孔隙型碳酸鹽巖，埋深約為4 000～6 000 m，井底溫度大于130 ℃。目前邊部部分井受水體入侵產(chǎn)能逐漸降低，制約了普光氣田高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)[8-10]。普光凈化廠尾氣中含有9%的CO2[11]，年捕集量近百萬噸，為CO2泡沫提供了氣源條件。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 微觀控水評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)條件：應(yīng)用由注采系統(tǒng)、可視高壓釜、拍攝系統(tǒng)等組成的耐溫耐壓微觀可視化實(shí)驗(yàn)裝置。儲(chǔ)層微觀結(jié)構(gòu)采用激光雕刻制作，激光雕刻點(diǎn)粒徑約為10～100 μm，普光儲(chǔ)層粒間孔隙平均為15 μm，可較好模擬普光儲(chǔ)層尺度。普光氣藏存在壓裂裂縫與自生裂縫，通過控制雕刻深度實(shí)現(xiàn)孔喉差異，其中3個(gè)區(qū)域由左至右雕刻深度比為5∶3∶1，用來模擬層間差異性；層內(nèi)隨機(jī)分布粗細(xì)孔喉尺寸比為2∶1，用來模擬層內(nèi)裂縫造成的非均質(zhì)性。實(shí)驗(yàn)條件為130 ℃、15 MPa，水染色為黑色，白色的天然氣選用井口產(chǎn)出氣體。實(shí)驗(yàn)過程依次為飽和天然氣、水侵、CO2或CO2泡沫控水。為模擬底水由下向上逐級(jí)入侵，實(shí)驗(yàn)玻璃模型采用垂直放置。

CO2(CO2泡沫)控水實(shí)驗(yàn)步驟：①將微觀模型抽空飽和天然氣，模型整體增壓至15.0 MPa；②設(shè)定底部恒壓水體為15.2 MPa，并穩(wěn)定侵入，待頂部生產(chǎn)井產(chǎn)水率為100%時(shí)開始步驟③；③以0.02 mL/min的速度注入CO2，拍攝CO2控水效果；④待注入CO2達(dá)到底部底水區(qū)停止實(shí)驗(yàn)；⑤重復(fù)進(jìn)行步驟①—④，將其中CO2更換為CO2泡沫體系，泡沫體系按照CO2與泡沫劑體積比為1∶1經(jīng)泡沫發(fā)生器注入模型，觀察CO2泡沫與CO2控水效果差異。

1.2 宏觀控水評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)方法：為準(zhǔn)確模擬在普光氣藏條件下的CO2泡沫控水實(shí)驗(yàn)，在常規(guī)動(dòng)態(tài)驅(qū)油實(shí)驗(yàn)裝置基礎(chǔ)上開展5項(xiàng)技術(shù)改進(jìn)：①模擬水體以恒壓為46.0 MPa注入；②在人造巖心的2/3處設(shè)置為注氣控水井；③在水體侵入端與CO2泡沫注入井之間設(shè)置評(píng)價(jià)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，用于監(jiān)測(cè)水侵區(qū)流體組成，并計(jì)量CO2泡沫控水后排出水的體積；④尾端生產(chǎn)井通過控制回壓為45.5 MPa進(jìn)行生產(chǎn)，以模擬氣藏正常開發(fā)狀態(tài)；⑤由于普光氣藏裂縫最大的滲透率為5 059×10-3μm2，且水體入侵主要形式為裂縫型水侵，因此，以難度最大的裂縫為控水目標(biāo)，壓制了滲透率為5 000×10-3μm2人造巖心，規(guī)格為Φ30 mm×1 000 mm，采用2塊巖心夾持器串聯(lián)模擬普光大井距。

實(shí)驗(yàn)步驟：①烘箱升溫至130 ℃，飽和天然氣至壓力為46.0 MPa；②水體穩(wěn)壓侵入，記錄評(píng)價(jià)監(jiān)測(cè)點(diǎn)產(chǎn)出流體，當(dāng)穩(wěn)定產(chǎn)水情況下開始注入CO2泡沫；③記錄水體侵入量、評(píng)價(jià)監(jiān)測(cè)點(diǎn)產(chǎn)出流體、生產(chǎn)井產(chǎn)氣量等。

2 結(jié)果與討論

2.1 CO2泡沫與CO2控水微觀機(jī)理差異

圖1為水體侵入過程。由圖1可知，層間受滲透率差異影響，從底部沿著滲透率高、連通性好的部位到達(dá)上部生產(chǎn)井口[12-15]，左中區(qū)相對(duì)右區(qū)水侵速度快；層內(nèi)水體沿高滲裂縫快速侵入，3個(gè)區(qū)內(nèi)高滲裂縫內(nèi)充滿水，呈深黑色，阻擋了殘余氣體的持續(xù)產(chǎn)出。

水侵后注入CO2，圖2為注CO2控水過程。由圖2可知，超臨界CO2優(yōu)先進(jìn)入滲透率相對(duì)較高的左中區(qū)，但沿圖2中紅色曲線快速指進(jìn)，呈現(xiàn)出氣水混合的形態(tài)(即氣水混合后，不像圖4紅色曲線明顯的推進(jìn)，導(dǎo)致圖2中看不太清楚氣體位置)，無法形成均衡的控水前緣。其原因除儲(chǔ)層非均質(zhì)性之外，主要是由于實(shí)驗(yàn)條件下CO2黏度為0.052 mPa·s，遠(yuǎn)低于水黏度，無法形成穩(wěn)定的隔離層阻擋水體入侵。圖3為注CO2控水局部放大圖。由圖3可知，純CO2氣泡可與水形成賈敏效應(yīng)，但普光儲(chǔ)層裂縫尺度大，賈敏效應(yīng)無法減緩CO2運(yùn)移速度，導(dǎo)致快速氣竄。

圖1 水體侵入過程

圖4為超臨界CO2泡沫控水過程。由圖4可知，頂部注入的CO2泡沫呈團(tuán)狀流入[16]，初期由于泡沫生成量少，在高滲層也存在一定的指進(jìn)現(xiàn)象；但隨著泡沫的不斷注入，逐漸形成穩(wěn)定的控水前緣，產(chǎn)生了控水效果。圖5為泡沫控水局部放大圖。由圖5可知，超臨界CO2形成的泡沫相對(duì)于純CO2氣團(tuán)更加致密，同時(shí)由于液膜間相互吸附，堆積性更高[17-21]，從而實(shí)現(xiàn)控水穩(wěn)氣效果。

圖2 注CO2控水過程

圖3 注CO2控水局部放大圖

圖4 超臨界CO2泡沫控水過程

圖5 超臨界CO2泡沫控水局部放大圖

2.2 CO2與CO2泡沫控水宏觀效果差異

CO2控水采用持續(xù)注入0.5倍孔隙體積 CO2，CO2泡沫采用CO2與泡沫劑交替注入，體積比為1∶1，總量為0.5倍孔隙體積，控水率為監(jiān)測(cè)點(diǎn)排出水量與水體總侵入量之比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。由表1可知，CO2泡沫控水效果優(yōu)于CO2，且相同注入量情況下，CO2泡沫控水率約是CO2的2倍。

表1 CO2與CO2泡沫控水效果對(duì)比

2.3 CO2泡沫控水參數(shù)優(yōu)化

優(yōu)化了泡沫劑的使用濃度、CO2泡沫注入量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2、3。由表2可知，泡沫濃度越大控水率越大，控水效果越好，綜合考慮控水效果和經(jīng)濟(jì)效益，優(yōu)選泡沫濃度為0.8%。由表3可知，CO2泡沫注入量過低，控水率較小，控水效果差，隨著CO2泡沫注入量的增大，控水效果明顯增強(qiáng)，但當(dāng)注入量高于0.5倍孔隙體積后控水效果增幅降低。因此，選取CO2泡沫注入量為0.5倍孔隙體積。

表2 不同CO2泡沫濃度控水效果

表3 不同CO2泡沫注入量控水效果

3 結(jié) 論

(1) 微觀和宏觀室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)表明：CO2與CO2泡沫均可起到控水效果，其中CO2控水主要是賈敏效應(yīng)作用，而CO2泡沫相對(duì)于純CO2氣團(tuán)更加致密，同時(shí)液膜間相互吸附，堆積性更高；相同注入量下，CO2泡沫控水率約是CO2的2倍。

(2) 對(duì)于非均質(zhì)性較弱的儲(chǔ)層可選用經(jīng)濟(jì)性更好的CO2控水，而存在裂縫、非均質(zhì)性強(qiáng)的儲(chǔ)層應(yīng)選用CO2泡沫控水。

(3) 經(jīng)優(yōu)化后，CO2泡沫濃度為0.8%、經(jīng)濟(jì)注入量為0.5倍孔隙體積時(shí)，控水率可達(dá)到60%以上。該結(jié)果對(duì)后續(xù)油藏工程方案調(diào)整具有指導(dǎo)意義。

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