基于微觀可視化實驗的減氧空氣驅(qū)可行性研究

楊 釗, 徐泰喜, 宋 洋, 韓 爽

(東北石油大學(xué) 石油工程學(xué)院, 黑龍江 大慶 163000)

目前全國大部分油田已進入開發(fā)中后期,油井含水率較高,投入大、產(chǎn)出少,依靠常規(guī)水驅(qū)油技術(shù)開采越來越困難.減氧空氣驅(qū)作為一種創(chuàng)新性的技術(shù),具有氣體來源廣、成本低且不受地域及空間范圍限制的優(yōu)勢.然而減氧空氣驅(qū)并不能對所有類型油藏起到提高采收率的作用,所以正確分析減氧空氣驅(qū)的油藏適用條件至關(guān)重要.

近年來,國外在注空氣提高采收率方面研究較多,也取得了較多的成果,目前,國外室內(nèi)研究主要集中在注氣驅(qū)替、注空氣氧化反應(yīng)以及混相等幾個方面.美國目前已將該項技術(shù)列入國家能源特別資助項目,而礦場試驗也在逐步展開.從20世紀(jì)60年代開始,Amoco、Chevron等公司先后對不同埋深的輕質(zhì)原油進行了礦場試驗,其增產(chǎn)效果明顯.進入20世紀(jì)80年代以后,注空氣提高采收率技術(shù)在美國的Williston盆地的輕質(zhì)油藏中進行了工業(yè)性開采,取得了不錯的經(jīng)濟效益[1].目前,已有十幾個國家應(yīng)用了注空氣提高采收率技術(shù).

我國從20世紀(jì)70年代便開始了空氣-泡沫驅(qū)油試驗,勝利油田、大慶油田及新疆油田均進行了試驗與應(yīng)用.21世紀(jì)以來,注空氣提高采收率技術(shù)在越來越多的低滲透油田,如長慶油田、延長油田等展開礦場試驗,并取得了不錯的效果.越來越多的研究人員也對注空氣提高采收率進行了研究,并取得了不錯的效果.研究認為在注氣體積和注氣壓力增加的情況下,氣驅(qū)采收率也在提高[2].雖然注空氣提高采收率具有很多優(yōu)點,但我國的低滲透油藏大部分屬于陸相沉積,存在非均質(zhì)性強、氣驅(qū)易發(fā)生氣竄,以及安全性等問題,也限制著該項技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用.

本文針對減氧空氣驅(qū)的適用性, 通過實驗方法分析了不同氣體對模型含油飽和度和孔隙非均質(zhì)性的影響. 通過氣驅(qū)實驗與水驅(qū)實驗、空氣泡沫驅(qū)和簡單氣驅(qū)的對比, 建立了地質(zhì)模型,研究了開發(fā)因素、地質(zhì)因素、原油氧化反應(yīng)程度等因素對采收率的影響. 結(jié)合單因素分析方法, 建立了數(shù)值模擬模型[3]. 根據(jù)模擬結(jié)果,分析了不同因素下開采程度的變化特征, 選擇了影響減氧氣驅(qū)開發(fā)效果的主要控制因素, 并應(yīng)用了減氧氣驅(qū)油藏,評價了減氧氣驅(qū)的可行性和優(yōu)越性, 確定了減氧氣驅(qū)油藏的適用條件和氣驅(qū)效果的改善方法.

1 設(shè)備及方法

本研究采用微簡化孔隙模型和玻璃蝕刻可視化充砂模型進行驅(qū)油實驗.利用圖像采集系統(tǒng)將驅(qū)油過程圖像轉(zhuǎn)換為計算機數(shù)值信號,利用圖像分析技術(shù)對水驅(qū)和氣驅(qū)進行研究.泡沫驅(qū)前后微觀驅(qū)油特征的實驗設(shè)備及過程如圖1所示.

圖1實驗裝置圖
Fig.1 Experimental device diagram

本實驗的視覺模型為玻璃蝕刻透明均勻模型(40 mm×40 mm),由實際巖心獲得的真實孔隙結(jié)構(gòu)制成,實驗溫度為65 ℃.實驗油為原油中配制的模擬油.

原油與空氣的低溫氧化反應(yīng)非常復(fù)雜,氧化反應(yīng)過程中包括很多中間產(chǎn)物以及其他反應(yīng),因此本文對原油-空氣氧化反應(yīng)進行假設(shè),建立其基本模型,并通過模型進一步簡化得出原油-空氣低溫氧化反應(yīng)模型,用來模擬實驗氧氣消耗與氣體產(chǎn)出,為全油藏數(shù)值模擬與耗氧分析奠定模擬基礎(chǔ).

在泡沫驅(qū)過程中,多種影響因素制約著泡沫驅(qū)的驅(qū)油效果.國內(nèi)外的學(xué)者己經(jīng)對泡沫驅(qū)進行了大量的研究,并且得出一些結(jié)論.之前研究泡沫的驅(qū)油效果主要在中高滲、非均質(zhì)性油藏條件下進行,但是針對低滲、強非均質(zhì)油藏的研究較少.在泡沫驅(qū)提高原油采收率方面,可將泡沫應(yīng)用于提高原油采收率,其實驗結(jié)果表明泡沫能夠減小氣相的相對滲透率,可以達到延緩氣體突進的目的.泡沫能夠有效降低滲流過程中的氣相滲透率并且擴大波及體積,分析原因認為泡沫在水中較穩(wěn)定并表現(xiàn)出較大的滲流阻力[4],遇油后穩(wěn)定性變差且在多孔介質(zhì)中滲流阻力較小.實驗表明在提高泡沫驅(qū)油采收率方面,泡沫驅(qū)在非均質(zhì)模型中的驅(qū)油效率高于均質(zhì)模型,非均質(zhì)模型中可提高驅(qū)油效率16%,并且泡沫驅(qū)相比同種起泡用表面活性劑驅(qū)油具有顯著優(yōu)勢[5].泡沫驅(qū)作為一種有效的3次采油手段廣泛地應(yīng)用于世界各地的油田.

1.1 微觀空氣驅(qū)油實驗

如圖2所示,方案1注入氣體組分為純氮氣,總注入孔隙體積倍數(shù)為15;方案2的注氣組分為純二氧化碳,注入孔隙體積倍數(shù)為15;方案3的注入氣體組分是含氧氣質(zhì)量分數(shù)為8%的空氣.總注入孔隙體積倍數(shù)為15;方案4的注入氣體組分是含氧氣質(zhì)量分數(shù)為15%的空氣,總注入孔隙體積倍數(shù)為15;方案5的注入氣體組分是含氧氣質(zhì)量分數(shù)為20%的空氣.總注入孔隙體積倍數(shù)為15;方案6的氣體組分為空氣,總注入孔隙體積倍數(shù)為15.根據(jù)6組實驗可知,在常壓條件下,不同類型氣體進入模型后,足夠的注入量可以有效推進原油運動[6],受含油飽和度和孔隙非均質(zhì)程度影響,沒有形成連續(xù)油墻,氣驅(qū)結(jié)束仍有剩余油分布,單純的驅(qū)替作用無法取得良好的開發(fā)效果.

圖2 不同注氣成分氣驅(qū)剩余油分布Fig.2 Residual oil distribution of gas flooding with different gas injection component

1.2 可視化填砂模型泡沫驅(qū)

1) 水驅(qū)階段.為了模仿實際開發(fā)過程,先進行了水驅(qū),模型注入孔隙體積倍數(shù)為0.5.由圖3可以看出,水驅(qū)過程主要沿主流線和大孔道流動,形成了優(yōu)勢水流通道.主流線兩側(cè)波及非常小,采收率很低.

圖3水驅(qū)過程
Fig.3 Water flooding process

2) 單純注氣階段.為了模擬注氣過程,進行了大量注氣注入孔隙體積實驗,注入孔隙體積倍數(shù)為15.由圖4可以看出,隨著注入量的增加,主流線上剩余油明顯減少,體積增大,總體面積達到1/3,說明該氣體具有良好的增壓效果,可以通過自身膨脹攜帶原油,最終提高波及體積.但是仍然有大量剩余油分布在兩側(cè),這部分剩余油是氣驅(qū)挖潛的關(guān)鍵.

圖4 氣驅(qū)過程Fig.4 Gas drive process

3) 空氣泡沫驅(qū)階段.為了模擬注氣過程,進行了大量注入孔隙體積注氣實驗,注入孔隙體積倍數(shù)為15.由圖5可以看出,隨著注入量的增加,主流線上剩余油明顯減少,體積增大,總體面積達到1/3,說明該氣體具有良好的增壓效果,可以通過自身膨脹攜帶原油,最終提高波及體積.但兩側(cè)仍有大量剩余油分布,這部分剩余油是氣驅(qū)的關(guān)鍵[7].

水驅(qū)采收率為19.8%,氣驅(qū)采收率為33.5%,空氣泡沫驅(qū)采收率為47.8%.說明空氣泡沫驅(qū)可以明顯改善洗油效率及波及系數(shù),起到很好的調(diào)剖增油效果.

圖5 空氣泡沫驅(qū)過程Fig.5 Air foam flooding process

2 地質(zhì)模型建立

設(shè)置地質(zhì)模型油藏特征參數(shù)為:地層傾角為17°;油層厚度為8 m;孔隙度為0.3;水平滲透率為8×10-3μm2;沉積韻律均勻;洛倫茲系數(shù)為0(均勻地層);原始地層壓力為14 MPa;溫度為100 ℃;地下原油黏度為6 MPa·s;地下油水黏度比為4.8;原始含油飽和度為0.8.采用一注一采兩口井,注入井位于油藏高部位,采油井位于低部位.生產(chǎn)井為直井穩(wěn)定采液,注氣時機為投產(chǎn)初期,在油藏數(shù)值模型中,通過設(shè)置不同的反應(yīng)模型來表示不同的氧化模式.由低溫氧化實驗求得反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)為,動能Ea=58 kJ·mol-1,滲透率k0=1.5×102m3·s-1·kPa-1.高溫氧化模式反應(yīng)模型設(shè)置為

根據(jù)熱重實驗獲得的高溫氧化反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)動能Ea=100 kJ·mol-1和滲透率k0=1.27×106m3·s-1·kPa-1確定不同氧化模式下的反應(yīng)速率與溫度關(guān)系曲線(圖6).油藏內(nèi)部低溫氧化(LTO)和高溫氧化反應(yīng)(HTO)可能同時存在,而在低溫條件下(<150 ℃),低溫氧化反應(yīng)起主導(dǎo)作用;高溫條件下(>250 ℃),高溫氧化反應(yīng)速率急劇增加,進而起到主導(dǎo)作用.

圖6不同氧化模式反應(yīng)速率
Fig.6 Reaction rates of different oxidation mode

3 采收率敏感因素分析

3.1 地質(zhì)因素影響

本文確定選取儲層滲透率(0.1×10-3、1.0×10-3、5.0×10-3、10.0×10-3、20.0×10-3和50.0×10-3μm2)、原始油藏溫度(50、75、100和150 ℃)、地層厚度(5、10、20和50 m)及油藏傾角(0°、7°、15°和21°)作為影響減氧空氣驅(qū)驅(qū)油效果的地質(zhì)因素,計算結(jié)果如圖7所示.

通過模型計算得出,水平方向滲透率太小不利于采出程度的增加.水平方向滲透率太小,導(dǎo)致滲流能力不足,采出程度太低.當(dāng)儲層滲透率在1.0×10-3μm2及以下時,采出程度較低,空氣驅(qū)作用效果不明顯.水平方向滲透率為50.0×10-3μm2時,空氣驅(qū)采出程度最高.由此計算出適宜開采的儲層理想的水平滲透率范圍在10.0×10-3μm2及以上.在其他條件相同的情況下,原始油藏溫度越高,空氣驅(qū)開采程度越高,驅(qū)油效果更為理想.這是因為原始油藏溫度越高,油相中更有利于氧化反應(yīng)的發(fā)生[8].同時因為原始油藏溫度越高,原油黏度越低,越容易自燃,能夠充分發(fā)揮氣驅(qū)的作用,故開采時100～150 ℃時的采出程度比低溫環(huán)境下的更高.

圖7 不同地質(zhì)因素影響下采出程度與模擬時間的關(guān)系Fig.7 Relationship between production level and simulation time under the effect of different geological factors

隨著地層厚度變大,空氣驅(qū)采出程度逐漸降低.油層厚度為5～10 m時采出程度變化并不明顯.有效厚度過大時,由于空氣與原油之間存在密度差,地層過厚會導(dǎo)致地層間殘余氣體過多,這很大程度上影響了注空氣開采的效率,從而降低了驅(qū)油效果;當(dāng)油層較薄時,空氣能夠迅速在地層間傳導(dǎo)驅(qū)油,從而提高采油效果.分析計算得出適宜空氣驅(qū)油藏的有效厚度條件為5～35 m左右.

實際油藏的構(gòu)造復(fù)雜,起伏不平,在這種油藏中,構(gòu)造引起的傾角對采收率的影響很大,因此需要繼續(xù)研究油藏傾角對空氣驅(qū)采收率的影響情況[9].空氣在油藏頂部注入,使滯留在高部位油層中的氣體增加,有利于增加注入氣體空氣驅(qū)作用,進而達到很好的波及和氣驅(qū)效率.當(dāng)傾角過低時(0°左右),重力排驅(qū)效果不明顯,采出程度低.傾角過大時(大于21°),較原始地層傾角產(chǎn)油量有所降低.故適宜的地層傾角為15°～21°左右,當(dāng)傾角過大時(大于21°),生產(chǎn)井見油時間提前,容易過早氣竄,產(chǎn)油量有所降低.

3.2 開發(fā)因素影響

本文主要對比研究注采井距(500、300、200、100 m)及原油黏度(7、15、25、35、45、55 MPa·s)不同時的空氣驅(qū)動態(tài)特征和滲流特征(圖8).

圖8 不同開發(fā)因素下采出程度與模擬時間的關(guān)系Fig.8 Relationship between production level and simulation time under different development factors

在其他條件相同的情況下,注采井距過小時,采出程度低,開采效果不理想,當(dāng)注采井距達到500 m時,采出程度較大,開采初期產(chǎn)油速度慢且產(chǎn)量較少[10].當(dāng)注采井距保持在300～500 m左右時能達到注空氣開采最大收益.隨著原油黏度的增加,采收率有不同程度的降低,但下降幅度不一樣.原油黏度小于55 MPa·s時,隨著原油黏度的增加,空氣驅(qū)采出程度下降幅度較低.原油黏度在15 MPa·s以下時,空氣驅(qū)作用明顯.

3.3 原油氧化反應(yīng)程度的影響

在不改變原始條件的情況下,改變氧化反應(yīng)的放熱量,研究原始氧化反應(yīng)中二氧化碳不同產(chǎn)出值,觀察此時空氣驅(qū)動態(tài)特征和滲流特征,見圖9.

圖9 不同原油氧化反應(yīng)程度時的

隨著原油氧化反應(yīng)放熱量的增加,空氣驅(qū)采出程度提高明顯[11]. 其氧化反應(yīng)為1/10放熱量時溫度較低無明顯變化, 其值增至2.0倍時最高溫度升高至237 ℃. 二氧化碳濃度由0.039 mol·L-1增加至0.092 mol·L-1,原油氧化反應(yīng)效果良好,此時采出程度有明顯增加;當(dāng)氧化反應(yīng)放熱量降低至1/2及以下時,二氧化碳濃度降低至0.005 mol·L-1,氧化反應(yīng)效果變差,采收率降低且空氣驅(qū)作用效果不明顯[12].空氣驅(qū)采油,高壓提高了混相能力,高溫提高了氧的利用率,因而高溫高壓油藏的驅(qū)油效果好.

4 結(jié) 論

1) 通過微觀可視化實驗表明:減氧空氣進入模型后,可以有效推進原油運動,受含油飽和度影響,沒有形成連續(xù)油墻,氣驅(qū)結(jié)束仍有一定剩余油分布.泡沫空氣驅(qū)實驗表明:通過泡沫體系的注入,封堵地層大孔道(或裂縫)的同時,充分利用地層的中、低滲透層,使地層的高、中、低三層充分發(fā)揮作用,大幅改善氣驅(qū)效果.

2) 通過建立氧化反應(yīng)理論模型和油藏數(shù)值模擬模型,可以得到溶解氧隨著壓力的增大而增大,原油的密度和黏度逐漸減小.當(dāng)壓力達到飽和壓力時,氣體不再溶解,原油的溶解度達到最大值.在壓力的影響下,原油被壓縮時,其密度和黏度增大.不同濃度的降氧空氣對原油物理性質(zhì)的影響略有不同.氧氣濃度越高,相同壓力下原油的密度和黏度越大.根據(jù)油藏數(shù)值模擬開展減氧空氣驅(qū)采收率敏感性因素分析,結(jié)果表明,儲層滲透率大于10×10-3μm2,井距為300～500 m,油藏含油飽和度為0.5～0.7,油藏溫度在100～150 ℃,油層厚度在5～35 m之間,原油黏度低于15 MPa·s,油層傾角在15°～21°之間,注入氣含氧質(zhì)量分數(shù)為10%～21%,減氧空氣驅(qū)在高壓情況下可以取得較好的開發(fā)效果.