低滲和特低滲油層CO2-N2復合驅研究

陳濤平， 畢佳琪， 趙 斌， 孫 文

(1.東北石油大學提高油氣采收率教育部重點實驗室， 大慶 163318; 2.中國石油華北油田公司采油三廠， 河間 062450)

近年來，中國新探明原油地質儲量中相當數量屬于低滲、特低滲油層，對于這類油層普遍存在地層能量不足、自然產能低、地層壓力下降快、采出程度低的問題，大多數不適宜用水驅開發，注氣開發成為這類油層倍受關注的提高采收率技術。與其他非烴類氣體相比，CO2容易與原油發生混相，具有降黏、膨脹、萃取等作用，大大減少了原油流動過程中的毛管阻力和流動阻力，從而可較大幅度地提高原油采收率。隨著節能減排和CO2等溫室氣體地下埋存技術的研究[1]，進一步促進了CO2提高采收率技術的發展，使CO2驅油技術在北美地區被廣泛應用[2-3]。文獻[4]通過研究CO2注入機理和最佳應用思路，認為CO2驅可以有效地實現埋存與提高采收率的有機結合，使CO2驅成為中國開發低滲、特低滲油藏頗具前景的提高采收率技術[5-9]。

中國曾對CO2驅油技術開展了大量的室內研究，文獻[10]以中原油田為目標區塊，利用數值模擬技術對CO2多級接觸過程中流體物性參數進行了計算；文獻[11]通過室內長巖心CO2驅物理模擬實驗得出，CO2驅替過程中，驅油效率和氣體突破時間都隨滲透率降低而增大；文獻[12]通過室內實驗，研究了注入CO2、N2、天然氣后原油性質的變化；文獻[13]利用超臨界狀態下的CO2進行了混相驅油實驗，指出混相條件下CO2可以與原油形成混相帶阻滯CO2指進，同時在水氣交替時，水對混相有不利的因素，需要對段塞進行調整；文獻[14]對CO2-原油體系混相狀態的滲流特性進行了研究；文獻[15]通過室內實驗，分析了CO2在油水中的溶解于擴散性能和注CO2后原油性質的變化規律；文獻[16]指出CO2中的雜質氣體對原油最小混相壓力有較大影響；文獻[17]利用數值模擬的方法研究改善CO2驅油效果的方法，研究結果表明，注入前置輕烴段塞，可以增大混相程度，延緩氣體突破的時間，提高油藏的采出程度；文獻[18]采用室內物理模擬方法，分析了非混相、近混相和混相不同階段的曲線特征，建立了近混相驅區域的確定方法，并指出非均質模型中CO2在驅替過程中容易發生氣竄；文獻[19]通過研究低滲透油藏CO2驅中后期的提效方法，認為水氣交替方式提高采收率的效果更佳；文獻[20]通過開展室內實驗，研究了混相調節劑降低CO2與原油最小混相壓力的作用，測試了CO2混相調節劑降低最小混相壓力的機理；文獻[21]通過數值模擬對CO2驅最小混相壓力影響因素的研究，認為最小混相壓力隨著原油中甲烷和氮氣濃度減小而降低。這些研究為CO2驅油技術提供了理論基礎。

中國已在大慶、華北、吉林等地進行了CO2驅先導試驗并取得了良好的效果[22]，2008年在吉林油田建成了國內首個CO2提高采收率國家示范工程，但由于受CO2氣源限制，無法將CO2驅大面積推廣應用，于是人們常把N2作為氣驅介質。對比CO2與N2驅油機理不難發現，N2最小混相壓力高于CO2，導致N2驅的提高采收率幅度遠低于CO2驅[23-24]，且受地層破裂壓力限制，礦場實際應用過程中很難達到N2混相壓力，N2驅以彈性驅替為主，驅替效率有限[25]。對此，人們考慮用N2部分替代CO2進行低滲、特低滲油藏開發，文獻[26-27]均指出利用N2作為CO2段塞的頂替介質可達到節約CO2提高采收率的目的，但因CO2與N2間存在擴散和彌散作用，為了不影響CO2與原油之間的混相，CO2段塞需要一定的長度。為此，以大慶外圍YS油田的特低滲透油層為背景，開展低滲、特低滲油層CO2-N2復合驅數值模擬計算和物理模擬實驗兩方面的研究，以探索在減少CO2用量的基礎上，充分發揮CO2與N2各自的優勢，達到有效提高采收率的目的。

1 復合驅油方式

圖1 油水相對滲透率曲線Fig.1 Oil-water relative permeability curve

圖2 油氣相對滲透率曲線Fig.2 Oil-gas relative permeability curve

1.1 N2對最小混相壓力的影響

計算了CO2與N2混合氣驅油時，不同N2含量下混合氣體與原油的最小混相壓力(MMP)，結果如表1所示。

表1 最小混相壓力與N2含量的關系Table 1 The relative of MMP with N2 content

1.2 段塞尺寸及組合方式

分別模擬計算了不同大小CO2段塞、以及在CO2段塞總量為0.3倍孔隙體積(PV)條件下不同交替次數的驅油效率，結果如圖3所示。

圖3 不同驅替方式的驅油效率Fig.3 The oil recovery with different flooding method

由圖3可以看出，在CO2總注入量(0.3 PV)不變的前提下，CO2與N2的交替次數越多，驅油效率越低。可見采用多次循環交替注入CO2的方式不如一次性注入等量CO2的驅替效果好，且多次交替注入CO2的驅替方式現場工藝較為煩瑣，不便應用。

2 影響復合驅采收率的因素

以大慶外圍YS油田的特低滲透油層為背景，巖石及油氣物性同前，壓力梯度0.1 MPa/m，通過CMG軟件建立理想均質、非均質模型，開展了CO2-N2復合驅數值模擬研究。

2.1 油層長厚比

為了研究均質油層長厚比(LTR)對CO2驅最終采收率的影響，選取3×10-3μm2滲透率，10.0%孔隙度的均質模型，計算在厚度1 cm、寬度4 cm、不同長度的模型中持續注入CO2時的最終采收率，結果如圖4所示。

圖4 CO2驅采收率與長厚比關系曲線Fig.4 Relation curve between recovery and LTR of CO2 flooding

由圖4可以看出，當油層長厚比小于100時，采收率隨著油層長厚比的增加而增大；當油層長厚比達到100后最終采收率增幅較小，此時采收率為72.42%；此后采收率趨于平穩，基本不隨油層長厚比的增加而增大。

分析認為，當油層長厚比小于100時，驅替過程中CO2易發生氣竄，因而與原油接觸時間短，不易達到混相，導致驅替效率低，采收率不高；隨著油層長厚比的增加，CO2與原油接觸時間逐漸增大，更多的CO2可與原油形成混相，故驅替效率增加，采收率增大；當油層長厚比大于100時，地層呈長細管形狀，CO2與原油混相帶基本穩定，采收率也保持穩定。即厚度小于井距1%的油層更有利于提高采收率。

2.2 CO2段塞尺寸

考慮到YS油田實際油層長厚比約為30的情況，選取30 cm(長)×4 cm(寬)×1 cm(厚)模型，油層滲透率為3×10-3μm2，孔隙度為10.0%，計算了CO2-N2復合驅中注不同PV數CO2時的采收率，結果如圖5所示。

在殘膜回收過程中，仍有部分區域采取最傳統的操作方式，在土地犁耕或是收獲之后通過機械耙回收等措施處理之后進行人工拾取，但是仍有較多殘膜在土地中殘留，不能得到有效回收，會導致污染問題的發生。加上部分地區的政府部門各項社會化宣傳未能有效落實，部分農民對于農田殘膜危害性尚未形成明確認識，對殘膜回收缺乏積極性，加上機械化成本投入費用較高，短時間內實際獲取的經濟效益值較低，導致農田殘膜回收機械化技術難以全面推廣應用。

圖5表明，CO2-N2復合驅采收率隨CO2注入體積的增加而增大，達到0.3 PV時，采收率為43.41%，此后采收率受注入體積影響較小，無明顯變化。表明當注入CO2注入體積小于0.3PV時，注入的CO2能夠有效溶解于原油，與原油達到混相，有效發揮驅油作用，故采收率隨CO2注入體積的增加而增大；當大于0.3PV后，因先注入的CO2與原油充分接觸，萃取原油中的輕質烴組分，達到混相，形成“油墻”，油墻過后留下重質烴組分；而后注入的CO2接觸到的原油中重烴組分含量多，無法發揮應有作用，致使采收率在CO2段塞大于0.3PV后無明顯增長。

圖5 復合驅采收率與CO2段塞尺寸數關系曲線Fig.5 Relation curve between recovery of composite flooding and CO2 injectd PV number

2.3 滲透率

為了研究滲透率對CO2-N2復合驅采收率的影響，選取3×10-3、6×10-3、9×10-3、30×10-3μm2共4種滲透率的模型，分別計算注入CO2不同PV數時的采收率，結果如圖6所示。

圖6 不同滲透率油層的采收率Fig.6 The recovery of different permeability layers

由圖6可以看出，注入不同PV數CO2的采收率曲線變化趨勢基本一致；注入同一PV數CO2時，滲透率小于10×10-3μm2時，隨著滲透率的增加，復合驅采收率降低。這是因為，當注入同一PV數CO2時，滲透率越低，CO2在原油中的指進現象越弱，越有利于CO2與原油混相，復合驅的驅替效率越高。因此3×10-3μm2滲透率模型的采收率始終高于其他3種滲透率模型的采收率。

2.4 滲透率級差

非均質模型中特低滲層滲透率為3×10-3μm2，孔隙度為10.0%，滲透率級差為3時的油層滲透率為9×10-3μm2，孔隙度為10.5%，在模型長厚比為30的情況下，計算了4種滲透率級差的正韻律油層CO2前置段塞+N2復合驅采收率與滲透率級差的關系曲線，結果如圖7所示。

圖7 不同滲透率級差油層的采收率Fig.7 The recovery of different permeability ratio layers

由圖7可以看出，注入不同PV數CO2的采收率曲線變化趨勢基本一致；CO2的注入PV數一定時，復合驅采收率隨滲透率級差的增加而減小；當滲透率級差由1.5增加至3時，注入0.3 PV的CO2時最終采收率從36.34%降至31.34%。

3 復合驅實驗研究

為了確定CO2-N2復合中CO2合理段塞尺寸及驅油效果，現采用低滲透、特低滲透2種天然巖心開展實驗研究。

3.1 實驗材料及方案

實驗所用巖心為天然巖心，物性參數如表2所示。飽和用油為YS油田樹99-碳斜13井模擬油，原始溶解氣油比為22.3 m3/m3。

驅替實驗在恒溫恒壓及完全混相條件下進行，出口回壓28.60 MPa，實驗溫度90 ℃；實驗結束條件為產出流體的氣油比達到1 500 mL/mL。驅替方案共5種：全N2驅；全CO2驅；分別先注入0.1、0.2、0.3 PV CO2，后續注入N2驅。

表2 天然巖心物性參數Table 2 Natural core physical parameters

3.2 實驗結果及分析

針對實驗所用巖心，用數值模擬的方法計算了不同注入方案采收率的理論曲線，并與物模驅油實驗結果一并繪于圖8中。不同巖心各驅替方案的最終采收率與CO2段塞PV數關系如圖8所示。

圖8 巖心采收率與CO2段塞尺寸關系曲線Fig.8 Relation curve between recovery and CO2 slug size

圖8中低滲、特低滲巖心的數模計算曲線與物模實驗結果很吻合，證明本研究的數值模擬計算結果是可靠的。

由圖8可以看出，相對于低滲透巖心，特低滲透巖心采用CO2前置段塞+N2復合驅的驅替方式可以獲得更好的驅替效果；隨著CO2注入量的增加，CO2前置段塞+N2頂替復合驅采收率不斷增加，當CO2注入量約為0.3 PV時，可以達到一個較好的效果，其采收率與全注CO2采收率相接近。

為了清晰地分析其機理，用一維細管理想模型進行了CO2-N2復合驅過程中CO2、N2在油氣相中的動態分布數值模擬計算，結果如圖9所示。圖9中無量綱距離0處為注入端、1處為采出端。

從圖9(a)、圖9(b)可以看出，在很大范圍(無量綱距離為0.3～0.8)內，N2和CO2在氣相中是以混合氣的形式存在，油相中N2摩爾含量較高，N2與混相前緣發生了直接接觸，表明(0.1～0.2) PV的CO2段塞不能有效隔離N2對CO2混相前緣驅替的影響，因而其采收率不夠高。從圖9(c)中可以看出，無量綱距離約0.7～1范圍內為CO2區，其中僅含極少量的N2；0.9附近為混相前緣；0.8～1油相中N2摩爾含量極低，表明0.3 PV 的CO2有效阻止了N2竄逸對CO2混相前緣驅替的影響。就其本質而言，由于CO2、N2之間的擴散和彌散作用以及CO2與油相之間密度、黏度的差異導致了CO2前置段塞、N2推進驅替過程中不可避免地存在著混合帶。因此，從提高采收率的效果上看，CO2前置段塞必須能滿足形成穩定的中間帶避免N2與CO2混合帶竄逸至CO2前緣。

圖9 CO2、N2在油氣相中的動態分布Fig.9 Dynamic distribution of CO2 and N2 in hydrocarbon phase

4 五點法井網二氧化碳段塞優選

實際油田中，注水井與生產井以井網的形式存在，為了優選井網條件下CO2-N2復合驅CO2的段塞尺寸，通過CMG油藏數值模擬軟件建立了五點法井網單元模型，模型長300 m×寬300 m×厚10 m，網格劃分i×j×k=120×120×4，網格步長2.5 m，五點法井網單元模型及其全注CO2驅結束時含油飽和度分布如圖10所示。模型滲透率為3×10-3μm2，孔隙度10.0%，溫度90 ℃，壓力梯度0.071 MPa/m，注入井井底壓力40 MPa，生產井井底壓力10 MPa，其余巖石及油氣物性同前。

圖10 五點法井網單元模型Fig.10 Five-spot well pattern element model

分別計算注不同PV數CO2的復合驅及全部注CO2驅時的采收率，結果如圖11示。

圖11 井網單元采收率與CO2段塞尺寸關系Fig.11 Relationship between pattern element recovery and CO2 slug size

由圖11可知，五點法井網單元復合驅采收率隨著CO2注入PV數的增加而增大，當注入段塞為0.3 PV CO2+N2時，復合驅采收率達到最大值48.94%，比全CO2驅(0.35 PV)的采收率45.39%高3.55%，表明CO2-N2復合驅中后續注入的N2充分發揮了補充能量的優勢，有效驅動了前置CO2段塞混相后的原油，從而提高了原油采收率。因此，五點法井網條件下CO2-N2復合驅CO2的合理段塞為0.3 PV。

5 結論

(1)低滲、特低滲透油層CO2-N2復合驅不宜采用CO2與N2混合驅方式，而應采用CO2段塞+N2的段塞組合驅方式。

(2)油層滲透率越低或滲透率級差越小，越有利于提高CO2-N2復合驅采收率。厚度小于井距1%的油層也有利于提高采收率。

(3)驅油實驗結果表明，隨著CO2注入量的增加，CO2前置段塞+N2頂替復合驅采收率不斷增加，當CO2注入量約為0.3 PV時，可以達到一個較好的效果，且相對于低滲透巖心，特低滲透巖心可以獲得更好的驅替效果。

(4)五點法井網中，CO2-N2復合驅的段塞組成以0.3 PV前置CO2段塞+后續N2為宜。它不僅可以減少CO2用量，而且可以充分發揮CO2與N2各自的優勢，獲得優于全部注CO2驅的驅油效果。