長巖心CO2非混相驅中注氣速率對重力超覆的影響*

趙鳳蘭，宋黎光，馮海如，王 強

（1.中國石油大學（北京）石油工程學院，北京 102249；2.石油工程教育部重點實驗室，北京 102249；3.中國石油冀東油田分公司，河北唐山 063000；4.海洋工程股份有限公司，天津 300451）

0 前言

隨著常規油田開發進入中后期，非常規油氣資源的勘探開發力度增加。低滲透油藏作為一種非常規油氣資源，由于儲層滲透率較低，水驅開發難度較大，存在注入壓力大，驅油效率低的問題。氣驅由于注入性好，存在多種驅油機理而對低滲油藏開發具有很好的適應性［1-3］。CO2驅是一種能實現減緩溫室效應和提高原油采收率雙重效益的氣驅開發方式，將CO2注入油藏后，CO2溶解在原油中，在溶解降黏、原油膨脹、降低界面張力、溶解氣驅等驅油機理作用下［4］，波及區域內原油可被高效采出。若原油性質較好，地層壓力較高，CO2與原油達到混相狀態，油氣互溶后界面張力接近0，理論驅油效率接近100%，但實現混相驅的條件苛刻，比較容易實現的近混相驅也可達到很高的采收率，具有較高的經濟效益［5-6］。國外的氣源充足，因此CO2驅發展迅速。國內缺少氣源及相應的運輸管線，CO2驅的應用較少，但也開展了CO2對我國部分油田的適應性研究，取得了可觀的開發效果［7-9］。國內外CO2驅的應用表明，波及效率較低是制約CO2驅開發效果的主要因素，氣驅波及效率低將滯留大量剩余油在低滲孔隙內，降低原油采收率［10-11］。當油藏厚度較大時，注入氣與原油因存在密度差異而形成重力超覆，會降低注入氣對油藏縱向波及效率，使大量剩余油滯留在油藏下部，降低CO2驅開發效果。因此，有必要開展有關重力超覆的相關研究以改善CO2驅波及效率。

重力超覆的研究多采用數值模擬方法，室內實驗方面目前僅有少量常溫常壓條件下的可視化模型定性實驗結果。杜勇等［12］通過可視化模型及受力分析得出，氣驅開發中僅靠油氣密度差引起的浮力難以使氣泡運移至油藏上部，在沒有驅替力的情況下重力超覆難以形成。Araktingi 等［13］利用數值模擬研究不同黏性力及重力綜合作用下驅替前緣發展變化規律，研究表明黏性力與重力比值達到的最高值時的驅替效果最好。Jamshidnezhad 等［14］對氣水交替注入時的重力分異進行了研究，注氣速率增大會減緩氣水重力分異程度。本文設計了可模擬油藏高溫高壓條件下油氣運移并能實現對重力超覆定量表征的二維高溫高壓氣驅超覆物理模型，室內研究了注氣速率對CO2非混相驅重力超覆程度的影響，以期為CO2驅開發過程中盡可能抑制和減緩改善超覆程度提供理論依據。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

實驗用油為勝利油田某低滲區塊脫氣原油，實驗溫度（60℃）下的密度和黏度分別為0.788 g/cm3和1.24 mPa·s（60℃，7.34 s-1），實驗溫度下與CO2的最小混相壓力約為18 MPa。實驗巖心為由露頭砂人工壓制的尺寸為60×8×2（cm）的方形均質低滲巖心；實驗用水為勝利油田某低滲區塊模擬地層水，礦化度72597 mg/L，主要離子質量濃度（單位mg/L）為：Na++K+25736、Ca2++Mg2+2252、Cl-42961、HCO3-1179、SO42-469，CaCl2水型；實驗用氣為純度99.9%的CO2，密度0.2858 g/cm3，黏度0.025 mPa·s。

實驗設備包括注入系統、巖心夾持器、產出系統及壓力數據采集系統，主要包括ISCO-100DX 恒壓恒速泵、高溫高壓活塞中間容器、高溫高壓驅氣驅超覆巖心夾持器、兩個與上下層產出端相連的回壓閥、兩套氣液分流計量裝置、兩個氣體流量計（Brokhorst）、KDHW-Ⅱ型自控恒溫箱、壓力傳感器及壓力數據采集模塊、管線若干。實驗裝置及實驗流程如圖1所示。

圖1 實驗裝置流程圖

為模擬油藏條件油氣運移情況下的氣驅超覆，根據氣驅超覆產生條件及形成氣驅超覆時的產出流體特征，設計可模擬油藏條件下油氣運移并能體現氣驅超覆的二維高溫高壓物理模型，示意圖見圖2。該模型為一種可裝載長度和厚度較大的巖心的巖心夾持器，巖心夾持器上下兩個產出端用于分層采集產出流體。為了能體現CO2驅中的超覆現象，將巖心尺寸設計為60×8×2（cm），巖心的長度、厚度的增大有利于氣驅超覆的形成和發展，寬度的減小則為了減小水平黏性指進對氣驅超覆的影響。

圖2 氣驅超覆物理模型

1.2 實驗方法

驅替實驗方法與一般CO2驅替實驗相似，需要注意的是，為了提高巖心含油飽和度，飽和油過程時巖心水平放置，進行CO2驅時，巖心豎直放置，同時對巖心上下層產出流體進行分別計量，表征不同注氣速率的氣驅超覆程度，進而分析注氣速率對CO2驅超覆的影響。

具體實驗步驟如下：

（1）驅替前準備：測量巖心外觀尺寸，以滿足巖心夾持器要求，計算巖心視體積，干燥巖心24 h 以上；打磨巖心表面至平整光滑，巖心表面涂環氧樹脂防腐層，干燥巖心至防腐層固化；巖心放置在夾持器內，加圍壓至5 MPa，并用真空泵將巖心抽真空4 h 以上；利用手搖泵對巖心飽和模擬地層水，計量巖心孔隙體積；對飽和模擬地層水后的巖心進行水測滲透率，水測滲透率時產出端均打開，通過注入速率和巖心兩端壓差計算巖心滲透率；將巖心放置在60 ℃恒溫箱內升溫至圍壓穩定，并翻轉巖心夾持器使巖心水平放置，以低流速（0.05 mL/min）對巖心進行飽和油至巖心產出端不再出水為止，通過產出流體及注入油量計量飽和油量，計算巖心含油飽和度；將飽和原油后的巖心在60 ℃恒溫箱內老化24 h以上以模擬地層條件。

（2）CO2驅替實驗：翻轉巖心夾持器，以不同流速（0.1、0.3、0.5、1 mL/min）將CO2以恒定流速由注入端注入巖心（巖心參數見表1）內；調整與夾持器上下層產出端相連的回壓閥的壓力約10 MPa，并打開巖心上下層產出端，驅替至某一產出端生產氣油比大于3000 m3/m3時結束驅替；記錄實驗過程中巖心產出端上下層產油量、產氣量，計算巖心上下層的采收率大小并表征氣驅超覆程度。

表1 各組實驗巖心參數

2 結果與討論

2.1 不同注氣速率下的生產動態及超覆程度分析

不同注入速率下，上下層采收率和累計產氣量隨CO2注入量的變化見圖3。但注入速率為0.1 mL/min時（圖3（a）），巖心上層先產油，采收率隨CO2注入量的增加不斷增加，CO2注入量達0.244 PV時，巖心下層才開始產油，采收率緩慢增加，表明CO2優先波及巖心上層，對巖心下層的波及體積小，形成嚴重的重力超覆；CO2注入量達0.458 PV時，重力舌進到達上層產出端，產氣量逐漸增加，受上層產氣影響，下層波及效率進一步降低，采收率不再增加，見氣時上下層采收率分別為40.61%和0.73%。重力超覆影響下CO2對巖心下層的波及效率較低；由于重力舌進較為嚴重，氣體突破后，不利流度比增大，巖心上層油氣同產時間較短，生產氣油比很快達到經濟極限，巖心最終采收率僅為49.49%，巖心整體驅替效果較差。實驗中下層基本不產油，這與油藏實際開發不符，原因可能是上下層產出端的出口回壓閥誤差較大，限制了巖心下層流體的產出，為了統一實驗條件，后續注氣速率實驗采用本組實驗相同回壓閥。

圖3 不同注入速率下上下層采收率及累計產氣量隨CO2注入量變化曲線

CO2注入速率增至0.3 mL/min時（（圖3（b）），與注氣速率0.1 mL/min 時相比，巖心下層采收率明顯增加，雖然巖心上層仍先產油，但巖心上、下層很快達到共同生產狀態。這表明注氣速率增至0.3 mL/min 后，CO2對巖心下層的波及效率有所增加。但是，巖心上層采收率的增加幅度高于巖心下層的，且隨著CO2注入量的增加兩者差值逐漸增大，說明仍存在明顯的重力超覆。CO2注入量達到0.35 PV時，重力舌進到達上層產出端，上層采收率增加速率下降，下層采收率由于上層見氣，波及效率進一步降低而更加緩慢增加。見氣時巖心上下層采收率分別為22.1%和10%。CO2對巖心下層波及體積增加，見氣后，CO2對巖心下層剩余油仍有波及，且上層油氣同產時間較長，在上層生產氣油比達經濟極限后，上下層采收率分別為35.95%和16.15%，最終采收率為52%。注氣速率增大后，CO2對巖心整體波及效率改善，整體采收率得到提高，但重力超覆仍然明顯。

CO2注入速率增至0.5 mL/min時（（圖3（c）），巖心上下層同時產油，采收率穩定增加；隨著CO2注入量的增加，上下層采收率差值逐漸增大，說明有氣驅超覆產生，但巖心上下層采收率差異較小。CO2注入量達到0.58 PV 左右時上層見氣，受不利流度比影響，巖心上下層采收率增加幅度均降低，上層產氣量逐漸增加，見氣時上下層采收率分別為21.3%和13.9%，下層采收率進一步增加，與上層采收率差距減小。當CO2注入量增至1.5 PV 時，上層生產氣油比逐漸達到經濟極限，油氣同產時間較長。驅替結束時上下層采收率分別為37.4%和22.86%，總采收率高達60.26%。注氣速率增至0.5 mL/min 時，上下層波及效率差異減小，巖心整體波及效率增大，原油采收率高。

CO2注入速率增至1 mL/min 時（（圖3（d）），上下層巖心可能存在微弱非均質性，巖心下層先產油，隨后上層也很快產油，上下層采收率同步增加，兩者采收率差異極小，說明油氣運移過程中幾乎不存在重力超覆。CO2注入量達0.81 PV 左右時上層見氣，CO2注入量達0.9 PV左右時下層也見氣，上下層見氣間隔較短，氣驅前緣存在微弱的重力舌進，見氣時上下層采收率分別為17.5%和16.4%。上層采收率略高于下層采收率，且下層采收率相比注氣速率為0.5 mL/min 時有所提高。由于見氣時間較長，巖心整體波及效率較高，見氣時總采收率達33.9%。見氣后，受微弱非均質性影響，下層產氣量略高于上層，而上下層采收率增加幅度相近，表明重力超覆程度微弱，驅替近似活塞驅替。上下層油氣同產時間相對較長，驅替結束時上下層采收率分別為33.1%和31.9%，最終采收率高達65%。在較大注氣速率下，重力超覆微弱，CO2對巖心近似活塞驅替，整體波及效率進一步提高。

不同注入速率下，上下層采收率所占比重隨CO2注入量的變化如圖4所示。上下層采收率所占比重可直觀反映重力超覆程度。注氣速率為0.1 mL/min 時，巖心上層采收率所占比重在95%以上，而巖心下層采收率所占比重不足5%；注氣速率為0.3 mL/min 時，上下層采收率所占比重分別為68.8%和31.2%，上層采收率是下層采收率的兩倍以上，但相比注氣速率為0.1 mL/min 時有所降低；注氣速率增至0.5 mL/min 時，見氣時上下層采收率所占比重分別為60.5%和39.5%，下層采收率所占比重相比注氣速率0.3 mL/min 時有所增加；注氣速率增至1 mL/min，隨著CO2注入量的增加，上下層采收率所占比重接近，見氣時兩者分別為51.6%和48.4%。巖心上下層采收率所占比重分布表明，隨注氣速率的增大，重力超覆得到有效抑制，氣驅前緣穩定推進，巖心整體采收率逐漸提高。

圖4 不同注入速率下上下層采收率所占比重隨CO2注入量變化曲線

2.2 注氣速率對重力超覆影響機理分析

注氣速率分別為0.1、0.3、0.5和1 mL/min時，見氣時下層采收率分別為0、10.02%、13.90%和16.39%，見氣時上層采收率所占比重分別為100%、68.8%、60.5%和51.6%，這說明增大注氣速率可以提高見氣前CO2對巖心下層的波及效率，使見氣時上層采收率所占比重下降。注氣速率分別為0.1、0.3、0.5 和1 mL/min 時，最終采收率分別49.4%、52.1%、60.26%和65%，其中上層采收率所占比重分別為97.54%、69.03%、63.07%和50.92%，這說明隨著注氣速率的增大，最終采收率增大，且上層采收率所比重下降。CO2對巖心上層的波及效率沒有明顯變化，但對下層的波及效率逐漸增大，下層剩余油被CO2波及后產出，整體采收率增大。不同注氣速率下的實驗采收率結果表明，增大注氣速率會減弱重力超覆程度，擴大氣驅波及體積，CO2對巖心下層的波及效率得到改善，最終采收率增大。

不同注氣速率（0.1、0.5、1 mL/min）下驅油實驗后的巖心剖面如圖5所示。注氣速率為0.1 mL/min時，驅替后巖心的后端剖面剩余油分布較多，主要集中在巖心下層，巖心上層受CO2波及剩余油分布較少，驅替剖面較為清晰，說明重力超覆嚴重。注氣速率增至0.5 mL/min 時，巖心后端剩余油量減少，巖心前端驅替剖面清晰可見，重力超覆程度減弱，CO2對巖心下層的波及效率有所增加。注氣速率增至1 mL/min時，巖心上下層的剩余油分布情況相似，巖心驅替剖面較為清晰，在靠近巖心產出端部位上下層均有部分剩余油，表明在驅替過程中存在一定的微觀黏性指進，指進繞過上下層部分剩余油而使這部分剩余油滯留在孔隙內。

圖5 不同注氣速率下驅替實驗后的巖心剖面

可用公式（3）描述黏性力與重力的綜合作用程度［18］：

其中，Rν/g—黏性力與重力作用效果比值；μo—CO2黏度，mPa·s；μ—注氣線速率，cm/s；L—油氣運移長度，cm；K—巖心滲透率，cm2；g—重力加速率，m/s2；Δρ—油氣密度差，g/cm3；H—油藏厚度，cm；ν—注氣速率，cm3/min，φ—孔隙度，%。

隨著注氣速率ν的增大，Rν/g值逐漸增加，即黏性力對重力的比值增加。黏性力作用方向為驅替方向，而重力作用方向垂直黏性力方向，黏性力增加后，促使油氣混合帶趨于沿驅替方向運移，對重力作用引起的重力超覆具有一定的抑制作用，表現為重力超覆的減弱，CO2對巖心整體波及效率得到改善，提高CO2非混相驅的原油采收率。但注氣速率不宜過大，否則會造成黏性力大于重力時指進就會發展形成，同樣也會降低CO2對巖心的波及效率，因而只有選擇合適的注氣速率，使驅替黏性力與油氣密度差引起的重力相互平衡，才能獲得最佳的開發效果。

3 結論

設計的氣驅超覆物理模型可實現高溫高壓油藏條件模擬，滿足油氣運移過程中氣驅超覆的模擬，并根據巖心上下層產出流體差異對超覆程度進行定量表證。

在低注氣速率（0.1 mL/min）下，非混相驅時油氣密度差異較大，黏性力作用效果微弱，重力超覆容易形成和發展，造成上層采收率遠大于下層，巖心整體采收率較低，開發效果差。

油氣密度差及油氣黏度比值一定時，形成的重力舌進大小一定，注氣速率的增加將增強黏性力，對重力的抑制作用增強，重力超覆的形成和發展受到限制，驅替剖面得到改善，巖心下層采收率和巖心整體采收率逐漸增加。

通過重力超覆隨注氣速率的變化規律可知，存在一個最佳注氣速率使黏性力與重力相平衡，氣驅波及體積最大，因此現場在注氣方案設計優化中應考慮重力與黏性力的綜合作用關系，選擇合適的注氣速率以盡可能減小重力超覆的影響。