運移距離對CO2混相驅重力超覆的影響規律及表征分析

趙鳳蘭, 王雨, 黃世軍, 宋黎光, 劉淼淼, 王聰

(1.中國石油大學(北京)石油工程學院, 北京 102249; 2.中國石油冀東油田分公司, 唐山 063200)

在中國“2030年碳排放達峰、2060年碳中和”的愿景下,碳捕集、利用與封存技術 (carbon capture, utilization, and storage, CCUS)的發展和應用越來越受到重視[1-3]。CO2驅技術適應性廣,增油效果顯著,并可循環利用,逐漸成為CCUS技術最受矚目的應用方向之一[4]。

低滲油田具有較高的石油地質儲量,且原油性質好,但低滲油田常規注水開發由于注水困難,難以獲得較高的采收率,而CO2驅提高采收率技術對于低滲油藏具有很好的適應性[5-9]。CO2注入壓力低,驅油效率高,但CO2的波及效率會受油藏性質及油氣性質差異的影響而降低[10-13]。尤其是油層較厚的低滲油藏CO2驅開發,CO2與原油存在密度差,受重力作用,重力超覆在油層垂向擴展,降低CO2驅波及效率,影響開發效果[14-15]。國內外對重力超覆規律進行了大量的室內實驗和數值模擬研究。Miller[16]通過理論推導和數值模擬方法得出由于重力超覆的影響,剩余油會滯留在油藏下部;并且油層厚度的增加將加劇重力超覆程度,降低混相程度;同時認為毛管力和注氣速度也會影響重力超覆。Araktingi等[17]開展了數值模擬與可視化實驗研究,分析黏性力與重力之間的作用關系是改善重力超覆的關鍵。王春生等[18]針對稠油吞吐開采導致剩余油在油藏下部的問題,提出改變射孔方式及注氣參數可有效緩解重力超覆影響程度,有效動用油藏底部原油。Han等[19]研究了重力超覆對CO2埋存和驅油效果的影響,開展了不同注氣速度下CO2非混相及近混相驅替實驗。結果表明,對于厚油層而言,非混相驅中產生的重力超覆嚴重影響原油采收率,注氣速度增大,重力超覆程度加劇,但對于近混相驅而言,兩種驅替方式采收率相差較小。Rezk等[20]通過一維巖心實驗,得到重力的存在對CO2驅提高采收率過程有顯著影響。Chen等[21]研究了在非混相、近混相和混相條件下重力分異對CO2驅油過程中CO2的封存和采收率的影響。結果表明,無論有無重力分異,CO2驅在混相條件下原油開采效果最佳和氣體封存效果最好。趙鳳蘭等[22]利用自主研制高溫高壓超覆模型,探究了在混相條件下CO2注氣速率對重力超覆的影響,得出注入速率過低時會加劇CO2超覆程度,但相比非混相條件下,重力超覆程度有所降低。趙鳳蘭等[23]之后采用分層采集流體的方式,改變巖心長度(分別為60、50、40 cm)開展非混相氣驅實驗,上、下出口端的產量分別表征巖心上、下部的開發效果以評價其超覆程度。而對于混相條件下CO2重力超覆程度及運移距離對開發效果的影響等方面目前沒有統一認識,且相關研究較少,因此有必要對混相驅重力超覆規律進行系統分析。

在前期研究的基礎上,采用自主研制的高溫高壓氣驅超覆物理模型和相關實驗流程和方法[24],評價了在CO2混相驅條件下3種不同長高比對重力超覆程度的影響,并在此基礎上建立數值模型,以不同層位的CO2摩爾濃度場圖和含油飽和度場圖來表征重力超覆效果。結合實驗方法和數模系統分析運移距離對CO2超覆程度的影響,從而為現場CO2開發如何有效減緩重力超覆提供理論依據。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

實驗巖心為均質巖心,其尺寸分別為60 cm×8 cm×2 cm、50 cm×8 cm×2 cm、40 cm×8 cm×2 cm,實驗所用巖心模型則如圖1所示;實驗用水為模擬Y區塊地層水,礦化度為72 597 mg/L,水型為CaCl2型;實驗用油為Y區塊脫氣原油;實驗用氣為純度99.9%的CO2;CO2與原油在實驗溫度60 ℃下的最小混相壓力為13 MPa。

圖1 實驗用巖心模型Fig.1 Physical map of core model for experiment

1.2 實驗設備

實驗設備如圖2所示,包括高壓高精度驅替泵(ISCO泵)、油氣水三相中間容器、壓力傳感器、超覆巖心夾持器(圖3),夾持器與兩套采油設備相連,每套采油設備均包含一個回壓閥,一個氣液分離收集裝置以及氣體流量計,穩壓器與手搖泵相連,實驗溫度由KDHW-Ⅱ型自控恒溫箱提供。設計的重力超覆物理模型原理圖如圖4所示。

圖2 氣驅超覆實驗裝置流程圖Fig.2 Flow chart of gas drive overlap experimental device

圖3 巖心夾持器實物圖Fig.3 Core holder physical map

圖4 重力超覆模型設計原理圖Fig.4 Schematic diagram of the design of the gas flooding overriding model

1.3 實驗步驟

主要的實驗步驟如下[25]:

(1)將實驗所用巖心放置在60 ℃下烘干12 h以上,打磨巖心表面,測量巖心尺寸確定是否滿足實驗要求,之后巖心表面涂刷0.1～0.2 mm厚的環氧樹脂防腐層,并將涂刷環氧樹脂的巖心放置在60 ℃空氣浴中固化。

(2)用砂紙將巖心兩端打磨平整,將巖心裝入巖心夾持器中,固定好巖心后,夾持器加圍壓至5 MPa,將出口端一端口與真空泵相連,對巖心抽真空4 h以上。

(3)抽真空后,利用手搖泵將模擬地層水飽和巖心,通過手搖泵飽和至手搖泵壓力不變為止,記錄飽和水體積,并計算巖心孔隙度及孔隙體積,飽和水后,將地層水以不同流速(0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、1 mL/min)注入巖心內,并記錄巖心注采端的驅替壓差,根據達西公式計算巖心滲透率。

(4)將巖心夾持器及裝有原油的中間容器放置在60 ℃烘箱內加熱至實驗溫度,待夾持器圍壓穩定后,用ISCO泵以小流速(0.05 mL/min)將原油注入巖心內,進行飽和油,建立初始含油飽和度,以驅替產出地層水體積計算含油飽和度,并將巖心老化24 h以上。

(5)將裝有CO2的中間容器放置在烘箱內升溫至壓力穩定,將CO2氣罐壓力穩定在實驗壓力,其與巖心注入端相連,上下產出端與2個差異較小的回壓閥相連,調整回壓至實驗壓力,用ISCO泵將CO2以不同流速(0.1～1 mL/min)恒速通過夾持器注入端注入巖心,驅替至某一產出端氣油比大于3 000 m3/m3,停止驅替,記錄實驗過程巖心上下產出流體(產出油、產出氣),并記錄實驗過程中的壓力數據。

(6)驅替結束后將巖心取出,并將巖心豎直切割,觀察巖心剖面剩余油分布情況。

根據“京紅1號”蛋種雞育成期生長性能及后續生產性能試驗結果，“京紅1號”蛋種雞育成期(9～13周齡)適宜的粗蛋白質（CP）水平為15.7%。

(7)通過上下產出端流體產出規律,及上下產出端產出流體差異,結合巖心驅替剖面分析判斷超覆程度,對比分析超覆機理,總結超覆規律。

巖心基本參數如表1所示。實驗用油為CQ原油,密度為0.81 g/cm3,油氣密度差為0.091 g/cm3。

表1 巖心基本參數

1.4 結果分析

為直觀評價CO2氣體重力超覆的影響,引入重力超覆評價指標。假設不存在超覆,則在均質條件下上下層采收率與總采收率的比值約50%,上下層開發效果好,幾乎不存在重力超覆。因此,可通過上下層采收率與總采收率比值表征重力超覆程度,超覆程度評價指標f定義式為

(1)

由表2和圖5可知,60 cm長巖心與50 cm長巖心各類結果數值相近,50 cm長巖心的見氣時間更長,但超覆程度評價指標f變化較小。分析認為,巖心長度由60 cm減小至50 cm時,氣體運移距離降低,油氣混相程度降低,但受氣體運移距離敏感性強,使得上層采收率占比變化較小[26-27];當巖心長度減小至40 cm后,油氣混相程度弱[28-31],混相程度降低對重力超覆的影響大于巖心長度對重力超覆發展空間限制的影響,從而形成的重力舌進較大,突破時巖心總體采收率較低,且巖心上層采收率所占比較大為71.20%。相比巖心長度為60 cm和50 cm,其上層采收率數值沒有明顯降低,但下層采收率明顯降至7.5%,反映出在40 cm巖心驅替中,下層的波及效率降低,最終巖心下層采收率相比50 cm和60 cm巖心低4.5%左右。

表2 混相驅驅油數據

圖5 混相驅上下層采收率及累積產氣量曲線Fig.5 Oil recovery and cumulative gas production of top and bottom in miscible flooding

因此,隨著巖心長度減少,油氣混相程度減弱,降低下層波及效率,影響整體驅替效果,但在混相驅下,巖心長高比減小對最終采收率的影響較小,因此現場開發中盡可能綜合考慮注采井距的大小以獲得最高的經濟效益。

2 數值模擬部分

2.1 數值模擬基本參數

勝利鹽229區塊構造位置位于東營凹陷北帶東段,油藏埋深3 550～4 050 m,由北向南由扇根的厚層逐漸過渡到扇中層狀為主的儲層,北部單層厚度大(可達50 m以上),成層物性較差,向南則單層厚度變薄,成層物性變好,平均孔隙度為6.9%～9.6%,平均滲透率為1.9～10×10 μm2,滲流條件差;另外由于儲層埋深較大,地層壓力高(35～40 MPa),但原油性質好(黏度小于1 mPa·s),溶解氣油比較高,密度小。

根據目標區塊的儲層參數和流體參數,利用數值模擬軟件Eclipse建立了相應的均質五點井網1/4井組機理模型。模型參數詳見表3。模型示意圖如圖6所示,其中注氣井為W1,采油井為W2。模型劃分為30×30×20=18 000個網格。數值模擬中所使用的油水相對滲透率和油氣相對滲透率如表4所示。

表3 1/4井組模型基本參數表

表4 油水及油氣相對滲透率數據表

圖6 五點井網1/4井組模型示意圖Fig.6 Schematic diagram of 1/4 well cluster model of five point well pattern

利用Eclipse中的PVTi模塊建立了流體模型,原油組分劃分為7種擬組分,其中CO2摩爾分數占比為0.277%,N2-C1摩爾分數占比為11.975%,C2～C6摩爾分數占比為12.839%,C7～C9摩爾分數占比為33.593,C10～C15摩爾分數占比為34.385%,C16～C31摩爾分數占比為6.844,C31+摩爾分數占比為0.087%。

2.2 模型結果與分析

基本模型采用定日注氣量和日產油量的生產方式,因此在研究長高比對CO2超覆規律之前,先要確定該基本模型生產的最優注采比。通過改變日注氣量和日產油量的比例(簡稱“注采比”),確定合理的注采比例、保證注采平衡時的合理的地層壓力。設定日產油量為30 t,改變注氣速度,設計了四組先導對比實驗,如圖7所示。

圖7 不同注氣量下的油藏壓力變化Fig.7 Reservoir pressure changes under different gas injection rates

由圖7可知,隨著注入量的下降,注采平衡時的地層壓力值降低。方案3為最優方案,當注采達到平衡時地層壓力為25 MPa,所需注入量少,且地層壓力仍在CO2與原油的混相壓力之上。

在該注采比為前置條件,進一步研究運移距離對超覆的影響。在儲層厚度(30 m)一定的情況下,可以等同于不同長高比L/H對超覆的影響。圖8為生產氣油比GOR=1 000時刻,不同模型長高比情況下模型頂面、中層和底面的CO2摩爾分數場圖和含油飽和度場圖(注氣井位于右下角,采出井位于左上角)。在不同的條件下,油藏模型頂面的波及程度和采出一致,幾乎全部被采出;對于模型中層,當L/H< 10時,隨著L/H的增大,油藏模型中層的波及程度逐漸減少。當L/H>10時,隨著L/H的增大,油藏模型中層的波及程度幾乎不變;對于模型底面,隨著L/H的增大,油藏模型底面的波及程度也減少,邊界形狀由波浪狀漸漸演化成凸型,底面的活塞驅替減弱。

圖8 模型CO2摩爾分數和含油飽和度場圖Fig.8 Model CO2 molar concentration and oil saturation field

圖9為GOR=1 000時,不同長高比情況下,模型連井剖面CO2摩爾分數場和含油飽和度場(注氣井位于右端,采出井位于左端)。可以看出,連井剖面的CO2超覆邊界的形狀整體是凸型的拋物線。隨著長高比的減小,模型中下部的波及程度增大,超覆現象減弱。

圖9 連井剖面CO2摩爾分數和含油飽和度場圖Fig.9 Field diagram of CO2 molar concentration and oil saturation in well connection section

3 CO2超覆機理分析

重力超覆的形成主要受驅替方向的黏性力、CO2氣體所受垂直方向上的浮力以及氣體沿水平方向及垂直方向運移所受的滲流阻力等多種因素影響。

黏性力及重力的綜合作用表達式[32]為

(2)

式(2)中:Rvg為重力超覆指數,可以反映黏性力與重力的比值關系;v為注氣速度,cm/s;μ為氣體黏度,mPa·s;L為氣體運移長度,cm;k為巖心滲透率,10-3μm2;g為重力加速度,m/s2;Δρ為油氣密度差,g/cm3;h為油藏厚度,cm。

對CO2氣體進行受力分析,將運移速度分解為沿水平方向上的速度vx及沿垂直方向上的速度vy,這兩個方向上的滲流速度決定氣體的超覆程度。假設不考慮滲流阻力,根據達西定律可得到水平方向和垂直方向上的滲流速度[33]分別為

(3)

式(3)中:kx、ky分別為水平和垂直方向上的滲透率, 10-3μm2;p為驅動力,MPa;Δρ為注采壓差,MPa;X為注采井距,m。

采用垂向速度比N來表征氣體重力超覆程度,可定義為氣體在垂直方向上的滲流速度與總滲流速度的比值[34],表達式為

(4)

考慮到室內實驗模型及數值模型均為均質模型,不考慮滲透率非均質性的影響,將滲透率視為定值,可將式(4)進一步寫為

(5)

垂向速度比表征了氣體超覆的能力,N越大,則代表氣體超覆程度越嚴重。

依據式(5)可知,注采井距X增加,則N值增加,重力超覆程度加強。

4 結論

(1)混相驅中巖心長度減小會降低油氣混相程度。巖心長度變化較小時對油氣混相程度降低幅度較小,并且限制了重力超覆的擴展,因此綜合影響下重力超覆沒有明顯變化;但當巖心長度繼續減小時,油氣混相程度弱,此時混相程度降低對重力超覆的影響大于巖心長度對重力超覆擴展空間限制的影響,從而加劇重力超覆程度,降低CO2波及效率,但巖心長度變化對混相驅最終采收率的影響較小。

(2)注采井距是CO2的水平運移空間,影響超覆程度。注采井距越大,超覆程度越嚴重。

因此,結合現場實際區塊尺寸以及保證經濟利益最大化的前提下,應盡可能減小井距,縮短氣體運移距離,以減弱氣體超覆對開發的影響。