CO2在非均質(zhì)多孔介質(zhì)中的氣竄與運(yùn)移

林 楊, 劉 楊, 胡 雪, 趙鳳蘭, 侯吉瑞

(中國(guó)石油大學(xué)(北京)提高采收率研究中心,北京102249)

CO2在非均質(zhì)多孔介質(zhì)中的氣竄與運(yùn)移

林 楊, 劉 楊, 胡 雪, 趙鳳蘭, 侯吉瑞

(中國(guó)石油大學(xué)(北京)提高采收率研究中心,北京102249)

通過(guò)室內(nèi)物理模擬,建立了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置,對(duì)于CO2在無(wú)填充相、有填充相多孔介質(zhì)中的竄逸規(guī)律,進(jìn)行深入研究。具體研究了溫度、壓力、滲透率、高滲層與低滲層級(jí)差等影響因素對(duì)于CO2竄逸程度的影響。結(jié)果表明,注入壓力與氣體在多孔介質(zhì)中的突破時(shí)間呈冪指數(shù)關(guān)系,且有經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式可以預(yù)測(cè)氣體的氣竄時(shí)間,高滲層與低滲層的滲透率級(jí)差在一定的臨界壓力范圍內(nèi)對(duì)氣體的氣竄時(shí)間和氣體的流速影響很大,有經(jīng)驗(yàn)回歸公式可以預(yù)測(cè)一定級(jí)差下氣竄之前氣體的波及體積。

CO2; 非均質(zhì); 級(jí)差; 多孔介質(zhì); 氣竄

在提高原油采收率方法中,注氣驅(qū)替技術(shù)已成為一項(xiàng)十分重要的技術(shù),注CO2氣體提高原油采收率具有成本低廉,成效顯著的特點(diǎn),并且注CO2氣體能夠減少空氣污染,降低溫室效應(yīng),有利于環(huán)境保護(hù)[1-2]。CO2驅(qū)已成為一種成熟的提高采收率方法[3-7]。并且CO2驅(qū)將是提高我國(guó)低滲透油藏采收率最有前景的方法[8]。

但是在注CO2開(kāi)發(fā)油田的過(guò)程中,由于多油層之間非均質(zhì)性的影響,層間和平面上的油氣界面常常不是均勻推進(jìn)的,而是會(huì)沿著高滲透層形成優(yōu)勢(shì)的竄流通道,即發(fā)生氣竄現(xiàn)象。此時(shí)注入的CO2會(huì)形成無(wú)效循環(huán),氣體波及體積大大降低,開(kāi)采效果變差。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于CO2在多孔介質(zhì)中的氣竄現(xiàn)象研究的非常少,現(xiàn)有的研究主要都集中在對(duì)于CO2在多孔介質(zhì)中的擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)定方法上面[9]。雖然有少量的文獻(xiàn)對(duì)于CO2在多孔介質(zhì)中的對(duì)流傳熱傳質(zhì)進(jìn)行了研究,但是其研究方法主要是借助分型理論以及有限元法進(jìn)行的定性研究,缺少定量的描述。

本文通過(guò)室內(nèi)物理模擬實(shí)驗(yàn),研究了CO2在多孔介質(zhì)中不同溫度、壓力、滲透率條件下的竄逸規(guī)律。綜合考慮了油藏滲透率,高低滲層級(jí)差,注入壓力等因素對(duì)于氣體竄逸程度的影響,并用經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式來(lái)表征儲(chǔ)層的竄逸程度,定性地分析各個(gè)因素對(duì)氣體在油藏中竄逸的響程度,從而對(duì)油田注氣開(kāi)發(fā)做出一定的指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)步驟

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)所用到的儀器和物品如圖1所示。

Fig.1 Experimental setup flowchart圖1 實(shí)驗(yàn)裝置流程圖

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

未飽和地層水干巖心的實(shí)驗(yàn)步驟:

(1)在巖心夾持器中裝入非均質(zhì)人造巖心,按照?qǐng)D1所示的流程圖連接好實(shí)驗(yàn)裝置,并且檢查裝置的密閉性。

(2)將巖心抽真空,當(dāng)關(guān)閉真空泵后4 h內(nèi)真空表讀數(shù)不再改變時(shí),認(rèn)為裝置密封性完好。

(3)將入口壓力調(diào)節(jié)至實(shí)驗(yàn)壓力,待30 min內(nèi)壓力傳感器顯示的壓力值穩(wěn)定時(shí)開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。

(4)分別記錄高滲層與低滲層發(fā)生氣竄的時(shí)間,待低滲層出現(xiàn)氣竄時(shí)停止實(shí)驗(yàn)。

飽和地層水巖心的實(shí)驗(yàn)步驟:

(1)按照實(shí)驗(yàn)裝置圖1所示連接好實(shí)驗(yàn)裝置,檢查裝置的密閉性。

(2)模型抽真空,當(dāng)關(guān)閉真空泵后4 h內(nèi)真空表讀數(shù)不再改變時(shí)為止。

(3)開(kāi)泵以0.5 mL/min的速度向巖心中注入模擬鹽水來(lái)飽和巖心。

(4)開(kāi)泵水測(cè)滲透率,入口壓力穩(wěn)定后,記錄讀數(shù),自然釋放夾持器內(nèi)壓力至零。

(5)調(diào)節(jié)入口壓力至實(shí)驗(yàn)壓力,待30 min內(nèi)壓力傳感器顯示的壓力值穩(wěn)定時(shí)開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。

(6)待低滲層出現(xiàn)氣竄時(shí)停止實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 入口壓力與氣竄時(shí)間的關(guān)系分析

本實(shí)驗(yàn)采用非均質(zhì)巖心的物性參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖心的物性參數(shù)Table 1 The physical property parameter of material

圖2為巖心未飽和水時(shí),入口壓力與發(fā)生氣竄的時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)。巖心1級(jí)差為10倍(K高滲/K低滲=10),巖心2級(jí)差為20倍。由圖2可以看出,雖然巖心1與巖心2的低滲層均為0.5 mD,但巖心2的低滲層發(fā)生氣竄的時(shí)間要比巖心1的低滲層長(zhǎng)很多。因?yàn)閷?duì)于高滲層和低滲層滲透率相差很大的巖心來(lái)說(shuō),氣體通過(guò)的時(shí)候更傾向于先通過(guò)高滲層,而低滲層相對(duì)來(lái)說(shuō)不容易氣竄,級(jí)差越大的巖心,這種現(xiàn)象就越明顯。由圖2還可以看出,不同的級(jí)差,不同的滲透率下,氣竄時(shí)間隨著入口壓力的增加,呈單調(diào)下降趨勢(shì),且符合冪函數(shù)關(guān)系。

Fig.2 The curve of gas channeling time and inlet pressure of water-unsaturated core圖2 未飽和水巖心入口壓力與氣竄時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)

根據(jù)圖2中未飽和水巖心入口壓力與低滲透層氣竄時(shí)間回歸得到的數(shù)據(jù),在5 MPa以?xún)?nèi),有如下的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)預(yù)測(cè)氣體在多孔介質(zhì)中的低滲透層氣竄時(shí)間,其擬合相關(guān)系數(shù)在0.99以上。

式中:t—低滲透層發(fā)生氣竄的時(shí)間,s;

t0—單位時(shí)間,s;

L—巖心的長(zhǎng)度,m;

L0—單位長(zhǎng)度巖心,m;

K1—高滲透層的滲透率,mD;

K2—低滲透層的滲透率,mD;

p—入口壓力,MPa;

p0—10倍大氣壓,MPa。

2.2 入口壓力、級(jí)差與氣體流速關(guān)系分析

在均質(zhì)巖心中,發(fā)生氣竄之后,竄逸出的氣體的流速是隨著入口壓力的升高而上升的。在非均質(zhì)巖心中,總是存在一個(gè)臨界的壓力,如圖3所示。當(dāng)入口壓力達(dá)到此壓力值時(shí),氣體的流速反而會(huì)下降,這是因?yàn)楫?dāng)壓力達(dá)到一定值時(shí),非均質(zhì)巖心的高滲層與低滲層級(jí)差的影響變小,氣體開(kāi)始變得容易從低滲層突破,而隨著壓力的繼續(xù)升高,壓力對(duì)氣體流速的影響又起主導(dǎo)地位,氣體的流速開(kāi)始變得很大。

Fig.3 The curve of gas flowrate and inlet pressure of water-unsaturated core圖3 未飽和水巖心入口壓力與氣體流速關(guān)系曲線(xiàn)

為了更好地反映高滲透層與低滲透層的滲透率差異(級(jí)差)給氣體竄逸帶來(lái)的影響,特定義U= t低滲/t高滲,并且作出U與入口壓力的關(guān)系曲線(xiàn),如圖4所示。

Fig.4 The curve of inlet pressure of water-saturated core and ratio of gas channeling time in lowpermeability layer and hypertonic layer圖4 飽和水巖心入口壓力與低滲層高滲層氣竄時(shí)間比值關(guān)系曲線(xiàn)

由圖4可以看出,由于兩塊巖心級(jí)差的不同,兩條曲線(xiàn)不盡相同。在低壓段20倍級(jí)差對(duì)曲線(xiàn)形狀的影響更大,這說(shuō)明當(dāng)巖心非均質(zhì)性增強(qiáng)時(shí),級(jí)差將作為一個(gè)不能忽略的因素必須加以考慮。級(jí)差增大則氣體更加易于從高滲突破,因此巖心2低滲層發(fā)生氣竄的時(shí)間比巖心1低滲層的氣竄時(shí)間長(zhǎng),對(duì)于高滲層該規(guī)律則剛好相反。隨著入口壓力的增高,壓力的影響超過(guò)了級(jí)差的作用,低滲層與高滲層的見(jiàn)氣時(shí)間不斷接近,二者比值減小,當(dāng)壓力升高到一定程度時(shí),該比值趨于常數(shù)1。

由圖4還可以看出,兩塊巖心的氣竄時(shí)間曲線(xiàn)都出現(xiàn)了拐點(diǎn),并且?guī)r心的非均質(zhì)性越強(qiáng),拐點(diǎn)出現(xiàn)的越早。如圖4中巖心1曲線(xiàn)所示,在5 MPa之前,低滲與高滲氣竄時(shí)間比較接近,緩慢上升,說(shuō)明此時(shí)巖心的非均質(zhì)性對(duì)氣體突破時(shí)間未產(chǎn)生太大影響,到了6 MPa,低滲見(jiàn)氣時(shí)間與高滲見(jiàn)氣時(shí)間的比值顯著增大,而超過(guò)此壓力時(shí),該比值又降低,這說(shuō)明氣體的突破時(shí)間,是級(jí)差與入口壓力相互作用的綜合結(jié)果,且存在著一個(gè)臨界的壓力,高于這個(gè)壓力,則氣體突破的速度會(huì)急速上升,而級(jí)差越大,該臨界壓力就越小。

2.3 入口壓力與氣體波及體積關(guān)系分析

圖5所示的是飽和水巖心發(fā)生氣竄之前,高滲透層和低滲透層的氣體波及體積。由圖5可以看出,高滲透層的氣體波及體積始終小于低滲透層,在高低滲層均未發(fā)生氣竄的中低壓階段,存在一個(gè)壓力 p1使得氣體的波及體積最小,如圖5所示是在3 MPa,在此壓力下,高滲與低滲層氣體波及體積銳減,超出該壓力,波及體積又上升,且有壓力 p2,使得氣體的波及體積達(dá)到最大,開(kāi)采效果最好。

Fig.5 The curve of gas swept volume and inlet pressure of water-saturated core圖5 飽和水巖心入口壓力與氣體波及體積關(guān)系曲線(xiàn)

根據(jù)統(tǒng)計(jì)回歸得到了在高低滲層滲透率相差20倍條件下,發(fā)生氣竄前氣體的波及總體積與入口壓力等因素的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式,其擬合相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.97以上。

式中:A—巖心截面積,cm2;

φ—孔隙度;

h—巖心長(zhǎng)度,cm;

p0—10倍大氣壓,MPa;

Q—波及體積,cm3。

綜上,注入壓力與氣體在巖心中的突破時(shí)間呈冪指數(shù)關(guān)系,對(duì)于未飽和水巖心來(lái)說(shuō),有經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式來(lái)預(yù)測(cè)氣體在巖心中的突破時(shí)間,并且存在臨界的壓力,當(dāng)入口壓力達(dá)到此壓力值時(shí),在非均質(zhì)巖心中,氣體的流速會(huì)隨著壓力的升高而下降。級(jí)差越大的巖心,該臨界壓力就越小,即大級(jí)差的巖心,會(huì)更早的出現(xiàn)氣竄。在CO2驅(qū)替過(guò)程中,存在理想的壓力使得氣體波及體積最大,在20倍級(jí)差下,氣體波及體積在4 MPa下最大。

[1]陳鐵龍.三次采油概論[M].北京:石油工業(yè)出版社,2000:40-73.

[2]郝永卯,薄啟煒,陳月明.二氧化碳驅(qū)油實(shí)驗(yàn)研究[J].石油勘探與開(kāi)發(fā),2005,32(2):110-111.

[3]李士倫,張正卿,冉新權(quán),等.注氣提高采收率技術(shù)[M].成都:四川科學(xué)技術(shù)出版社,2001.

[4]余秉森,莊子青.二氧化碳混相驅(qū)工程的可行性經(jīng)濟(jì)分析模型[J].石油勘探與開(kāi)發(fā),1990,17(6):94-101.

[5]賈忠盛,潘嚴(yán)富,王濱玉.大慶油田烴氣非混相驅(qū)礦場(chǎng)試驗(yàn)[J].石油勘探與開(kāi)發(fā),1997,24(1):39-41.

[6]別愛(ài)芳,何魯平,方宏長(zhǎng).蒸發(fā)混相驅(qū)提高揮發(fā)油采收率影響因素?cái)?shù)值模擬分析[J].石油勘探與開(kāi)發(fā),2000,27(5):76 -79.

[7]李士倫,周守信,杜建芬,等.國(guó)內(nèi)外注氣提高石油采收率技術(shù)回顧與展望[M].成都:四川科學(xué)技術(shù)出版社,2001.

[8]郭彪,侯吉瑞,于春磊,等.CO2在多孔介質(zhì)中擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)定[J].石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào),2009,22(4):38-40.

(Ed.:SGL,Z)

Gas Channeling and Migration of CO2in the Non-Homogeneous Porous Media

LIN Yang,LIU Yang,HU Xue,ZHAO Feng-lan,HOU Ji-rui
(Enhanced Oil Recovery Research Center in China University of Petroleum,Beijing102249,P.R.China)

6November2009;revised8March2010;accepted14April2010

Based on some indoor physical simulation and the corresponding experimental equipments,to the channeling laws of CO2in the absence of filling phase and filling phase porous medium was researched.It specifically researched the impact that the factors have on CO2channeling level,such as temperature,pressure,permeability,high permeability and low permeability hierarchy.The results show that it reveals exponential relationship between the injection pressure and the breakthrough time of gas in porous media,and there is an empirical correlation can predict the gas channeling time,the differential permeability of hypertonic layer and low permeability layer has a great influence to the time of gas channeling and the flow rate of gas in the context of a certain critical pressure.The empirical regression equation can predict the swept volume of gas prior to the gas channeling under a certain differential.

CO2;Heterogeneity;Differential;Porous media;Gas channeling

.Tel.:+86-10-89732018;fax:+86-10-89734612;e-mail:linyang82219@sina.com

TE341

A

10.3696/j.issn.1006-396X.2010.02.012

1006-396X(2010)02-0043-04

2009-11-06

林楊(1982-),男,黑龍江綏化市,在讀碩士。

國(guó)家973項(xiàng)目(2006CB705800);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50804052)。