塔河油田縫洞型碳酸鹽巖油藏注氣驅(qū)油提高采收率機(jī)理研究

胡蓉蓉，姚 軍，孫致學(xué)，王晨晨

(中國石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院，山東 青島 266580)

塔河油田縫洞型碳酸鹽巖油藏注氣驅(qū)油提高采收率機(jī)理研究

胡蓉蓉，姚 軍，孫致學(xué)，王晨晨

(中國石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院，山東 青島 266580)

為了研究塔河油田縫洞型碳酸鹽巖油藏注氣替油提高采收率機(jī)理，開展了原油物性實驗、相態(tài)分析和注氣驅(qū)油數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明：塔河油田注氮氣驅(qū)油為非混相過程，注二氧化碳驅(qū)油為混相過程；注氮氣驅(qū)油的作用機(jī)理為降低原油黏度、體積膨脹補充地層能量、驅(qū)替微小孔徑中的原油及重力分異形成人工氣頂置換頂部剩余油；注二氧化碳驅(qū)油的作用機(jī)理為降低原油黏度、體積膨脹補充地層能量及降低油氣界面張力；非混相注氣驅(qū)油比混相開發(fā)效果好。

縫洞型油藏；注氣替油；提高采收率機(jī)理；非混相；混相；數(shù)值模擬

塔河油田奧陶系碳酸鹽巖油藏屬于巖溶縫洞型塊狀油藏，非均質(zhì)性極強(qiáng)，基質(zhì)孔隙度低，基本不具備儲油能力，大型洞穴是主要的儲集空間，裂縫是主要的滲流通道，流動模式復(fù)雜，以溶洞中的管流模式和裂縫-孔洞中的滲流為主[1-2]。塔河油田前期主要是通過衰竭開發(fā)后注水來緩解能量不足和含水率上升的矛盾，但是隨著注水輪次的增加，注水驅(qū)油效果越來越差。僅靠注水改善開發(fā)效果有限，亟需探索有效提高采收率的開發(fā)方式。國內(nèi)外調(diào)研發(fā)現(xiàn)，從20世紀(jì)80年代早期開始，注氣已經(jīng)成為美國碳酸鹽巖油藏主要的提高采收率方法[3-5]?？p洞型油藏注氣驅(qū)油提高采收率機(jī)理的相關(guān)報道較少[6]，Kantza A等[7]采用2-D玻璃微模型進(jìn)行縫洞型儲層非混相重力輔助驅(qū)油研究，初步探討了其非混相重力輔助驅(qū)油機(jī)理；Kossack C[8]采用等效單重介質(zhì)模型進(jìn)行了縫洞型油藏注氣驅(qū)油模擬研究，對影響驅(qū)油效果的因素進(jìn)行了敏感性分析；Shedid S等[9]應(yīng)用掃描電鏡對碳酸鹽巖巖樣進(jìn)行了微觀儲層表征，并通過二氧化碳混相驅(qū)實驗優(yōu)化了段塞尺寸。為了研究注氣驅(qū)油在塔河油田的適用性，考慮到西部地區(qū)氣源等原因，本文討論了二氧化碳和氮氣作為注氣驅(qū)油備用氣體的適應(yīng)性及提高采收率的機(jī)理。以塔河油田油樣注氣相態(tài)模擬為基礎(chǔ)，評價注入不同氣體時的混相壓力，研究注氣后地層流體的高壓物性變化及開發(fā)效果，優(yōu)選注入氣體，同時建立單井縫洞單元模型進(jìn)行高含水期注氣驅(qū)油模擬，以探討注氣驅(qū)油提高采收率機(jī)理。

1 油藏概況

塔河油田X區(qū)塊位于塔河油田的北部，總體為由北東—南西傾沒的鼻狀構(gòu)造特征，是一個縫洞型碳酸鹽巖塊狀底水油藏，含油層位于奧陶系。儲集層發(fā)育有縫、洞、孔等多種儲集空間，形成了十分復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)。X區(qū)塊奧陶系頂面埋藏深度5 300 m，含油面積5.6 km2，地質(zhì)儲量867.1×104m3，原始地層壓力59.7 MPa。X區(qū)塊于1999年投產(chǎn)，2005年開始實施注水驅(qū)油，隨著注水輪次的增加，噸油耗水逐年增加，單井增油逐年下降。

通過對比注水前和注水后不同深度儲層的儲量豐度場發(fā)現(xiàn)：縱向上剩余油主要分布于油藏中高部位，平面上剩余油主要分布于井間及未布井部位。經(jīng)計算，處于油藏0～60 m部位的剩余油(圖1)占剩余儲量的28.16%，如果這部分儲量能得到有效開發(fā)，將具有重大意義。

圖1 不同深度儲層的儲量豐度

2 注氣驅(qū)油機(jī)理研究

為研究注氣驅(qū)油機(jī)理，首先對區(qū)塊原油的PVT進(jìn)行參數(shù)擬合。應(yīng)用狀態(tài)方程型相態(tài)分析軟件對實驗室所做的組分測定、恒質(zhì)膨脹實驗、微分脫氣實驗等數(shù)據(jù)進(jìn)行計算擬合。選用PR狀態(tài)方程擬合實驗數(shù)據(jù)，將井流物重組成7個擬組分(表1)，為后續(xù)油藏數(shù)值模擬研究提供可代表儲層流體特性的參數(shù)。

表1 井流物擬組分重組數(shù)據(jù)

2.1 最小混相壓力評價

最小混相壓力是研究注氣驅(qū)油效率的重要參數(shù)之一，當(dāng)?shù)貙訅毫Ω哂谧钚』煜鄩毫r，注入氣體和原油之間經(jīng)過多次接觸達(dá)到混相，驅(qū)替前緣的界面張力趨近于零，束縛油滴的毛管力消失，驅(qū)油效率接近100%?；煜囹?qū)與非混相驅(qū)可以用擬三角相圖來表示，混相條件與擬三角相圖中注入流體、原油、臨界切線的相對位置有關(guān)[10-12]。應(yīng)用相態(tài)分析軟件對二氧化碳和氮氣這2種氣體與地層原油之間進(jìn)行了多級接觸混相驅(qū)擬三角相圖模擬計算，結(jié)果如圖2和圖3所示。

在多次接觸過程中，隨著壓力的增加，氣液兩相的包絡(luò)線逐漸靠近。如圖2所示，當(dāng)壓力為41 MPa時，氣液兩相包絡(luò)線開始相交，說明此時二氧化碳與地層原油可達(dá)到混相驅(qū)替。如圖3所示，當(dāng)壓力高達(dá)60 MPa時，氮氣的氣液兩相包絡(luò)線距離仍然較遠(yuǎn)，表現(xiàn)出明顯的非混相狀態(tài)。X區(qū)塊的油藏初始壓力為59.7 MPa，可見二氧化碳在地層溫壓條件下可達(dá)到混相狀態(tài)，而氮氣達(dá)不到混相狀態(tài)。

圖2 地層溫度為124 ℃、壓力為41 MPa條件下二氧化碳與地層原油的擬三角相圖

圖3 地層溫度為124 ℃，壓力為60 MPa條件下氮氣與地層原油的擬三角相圖

2.2 注入氣體的膨脹與降黏作用

為了研究不同注入氣體對原油樣品相態(tài)影響規(guī)律，揭示注氣提高采收率作用機(jī)理，進(jìn)行了注入氮氣和二氧化碳與地層原油的混合膨脹實驗，研究了注入不同氣體時原油的相行為。將適量配制好的地層流體樣品轉(zhuǎn)入PVT儀中，由少到多逐級向地層流體中注入氣體，充分混合穩(wěn)定之后，測定不同注氣量時原油體系的高壓物性特征。圖4—圖7表示隨著氣體溶解量的逐漸增加，原油的體積系數(shù)略有增加，注入氮氣時原油體積系數(shù)增加幅度為1.2%，注入二氧化碳時原油體積系數(shù)增加幅度為1.5%?？梢?，注入氮氣和二氧化碳均能通過體積膨脹補充地層能量，但是效果不明顯。在未達(dá)到混相壓力時，二氧化碳的膨脹能力比氮氣強(qiáng)。由圖7可以看出，隨著溶解量的不斷增加，地層油的黏度有所下降，注入氮氣時原油黏度下降幅度為18.6%，注入二氧化碳時原油黏度下降幅度為25.0%。可見注入氮氣和二氧化碳均能在一定程度上降低地層油的黏度，改善原油在地層中的流動性。

圖4 不同氮氣溶解度下原油體積系數(shù)隨壓力變化曲線

圖5 不同二氧化碳溶解度下原油體積系數(shù)隨壓力變化曲線

圖6 注入不同氣體時原油體積系數(shù)隨飽和壓力變化對比曲線

圖7 注入不同氣體時原油黏度隨飽和壓力變化對比曲線

2.3 混相與非混相注氣替油機(jī)理分析

洞穴是縫洞型油藏的主要儲集空間，常以2種形式存在：一是與裂縫系統(tǒng)溝通的洞穴；二是不與裂縫系統(tǒng)溝通的孤立洞穴[8，13]。這里僅討論不與裂縫系統(tǒng)溝通的孤立洞穴。因傳統(tǒng)的雙重孔隙介質(zhì)模擬方法不能再現(xiàn)縫洞型油藏中流體的流動機(jī)理，Kossack等[13-14]認(rèn)為可建立單重孔隙介質(zhì)模型，并通過歷史擬合對模型的孔隙度、滲透率、相滲曲線及毛管力曲線進(jìn)行修正，形成等效模型。故本文建立典型單井縫洞單元地質(zhì)模型，開展高含水期注氣驅(qū)油的數(shù)值模擬研究，模擬注入氣體驅(qū)替剩余油時含水、含油、含氣飽和度的變化規(guī)律。模型X方向劃分為25個網(wǎng)格，Y方向為21個網(wǎng)格，縱向劃分60層，總網(wǎng)格數(shù)為25×21×60=31 500，網(wǎng)格步長為25 m×25 m×2.3 m。

模擬單井在含水高達(dá)90%時，向地層中分別注氮氣和二氧化碳，燜井一段時間后再開井生產(chǎn)。如此生產(chǎn)5輪次后，從單井剖面(見圖8)可見，注氮氣為非混相過程，注二氧化碳為混相過程，下面分別闡述其機(jī)理。

圖8 含油飽和度剖面圖

2.3.1 注氣驅(qū)油非混相機(jī)理分析

(1)小的毛細(xì)管力使氣體進(jìn)入孔徑更小的微裂縫。對于同一種原油來說，注入氣與原油之間的界面張力往往小于水與原油之間的界面張力。柏松章等[15]通過測試得到一定條件下，氮氣與雁翎油田原油之間的界面張力為8.9 mN/m，水與原油之間的界面張力為30.5 mN/m。所以，相比水驅(qū)，注氣時氣體可進(jìn)入孔徑更小的微裂縫甚至驅(qū)替出其中的原油從而提高采收率。

(2)重力作用使氣體驅(qū)驅(qū)出“閣樓油”。注入氣與原油的密度差異使氣體上行。對于塔河油田這樣的縫洞型油藏，洞穴型儲層中毛細(xì)管力可忽略不計，孔隙介質(zhì)中的流動主要受重力控制。故當(dāng)氣體注入時，由于氣體與原油間的較大密度差，在重力作用下氣體向上運移，并沿殘丘構(gòu)造形態(tài)向高部位運移，形成次生氣頂，可置換出“閣樓油”，從而提高采收率。

2.3.2 注氣替油混相機(jī)理分析 二氧化碳注入地層后，油藏原油與二氧化碳之間存在組分傳質(zhì)作用，注氣初期使原油中的輕質(zhì)烴不斷地被二氧化碳抽提出，從而降低了二氧化碳與原油之間的界面張力，降低原油的流動阻力以提高采收率[16-19]。隨著注入時間延長，二氧化碳?xì)怏w溶解量越來越多，使原油黏度降低，使水碳酸化黏度增加，從而改善了油水流度以提高采收率。

2.3.3 混相與非混相注氣驅(qū)油開發(fā)效果對比 從機(jī)理看，混相與非混相驅(qū)均能改善開采效果，哪種開采方式更加適合高含水期的實際情況，筆者對比了注水驅(qū)油、注氮氣驅(qū)油及注二氧化碳驅(qū)油這3種開發(fā)效果(圖9)，其中注氣驅(qū)油措施是從含水率達(dá)到90%時開始實施，計算5 a。結(jié)果表明，注氮氣非混相驅(qū)油的開發(fā)效果要比混相驅(qū)油效果好。高含水期時剩余油主要富集在油藏的中高部位，非混相驅(qū)的重力分異作用更加有利于開采出此處的剩余油。計算得出相比注水驅(qū)油，注氮驅(qū)油5 a后可提高采出程度3.75%，證明了單井注氣驅(qū)油具有一定的可行性，能夠起到改善開發(fā)效果的作用。

圖9 不同開發(fā)方式下原油采出程度對比曲線

2.4 礦場應(yīng)用

為了進(jìn)一步驗證縫洞型油藏單井注氣驅(qū)油的可行性，塔河油田選取了高部位剩余油富集、注水效果變差的TK404井進(jìn)行了現(xiàn)場注液氮試驗，累積注入液氮700 m3，截止2012年10月28日，首輪注氣結(jié)束后累計增油2 658 t，采出程度增加0.51%，有效恢復(fù)了單井產(chǎn)能，注氣驅(qū)油初見成效。證實了注氣驅(qū)油是置換中高含水期油藏中高部位剩余油的一種有效方式，具有一定的可行性和推廣前景。

3 結(jié) 論

(1)塔河油田縫洞型碳酸鹽巖油藏在注水驅(qū)油開發(fā)后期，剩余油在縱向上主要富集于油藏中高部位，平面上剩余油主要分布于井間及未布井部位，通過注氣驅(qū)油能有效動用油藏中高部位的原油。

(2)注氣驅(qū)油時，非混相的重力分異作用比混相驅(qū)更能有效挖掘出油藏中高部位剩余油，注氣5 a后，相比注水驅(qū)油可提高3.75%的采出程度。

(3)塔河油田縫洞型碳酸鹽巖油藏注氮驅(qū)油提高采收率的作用機(jī)理是：氮氣溶解于原油降低原油黏度以改善流動性，通過體積膨脹補充地層能量，較小的油氣界面張力可驅(qū)替出微小孔徑中的原油，通過重力分異置換油藏頂部剩余油。

(4)塔河油田注氮驅(qū)油現(xiàn)場試驗初顯成效，第一輪注氣驅(qū)油結(jié)束后，提高采出程度0.51%，說明注氣驅(qū)油是置換中高含水期油藏中高部位剩余油的一種有效方式，具有一定的可行性和推廣前景。

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責(zé)任編輯：賀元旦

2014-12-10

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)“縫洞型碳酸鹽巖油藏流動機(jī)理及數(shù)值模擬研究”(編號：2011CB202404)

胡蓉蓉(1987-)，女，博士，主要從事碳酸鹽巖油藏提高采收率開發(fā)機(jī)理與應(yīng)用方面的研究。 E-mail: hurongrong87@126.com。

1673-064X(2015)02-0049-05

TE357.7

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