利用高碳?xì)膺\(yùn)移驅(qū)替開發(fā)高烴氣的機(jī)理研究及效果預(yù)測*

高 達(dá) 馬勇新 米洪剛 劉鵬超 歐志鵬 陳建華

(中海石油(中國)有限公司湛江分公司 廣東湛江 524057)

南海西部海域鶯歌海盆地東方與樂東氣田群泥底辟構(gòu)造發(fā)育，導(dǎo)致殼源CO2由沉積蓋層深處向淺部運(yùn)移[1]，縱向上部分區(qū)塊及層位的CO2富集，形成高含CO2氣藏(以下簡稱“高碳?xì)獠亍?。高碳?xì)獠亻_發(fā)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值較低，而且生產(chǎn)的CO2還需脫碳分離后放空排放，增加開發(fā)成本并且不利于環(huán)保[2]，因此這類高碳?xì)獠貎?chǔ)量動(dòng)用程度較低，地層壓力仍較高；而高烴氣藏目前采出程度已較高，地層壓力已大幅下降。馬勇新 等[3]提出了“油氣人工運(yùn)移”方法及將該方法用于開發(fā)利用高碳?xì)獠氐乃悸?，即通過鉆人工運(yùn)移井建立高碳?xì)獠嘏c已開發(fā)高烴氣藏之間的運(yùn)移通道，依靠層間壓力差將高含CO2氣(以下簡稱“高碳?xì)狻?運(yùn)移注入到高烴氣藏，提高高烴氣藏開發(fā)效果以及間接開發(fā)利用高碳?xì)獠兀凑f明該方法的開發(fā)機(jī)理及開發(fā)效果。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，深入研究并明確了高碳?xì)獠剡\(yùn)移驅(qū)替開發(fā)高烴氣藏的兩大主要機(jī)理：一是高碳?xì)怛?qū)替高烴氣至生產(chǎn)井采出(類似于自流注水[4-5])，即驅(qū)替提高采收率機(jī)理；二是由于地層束縛水對(duì)CO2的溶解度遠(yuǎn)大于烴類氣體[6-7]，地層束縛水可溶解吸收部分高碳?xì)庵械腃O2，改善高碳?xì)馄焚|(zhì)，即溶解吸收改質(zhì)機(jī)理。在機(jī)理研究基礎(chǔ)上，通過對(duì)先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)開發(fā)方案效果模擬,綜合分析了高碳?xì)膺\(yùn)移驅(qū)替開發(fā)高烴氣的開發(fā)效果。

1 方法可行性室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證高碳?xì)膺\(yùn)移驅(qū)替開發(fā)高烴氣方法的驅(qū)替提高采收率機(jī)理及溶解吸收改質(zhì)機(jī)理，開展了以下室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究：①長巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，測試用CO2氣體驅(qū)替長巖心中CH4氣體的驅(qū)替效果，模擬高碳?xì)怛?qū)替高烴氣提高采收率可行性機(jī)理及效果；②溶解吸收改質(zhì)實(shí)驗(yàn)，將高碳?xì)庾⑷氲揭讶芙飧邿N氣至飽和狀態(tài)的水溶液中，測試烴組分與CO2組分的變化，模擬地層水對(duì)高碳?xì)獾娜芙馕崭馁|(zhì)可行性機(jī)理及效果。

1.1 長巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)

1) 實(shí)驗(yàn)材料。

由滲透率不等的天然短巖心拼接而成的長巖心，氣測滲透率為8.9 mD，原始飽和氣體為高純CH4(濃度>99.99%，代表高烴氣)；驅(qū)替用注入氣體為高純CO2(濃度>99.99%，代表高碳?xì)?。

2) 實(shí)驗(yàn)儀器。

主要包括高壓驅(qū)替泵、恒溫箱、長巖心夾持器、氣體流量計(jì)、氣相色譜儀等。

3) 實(shí)驗(yàn)步驟。

將長巖心夾持器放入恒溫箱(長巖心水平放置)，并設(shè)定溫度為80 ℃(模擬地層溫度)，清洗，吹干、抽真空；用純CH4驅(qū)替長巖心以飽和純CH4氣體；連接純CO2中間容器，進(jìn)行驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，回壓設(shè)置為14 MPa(模擬地層壓力)，每隔0.1 PV記錄氣量，同時(shí)進(jìn)行氣相色譜分析，記錄產(chǎn)出氣中CO2和CH4濃度，當(dāng)產(chǎn)出氣中CO2含量接近100%時(shí)，停止驅(qū)替。

4) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

設(shè)計(jì)驅(qū)替速度分別為0.1、0.2、0.4 mL/min，各驅(qū)替速度下采出端CO2摩爾濃度變化情況見圖1，可以看出：注入 CO20.6～0.8 PV時(shí)，CO2開始突破采出端，之后含量快速上升；驅(qū)替速度越小，CO2突破時(shí)的PV數(shù)越小，主要原因是受氣體擴(kuò)散作用影響，即驅(qū)替速度越小，氣體擴(kuò)散作用時(shí)效越長，因此在后續(xù)數(shù)值模擬研究中也考慮了氣體擴(kuò)散。圖2為通過采出端CO2摩爾濃度變化計(jì)算出的CH4采出程度變化情況，可以看出：注入 CO21 PV時(shí)，CH4采出程度已達(dá)到91.3%～94.0%，驅(qū)替效果非常好；注入 CO21.2 PV以上時(shí)，采收率達(dá)到93.8%～95.0%，接近100%，此時(shí)采出端CO2濃度已接近100%(圖1)，主要原因是CO2和CH4都為氣體，黏度差異很小，波及系數(shù)和驅(qū)替效率都接近100%。通過該室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，有效地驗(yàn)證了高碳?xì)怛?qū)替高烴氣，提高高烴氣采收率的可行性及效果。

圖1 長巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)采出端CO2含量變化情況Fig.1 CO2 concentration at the production of the long core displacement experiments

圖2 長巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)CH4采出程度變化情況Fig.2 Recovery of CH4 of the long core displacement experiments

1.2 溶解吸收改質(zhì)實(shí)驗(yàn)

1) 實(shí)驗(yàn)材料。

參照南海西部海域鶯歌海盆地東方M氣田Ⅱ氣組高烴氣藏天然氣組分和Ⅲ氣組高碳?xì)獠靥烊粴饨M分，配制天然氣樣品(表1，實(shí)際氣藏含有部分N2氣體)，參照氣田實(shí)際地層水配制實(shí)驗(yàn)用地層水。

2) 實(shí)驗(yàn)儀器。

主要包括高溫高壓反應(yīng)釜、高壓驅(qū)替泵、氣體計(jì)量計(jì)、氣相色譜儀等。

3) 實(shí)驗(yàn)步驟。

設(shè)定實(shí)驗(yàn)溫度80 ℃(模擬地層溫度)，在高溫高壓反應(yīng)釜中配制充分溶解至飽和的Ⅱ氣組高烴氣水溶液；將Ⅲ氣組高碳?xì)庾⑷氲礁邷馗邏悍磻?yīng)釜飽和水溶液中，充分溶解后測試未溶解氣的組成。

表1 實(shí)驗(yàn)?zāi)M氣體組成及溶解吸收改質(zhì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Gas composition of experimental simulation and dissolution absorption modification test results

4) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

壓力14 MPa下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1，可以看出：高碳?xì)庾⑷腼柡透邿N氣水溶液后，未溶解氣中CO2摩爾含量從67.6%下降為30.1%，CH4摩爾含量從27.5%上升至56.9%，起到了較顯著的改質(zhì)效果。分析認(rèn)為，高碳?xì)庾⑷氲礁邿N氣水溶液中，原有的溶解平衡被打破，CO2在氣相中的濃度大幅度升高，分壓值大幅度增加，CO2在水中的溶解度隨著分壓值升高而增大，且CO2在水中的溶解度較高，因此高碳?xì)庵写蟛糠諧O2會(huì)溶解于水中，從而降低了高碳?xì)庵械腃O2含量；CH4在氣相中的濃度降低，分壓值降低，水溶液中部分溶解的CH4會(huì)脫出至氣相中，由于高碳?xì)庵蠧O2氣體的大量溶解以及水溶液中部分CH4氣體的脫出，未溶解氣組成中CO2含量降低、CH4含量提高，提高了高碳?xì)獾奶烊粴馄焚|(zhì)。實(shí)驗(yàn)?zāi)M了在14、12、10、8、5、3 MPa等不同壓力下高碳?xì)庾⑷敫邿N氣水溶液的情況，不同壓力下溶解吸收改質(zhì)實(shí)驗(yàn)未溶解氣組成見圖3。從圖3可以看出，壓力越高，未溶解氣組成中CO2摩爾含量下降量越大，CO2被溶解凈化的程度越高，主要原因是壓力越高，地層束縛水可溶解吸收的CO2量越多。通過該室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，有效地驗(yàn)證了高烴氣藏地層束縛水溶解吸收高碳?xì)庵蠧O2，改質(zhì)高碳?xì)獾目尚行约靶Ч?/p>

圖3 不同壓力下溶解吸收改質(zhì)實(shí)驗(yàn)未溶解氣組成Fig.3 Composition of undissolved gas of dissolution absorption modification test under different pressures

2 開發(fā)效果數(shù)值模擬

為進(jìn)一步驗(yàn)證和模擬高碳?xì)膺\(yùn)移驅(qū)替開發(fā)高烴氣方法的可行性機(jī)理及效果，利用油藏?cái)?shù)值模擬軟件Eclipse中可模擬多組分氣體的E300組分模型以及可模擬CH4與CO2等氣體在水相中溶解度的GASWAT模塊，以東方M氣田Ⅱ氣組高烴氣藏和Ⅲ氣組高碳?xì)獠貫閰⒄眨⒘烁咛細(xì)獠仳?qū)替高烴氣藏?cái)?shù)值模擬概念模型(圖4)。該模型設(shè)置上下兩套氣層，下層模擬Ⅲ氣組高碳?xì)獠?紅色表示高碳?xì)?，上層模擬Ⅱ氣組高烴氣藏(藍(lán)色表示高烴氣)，儲(chǔ)層孔隙度為24%，滲透率為20 mD，束縛水飽和度為50%，原始地層壓力為14 MPa；模型中設(shè)置1口生產(chǎn)井單采上層高烴氣層，設(shè)置1口運(yùn)移通道井同時(shí)射開上下兩套氣層。E300組分模型中GASWAT模塊主要基于改進(jìn)的PR狀態(tài)方程[8]，利用氣-水相平衡計(jì)算氣體在地層水中的溶解度，模型建立過程中通過調(diào)整模型參數(shù)擬合室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測得的CH4、CO2組分的溶解氣水比，擬合后與實(shí)驗(yàn)值基本吻合(圖5)，為模擬溶解吸收改質(zhì)效果奠定了基礎(chǔ)。模擬過程中運(yùn)移通道井不配產(chǎn)，在模型中利用上下氣層之間的壓差，在井筒內(nèi)形成竄流，模擬下氣層高碳?xì)膺\(yùn)移注入上氣層高烴氣藏。

圖4 高碳?xì)怛?qū)替高烴氣數(shù)值模擬概念模型示意圖Fig.4 Schematic diagram of numerical simulation model of high CO2 gas displacing high CH4 gas

圖5 CH4與CO2組分溶解氣水比擬合效果Fig.5 Fitting effect of dissolved gas-water ratio of CH4 and CO2 components dissolved in water

基于概念模型，模擬了高碳?xì)膺\(yùn)移驅(qū)替開發(fā)高烴氣的驅(qū)替效果及地層束縛水對(duì)高碳?xì)庵蠧O2組分的溶解吸收改質(zhì)作用。在高碳?xì)怛?qū)替開發(fā)前，高烴氣藏氣相中CO2含量及地層束縛水中的CO2溶解量均非常低；高碳?xì)庾⑷牒螅跗谶\(yùn)移通道井眼處氣相中的CO2含量大幅增加(圖6a)，高碳?xì)庖呀?jīng)注入至高烴氣藏，運(yùn)移通道井眼附近的地層束縛水中CO2溶解量也大幅增加(圖7a)；隨著驅(qū)替的進(jìn)行，高碳?xì)獠胺秶饾u擴(kuò)大(圖6b)，波及區(qū)域的地層束縛水中CO2溶解量大幅增加(圖7b)；驅(qū)替末期，高碳?xì)獠胺秶静辉贁U(kuò)大(波及范圍與井網(wǎng)有關(guān))，運(yùn)移通道井與生產(chǎn)井之間高烴氣基本都被置換為高碳?xì)?圖6c，紅色網(wǎng)格表示被置換為高碳?xì)?，與長巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果互為驗(yàn)證，但由于衰竭式開采造成地層壓力整體下降，開發(fā)末期束縛水中CO2溶解量會(huì)比中期略有下降(圖7c)。由此可見，通過數(shù)值模擬概念模型模擬了高碳?xì)怛?qū)替置換高烴氣，提高了高烴氣采收率，且波及區(qū)域的地層束縛水溶解吸收了部分CO2，起到了溶解吸收CO2改善高碳?xì)馄焚|(zhì)的作用。

圖6 高碳?xì)怛?qū)替高烴氣波及范圍及氣相中CO2濃度模擬圖Fig.6 Sweep region of high CH4 gas displacd by high CO2 gas and CO2 concentration in the gas phase

圖7 高碳?xì)怛?qū)替高烴氣地層束縛水中CO2溶解量模擬圖Fig.7 Concentration of CO2 dissolved in the irreducible water in the sweep region of high CH4 gas displacd by high CO2 gas

3 先導(dǎo)試驗(yàn)效果預(yù)測

通過對(duì)南海西部海域鶯歌海盆地東方與樂東氣田群多個(gè)區(qū)塊進(jìn)行篩選，優(yōu)選縱向上疊合性好的東方M氣田Ⅲ氣組南區(qū)與Ⅱ氣組西南區(qū)開展先導(dǎo)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)。東方M氣田Ⅲ氣組南區(qū)為高碳?xì)獠?，由于尚未開發(fā)動(dòng)用，目前地層壓力仍為原始地層壓力(約14 MPa)；Ⅱ氣組西南區(qū)為高烴氣藏，多口開發(fā)井在生產(chǎn)，目前地層壓力約5 MPa。先導(dǎo)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)部署1口運(yùn)移通道井A3H1井，主要受效井為現(xiàn)有生產(chǎn)井A1H與A2H井(圖8);運(yùn)移通道井A3H1井定向井段斜穿Ⅱ氣組，水平井段部署在Ⅲ氣組，同時(shí)射開Ⅱ氣組和Ⅲ氣組，利用Ⅲ氣組與Ⅱ氣組的壓力差在井筒內(nèi)形成竄流，將Ⅲ氣組高碳?xì)庖擘驓饨M西南區(qū)高烴氣藏進(jìn)行驅(qū)替開發(fā)(藍(lán)色為高烴氣，紅色為高碳?xì)?。

圖8 先導(dǎo)區(qū)高碳?xì)怛?qū)替高烴氣平面波及效果Fig.8 Areal sweep efficiency of pilot test of high CO2 displace high CH4

油藏?cái)?shù)值模擬初期Ⅲ氣組與Ⅱ氣組之間的壓力差約9 MPa，運(yùn)移通道井初期從Ⅲ氣組向Ⅱ氣組注入高碳?xì)饬考s33×104m3/d，預(yù)測生產(chǎn)4a后高碳?xì)馇熬壨黄浦辽a(chǎn)井A1H井，A1H井產(chǎn)出氣組分中CO2含量逐漸升高(圖9)。模擬開發(fā)結(jié)束時(shí)，A3H1井累計(jì)向Ⅱ氣組注入高碳?xì)?.2×108m3，與不進(jìn)行高碳?xì)庾⑷腴_發(fā)的基礎(chǔ)方案相比(均模擬開采18 a)，Ⅱ氣組西南區(qū)生產(chǎn)井累計(jì)增產(chǎn)氣量5.2×108m3，其中由于驅(qū)替作用多采出Ⅱ氣組高烴氣約3.4×108m3，比基礎(chǔ)方案提高采收率約11%，Ⅱ氣組西南區(qū)地層束縛水累計(jì)增加溶解CO2量約1.1×108m3(相當(dāng)于凈化了約1.6×108m3的Ⅲ氣組高碳?xì)?。可見，通過該方法既提高了Ⅱ氣組高烴氣藏采收率，又改質(zhì)凈化了部分Ⅲ氣組高碳?xì)?，并且?jīng)濟(jì)價(jià)值低且對(duì)環(huán)境不利的高碳?xì)馊灾饕獯嬖诘叵驴紫都暗貙邮`水中。

圖9 生產(chǎn)井A1H井組分變化曲線Fig.9 Component changing curves of production Well A1H

4 結(jié)束語

從室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬、先導(dǎo)區(qū)開發(fā)效果模擬預(yù)測等多方面研究分析了高碳?xì)膺\(yùn)移驅(qū)替開發(fā)高烴氣主要機(jī)理及開發(fā)效果，認(rèn)為主要機(jī)理為高碳?xì)怛?qū)替置換高烴氣以提高高烴氣采收率和地層束縛水溶解吸收部分高碳?xì)庵蠧O2從而改善高碳?xì)馄焚|(zhì)。南海西部海域鶯歌海盆地存在數(shù)量眾多的高碳?xì)獠兀壳伴_發(fā)動(dòng)用程度很低甚至完全未開發(fā)，通過本文方法開發(fā)利用高碳?xì)獠兀环矫婵稍觥盁N”減“碳”，充分挖掘高烴氣藏的經(jīng)濟(jì)價(jià)值；另一方面部分高碳?xì)馔ㄟ^地層束縛水溶解吸收CO2改質(zhì)為高烴氣，提高了高碳?xì)獾慕?jīng)濟(jì)價(jià)值，并且開發(fā)結(jié)束后高碳?xì)馊灾饕獯嬖诘叵驴紫杜c地層束縛水中，控制了CO2氣體的排放，可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益的雙贏。