低滲透油藏CO2混相驅(qū)注采耦合波及特征及氣竄階段定量劃分方法

崔傳智，蘇鑫坤，姚同玉，張傳寶，吳忠維，鄭文寬，張營華，李弘博

(1.非常規(guī)油氣開發(fā)教育部重點實驗室，山東 青島 266580；2.中國石油大學(xué)(華東)，山東 青島 266580；3.中國石化勝利油田分公司，山東 東營 257015)

0 引 言

為有效應(yīng)對“碳達(dá)峰、碳中和”挑戰(zhàn)，CO2驅(qū)油越來越受到石油行業(yè)的關(guān)注。目前，CO2混相驅(qū)已成為低滲透油藏開發(fā)的重要手段[1-4]，但在開發(fā)過程中，由于CO2黏度、密度與原油差異大，存在嚴(yán)重的氣竄現(xiàn)象。為解決該問題，部分學(xué)者提出將水驅(qū)油藏的注采耦合技術(shù)應(yīng)用于CO2混相驅(qū)油藏[9-11]，從而擴大氣驅(qū)波及范圍、延緩氣竄時間。注采耦合技術(shù)是將常規(guī)的持續(xù)注采分為只注不采、只采不注2個階段，只注不采階段通過注入井注入、采油井停采使油層迅速增壓；只采不注階段通過注入井停注、采油井采油使油層放壓釋能，2個階段往復(fù)進(jìn)行使?jié)B流場不斷改變，將難以動用的剩余油攜帶到生產(chǎn)井井底，提高注入介質(zhì)波及效率和油藏采收率。但CO2混相驅(qū)氣竄階段劃分標(biāo)準(zhǔn)及注采耦合波及特征尚不清晰。目前，CO2氣竄時機識別常用方法主要包括傳統(tǒng)分析方法[12]、經(jīng)驗公式法[13-14]和室內(nèi)實驗方法[15-19]，但分別存在氣竄初始階段不易識別、準(zhǔn)確性依靠現(xiàn)場經(jīng)驗、無法定量劃分氣竄階段等問題，CO2混相驅(qū)注采耦合波及特征研究也鮮有報道。因此，運用數(shù)值模擬方法，分析CO2驅(qū)注采耦合波及特征，認(rèn)識注采耦合提高采收率機理，明確氣竄程度表征指標(biāo)和劃分標(biāo)準(zhǔn)，以期為CO2混相驅(qū)提高采收率提供理論指導(dǎo)。

1 CO2驅(qū)注采耦合波及特征分析

利用數(shù)值建模軟件建立五點法井網(wǎng)CO2混相驅(qū)數(shù)值模型，模型滲透率為6.00 mD，孔隙度為0.14，原油黏度為2 mPa·s，地層壓力為35 MPa，最小混相壓力為28.7 MPa，網(wǎng)格數(shù)量為41×41×1，網(wǎng)格步長均為10 m，注采井井距為262 m；連續(xù)注氣方式的注氣速度為5 000 m3/d，單井產(chǎn)液量為15 m3/d；注采耦合方式的注氣速度為10 000 m3/d，注入與生產(chǎn)時間均為30 d。運用上述方法建立的模型，模擬分析CO2連續(xù)注采與注采耦合開發(fā)的波及特征。

圖1為不同注采方式、相同生產(chǎn)時間(生產(chǎn)時間為第8年1月至2月)的原油流速分布圖(圖中藍(lán)色箭頭的方向與大小分別代表原油流動方向與流速，下同)。由圖1可知：連續(xù)注采方式下，原油流動方向與流速固定，角禺處原油流速小，難以被驅(qū)動。注采耦合方式下，注入CO2(生產(chǎn)井關(guān)閉)時，注入氣以注入井為中心將原油向四周驅(qū)替，地層壓力升高；生產(chǎn)井生產(chǎn)(注入井關(guān)閉)時，在彈性能量作用下四周的原油向生產(chǎn)井流動。注采耦合技術(shù)通過周期性生產(chǎn)，可改變流體流動方向，動用儲層角禺處原油，擴大波及系數(shù)，提高原油采收率。

圖1 不同注采方式、相同生產(chǎn)時間的原油流速水平剖面含油飽和度分布

圖2為不同注采方式、相同生產(chǎn)時間(生產(chǎn)時間為第2年5月至6月)的注采井間原油流速垂向剖面分布圖。由圖2可知：連續(xù)注采方式下，原油流動方向與流速相對固定；注采耦合開發(fā)時，CO2注入階段，遠(yuǎn)離生產(chǎn)井的原油流速大，驅(qū)替原油向生產(chǎn)井附近聚集；生產(chǎn)階段，原油流動方向發(fā)生改變，近生產(chǎn)井的原油流速大，生產(chǎn)井附近聚集的原油流向生產(chǎn)井；與連續(xù)注采相比，注采耦合能夠提高CO2驅(qū)的波及系數(shù)，促進(jìn)原油向生產(chǎn)井流動，提高CO2混相驅(qū)油開發(fā)效果。

圖2 不同注采方式、相同生產(chǎn)時間的原油流速垂向剖面含油飽和度分布

2 CO2混相驅(qū)注采耦合氣竄階段定量劃分方法

2.1 基于常規(guī)分析方法的CO2混相驅(qū)注采耦合氣竄階段劃分

根據(jù)氣油比和采出程度的波動特征，常規(guī)CO2氣竄劃分為4個階段[20-21]，即無氣采油階段、初步見氣階段、氣竄形成階段和完全氣竄階段：①無氣采油階段生產(chǎn)井出口端單相原油以段塞的形式產(chǎn)出；②當(dāng)混相帶到達(dá)出口端，此時生產(chǎn)井開始有溶解氣產(chǎn)出，CO2驅(qū)進(jìn)入見氣階段，此時氣體為分散相，原油為連續(xù)相，見氣階段氣驅(qū)的采出程度會明顯增大，地層原油被大量采出；③當(dāng)生產(chǎn)井開始大量產(chǎn)氣時，CO2驅(qū)進(jìn)入氣竄階段，此時大量氣體攜帶少量原油產(chǎn)出，采出程度仍會緩慢上升；④隨著CO2的繼續(xù)注入，原油基本不再產(chǎn)出，此時采出程度基本不變。圖3為數(shù)值模擬CO2混相驅(qū)開發(fā)20 a的采出程度和氣油比曲線。由圖3可知，五點法井網(wǎng)注采耦合不同階段對應(yīng)的生產(chǎn)時間：無氣采油階段為0～820 d；初步見氣階段為820～1 703 d；氣竄形成階段為1 703～4 714 d；完全氣竄階段為大于4 714 d。

圖3 五點法井網(wǎng)注采耦合氣竄階段常規(guī)劃分

2.2 CO2混相驅(qū)注采耦合氣竄階段劃分新方法

Yang等[22]、Liu等[23]通過室內(nèi)巖心驅(qū)替實驗，采用核磁共振手段表征了CO2混相驅(qū)巖心的CO2體積分?jǐn)?shù)分布狀況，提出可動體積內(nèi)含氣飽和度0.05處為CO2驅(qū)油混相帶前緣，含氣飽和度0.95處為CO2驅(qū)氣體前緣。雖然該方法可一定程度上定量表征氣竄時機，但受儲層尺度影響，礦場CO2混相驅(qū)可動氣體飽和度難以達(dá)到0.95，適用性較差。同時，礦場可動氣體飽和度難以獲取，運用不便。因此，提出CO2混相驅(qū)氣竄階段劃分新方法。新方法包括氣竄指數(shù)及氣竄階段劃分標(biāo)準(zhǔn)，氣竄指數(shù)為地下累計產(chǎn)氣量占地下累計產(chǎn)液量的百分比，階段劃分標(biāo)準(zhǔn)為：①氣竄指數(shù)小于5%時為無氣采油階段；②氣竄指數(shù)5%～95%為氣竄發(fā)育階段；③氣竄指數(shù)95%時為完全氣竄階段。其中，氣竄指數(shù)5%、95%界限是基于文獻(xiàn)[22]、[23]研究成果提出的。CO2混相驅(qū)氣竄階段劃分新方法具有一定普適性，可用于連續(xù)氣驅(qū)、注采耦合等氣驅(qū)時氣體突破識別與氣竄階段劃分。

氣竄指數(shù)計算公式：

(1)

式中：K為氣竄指數(shù)；Vgr為地下累計產(chǎn)氣量，m3；Vlr為地下累計產(chǎn)液量，m3。

地表產(chǎn)量轉(zhuǎn)化為地下產(chǎn)量公式：

Vgr=BgVsg

(2)

Vlr=BlVsl

(3)

式中：Bg為儲層條件下氣體體積系數(shù)；Vsg為地面累計產(chǎn)氣量，m3；Bl為儲層條件下產(chǎn)液量體積系數(shù)；Vsl為地面累計產(chǎn)液量，m3。

以正理莊油田高89塊為例，油藏埋深為3 000 m，孔隙度為9%～17%，滲透率為0.15～14.80 mD，地層原油黏度為1.59 mPa·s。結(jié)合室內(nèi)實驗獲得PVT數(shù)據(jù)，利用式(2)、(3)，將生產(chǎn)井地表產(chǎn)氣量、產(chǎn)液量轉(zhuǎn)化為地下產(chǎn)氣量、產(chǎn)液量，應(yīng)用定量劃分氣竄時機新方法，繪制高89塊氣竄指數(shù)曲線(圖4)。由圖4可知，無氣采油階段為生產(chǎn)0～373 d，氣竄發(fā)育階段為生產(chǎn)374～492 d，完全氣竄階段為生產(chǎn)493 d后。根據(jù)油井礦場監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，高89塊油藏開發(fā)12個月后開始見氣，16個月后進(jìn)入完全氣竄階段(圖4)，礦場實際情況與定量劃分氣竄時機新方法計算結(jié)果吻合，認(rèn)為定量劃分氣竄時機新方法可為礦場生產(chǎn)提供一個較為準(zhǔn)確的氣竄階段識別依據(jù)。

圖4 高89塊油井氣竄階段新識別方法劃分圖版

2.3 影響因素分析

運用前述模型模擬結(jié)果，結(jié)合氣竄階段劃分新方法，對比不同井網(wǎng)類型、不同儲層物性(滲透率、孔隙度)等條件下的氣竄階段識別結(jié)果(表1)。由表1可知：五點法井網(wǎng)下，儲層孔隙度越大，注采耦合無氣采油階段越長，氣竄發(fā)育階段推遲；隨著儲層孔隙度的增加，注入氣前緣移動更慢，波及面積減??；生產(chǎn)井離注氣井越近，氣體突破時間越早，反九點法井網(wǎng)、排狀井網(wǎng)、五點法井網(wǎng)進(jìn)入完全氣竄時間分別為3 148、4 120、5 610 d。因此，在運用CO2混相驅(qū)注采耦合技術(shù)開發(fā)油藏時，應(yīng)選用五點法井網(wǎng)，以緩解氣體過早突破。

表1 不同井網(wǎng)注采耦合氣竄階段劃分界限

3 結(jié) 論

(1) 與CO2連續(xù)氣驅(qū)相比，注采耦合開發(fā)通過增壓儲能、放壓釋能過程往復(fù)進(jìn)行，地下滲流場不斷變化，從而進(jìn)一步擴大氣驅(qū)波及面積、延遲氣竄時間、提高油藏最終采出程度。

(2) 以氣竄指數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，提出了定量劃分CO2驅(qū)氣竄階段的新方法；將新方法應(yīng)用于正理莊油田高89塊，礦場監(jiān)測數(shù)據(jù)與新方法計算的氣竄階段劃分結(jié)果吻合，說明新方法可作為礦場氣竄階段識別的依據(jù)。

(3) 五點法井網(wǎng)下，儲層孔隙度越大，注采耦合開發(fā)無氣采油階段變長，氣竄發(fā)育階段推遲；隨著儲層孔隙度的增加，注入氣前緣移動更慢，波及面積減小。生產(chǎn)井離注氣井越近，氣體突破時間越早，反九點法井網(wǎng)、排狀井網(wǎng)、五點法井網(wǎng)進(jìn)入完全氣竄時間分別為3 148、4 120、5 610 d。