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注氣體積和輕質油藏空氣驅機制的關系探討

2012-01-03 09:51任韶然楊昌華侯勝明劉印華林偉民
關鍵詞:驅油煙道采收率

任韶然,楊昌華,,侯勝明,3,劉印華,林偉民

(1.中國石油大學石油工程學院,山東青島 266580;2.中石化中原油田采油工程技術研究院,河南濮陽 457001; 3.海南省工業(yè)和信息化廳,海南???570204;4.中石油煤層氣有限責任公司,北京 100028)

注氣體積和輕質油藏空氣驅機制的關系探討

任韶然1,楊昌華1,2,侯勝明1,3,劉印華4,林偉民2

(1.中國石油大學石油工程學院,山東青島 266580;2.中石化中原油田采油工程技術研究院,河南濮陽 457001; 3.海南省工業(yè)和信息化廳,海南???570204;4.中石油煤層氣有限責任公司,北京 100028)

通過細長管、填砂管氧化和驅替等一系列室內試驗以及絕熱條件下注空氣過程的數值模擬研究注空氣體積及不同注氣階段和輕質油藏注空氣驅油機制的關系。根據試驗和數值模擬分析結果,與其他氣驅過程比較,給出典型輕質油藏空氣驅替試驗可能取得的原油采收率與注氣體積關系理論曲線。結果表明,輕質油藏在不同注氣體積條件下具有不同的驅油機制:注氣體積小于0.5Vp(Vp為孔隙體積)即氣體突破之前,煙道氣驅為主要的驅油機制,驅油過程為一非混相氣驅過程;注氣體積大于0.5Vp即氣體突破之后,煙道氣和高溫反應帶共同作用的驅替作用表現為其主要機制;當反應帶逐步推進至接近產出端時,反應帶的熱效應有可能成為重要的驅油機制。

輕質油藏;注空氣;驅油機制;熱前緣;氧氣消耗

1 問題的提出

輕質油藏注空氣(LOAI)是指將壓縮空氣注入到高溫高壓輕質油藏中,注入的氧氣和部分原油發(fā)生低溫氧化反應生成少量CO2,同時和空氣中的氮氣形成氣驅的過程[1-2]。對于輕質油藏注空氣驅油機制目前還沒有統(tǒng)一認識。Fassihi等[3]從現場經驗和工藝設計方面總結輕質油藏注空氣的驅油機制按重要性依次為燃燒原油產生高的驅替效率、油藏迅速再加壓、煙道氣抽提原油、原油膨脹及非混相氣驅。另外,還描述了以下3個可能的機制:自發(fā)點燃和完全的氧氣消耗、維持油藏壓力(高于泡點壓力)、產生的煙道氣和原油近混相[3];Ren等[4-5]于1999年提出了油藏注空氣低溫氧化工藝原理,將輕質油藏注空氣近似為低溫氧化反應產生煙道氣驅的過程;Clara等[6]也認為輕質油藏注空氣有類似于常規(guī)氣驅的作用,其驅油機制按重要性依次為煙道氣驅掃、油田再加壓、原油膨脹、降黏、抽提原油輕質組分及熱效應;蔣有偉等[7]認為,低滲透輕質油藏注空氣首先起到有效補充或維持油層壓力的作用,整個過程中氮氣驅對總采收率的貢獻為69%,溫度升高和二氧化碳的貢獻分別為26.7%和4.3%。目前研究人員已經普遍認識到輕質油藏注空氣和注煙道氣在驅油機制上有著很大區(qū)別,前者可為熱采過程,后者近似為等溫氣驅過程[8-9]。

對于注氣體積(注氣過程的不同階段)和空氣驅油機制的關系,目前也存在很多不同認識。Fassihi等[9]利用數值模擬方法,在一維輕質油(35°API)油藏模型中比較了注空氣和注煙道氣條件下原油產量的響應關系,結果發(fā)現:在注入氣達到2倍烴類孔隙體積(VH)之前,注空氣和注煙道氣的產油量響應是相同的;超過2VH后,燃燒前緣驅替原油突破,使產油量迅速增加,然后隨著氣油比增大,產油量降低。在集油帶突破之前,集油帶前的原油實際上受到同樣的氣驅作用,因而產油速率是一樣的。注空氣形成的“火驅”集油帶,其尺度和含油飽和度都比煙道氣的大,所以當其突破時,產油量迅速增加。De Zwart等[10]在三維輕質油(36°API)油藏模型中進行了注空氣數值模擬研究,并比較了等溫模擬和燃燒模擬的結果,發(fā)現二者在前兩年產油量響應相似,兩年后燃燒工藝方案的產油量開始超過等溫方案,因為模擬預測的燃燒前緣在兩年后將到達生產井。Gutierrez和Montes等[11-12]通過試驗,進行了輕質油的注煙道氣和燃燒管試驗研究,并將其結果進行了對比,發(fā)現在注入1Vp(Vp為孔隙體積)的空氣之后,煙道氣驅的細長管和巖心試驗的增油量都很小,而燃燒管在燃燒前緣的熱效應下開始產出大量“額外”的原油。這可能是因為油藏注空氣的熱效應對采收率的貢獻取決于燃燒和反應部分占油藏總體積的比值,這一比值在注入1Vp空氣之前較小,氧化反應的熱效應需要大量注空氣后才能體現出來。上述研究表明,在輕質油藏注空氣過程中,產油量和采收率與注入的空氣體積有很大關系。

為揭示輕質油油藏不同注氣體積下的驅油機制,筆者在模擬輕質油藏條件下,進行一系列的細長管注空氣、填砂管注空氣試驗及絕熱條件下注空氣過程的數值模擬研究,分析不同條件下的原油采收率和注入空氣體積的關系,為試驗結果分析和現場注空氣工藝設計提供參考。

2 試驗裝置和方法

室內試驗采用的原油均取自勝利油田某注空氣候選區(qū)塊,地層原油的黏度為1.6 mPa·s,原油重度為32.9°API,油藏壓力為25 MPa,油藏溫度為109℃。

細長管及填砂管試驗的主要目的是在典型候選油藏條件下,對比不同注氣體積下的驅油效率,分析空氣和氧化反應產生的煙道氣與原油的混相狀態(tài)及其對驅油效率的影響。靜態(tài)和動態(tài)氧化試驗結果表明[4,13-14],注空氣過程中產生的煙道氣中二氧化碳含量最多為14%,可以認為煙道氣的最小混相壓力和純氮氣接近[2],而空氣最小混相壓力也可認為和氮氣接近,所以在油藏條件下注空氣和煙道氣驅過程中的混相作用接近。

細長管試驗中采用的細長管內徑為8 mm,長度為5 m,內部充填石英砂,整個細長管放置在恒溫箱中。試驗過程中先飽和地層水,在常溫常壓下測量滲透率,再飽和原油樣品。試驗過程中以1.45 m3/ (m2·h)的速率(通量)注空氣,在整個過程中記錄產油和產水量,待氣體突破后每隔一定時間采樣測量產出氣中氧氣和二氧化碳含量。

填砂管試驗裝置及操作過程已經在文獻[13]、[14]中作了詳細描述,填砂管內徑為25 mm,內部長度為700 mm。試驗過程中為實現填砂管模型與實際油藏的相似性,采用真實油藏破碎巖心及不同粒徑的石英砂進行混合配比,并且加入少量高嶺土。在填砂過程中依次向填砂管中加入少量混合砂粒進行夯擊壓實,經多次填制最終選出兩組與目標油藏滲透率相近的填砂管模型。兩組試驗填砂管的孔隙度分別為30.9%和33.2%,滲透率分別為17× 10-3μm2和39×10-3μm2,初始含油飽和度分別為59.4%和63.2%。其試驗操作過程與常規(guī)氣驅過程相同,只是在氣體突破后每隔一定時間采樣測量產出氣中氧氣和二氧化碳含量。試驗條件及主要結果如表1所示。

表1 試驗條件和主要結果Table 1 Experimental conditions and results

3 試驗結果分析

3.1 細長管注空氣試驗

圖1為細長管試驗中原油采收率和產出氣中O2和CO2含量隨注氣體積變化關系。由圖1可以看出,氣體突破發(fā)生在0.38Vp時,其采收率為40%,此時O2含量為2.8%,CO2含量為0.7%。隨著注入量的增加,采收率進一步提高,直到注氣體積為0.5Vp時采收率達到45%,以后基本不再增加。突破后O2含量逐漸升高至16%,然后隨注空氣量增加緩慢降低,最終穩(wěn)定在13%左右。CO2含量一直在緩慢上升,最終維持在4%左右。從整個驅替過程可以清楚地看出,在試驗條件下,由于低溫氧化作用,在較長的氧化驅替管內能有效消耗氧氣,并產生類似于煙道氣驅的典型非混相氣驅過程。

圖1 試驗1中原油采收率及產出氣中O2、CO 2含量隨注氣體積變化曲線Fig.1 O il recovery factor and O 2,CO2 contents in produced gas versus volumes of air injected in experiment 1

3.2 填砂管注空氣試驗

兩組填砂管試驗的原油采收率隨注氣體積變化較為接近(圖2)。其中試驗2氣體突破發(fā)生在0.36Vp處,對應的原油采收率為50%,產出氣中O2含量為14%。當注氣量達到0.5Vp時,采收率達到56%,以后增加量較小。隨注氣量的增大,產出氣中O2含量持續(xù)上升至接近原始的21%,整個過程產氣中CO2含量維持在0.5%左右。說明在油藏溫度下,原油的氧化速率較慢,氧氣在較短的填砂管內很難達到有效消耗。

圖2 試驗2和3中原油采收率及產出氣中O 2、CO2含量隨注氣體積的變化曲線Fig.2 O il recovery factor and O 2,CO2 contents in produced gas versus volumes of air in jected in experiments2 and 3

3.3 數值模擬絕熱氧化管試驗

由于試驗條件限制無法做到模擬真實油藏的絕熱環(huán)境,但可以通過數值模擬來擬合和分析等溫和絕熱氧化管試驗中的熱效應。其中輕質原油低溫氧化反應模型采用改進的低溫氧化反應模型[14]。對于絕熱氧化管試驗數值模擬采用一維直角坐標模擬,模型管長700 mm,分為35個網格,垂直于流向方向的截面積相當于25 mm的圓管,與上述的填砂管試驗相同。每個網格塊都有相同的初始含油飽和度。不考慮重力作用和毛管力影響,注入端以恒速空氣注入,出口端以等溫試驗中的出口回壓為參考定壓生產。模擬結果見圖3。由圖3看出:在注入0.5Vp空氣后原油采收率便基本不再增加,達到54%;然后采收率幾乎以恒定的速率緩慢上升,而當反應前緣接近產出端時,油產量和采收率迅速增加。這一現象可以解釋為注空氣過程中形成穩(wěn)定的反應帶后,由反應帶和煙道氣共同作用驅替原油,所以采收率緩慢上升;當反應帶接近產出端時,反應帶前緣直接驅替集油帶原油產出,表現為原油采收率迅速上升。反應帶和煙道氣的共同驅替作用主要體現在以下3個方面:①反應帶驅替過的區(qū)域具有較高的微觀驅油效率,可以超過85%,同時在反應帶前緣會通過蒸發(fā)—冷凝作用形成集油帶;②集油帶可降低氣相滲透率,使氣體改變流動方向,從而擴大波及體積;③煙道氣會驅替部分集油帶原油,提高總的驅替效率。

圖3 絕熱氧化管注空氣驅替的數值模擬結果Fig.3 Simulation resu lts for an adiabatic air injection displacement experiment

4 試驗結果討論

根據以往試驗結果和現場經驗分析,Gates等給出了典型的混相氣驅、非混相氣驅、Gates和Ramey式的火燒油層、燃燒前緣驅替過程中原油采收率隨注氣體積(或燃燒體積)變化的理論曲線[15](圖4)。完全混相驅中注入劑和被驅替原油的界面張力降為零,假設注入氣體能夠波及絕大部分多孔介質,那么理想條件下1Vp注氣體積幾乎能達到90%以上的原油采收率。對于非混相氣驅,流度比差異和界面張力會影響原油通過孔道,在0.5Vp的注氣體積時能達到50%的采收率,氣體突破之后原油采收率便不再增加?!盎馃蛯印焙汀叭紵熬夠屘妗边^程能產生持續(xù)穩(wěn)定的驅替效果,采收率可超過80%。

根據試驗和數值模擬結果,總結出一維輕質油藏注空氣(絕熱)驅替試驗理論曲線(圖4)的特征為:①注氣體積小于0.5Vp即氣體突破之前,煙道氣驅為主要驅油機制,為非混相氣驅,采收率能達到50%;②注氣體積大于0.5Vp即氣體突破之后,由煙道氣和反應帶共同作用驅替原油為主要機制,采收率緩慢上升;③當反應帶接近產出端,反應帶熱前緣的蒸發(fā)—抽提—冷凝作用等為主要驅油機制,采收率可迅速上升超過75%。

本研究的目標區(qū)塊為勝利油田某一進行注空氣(作為二次采油)的低滲透輕質油區(qū)塊,原始含油飽和度大于50%。研究結果表明,在注空氣過程中,原油和就地產生的煙道氣在油藏條件下不能達到有效混相,有可能導致早期氣體突破。氣體突破時可能伴隨大量的原油產出,所以只要安全控制(產氣中氧氣含量很低),持續(xù)注入大量的空氣在經濟上仍然是可行的,但需要根據生產實際情況,適當調整注采比例和油井關閉和開啟,實現成本最優(yōu)化。

圖4 不同條件下氣驅理論曲線Fig.4 Theoretical curves of different gas disp lacem ent processes

在注空氣技術應用中,實際輕質油藏注空氣過程可能存在以下兩種情況:①目標油藏含油飽和度很大(大于50%)時,在早期空氣和煙道氣驅階段,產生的煙道氣可以和原油達到較好的混相效果,以實現較高的氣驅驅替效率;②目標油藏為水驅后期油藏,剩余油飽和度較低(So<30%),有一定的提高采收率潛力。對于第一種情況,Shokoya等通過一系列室內驅替試驗證明,雖然在高達46 MPa壓力及100℃左右的溫度下,注空氣仍不能實現真正的混相驅替[16],但輕質油與反應生成的煙道氣可產生一定混相效果:既有混合蒸發(fā)和冷凝氣驅的作用,又有反應生產的熱效應,所以注空氣的驅油效果要優(yōu)于常規(guī)的非混相氣驅(氮氣和煙道氣),即使在油藏壓力不太高的條件下,注空氣技術也是可行的。對于第二種情況,如果氣體早期突破,再持續(xù)注入大量的空氣,因為剩余油飽和度太低,繼續(xù)增油的潛力可能不會太大,在經濟上已經不支持再注入更大體積的空氣。但是,通過輔助于其他提高波及效率的工藝,如采用注空氣泡沫調驅,進一步提高采收率仍是可能的。

5 結論

(1)室內試驗和油藏模擬得到的驅油機制和過程為:①注氣體積小于0.5Vp即氣體突破之前,煙道氣驅為主要驅油機制,即為非混相氣驅;②注氣體積大于0.5Vp即氣體突破之后,由煙道氣和高溫反應帶共同作用驅替原油為其主要機制,采收率穩(wěn)定上升;③當反應帶逐步推進并接近產出端,反應帶的熱效應(如原油其組分的蒸發(fā)-冷凝作用)有可能成為重要的驅油機制。

(2)典型輕質油藏注空氣驅替試驗注氣體積和原油采收率關系理論曲線體現了原油低溫氧化反應產生熱效應的增油效果。

(3)在較高油藏溫度下,從完全消耗氧氣及提高采收率的角度考慮可將輕質油藏注空氣工藝作為低溫氧化-氣驅和高溫氧化-熱采相結合的過程進行設計,這樣可以在保證安全的前提下充分發(fā)揮氧化反應熱效應的驅油作用,最大程度提高采收率。

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Relationship between air volume and oil-recovery mechanism for light oil air injection process

REN Shao-ran1,YANG Chang-hua1,2,HOU Sheng-ming1,3,LIU Yin-hua4,LINWei-min2

(1.College of Petroleum Engineering in China University of Petroleum,Qingdao 266580,China; 2.Oil Production Engineering Technology Institute,Zhongyuan Oilfield Branch Company,SINOPEC,Puyang 457001,China; 3.Industry and Information Technology Department of Hainan Province,Haikou 570204,China; 4.PetroChina Coalbed Methane Company Limited,Beijing 100028,China)

The relationship between volume of air injected and oil-recovery mechanism for a light oil air injection process (LOAI)was studied through a series of laboratory experiments and numerical simulation including slim-tube tests,sand-pack displacement tests and numerical simulation ofan adiabatic reaction process of LOAI.Based on the experimental and numerical simulation results and in comparison with other gas injection processes,a theoretical curve was given,which could be used for predicting the oil-recovery factor as a function of volume of air injected for oil displacementexperimentunder typical light-oil reservoir conditions.The results show that LOAI process may have differentmechanisms during different injection stages related to the volumes of air injected.Up to 0.5Vp(porous volume)of air is injected(before gas breakthrough),the prevail oil recoverymechanism is flue gas driving,which is an immiscible gas flooding process.When the injected volume of air is over 0.5Vp(affter gas breakthrough),the combination of flue gas driving and the thermal effect induced by the oxidation may become an important oil recoverymechanism.Finally,thermal effectmay become the dominate oil recoverymechanism when the thermal frontapproaches oil producers.

light oil reservoir;air injection;oil recovery mechanisms;thermal front;oxygen consumption

TE 357.7

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2012.03.020

1673-5005(2012)03-0121-05

2011-10-10

中國石化公司先導性科技項目(P06041)

任韶然(1960-),男(漢族),山東煙臺人,教授,博士生導師,主要從事注空氣提高采收率、CO2地質埋存、水合物抑制和開采研究。

(編輯 韓國良)

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