郭文敏 ，李治平，呂愛華，萬國賦

1.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）能源學(xué)院，北京 海淀100083

2.常州大學(xué)石油工程學(xué)院，江蘇 常州213016

引 言

低滲油藏開采難度大，很重要的原因之一就在于注水難的問題，而氣體相對于水來說黏度低，滲流能力強(qiáng)，且原油溶解氣體后具有降黏、膨脹、降低界面張力的作用，因此，氣驅(qū)在解決低滲透油藏開發(fā)方面有獨(dú)特的優(yōu)勢，其中CO2逐步成為油藏氣驅(qū)的首選驅(qū)替劑。雖然目前國內(nèi)開展CO2驅(qū)現(xiàn)場工作的主要有大慶、吉林、勝利、遼河、中原、江蘇等油田[1-4]，但是對于低滲透油藏CO2驅(qū)滲流機(jī)理的研究仍處于探索性階段。為更精細(xì)、準(zhǔn)確、量化描述CO2在多孔介質(zhì)中的滲流狀況，利用與CO2性質(zhì)相近的SF6作為氣體示蹤劑，從示蹤劑響應(yīng)曲線的見劑時間、峰值高低、峰型寬窄、回采率等角度[4-8]，研究CO2地下滲流狀況，為今后有效促進(jìn)低滲透儲層CO2驅(qū)的科學(xué)開展以及CO2驅(qū)的方案設(shè)計提供室內(nèi)實(shí)驗(yàn)參考及理論依據(jù)。

1 氣體示蹤劑篩選

1.1 CO2 氣體性質(zhì)

在常溫、常壓下，CO2為無色無嗅氣體，分子量44.01，相對密度約為空氣的1.54 倍，臨界溫度31°C，臨界壓力7.49 MPa[9]。

1.2 氣體示蹤劑選擇

氣體示蹤劑主要包括化學(xué)類和放射類，考慮到放射性物質(zhì)對環(huán)境及人體的影響，現(xiàn)在國內(nèi)外基本上都已禁用。化學(xué)類氣體示蹤劑主要包括氟利昂系列、六氟化硫、全氟環(huán)烷烴系列、氦氣等惰性氣體系列。從氣體示蹤劑篩選標(biāo)準(zhǔn)以及現(xiàn)場應(yīng)用情況來看[10-15]，SF6比其他化學(xué)類氣體示蹤劑具有明顯優(yōu)勢[16]，其在常溫常壓下呈氣態(tài)，是一種無色、無嗅、基本無毒、不可燃的鹵素化合物，與水、強(qiáng)堿、氨、鹽酸、硫酸等不反應(yīng)，在低于150 ℃時，SF6氣體呈化學(xué)惰性。同時，SF6具有在釋放和檢測的范圍內(nèi)對人體無害、便于檢測并有較高精度、不為井下物料表面吸附、熱穩(wěn)定性好、且地層自然本底濃度低等特性。

1.3 SF6 示蹤C(jī)O2 驅(qū)替原理

SF6與CO2在物理性質(zhì)上具有最相近的特性[16-17]，SF6相對密度1.67，臨界壓力3.37 MPa，臨界溫度45.5 ℃，是所有氣體示蹤劑之中與CO2性質(zhì)最為相近的，而大多數(shù)油藏溫度均處于大于45.5 ℃狀態(tài)，即SF6與CO2在油藏環(huán)境下均不會以液態(tài)形式存在，可見壓力的變化將使CO2處于混相/非混相狀態(tài)，而此時SF6氣體的產(chǎn)出將表現(xiàn)為不同的曲線特征，由此即可通過SF6見劑響應(yīng)曲線來判斷CO2地下驅(qū)油過程中的滲流狀況。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 主要儀器設(shè)備

CO2驅(qū)替實(shí)驗(yàn)裝置采用海安石油科研儀器廠的酸化效果評價實(shí)驗(yàn)裝置，內(nèi)置恒溫箱、平流泵、高壓容器（純CO2氣體鋼瓶）、巖芯夾持器、壓力表等儀器（圖1）。

圖1 CO2 驅(qū)替實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 The test device for CO2 flooding

SF6檢測采用南京仁華色譜科技應(yīng)用開發(fā)中心組裝的GC-9890A/T 氣相色譜儀，內(nèi)置高靈敏度熱導(dǎo)檢測器（TCD），5A?4×1 m（填充色譜柱）2 根（預(yù)柱和專用分析柱），檢測極限0.1 mg/L。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法及步驟

實(shí)驗(yàn)步驟參考中國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY 5345—89，SF6加劑方式采用課題組自行設(shè)計命名的“常壓加劑高壓注入”的微體積量氣體加劑方式（設(shè)計直徑0.20 cm，長度5.61 cm 的高壓管線作為示蹤劑加劑容器，折算常溫常壓體積0.176 cm3）[16]，加劑后，可以有效實(shí)現(xiàn)CO2與SF6的段塞式注入并且可以實(shí)現(xiàn)在高壓CO2氣體注入后處于微量濃度。巖芯洗油、烘干、飽和地層水、造束縛水后，具體氣體示蹤實(shí)驗(yàn)加劑及驅(qū)替操作流程為（參考圖1）：（1）關(guān)閉a、e、d 閥門，打開b、c 閥門；（2）利用注射器經(jīng)位置①從b 閥門注入，對閥門b 和閥門c 間的管線進(jìn)行SF6吹掃，利用SF6和空氣密度差的原理實(shí)現(xiàn)常壓加劑過程；（3）關(guān)閉b、c 閥門，同時打開a、e 閥門，實(shí)現(xiàn)SF6的CO2驅(qū)段塞式注入；（4）出口端低壓取樣，進(jìn)行色譜分析。

2.3 實(shí)驗(yàn)基本參數(shù)

本次實(shí)驗(yàn)共使用4 塊巖芯完成4 次實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)溫度為恒溫50°C，巖芯基本參數(shù)及實(shí)驗(yàn)壓力如表1 所示，根據(jù)CO2臨界壓力（7.49 MPa）可以看出，4 塊巖芯滲透率基本相同（約2 mD），第1、2組為CO2非混相驅(qū)實(shí)驗(yàn)，第3、4 組為CO2混相驅(qū)實(shí)驗(yàn)。

表1 CO2 混相/非混相驅(qū)實(shí)驗(yàn)基本參數(shù)表Tab.2 CO2 non-hydrocarbon/miscible-phase displacement experimental parameters table

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

3.1 示蹤響應(yīng)曲線峰型表征

為研究方便，對示蹤劑產(chǎn)出曲線進(jìn)行解剖，定義如下概念，具體示蹤劑產(chǎn)出曲線統(tǒng)計計算示意圖見圖2，其中ABCD 段產(chǎn)出濃度為實(shí)測結(jié)果，DE 段為預(yù)測結(jié)果。其中：（1）前1/4 峰值：示蹤劑產(chǎn)出曲線峰前峰值的1/4，對應(yīng)B 點(diǎn)。（2）后1/4 峰值：示蹤劑產(chǎn)出曲線峰后峰值的1/4，對應(yīng)D 點(diǎn)。（3）1/4峰寬前、后兩個1/4 峰值之間的距離（注入量），對應(yīng)BD 或FG 距離。（4）1/4 峰面積：后1/4 峰值之前曲線與x 軸所圍成的面積，ABCDFGA 圍成的面積。（5）后續(xù)曲線：后1/4 峰值之后的預(yù)測曲線，DEF 圍成的面積。

圖2 示蹤劑產(chǎn)出曲線統(tǒng)計計算概念示意圖Fig.2 The calculation method for the curves of the tracer

以CO2注入孔隙體積倍數(shù)PV 為橫坐標(biāo)，以示蹤劑產(chǎn)出濃度為縱坐標(biāo)，繪制4 個巖芯實(shí)驗(yàn)示蹤劑產(chǎn)出情況結(jié)果如圖3 所示。利用示蹤劑曲線特征，計算各峰型表征參數(shù)表2 所示。

從表2 可以看出：

（1）兩次非混相驅(qū)峰值對應(yīng)注CO2孔隙體積倍數(shù)分別為1.2 和1.3，而混相驅(qū)時分別為0.12 和0.13，非混相驅(qū)替峰值濃度對應(yīng)注入量數(shù)約為混相時的10 倍，說明在非混相驅(qū)條件下，CO2驅(qū)替過程基本上為活塞式驅(qū)替，由于CO2的橫向擴(kuò)散性，CO2峰值推進(jìn)速度小于原油滲流速度；當(dāng)CO2與地下原油發(fā)生混相時，地層壓力變大，CO2高壓溶解并在原油中快速擴(kuò)散，使得CO2將快速突破；

圖3 示蹤劑產(chǎn)出曲線統(tǒng)計計算概念示意圖Fig.3 The result curves of the tracer

表2 CO2 驅(qū)替示蹤劑產(chǎn)出峰型參數(shù)Tab.2 The parameters of the tracer curve during CO2 flooding

（2）從峰寬來看，非混相驅(qū)峰寬明顯大于混相驅(qū)替，原因在于非混相驅(qū)壓力低，CO2壓縮比小，其突破后產(chǎn)出持續(xù)性明顯變強(qiáng)，而在高壓下與之相反；

（3）在實(shí)際現(xiàn)場CO2驅(qū)中，當(dāng)峰值對應(yīng)注入量較小或峰寬較小時，為混相驅(qū)替。

3.2 氣體示蹤劑回采率

示蹤劑回采率定義為通過取樣產(chǎn)出的示蹤劑總量與示蹤劑總注入量的比值，即示蹤劑產(chǎn)出曲線與橫坐標(biāo)圍成的面積。計算的1#～4#巖芯的CO2驅(qū)示蹤劑回采率分別為18.4%，31.7%，1.1%，7.9%?？梢姡腔煜囹?qū)示蹤劑回采率在18.0%～32.0%，而混相驅(qū)示蹤劑回采率在1.0%～8.0%，說明在非混相驅(qū)替過程中，CO2在原油中的溶解擴(kuò)散能力小于混相驅(qū)過程，使得CO2的產(chǎn)出相對混相驅(qū)要多，從側(cè)面也看出混相驅(qū)CO2對于原油的改性能力要遠(yuǎn)好于非混相驅(qū)過程。在實(shí)際井組CO2驅(qū)過程中，如果回采率越低，混相特征越明顯，驅(qū)油效果越好。

3.3 氣體示蹤曲線預(yù)測

根據(jù)后續(xù)示蹤劑曲線形態(tài)，利用方程（1）所示的冪函數(shù)形式對示蹤劑產(chǎn)出濃度后續(xù)曲線（圖1 所示中DE 段）進(jìn)行擬合預(yù)測。

式中：C—濃度，mg/L；

A—開始下降時的濃度，mg/L；

V—注入量，PV；

B—系數(shù)，無因次。

可以看出，系數(shù)A 從側(cè)面反映CO2驅(qū)峰值濃度的大??；系數(shù)B 代表濃度降低速度，反映CO2驅(qū)段塞后緣的擴(kuò)散特征，B 越大說明降低速度越快。具體擬合參數(shù)見表3。

表3 CO2 驅(qū)替示蹤劑產(chǎn)出預(yù)測曲線參數(shù)Tab.3 The forecasting parameters of the tracer curve during CO2 flooding

從表3 可以看出，（1）CO2非混相驅(qū)時的系數(shù)A 明顯高于混相驅(qū)，說明在非混相條件下，CO2以氣體段塞形式移動，氣體段塞突破后形成的見氣峰值濃度更高；（2）CO2非混相驅(qū)時的系數(shù)A 同樣明顯高于混相驅(qū)，表明氣體段塞前緣、后緣與原油接觸產(chǎn)生的擴(kuò)散作用遠(yuǎn)小于混相條件下氣體溶解于原油時的擴(kuò)散能力；（3）在實(shí)際井組CO2驅(qū)過程中，如果示蹤曲線后緣預(yù)測指數(shù)A、B 較低，說明注采井間壓力損失較小，能夠維持CO2混相驅(qū)替。

4 結(jié) 論

（1）SF6與CO2在物理性質(zhì)上具有最相近的特性，可作為CO2驅(qū)動態(tài)監(jiān)測最佳示蹤氣體，且不同響應(yīng)特征反映不同的驅(qū)油機(jī)理。

（2）非混相驅(qū)峰值濃度對應(yīng)注入量大于混相驅(qū)，峰寬大于混相驅(qū)，如果實(shí)際注采井間峰值對應(yīng)注入量越小或峰寬越小，則混相驅(qū)特征越強(qiáng)；非混相驅(qū)示蹤劑回采率大于混相驅(qū)，實(shí)際井間回采率越低，混相特征越明顯。

（3）后續(xù)曲線預(yù)測時，預(yù)測系數(shù)越小，則CO2混相特征越明顯，開發(fā)效果越好。

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