任韶然, 劉延民, 張　亮, 崔國棟, 宮智武, 王延永, 韓　波

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

近年來,國內(nèi)外注氣提高采收率技術(shù)發(fā)展迅速,目前已占據(jù)所有提高驅(qū)油效率產(chǎn)量的48%[1-2],已經(jīng)成為繼熱采之后發(fā)展較快的提高采收率方法。其中重力穩(wěn)定注氣技術(shù)(GAGI)克服了連續(xù)注氣(CGI)和水氣交替(WAG)等常規(guī)注氣技術(shù)的局限,效果顯著。GAGI開發(fā)效果很大程度上取決于氣驅(qū)前緣的穩(wěn)定性,國內(nèi)外學(xué)者嘗試性提出了許多模型來表征重力穩(wěn)定注氣[3],諸如改進(jìn)生產(chǎn)指數(shù)、Dombrowski-Brownell數(shù)、邦德數(shù)(NB)、重力數(shù)(NG)、毛管數(shù)(NC)和N數(shù)群(NGB)等,但是現(xiàn)有評價模型存在一些問題,如考慮因素不全面,方法太復(fù)雜,評價過程不直觀迅速等。筆者采用室內(nèi)試驗(yàn),分析重力穩(wěn)定氣驅(qū)影響因素和EOR機(jī)制,通過理論推導(dǎo),建立頂部注氣重力穩(wěn)定判別模型NGAGI,并進(jìn)行礦場試驗(yàn)案例驗(yàn)證。

1　重力穩(wěn)定氣驅(qū)提高采收率機(jī)制

重力穩(wěn)定注氣技術(shù),如圖1所示。在潛山油藏頂部或傾斜構(gòu)造上部實(shí)施注氣,在油藏底部鉆入一口水平井作為生產(chǎn)井,充分利用油氣密度差異導(dǎo)致的重力分異作用和水平井與油層廣泛接觸達(dá)到的較高的生產(chǎn)指數(shù),達(dá)到較好的驅(qū)油效果。

圖1　重力穩(wěn)定氣驅(qū)提高驅(qū)油效率示意圖Fig.1　Sketch map of EOR mechanism of GAGI

受到復(fù)雜地層流體性質(zhì)和施工工藝的影響,重力穩(wěn)定氣驅(qū)除一般注氣所具有的混相(降低界面張力和原油黏度、微孔滲流和滲吸驅(qū)油等)及非混相(降低原油黏度、提高膨脹能、降低界面張力和有限蒸發(fā)和抽提)EOR機(jī)制外,GAGI還具有其獨(dú)特的優(yōu)勢。

1.1　驅(qū)替“閣樓油”

注入氣在重力分異作用下上浮,形成氣頂,在驅(qū)油壓差、重力作用、驅(qū)動方式、改善流動條件及原油溶解氣膨脹等復(fù)合作用下,使油藏構(gòu)造高部位剩余油得以動用。

1.2　頂部注氣重力穩(wěn)定作用

由于油氣密度差異,引起儲層流體重新分布,逐漸形成從上到下氣—油—水的分布狀態(tài),有效抑制黏性指進(jìn),形成穩(wěn)定的氣驅(qū)前緣,高效穩(wěn)定驅(qū)油時間延長,且前緣形成“油墻”可富集沿途的可動油,油氣界面在氣頂膨脹過程中不斷下移,達(dá)到有效增油目的。

1.3　重力穩(wěn)定氣驅(qū)波及系數(shù)大

為了更好地說明重力穩(wěn)定氣驅(qū)提高驅(qū)油效率機(jī)制,提出重力穩(wěn)定注氣波及系數(shù),定義為重力穩(wěn)定注氣波及體積與油藏總體積的比值。

如圖2和3所示,當(dāng)采用重力穩(wěn)定氣驅(qū)時,注入氣理論上可以波及到整個油藏范圍,重力穩(wěn)定注氣波及系數(shù)接近1;而采用常規(guī)注氣技術(shù)時,考慮到黏性指進(jìn)及重力分異,結(jié)合現(xiàn)場開發(fā)現(xiàn)狀及案例,常規(guī)氣驅(qū)波及系數(shù)遠(yuǎn)低于重力穩(wěn)定注氣波及系數(shù)。顯然,采用頂部注氣重力穩(wěn)定氣驅(qū)采油效果更好。

圖2　頂部注氣重力穩(wěn)定波及示意圖Fig.2　Sketch map of swept volume of GAGI

圖3　常規(guī)注氣技術(shù)波及體積示意圖Fig.3　Sketch map of swept volume of conventional gas injection

2　重力穩(wěn)定氣驅(qū)判別模型

重力穩(wěn)定氣驅(qū)前緣的穩(wěn)定性受到注氣速率、氣液性質(zhì)差異和儲層傾角等因素影響,從而影響采收效果。許多學(xué)者對重力穩(wěn)定注氣影響參數(shù)進(jìn)行了研究,楊超等[4]認(rèn)為地層傾角大于13°時,更適合重力穩(wěn)定注氣開發(fā);孫雷等[5]指出當(dāng)原油相對密度小于0.876 2 g/cm3時,密度差異更明顯,重力穩(wěn)定注氣更具優(yōu)勢;張艷玉等[6-7]認(rèn)為,頂部注氣存在最佳注入速率和臨界注入速率。圖4為重力穩(wěn)定注氣模型及迪茨模式幾何關(guān)系。

圖4　重力穩(wěn)定注氣模型及迪茨模式幾何關(guān)系Fig.4　GAGI model and Diez geometrical model

根據(jù)重力穩(wěn)定注氣模型及迪茨模式幾何關(guān)系[8],通過理論推導(dǎo),綜合考慮注入氣與原油密度差異、原油黏度、滲透率、注入速率和儲集層傾角等因素,提出表征頂部注氣重力穩(wěn)定判別模型——改進(jìn)的重力穩(wěn)定判別數(shù)NGAGI。

由達(dá)西定律和勢能關(guān)系[8],沿x軸有:

(1)

(2)

式中,V定義為重力穩(wěn)定注氣通量,指單位時間注入流體體積與橫截面面積的比值,m/d;k為滲透率,10-3μm2;μ為流體黏度,mPa·s;ρ為流體密度,g/cm3;φ為勢能,J;下角o和g分別表示油相和氣相。

其中,單元流體的勢能定義為

(3)

z值向上為正,將流體看成不可壓縮,則

(4)

D為常數(shù),假設(shè)相對于儲集層垂向厚度,油氣接觸面無限大,則

φc≈φο.

(5)

則沿接觸面ac的油、氣相的勢能差為

(6)

(7)

式中，pa,o-pc,o和pa,g-pc,g分別為位置a到位置c的單位油相流體和氣相流體壓能，J;g為自由落體加速度，m/s2。

假定接觸面毛細(xì)管壓力不發(fā)生變化,則

(8)

(7)、(8)兩式相減,得到

(9)

根據(jù)圖4中幾何關(guān)系可知,

(10)

假設(shè)重力穩(wěn)定氣驅(qū)油氣接觸面穩(wěn)定,則沿著儲集層傾斜方向的流線速率為

Vx,o=Vx,g=V.

(11)

同時,為了排除儲集層的影響,引入重力穩(wěn)定注氣通量的定義,指單位時間注入流體體積與橫截面面積的比值。聯(lián)立式(9)、(10)、(11)可得

(12)

標(biāo)準(zhǔn)狀況下,空氣的黏度為1.8×10-5Pa·s,與原油的黏度相差較大,則有

(13)

當(dāng)β=α?xí)r,此時空氣驅(qū)界面極不穩(wěn)定,當(dāng)β減小時,空氣驅(qū)界面出現(xiàn)穩(wěn)定下移狀態(tài),油氣出現(xiàn)段塞式驅(qū)油,采收效果好。當(dāng)界面角β趨近于儲層夾角α?xí)r,

(14)

令

(15)

式中,k為氣相滲透率,10-3μm2;Δρo,g為油氣密度差異,g/cm3;α為表儲集層傾角,(°);μo為原油黏度,mPa·s;C為單位換算產(chǎn)生的常數(shù),C=8.64×10-5。

在界面角減小過程中,氣驅(qū)存在界面穩(wěn)定的條件,即重力穩(wěn)定注氣模式可以實(shí)現(xiàn),根據(jù)式(14)、(15)可以得到重力穩(wěn)定條件為NGAGI>1。

3　重力穩(wěn)定氣驅(qū)影響因素試驗(yàn)

重力穩(wěn)定氣驅(qū)影響因素試驗(yàn)主要針對注氣重力穩(wěn)定影響權(quán)重較高的因素進(jìn)行設(shè)計,如儲層傾角、注入速率及原油黏度等,通過室內(nèi)試驗(yàn),分析各因素對GAGI的影響和GAGI的EOR機(jī)制。

3.1　試驗(yàn)設(shè)備和方法

試驗(yàn)設(shè)備如圖5所示,主體模型為可旋轉(zhuǎn)填砂管(內(nèi)徑25 mm,內(nèi)部長度600 mm),滿足不同傾角的試驗(yàn)條件,采用恒溫箱建立恒溫環(huán)境,整個試驗(yàn)過程采用電腦監(jiān)測驅(qū)替壓力變化,對產(chǎn)出氣、液進(jìn)行計量分析。

試驗(yàn)用油均取自遼河油田某重力穩(wěn)定注氣候選區(qū)塊,目前油藏壓力20 MPa,油藏溫度98 ℃,儲層滲透率(10～100)×10-3μm2,地層原油黏度0.81 mPa·s,地面原油密度0.848 9 g/cm3,原始?xì)庥捅?8 m3/m3,采用實(shí)驗(yàn)室自配水模擬地層水,礦化度3×10-3,注入氣選用空氣。

進(jìn)行重力穩(wěn)定氣驅(qū)試驗(yàn),首先制備填砂模型,采用真實(shí)破碎巖心與不同粒徑的石英砂按一定比例混合,每次少量加入填砂管內(nèi),進(jìn)行夯擊壓實(shí),得到與目標(biāo)儲層滲透率相近的填砂管模型,誤差小于5%[9];然后對填砂管模型進(jìn)行抽真空、自吸水,測量孔隙度;將模型管裝入驅(qū)替設(shè)備,進(jìn)行常規(guī)飽和地層水、飽和油,建立高壓束縛水油環(huán)境,進(jìn)行24 h老化,期間注意產(chǎn)出液和壓力計量,計算滲透率、初始含水飽和度和含油飽和度;最后,根據(jù)試驗(yàn)方案,在油藏條件下,調(diào)整注入傾角、注入速率及原油黏度等影響因素,進(jìn)行重力穩(wěn)定氣驅(qū)試驗(yàn),監(jiān)測壓力變化,計量產(chǎn)出氣液,進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。

圖5　重力穩(wěn)定氣驅(qū)試驗(yàn)裝置示意圖Fig.5　Sketch map of set-up of GAGI

3.2　試驗(yàn)方案設(shè)計

根據(jù)重力穩(wěn)定氣驅(qū)判別模型,設(shè)計儲集層傾角影響試驗(yàn)、注入速率影響試驗(yàn)和原油黏度影響試驗(yàn),分析各因素對重力穩(wěn)定氣驅(qū)的影響及提高驅(qū)油效率機(jī)制。表1為重力穩(wěn)定氣驅(qū)影響因素試驗(yàn)條件及方案設(shè)計。

表1　重力穩(wěn)定氣驅(qū)影響因素試驗(yàn)條件及方案設(shè)計

3.3　試驗(yàn)結(jié)果分析

3.3.1儲集層傾角影響試驗(yàn)

圖6　典型驅(qū)油試驗(yàn)中驅(qū)油效率與氣油比隨注入流體體積的變化Fig.6　Variation of displacement efficiency and gas-oil ratio with HCPV in typical experiment

通過分析試驗(yàn)中驅(qū)油效率與氣油比隨原始烴類孔隙體積(HCPV)VHCPV的變化,可以確定氣竄點(diǎn)。試驗(yàn)編號2,壓力20 MPa,溫度98 ℃,注入速率0.073 m/d,NGAGI=0.2,驅(qū)油效率與氣油比隨注入流體體積的變化曲線如圖6所示。當(dāng)注入量增加至0.24VHCPV時(圖6中紅色虛線處),氣油比急劇上升,氣體突破,與此同時,驅(qū)油效率上升趨勢變化極大,由急速上升進(jìn)入緩慢增長。觀察試驗(yàn)過程中驅(qū)油效率或氣油比隨注氣段塞的變化,均可得到試驗(yàn)的氣體突破點(diǎn)。

圖7為傾角影響試驗(yàn)中驅(qū)油效率與注入流體體積的關(guān)系曲線,表2為傾角影響試驗(yàn)的主要試驗(yàn)結(jié)果對比。分析圖7和表2可見,隨著儲集層傾角的增加,氣竄時間延后(0°、45°和80°氣竄點(diǎn)分別為0.18VHCPV、0.24VHCPV和0.35VHCPV),高效穩(wěn)定生產(chǎn)時間延長,最終驅(qū)油效率增加(80°比0°增加23.77%);氣驅(qū)開始至氣體突破前,驅(qū)油效率急劇上升,高效穩(wěn)定生產(chǎn),在氣體突破之后,驅(qū)油效率上升幅度驟減,生產(chǎn)進(jìn)入平穩(wěn)期,重力穩(wěn)定氣驅(qū)存在高效的穩(wěn)定生產(chǎn)階段,即氣竄前階段,本次試驗(yàn)中穩(wěn)定生產(chǎn)階段產(chǎn)油量約占總產(chǎn)量的80%,穩(wěn)定生產(chǎn)階段對提高驅(qū)油效率影響很大。

傾角增加對重力穩(wěn)定注氣開發(fā)有利,傾角越大,氣驅(qū)前緣越穩(wěn)定,穩(wěn)定生產(chǎn)時間延長,采收率越高。這是因?yàn)?存在傾角注氣開發(fā),重力分異作用明顯,注入氣上浮,易運(yùn)移到油藏頂部或傾斜構(gòu)造上部形成氣頂,使閣樓油得到動用,且由于油氣密度差異抑制黏性指進(jìn),使氣驅(qū)前緣穩(wěn)定,剩余油在前緣富集形成油墻,不斷向底部推進(jìn),當(dāng)油墻推進(jìn)至模型底部出口端時產(chǎn)油速率較大,穩(wěn)定驅(qū)替時間較久,波及體積及驅(qū)替效率相對于水平驅(qū)替都有較大的提升。根據(jù)重力穩(wěn)定氣驅(qū)判別模型,各氣驅(qū)試驗(yàn)NGAGI小于1,僅實(shí)現(xiàn)部分程度的穩(wěn)定驅(qū)替,整體驅(qū)油效率偏低,但隨傾角增大,NGAGI增加,高效的穩(wěn)定開發(fā)時間延長,驅(qū)油效果變好。

圖7　儲集層傾角影響試驗(yàn)驅(qū)油效率與注入流體體積關(guān)系曲線Fig.7　Variation of displacement efficiency with pore volume of injected gas in bed dip experiment

試驗(yàn)編號儲層傾角/(°)氣竄/VHCPV氣竄前驅(qū)油效率/%最終驅(qū)油效率/%相對于0°驅(qū)油效率增長/%氣竄前產(chǎn)油占總產(chǎn)量的比重/%NGAGI 100.1819.0831.870.00—0.00 2450.2439.6546.8014.9384.70.20 3800.3544.7955.6423.7780.50.28

3.3.2注入速率影響試驗(yàn)

圖8和表3為注入速率影響試驗(yàn)的主要試驗(yàn)結(jié)果。可見,注氣速率較慢(0.037 m/d)時,0.37VHCPV氣竄,最終驅(qū)油效率為54.74%;注氣速率較快(0.073 m/d)時,0.27VHCPV氣竄,最終驅(qū)油效率47.61%;注氣速率較低,氣體突破延后,穩(wěn)定生產(chǎn)時間延長,開發(fā)效果更好。

圖8　注氣速率影響試驗(yàn)驅(qū)油效率與注入流體體積關(guān)系曲線Fig.8　Variation of displacement efficiency with pore volume of injected gas in experiment with different injected rate

重力穩(wěn)定氣驅(qū)效果主要取決于氣驅(qū)前緣的穩(wěn)定性,當(dāng)注入速率較大時,重力穩(wěn)定數(shù)較大,氣驅(qū)前緣速度增加,油氣界面不穩(wěn)定,黏性指進(jìn)現(xiàn)象加劇,導(dǎo)致過早氣竄;另一方面,重力穩(wěn)定注氣依靠油氣密度差異產(chǎn)生重力分異作用,導(dǎo)致油藏流體出現(xiàn)從上到下氣—油—水的分布狀態(tài),從而抑制黏性指進(jìn),注氣速率過快,重力分異作用不充分,影響重力穩(wěn)定驅(qū)替效果。

表3　注氣速率影響試驗(yàn)結(jié)果對比

注氣速率低,最終驅(qū)油效率效果較好,這并不是說注入速率越低越好,注氣速率過低,會極大延長生產(chǎn)時間,增加作業(yè)成本,不符合油田生產(chǎn)規(guī)劃要求。綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益與開發(fā)效果,存在最優(yōu)的注氣速率。

3.3.3原油黏度影響試驗(yàn)

圖9和表4為原油黏度影響試驗(yàn)主要結(jié)果。對比發(fā)現(xiàn),原油黏度較大,氣竄時注氣0.37VHCPV,最終驅(qū)油效率為52.59%;油樣黏度較小,氣體突破時注氣0.42VHCPV,最終驅(qū)油效率為71.73%,較大黏度油樣驅(qū)油效率提高了19.14%?？梢?重力穩(wěn)定注氣技術(shù)更適用于低黏度油藏,原油黏度較低時,氣體突破時間較晚,穩(wěn)定驅(qū)替時間較長,達(dá)到的采收效果較好。

注入氣與原油黏度差異較大,氣驅(qū)易形成指進(jìn)現(xiàn)象,導(dǎo)致驅(qū)替前緣不穩(wěn)定,會降低波及體積和洗油效率,對采收率有害。較低的原油黏度會降低流度比,有效抑制黏性指進(jìn),穩(wěn)定驅(qū)替前緣,減緩氣體突破時間,延長氣驅(qū)高效的穩(wěn)定采油時間,提高采收率。

圖9　原油黏度影響試驗(yàn)驅(qū)油效率與注入流體體積關(guān)系曲線Fig.9　Variation of displacement efficiency with pore volume of injected gas in experiment of oil viscosity

試驗(yàn)編號原油黏度/(mPa·s)氣竄/VHCPV氣竄前驅(qū)油效率/%NGAGI最終驅(qū)油效率/% 62.070.3734.080.5652.59 70.810.4250.851.4371.73

3.3.4氣驅(qū)后殘余油分布

對試驗(yàn)后管內(nèi)殘余油砂進(jìn)行取樣排布,解析重力穩(wěn)定氣驅(qū)特點(diǎn)。填制模型砂粒呈白色,殘余油含量越高,砂粒顏色越深。對氣驅(qū)后管內(nèi)殘余油砂按照順序取出,排列并拍照,觀察其顏色和分布情況,并對油砂進(jìn)行殘余油飽和度分析,結(jié)果如圖10和表5所示。

圖10　氣驅(qū)后管內(nèi)殘余油砂實(shí)物圖Fig.10　Scheme of residual oil and sand in tube after gas flooding

可以發(fā)現(xiàn),水平注氣方式,殘余油砂整體顏色較深,殘余油飽和度超過65%,驅(qū)替效率很低;采用存在傾角的重力穩(wěn)定注氣方式,排除由于端部效應(yīng)導(dǎo)致模型兩端顏色較深、殘余油飽和度異常外,模型中段顏色較淺,基本呈白色,重力穩(wěn)定注氣發(fā)揮作用的模型中段,殘余油飽和度低于10%,采收效果較好,而且,隨著傾角的增加,注入速率降低,原油黏度減小,實(shí)現(xiàn)重力穩(wěn)定注氣模式的模型中段距離增加(試驗(yàn)3殘余油飽和度9%的范圍20 cm,試驗(yàn)7中范圍增長到40 cm),整體殘余油飽和度明顯降低,整體采收效果變好。存在傾角情況下,低速率注氣充分發(fā)揮重力分異作用,有效抑制黏性指進(jìn),穩(wěn)定氣驅(qū)前緣,實(shí)現(xiàn)或部分實(shí)現(xiàn)重力穩(wěn)定作用,驅(qū)油效率遠(yuǎn)高于常規(guī)注氣。

表5　氣驅(qū)后管內(nèi)殘余油飽和度分布Table 5　Distribution of residual oil saturation in tube after gas flooding

4　重力穩(wěn)定氣驅(qū)判別模型應(yīng)用

運(yùn)用改進(jìn)的重力穩(wěn)定判別數(shù)NGAGI對以上7組重力穩(wěn)定氣驅(qū)影響因素試驗(yàn)進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),隨著重力穩(wěn)定判別數(shù)NGAGI增加,可實(shí)現(xiàn)或者部分實(shí)現(xiàn)重力穩(wěn)定氣驅(qū)模式,氣竄時間延后,采收效果變好;較大的儲層傾角、低速率注氣和較低的原油黏度,NGAGI值增加,對于氣驅(qū)前緣穩(wěn)定和驅(qū)油效率提高有利;在存在傾角情況下,仍需要低速注氣加強(qiáng)重力穩(wěn)定作用。

如表6,調(diào)研3個油田實(shí)施重力穩(wěn)定注空氣技術(shù)[11-16]礦場試驗(yàn)情況并結(jié)合以上室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù),可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)重力穩(wěn)定判別數(shù)NGAGI大于1時,礦場試驗(yàn)油藏穩(wěn)定生產(chǎn)多年未見氣竄,礦場試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)增油效果顯著,而NGAGI小于1時,頂部注氣過早突破,未達(dá)到預(yù)期效果。

運(yùn)用改進(jìn)的重力穩(wěn)定判別數(shù)NGAGI,綜合考慮注入氣與原油密度差異、原油黏度、滲透率、注入速率和儲集層傾角等因素的影響,評價重力穩(wěn)定注氣界面穩(wěn)定程度,篩選重力穩(wěn)定適用油藏,為油田礦場應(yīng)用提供一定的決策依據(jù)。

表6　重力穩(wěn)定氣驅(qū)判別模型應(yīng)用

5　結(jié)　論

(1)氣驅(qū)開始至氣體突破前,驅(qū)油效率急劇上升,氣竄后驅(qū)油效率上升幅度驟減,生產(chǎn)進(jìn)入平穩(wěn)期,重力穩(wěn)定氣驅(qū)存在高效的穩(wěn)定生產(chǎn)階段,即氣竄前階段,穩(wěn)定生產(chǎn)階段的長短對于提高驅(qū)油效率影響很大;增大模型傾角、減小注氣速率和降低原油黏度,可延長穩(wěn)定生產(chǎn)時間,利于實(shí)現(xiàn)重力穩(wěn)定氣驅(qū)模式,提高采收率。

(2)刨除填砂管兩端由于端部效應(yīng)效果不甚明顯,重力穩(wěn)定氣驅(qū)主要作用的填砂管中部,殘余油砂基本呈白色,殘余油飽和度低于10%,采收效果較好。

(3)綜合考慮注入氣與原油密度差異、原油黏度、滲透率、注入速率和儲集層傾角等因素的影響,建立簡單量化的頂部注氣重力穩(wěn)定判別模型NGAGI,當(dāng)NGAGI大于1時,可實(shí)現(xiàn)重力穩(wěn)定氣驅(qū)模式,增油效果明顯,而NGAGI小于1時,頂部注氣易氣竄,未達(dá)到預(yù)期效果。運(yùn)用改進(jìn)的重力穩(wěn)定判別數(shù)NGAGI可有效評價重力穩(wěn)定氣驅(qū)前緣穩(wěn)定性,為重力穩(wěn)定氣驅(qū)適用油藏篩選和現(xiàn)場施工提供一定的決策依據(jù)。