趙鳳蘭，宋黎光，馮海如，王 強(qiáng)

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京 102249；2.石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；3.中國(guó)石油冀東油田分公司，河北唐山 063000；4.海洋工程股份有限公司，天津 300451）

0 前言

隨著常規(guī)油田開發(fā)進(jìn)入中后期，非常規(guī)油氣資源的勘探開發(fā)力度增加。低滲透油藏作為一種非常規(guī)油氣資源，由于儲(chǔ)層滲透率較低，水驅(qū)開發(fā)難度較大，存在注入壓力大，驅(qū)油效率低的問題。氣驅(qū)由于注入性好，存在多種驅(qū)油機(jī)理而對(duì)低滲油藏開發(fā)具有很好的適應(yīng)性［1-3］。CO2驅(qū)是一種能實(shí)現(xiàn)減緩溫室效應(yīng)和提高原油采收率雙重效益的氣驅(qū)開發(fā)方式，將CO2注入油藏后，CO2溶解在原油中，在溶解降黏、原油膨脹、降低界面張力、溶解氣驅(qū)等驅(qū)油機(jī)理作用下［4］，波及區(qū)域內(nèi)原油可被高效采出。若原油性質(zhì)較好，地層壓力較高，CO2與原油達(dá)到混相狀態(tài)，油氣互溶后界面張力接近0，理論驅(qū)油效率接近100%，但實(shí)現(xiàn)混相驅(qū)的條件苛刻，比較容易實(shí)現(xiàn)的近混相驅(qū)也可達(dá)到很高的采收率，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益［5-6］。國(guó)外的氣源充足，因此CO2驅(qū)發(fā)展迅速。國(guó)內(nèi)缺少氣源及相應(yīng)的運(yùn)輸管線，CO2驅(qū)的應(yīng)用較少，但也開展了CO2對(duì)我國(guó)部分油田的適應(yīng)性研究，取得了可觀的開發(fā)效果［7-9］。國(guó)內(nèi)外CO2驅(qū)的應(yīng)用表明，波及效率較低是制約CO2驅(qū)開發(fā)效果的主要因素，氣驅(qū)波及效率低將滯留大量剩余油在低滲孔隙內(nèi)，降低原油采收率［10-11］。當(dāng)油藏厚度較大時(shí)，注入氣與原油因存在密度差異而形成重力超覆，會(huì)降低注入氣對(duì)油藏縱向波及效率，使大量剩余油滯留在油藏下部，降低CO2驅(qū)開發(fā)效果。因此，有必要開展有關(guān)重力超覆的相關(guān)研究以改善CO2驅(qū)波及效率。

重力超覆的研究多采用數(shù)值模擬方法，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)方面目前僅有少量常溫常壓條件下的可視化模型定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果。杜勇等［12］通過可視化模型及受力分析得出，氣驅(qū)開發(fā)中僅靠油氣密度差引起的浮力難以使氣泡運(yùn)移至油藏上部，在沒有驅(qū)替力的情況下重力超覆難以形成。Araktingi 等［13］利用數(shù)值模擬研究不同黏性力及重力綜合作用下驅(qū)替前緣發(fā)展變化規(guī)律，研究表明黏性力與重力比值達(dá)到的最高值時(shí)的驅(qū)替效果最好。Jamshidnezhad 等［14］對(duì)氣水交替注入時(shí)的重力分異進(jìn)行了研究，注氣速率增大會(huì)減緩氣水重力分異程度。本文設(shè)計(jì)了可模擬油藏高溫高壓條件下油氣運(yùn)移并能實(shí)現(xiàn)對(duì)重力超覆定量表征的二維高溫高壓氣驅(qū)超覆物理模型，室內(nèi)研究了注氣速率對(duì)CO2非混相驅(qū)重力超覆程度的影響，以期為CO2驅(qū)開發(fā)過程中盡可能抑制和減緩改善超覆程度提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

實(shí)驗(yàn)用油為勝利油田某低滲區(qū)塊脫氣原油，實(shí)驗(yàn)溫度（60℃）下的密度和黏度分別為0.788 g/cm3和1.24 mPa·s（60℃，7.34 s-1），實(shí)驗(yàn)溫度下與CO2的最小混相壓力約為18 MPa。實(shí)驗(yàn)巖心為由露頭砂人工壓制的尺寸為60×8×2（cm）的方形均質(zhì)低滲巖心；實(shí)驗(yàn)用水為勝利油田某低滲區(qū)塊模擬地層水，礦化度72597 mg/L，主要離子質(zhì)量濃度（單位mg/L）為：Na++K+25736、Ca2++Mg2+2252、Cl-42961、HCO3-1179、SO42-469，CaCl2水型；實(shí)驗(yàn)用氣為純度99.9%的CO2，密度0.2858 g/cm3，黏度0.025 mPa·s。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括注入系統(tǒng)、巖心夾持器、產(chǎn)出系統(tǒng)及壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主要包括ISCO-100DX 恒壓恒速泵、高溫高壓活塞中間容器、高溫高壓驅(qū)氣驅(qū)超覆巖心夾持器、兩個(gè)與上下層產(chǎn)出端相連的回壓閥、兩套氣液分流計(jì)量裝置、兩個(gè)氣體流量計(jì)（Brokhorst）、KDHW-Ⅱ型自控恒溫箱、壓力傳感器及壓力數(shù)據(jù)采集模塊、管線若干。實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置流程圖

為模擬油藏條件油氣運(yùn)移情況下的氣驅(qū)超覆，根據(jù)氣驅(qū)超覆產(chǎn)生條件及形成氣驅(qū)超覆時(shí)的產(chǎn)出流體特征，設(shè)計(jì)可模擬油藏條件下油氣運(yùn)移并能體現(xiàn)氣驅(qū)超覆的二維高溫高壓物理模型，示意圖見圖2。該模型為一種可裝載長(zhǎng)度和厚度較大的巖心的巖心夾持器，巖心夾持器上下兩個(gè)產(chǎn)出端用于分層采集產(chǎn)出流體。為了能體現(xiàn)CO2驅(qū)中的超覆現(xiàn)象，將巖心尺寸設(shè)計(jì)為60×8×2（cm），巖心的長(zhǎng)度、厚度的增大有利于氣驅(qū)超覆的形成和發(fā)展，寬度的減小則為了減小水平黏性指進(jìn)對(duì)氣驅(qū)超覆的影響。

圖2 氣驅(qū)超覆物理模型

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

驅(qū)替實(shí)驗(yàn)方法與一般CO2驅(qū)替實(shí)驗(yàn)相似，需要注意的是，為了提高巖心含油飽和度，飽和油過程時(shí)巖心水平放置，進(jìn)行CO2驅(qū)時(shí)，巖心豎直放置，同時(shí)對(duì)巖心上下層產(chǎn)出流體進(jìn)行分別計(jì)量，表征不同注氣速率的氣驅(qū)超覆程度，進(jìn)而分析注氣速率對(duì)CO2驅(qū)超覆的影響。

具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）驅(qū)替前準(zhǔn)備：測(cè)量巖心外觀尺寸，以滿足巖心夾持器要求，計(jì)算巖心視體積，干燥巖心24 h 以上；打磨巖心表面至平整光滑，巖心表面涂環(huán)氧樹脂防腐層，干燥巖心至防腐層固化；巖心放置在夾持器內(nèi)，加圍壓至5 MPa，并用真空泵將巖心抽真空4 h 以上；利用手搖泵對(duì)巖心飽和模擬地層水，計(jì)量巖心孔隙體積；對(duì)飽和模擬地層水后的巖心進(jìn)行水測(cè)滲透率，水測(cè)滲透率時(shí)產(chǎn)出端均打開，通過注入速率和巖心兩端壓差計(jì)算巖心滲透率；將巖心放置在60 ℃恒溫箱內(nèi)升溫至圍壓穩(wěn)定，并翻轉(zhuǎn)巖心夾持器使巖心水平放置，以低流速（0.05 mL/min）對(duì)巖心進(jìn)行飽和油至巖心產(chǎn)出端不再出水為止，通過產(chǎn)出流體及注入油量計(jì)量飽和油量，計(jì)算巖心含油飽和度；將飽和原油后的巖心在60 ℃恒溫箱內(nèi)老化24 h以上以模擬地層條件。

（2）CO2驅(qū)替實(shí)驗(yàn)：翻轉(zhuǎn)巖心夾持器，以不同流速（0.1、0.3、0.5、1 mL/min）將CO2以恒定流速由注入端注入巖心（巖心參數(shù)見表1）內(nèi)；調(diào)整與夾持器上下層產(chǎn)出端相連的回壓閥的壓力約10 MPa，并打開巖心上下層產(chǎn)出端，驅(qū)替至某一產(chǎn)出端生產(chǎn)氣油比大于3000 m3/m3時(shí)結(jié)束驅(qū)替；記錄實(shí)驗(yàn)過程中巖心產(chǎn)出端上下層產(chǎn)油量、產(chǎn)氣量，計(jì)算巖心上下層的采收率大小并表征氣驅(qū)超覆程度。

表1 各組實(shí)驗(yàn)巖心參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 不同注氣速率下的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)及超覆程度分析

不同注入速率下，上下層采收率和累計(jì)產(chǎn)氣量隨CO2注入量的變化見圖3。但注入速率為0.1 mL/min時(shí)（圖3（a）），巖心上層先產(chǎn)油，采收率隨CO2注入量的增加不斷增加，CO2注入量達(dá)0.244 PV時(shí)，巖心下層才開始產(chǎn)油，采收率緩慢增加，表明CO2優(yōu)先波及巖心上層，對(duì)巖心下層的波及體積小，形成嚴(yán)重的重力超覆；CO2注入量達(dá)0.458 PV時(shí)，重力舌進(jìn)到達(dá)上層產(chǎn)出端，產(chǎn)氣量逐漸增加，受上層產(chǎn)氣影響，下層波及效率進(jìn)一步降低，采收率不再增加，見氣時(shí)上下層采收率分別為40.61%和0.73%。重力超覆影響下CO2對(duì)巖心下層的波及效率較低；由于重力舌進(jìn)較為嚴(yán)重，氣體突破后，不利流度比增大，巖心上層油氣同產(chǎn)時(shí)間較短，生產(chǎn)氣油比很快達(dá)到經(jīng)濟(jì)極限，巖心最終采收率僅為49.49%，巖心整體驅(qū)替效果較差。實(shí)驗(yàn)中下層基本不產(chǎn)油，這與油藏實(shí)際開發(fā)不符，原因可能是上下層產(chǎn)出端的出口回壓閥誤差較大，限制了巖心下層流體的產(chǎn)出，為了統(tǒng)一實(shí)驗(yàn)條件，后續(xù)注氣速率實(shí)驗(yàn)采用本組實(shí)驗(yàn)相同回壓閥。

圖3 不同注入速率下上下層采收率及累計(jì)產(chǎn)氣量隨CO2注入量變化曲線

CO2注入速率增至0.3 mL/min時(shí)（（圖3（b）），與注氣速率0.1 mL/min 時(shí)相比，巖心下層采收率明顯增加，雖然巖心上層仍先產(chǎn)油，但巖心上、下層很快達(dá)到共同生產(chǎn)狀態(tài)。這表明注氣速率增至0.3 mL/min 后，CO2對(duì)巖心下層的波及效率有所增加。但是，巖心上層采收率的增加幅度高于巖心下層的，且隨著CO2注入量的增加兩者差值逐漸增大，說明仍存在明顯的重力超覆。CO2注入量達(dá)到0.35 PV時(shí)，重力舌進(jìn)到達(dá)上層產(chǎn)出端，上層采收率增加速率下降，下層采收率由于上層見氣，波及效率進(jìn)一步降低而更加緩慢增加。見氣時(shí)巖心上下層采收率分別為22.1%和10%。CO2對(duì)巖心下層波及體積增加，見氣后，CO2對(duì)巖心下層剩余油仍有波及，且上層油氣同產(chǎn)時(shí)間較長(zhǎng)，在上層生產(chǎn)氣油比達(dá)經(jīng)濟(jì)極限后，上下層采收率分別為35.95%和16.15%，最終采收率為52%。注氣速率增大后，CO2對(duì)巖心整體波及效率改善，整體采收率得到提高，但重力超覆仍然明顯。

CO2注入速率增至0.5 mL/min時(shí)（（圖3（c）），巖心上下層同時(shí)產(chǎn)油，采收率穩(wěn)定增加；隨著CO2注入量的增加，上下層采收率差值逐漸增大，說明有氣驅(qū)超覆產(chǎn)生，但巖心上下層采收率差異較小。CO2注入量達(dá)到0.58 PV 左右時(shí)上層見氣，受不利流度比影響，巖心上下層采收率增加幅度均降低，上層產(chǎn)氣量逐漸增加，見氣時(shí)上下層采收率分別為21.3%和13.9%，下層采收率進(jìn)一步增加，與上層采收率差距減小。當(dāng)CO2注入量增至1.5 PV 時(shí)，上層生產(chǎn)氣油比逐漸達(dá)到經(jīng)濟(jì)極限，油氣同產(chǎn)時(shí)間較長(zhǎng)。驅(qū)替結(jié)束時(shí)上下層采收率分別為37.4%和22.86%，總采收率高達(dá)60.26%。注氣速率增至0.5 mL/min 時(shí)，上下層波及效率差異減小，巖心整體波及效率增大，原油采收率高。

CO2注入速率增至1 mL/min 時(shí)（（圖3（d）），上下層巖心可能存在微弱非均質(zhì)性，巖心下層先產(chǎn)油，隨后上層也很快產(chǎn)油，上下層采收率同步增加，兩者采收率差異極小，說明油氣運(yùn)移過程中幾乎不存在重力超覆。CO2注入量達(dá)0.81 PV 左右時(shí)上層見氣，CO2注入量達(dá)0.9 PV左右時(shí)下層也見氣，上下層見氣間隔較短，氣驅(qū)前緣存在微弱的重力舌進(jìn)，見氣時(shí)上下層采收率分別為17.5%和16.4%。上層采收率略高于下層采收率，且下層采收率相比注氣速率為0.5 mL/min 時(shí)有所提高。由于見氣時(shí)間較長(zhǎng)，巖心整體波及效率較高，見氣時(shí)總采收率達(dá)33.9%。見氣后，受微弱非均質(zhì)性影響，下層產(chǎn)氣量略高于上層，而上下層采收率增加幅度相近，表明重力超覆程度微弱，驅(qū)替近似活塞驅(qū)替。上下層油氣同產(chǎn)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，驅(qū)替結(jié)束時(shí)上下層采收率分別為33.1%和31.9%，最終采收率高達(dá)65%。在較大注氣速率下，重力超覆微弱，CO2對(duì)巖心近似活塞驅(qū)替，整體波及效率進(jìn)一步提高。

不同注入速率下，上下層采收率所占比重隨CO2注入量的變化如圖4所示。上下層采收率所占比重可直觀反映重力超覆程度。注氣速率為0.1 mL/min 時(shí)，巖心上層采收率所占比重在95%以上，而巖心下層采收率所占比重不足5%；注氣速率為0.3 mL/min 時(shí)，上下層采收率所占比重分別為68.8%和31.2%，上層采收率是下層采收率的兩倍以上，但相比注氣速率為0.1 mL/min 時(shí)有所降低；注氣速率增至0.5 mL/min 時(shí)，見氣時(shí)上下層采收率所占比重分別為60.5%和39.5%，下層采收率所占比重相比注氣速率0.3 mL/min 時(shí)有所增加；注氣速率增至1 mL/min，隨著CO2注入量的增加，上下層采收率所占比重接近，見氣時(shí)兩者分別為51.6%和48.4%。巖心上下層采收率所占比重分布表明，隨注氣速率的增大，重力超覆得到有效抑制，氣驅(qū)前緣穩(wěn)定推進(jìn)，巖心整體采收率逐漸提高。

圖4 不同注入速率下上下層采收率所占比重隨CO2注入量變化曲線

2.2 注氣速率對(duì)重力超覆影響機(jī)理分析

注氣速率分別為0.1、0.3、0.5和1 mL/min時(shí)，見氣時(shí)下層采收率分別為0、10.02%、13.90%和16.39%，見氣時(shí)上層采收率所占比重分別為100%、68.8%、60.5%和51.6%，這說明增大注氣速率可以提高見氣前CO2對(duì)巖心下層的波及效率，使見氣時(shí)上層采收率所占比重下降。注氣速率分別為0.1、0.3、0.5 和1 mL/min 時(shí)，最終采收率分別49.4%、52.1%、60.26%和65%，其中上層采收率所占比重分別為97.54%、69.03%、63.07%和50.92%，這說明隨著注氣速率的增大，最終采收率增大，且上層采收率所比重下降。CO2對(duì)巖心上層的波及效率沒有明顯變化，但對(duì)下層的波及效率逐漸增大，下層剩余油被CO2波及后產(chǎn)出，整體采收率增大。不同注氣速率下的實(shí)驗(yàn)采收率結(jié)果表明，增大注氣速率會(huì)減弱重力超覆程度，擴(kuò)大氣驅(qū)波及體積，CO2對(duì)巖心下層的波及效率得到改善，最終采收率增大。

不同注氣速率（0.1、0.5、1 mL/min）下驅(qū)油實(shí)驗(yàn)后的巖心剖面如圖5所示。注氣速率為0.1 mL/min時(shí)，驅(qū)替后巖心的后端剖面剩余油分布較多，主要集中在巖心下層，巖心上層受CO2波及剩余油分布較少，驅(qū)替剖面較為清晰，說明重力超覆嚴(yán)重。注氣速率增至0.5 mL/min 時(shí)，巖心后端剩余油量減少，巖心前端驅(qū)替剖面清晰可見，重力超覆程度減弱，CO2對(duì)巖心下層的波及效率有所增加。注氣速率增至1 mL/min時(shí)，巖心上下層的剩余油分布情況相似，巖心驅(qū)替剖面較為清晰，在靠近巖心產(chǎn)出端部位上下層均有部分剩余油，表明在驅(qū)替過程中存在一定的微觀黏性指進(jìn)，指進(jìn)繞過上下層部分剩余油而使這部分剩余油滯留在孔隙內(nèi)。

圖5 不同注氣速率下驅(qū)替實(shí)驗(yàn)后的巖心剖面

可用公式（3）描述黏性力與重力的綜合作用程度［18］：

其中，Rν/g—黏性力與重力作用效果比值；μo—CO2黏度，mPa·s；μ—注氣線速率，cm/s；L—油氣運(yùn)移長(zhǎng)度，cm；K—巖心滲透率，cm2；g—重力加速率，m/s2；Δρ—油氣密度差，g/cm3；H—油藏厚度，cm；ν—注氣速率，cm3/min，φ—孔隙度，%。

隨著注氣速率ν的增大，Rν/g值逐漸增加，即黏性力對(duì)重力的比值增加。黏性力作用方向?yàn)轵?qū)替方向，而重力作用方向垂直黏性力方向，黏性力增加后，促使油氣混合帶趨于沿驅(qū)替方向運(yùn)移，對(duì)重力作用引起的重力超覆具有一定的抑制作用，表現(xiàn)為重力超覆的減弱，CO2對(duì)巖心整體波及效率得到改善，提高CO2非混相驅(qū)的原油采收率。但注氣速率不宜過大，否則會(huì)造成黏性力大于重力時(shí)指進(jìn)就會(huì)發(fā)展形成，同樣也會(huì)降低CO2對(duì)巖心的波及效率，因而只有選擇合適的注氣速率，使驅(qū)替黏性力與油氣密度差引起的重力相互平衡，才能獲得最佳的開發(fā)效果。

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)的氣驅(qū)超覆物理模型可實(shí)現(xiàn)高溫高壓油藏條件模擬，滿足油氣運(yùn)移過程中氣驅(qū)超覆的模擬，并根據(jù)巖心上下層產(chǎn)出流體差異對(duì)超覆程度進(jìn)行定量表證。

在低注氣速率（0.1 mL/min）下，非混相驅(qū)時(shí)油氣密度差異較大，黏性力作用效果微弱，重力超覆容易形成和發(fā)展，造成上層采收率遠(yuǎn)大于下層，巖心整體采收率較低，開發(fā)效果差。

油氣密度差及油氣黏度比值一定時(shí)，形成的重力舌進(jìn)大小一定，注氣速率的增加將增強(qiáng)黏性力，對(duì)重力的抑制作用增強(qiáng)，重力超覆的形成和發(fā)展受到限制，驅(qū)替剖面得到改善，巖心下層采收率和巖心整體采收率逐漸增加。

通過重力超覆隨注氣速率的變化規(guī)律可知，存在一個(gè)最佳注氣速率使黏性力與重力相平衡，氣驅(qū)波及體積最大，因此現(xiàn)場(chǎng)在注氣方案設(shè)計(jì)優(yōu)化中應(yīng)考慮重力與黏性力的綜合作用關(guān)系，選擇合適的注氣速率以盡可能減小重力超覆的影響。