王玉霞尚慶華

(1.西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系,西安 710069;2.陜西延長石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院,西安 710065)

1 研究背景

已有研究表明,致密油藏微觀孔喉結(jié)構(gòu)中流體的臨界性質(zhì)及相態(tài)變化規(guī)律等均不同于常規(guī)油藏[1-3]。在孔喉中,流體臨界性質(zhì)及相態(tài)與范德華力和毛細(xì)管力及孔喉結(jié)構(gòu)等因素相關(guān)[4-5]。致密儲層中微觀孔喉半徑越小,其驅(qū)替相與被驅(qū)替相之間的毛細(xì)管壓力比越大,對相平衡的影響也越大。當(dāng)孔喉半徑小到一定程度時,流體分子與孔壁之間的相互作用增強(qiáng)到不可忽略,進(jìn)而改變流體的臨界壓力、臨界溫度和表面張力等物理性質(zhì)[6-7]。對于氣體驅(qū)油來說,其還將直接影響混合體系的最小混相壓力,進(jìn)而影響驅(qū)油效率和原油采收率[8]。最小混相壓力是氣驅(qū)項目必須確定的一個關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。目前的確定方法主要有數(shù)值模擬法、細(xì)管實驗法及界面張力法等[9-17],然而這些方法都忽視了微觀孔隙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響,即不論儲層孔隙度和滲透率在何種范圍,均采用同一標(biāo)準(zhǔn)下的細(xì)管模型進(jìn)行測定,或者不考慮介質(zhì)直接通過界面張力儀測定臨界面張力時的流體混相壓力?；诖?該研究以延長油田吳起油溝致密油藏為研究對象,對其微觀孔喉結(jié)構(gòu)特征及流體在其中的相態(tài)行為開展了系統(tǒng)研究,探索合適的氣驅(qū)最小混相壓力預(yù)測方法,以期為同類油藏的研究和應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

2 致密孔中流體的相態(tài)行為

研究表明,流體在致密油藏中的臨界性質(zhì)及相態(tài)主要受孔喉禁限效應(yīng)的影響,影響程度主要取決于孔喉半徑和Lennard-Jones尺寸參數(shù)。根據(jù)Kuz等人的研究結(jié)果和范德瓦爾斯理論[18],可以得到臨界溫度偏移、臨界壓力偏移分別與σLJ/rp關(guān)聯(lián)的二次方計算模型,即:

式中:rp為孔喉半徑,nm;ΔT*c為相對臨界溫度偏移,無因次;Tcb為bulk臨界溫度;Tcp為孔隙臨界溫度;σLJ為Lennard-Jones尺寸參數(shù),nm;ΔP*c為相對臨界壓力偏移,無因次;Pcb為bulk臨界壓力;Pcp為孔隙臨界壓力。

吳起油溝油藏長4+5油層組微觀孔喉結(jié)構(gòu)研究結(jié)果表明,納米孔占比27.2%,微米孔占比51.7%,如圖1所示,屬于典型的致密油藏。

圖1 研究區(qū)孔喉半徑分布圖Fig.1 Pore throat radius distribution

該區(qū)在前期進(jìn)行了充分的室內(nèi)研究,并開展了CO2驅(qū)油礦場先導(dǎo)性試驗,具備相態(tài)理論計算的參數(shù)基礎(chǔ),其原油和注入氣的組成、性質(zhì)及狀態(tài)方程參數(shù)詳見參考文獻(xiàn)[19]。利用上述臨界參數(shù)偏移計算模型對研究區(qū)流體參數(shù)進(jìn)行計算,得到其臨界參數(shù)偏移的變化如圖2和圖3所示。

圖2 流體臨界參數(shù)偏移隨σLJ/rp變化曲線Fig.2 Fluid critical parameter migration curve withσLJ/rp

圖3 孔喉半徑對流體各組分臨界參數(shù)的影響Fig.3 Theinfluence of hole radius on the critical parameters of oil and gas fluids

由圖2可以看出,流體臨界參數(shù)偏移變化曲線主要表現(xiàn)出以下特點(diǎn):1)CO2臨界參數(shù)偏移與輕組分Cl+N2一致;2)相同孔喉半徑中,重質(zhì)組分較輕質(zhì)組分的臨界參數(shù)偏移幅度更大;3)臨界參數(shù)偏移隨孔喉半徑的減小而增大;4)微米級以上的孔喉中不再存在流體臨界參數(shù)偏移,孔喉結(jié)構(gòu)不再對相態(tài)產(chǎn)生影響。

由圖3可以看出,流體臨界參數(shù)的變化主要呈現(xiàn)以下特點(diǎn):各組分的臨界溫度和臨界壓力均隨孔喉半徑的減小而降低,且重質(zhì)組分臨界溫度和輕質(zhì)組分臨界壓力受影響較大,輕質(zhì)組分臨界溫度和重質(zhì)組分臨界壓力受影響相對較小。

為了更加直觀地表現(xiàn)孔喉半徑對流體臨界性質(zhì)的影響,根據(jù)臨界參數(shù)計算模型分別計算了研究區(qū)不同孔喉半徑下流體的相圖,如圖4所示。

圖4 不同孔喉半徑下研究區(qū)原油的相圖偏移Fig.4 Phase diagramof crude oil with different hole radius

從圖4可以明顯看出,當(dāng)孔喉半徑從5 nm變到30 nm時,流體相圖發(fā)生了幅度非常大的右偏移;當(dāng)孔喉半徑大于30 nm時,偏移幅度逐漸變小;當(dāng)孔喉半徑大于50 nm后,流體相圖已基本接近常規(guī)儲層的相圖。說明流體相態(tài)受孔喉半徑影響的上限基本為50 nm,且孔喉半徑越小,流體相態(tài)受影響的程度越大。

3 考慮孔喉對流體相態(tài)影響的最小混相壓力預(yù)測

大量研究表明,細(xì)管實驗得到的最小混相壓力普遍低于界面張力法測得的最小混相壓力,如圖5所示。同時結(jié)合上述研究結(jié)論,流體的臨界性質(zhì)及相態(tài)受致密儲層納米級孔喉的重要影響。因此氣驅(qū)油的微觀機(jī)理不再同于常規(guī)油藏,產(chǎn)生混相的條件和環(huán)境也大有不同,預(yù)測致密儲層氣驅(qū)最小混相壓力必須考慮孔喉對流體相態(tài)的影響。

圖5 不同實驗方法最小混相壓力測試結(jié)果Fig.5 Minimum miscible pressure test results using different experi mental methods

3.1 聯(lián)立狀態(tài)方程法

PR狀態(tài)方程在計算混合物臨界點(diǎn)方面具有較高的精度,聯(lián)立上述臨界參數(shù)偏移計算模型便可用于致密儲層流體相態(tài)的計算,具體形式如下[20]:

由式(1)～式(3)臨界溫度偏移和臨界壓力偏移計算模型和PR狀態(tài)方程聯(lián)立即構(gòu)成致密油藏考慮孔喉影響的最小混相壓力計算模型。計算時,首先通過臨界參數(shù)偏移計算模型計算得到流體在特定孔喉中的臨界參數(shù),然后利用PR 狀態(tài)方程和混相函數(shù)[21]迭代計算得到混合流體的最小混相壓力,具體計算方法和步驟參考文獻(xiàn)[20],這里不再贅述。

3.2 聯(lián)立J-P經(jīng)驗公式法

聯(lián)立狀態(tài)方程法考慮因素全面,理論完善,是完全符合致密儲層最小混相壓力計算需要的模型。其缺點(diǎn)是計算處理過程相對復(fù)雜,不像經(jīng)驗法計算簡便。為了某些工作的簡便需要,這里給出一種半經(jīng)驗公式法,即由臨界參數(shù)偏移計算模型聯(lián)立經(jīng)驗公式的計算方法。目前預(yù)測最小混相壓力的經(jīng)驗公式多達(dá)十幾種[22-23],但只有Johnson和Pollin創(chuàng)立的J-P關(guān)聯(lián)式將最小混相壓力與流體的臨界性質(zhì)關(guān)聯(lián)在一起,且其計算誤差也相對較低,具體形式如下:

由臨界參數(shù)計算模型式(1)～式(3)聯(lián)立J-P關(guān)聯(lián)式即構(gòu)成致密儲層考慮孔喉影響的最小混相壓力半經(jīng)驗計算模型。計算時,首先通過臨界參數(shù)偏移計算模型計算得到流體在特定孔喉中的臨界參數(shù),然后代入到J-P關(guān)聯(lián)式,即可計算得到特定儲層中混合流體的最小混相壓力。

3.3 實例計算與分析

細(xì)管實驗測得研究區(qū)延長組長4+5油層組CO2與原油最小混相壓力為17.8 MPa。為了明確致密儲層微觀孔喉結(jié)構(gòu)對最小混相壓力的影響程度,應(yīng)用上述2種方法分別對該區(qū)原油與CO2在儲層中的最小混相壓力進(jìn)行計算,并與細(xì)管實驗結(jié)果進(jìn)行對比。

根據(jù)上述計算模型和方法,由聯(lián)立狀態(tài)方程法和聯(lián)立經(jīng)驗公式法計算出研究區(qū)流體在納米孔喉中的最小混相壓力分別為13.7 MPa和14.4 MPa,在常規(guī)孔喉(微米級以上)中的最小混相壓力分別為18.1 MPa和15.7 MPa。研究區(qū)納米孔所占比例為27.2%,如果按照比例進(jìn)行加權(quán)平均計算,則由2種方法確定的CO2驅(qū)最小混相壓力分別為16.9 MPa和15.3 MPa。實際上,對于該研究區(qū)來說,當(dāng)壓力超過13.7 MPa時,部分CO2已經(jīng)開始實現(xiàn)混相驅(qū)油。

由計算結(jié)果可以看出,在不考慮孔喉結(jié)構(gòu)影響時,PR狀態(tài)方程法計算的最小混相壓力非常接近細(xì)管實驗法的測定值,說明該方法是可靠的。進(jìn)一步,說明將臨界參數(shù)偏移計算模型和PR 狀態(tài)方程法結(jié)合計算致密儲層中流體的最小混相壓力也是可行的,其計算結(jié)果具有信服力。另外可以發(fā)現(xiàn),無論計算納米孔喉中的最小混相壓力還是加權(quán)平均計算,聯(lián)立經(jīng)驗公式法相比聯(lián)立狀態(tài)方程法的誤差還是比較小的,對于項目前期CO2選區(qū)要求精度不高時,可以采用該方法。

4 結(jié)論

1)納米級孔喉會對流體的臨界性質(zhì)及相態(tài)產(chǎn)生重要影響?？缀戆霃皆叫?影響程度越大,且流體臨界溫度和臨界壓力均隨孔喉半徑的減小而降低,相圖區(qū)域隨孔喉半徑的減小而向左縮小。

2)孔喉半徑對重質(zhì)組分的臨界溫度影響較大,對臨界壓力的影響較小,而其對輕質(zhì)組分的影響則相反。

3)最小混相壓力除了受驅(qū)替相和被驅(qū)替相性質(zhì)參數(shù)的影響外,還受微觀孔喉尺寸的影響。致密孔喉尤其是納米級孔喉可以明顯降低氣驅(qū)的最小混相壓力。

4)由流體臨界參數(shù)偏移計算模型聯(lián)立PR狀態(tài)方程可以預(yù)測致密儲層氣驅(qū)最小混相壓力,計算結(jié)果具有信服力。