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低滲砂巖油藏CO2驅(qū)相態(tài)及組分變化規(guī)律

2022-02-02 08:19劉建儀
特種油氣藏 2022年6期
關(guān)鍵詞:相態(tài)油藏組分

劉建儀,楊 雪,劉 勇

(1.油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610500;2.西南石油大學(xué),四川 成都 610500;3.中國(guó)石油遼河油田分公司,遼寧 盤(pán)錦 124010)

0 引 言

中原油田東濮凹陷中央隆起帶北部砂巖儲(chǔ)層屬于典型的低滲油藏,該區(qū)儲(chǔ)層物性差、滲透率低,注水開(kāi)發(fā)效果差。經(jīng)過(guò)十幾年氣驅(qū)實(shí)踐,發(fā)現(xiàn)CO2驅(qū)比氮?dú)狻⒓淄榈痊F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果好,主要是因?yàn)镃O2臨界溫度和臨界壓力較低,易于膨脹、降黏和萃取石油[1-4]。自實(shí)施CO2驅(qū)以來(lái),該油田取得了一定的技術(shù)成果和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果,但也存在注氣后產(chǎn)量未見(jiàn)增長(zhǎng)、氣竄現(xiàn)象嚴(yán)重等問(wèn)題。為了合理、科學(xué)有效地指導(dǎo)低滲砂巖油氣藏開(kāi)發(fā),對(duì)W區(qū)塊進(jìn)行了注氣膨脹和組分色譜實(shí)驗(yàn),研究和分析了該區(qū)塊注CO2后的相態(tài)和組分特征,為滲流規(guī)律研究、產(chǎn)能計(jì)算、油氣處理、輸運(yùn)工藝流程設(shè)計(jì)等提供依據(jù),是計(jì)算油氣儲(chǔ)量、提高采收率、編制開(kāi)發(fā)方案,進(jìn)行科學(xué)高效地開(kāi)發(fā)油氣藏的必然要求。

1 儲(chǔ)層特征

中原油田沙三段砂巖油藏位于東濮凹陷中央隆起帶北部、衛(wèi)東斷層下降盤(pán),油藏埋深為3 200~3 700 m,地層壓力為34.50 MPa,地層溫度為114 ℃,滲透率為2.25 mD,孔隙度為12.70%,飽和壓力為22.64 MPa,原始?xì)庥捅葹?59.64 m3/m3,地層原油黏度為0.284 mPa·s,地層原油密度為0.702 5 g/cm3,地面原油密度為0.872 9 g/cm3,原油體積系數(shù)為1.533 7 m3/m3,溶解系數(shù)為7.198(m3/MPa),原油中C1含量為41.562%,中間烴(C2—C6)含量為24.173%,C7+含量為31.077%,凝固點(diǎn)為33 ℃,脫氣原油相對(duì)分子質(zhì)量為276.4,地層水礦化度為27.70×104mg/L,水型為CaCl2型,屬于低孔低滲油藏。

2 實(shí)驗(yàn)方法

通過(guò)注氣膨脹、色譜實(shí)驗(yàn)對(duì)該區(qū)塊進(jìn)行相態(tài)特征和組分變化規(guī)律分析,以立方型狀態(tài)方程為理論控制方程。其中,膨脹實(shí)驗(yàn)是重要的相態(tài)模型評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)[5],注氣過(guò)程采用PVT容器進(jìn)行多次接觸實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行模擬,從而獲得相態(tài)和組分相關(guān)數(shù)據(jù);色譜實(shí)驗(yàn)主要是對(duì)油氣組分進(jìn)行分析。

2.1 注氣膨脹實(shí)驗(yàn)

該實(shí)驗(yàn)主要模擬有限體積的原油與注入氣反復(fù)接觸的過(guò)程,并測(cè)定原油體積變化及組成等數(shù)據(jù)[6]。主要步驟:①實(shí)驗(yàn)溫度為油藏溫度114 ℃,實(shí)驗(yàn)壓力為泡點(diǎn)壓力22.18 MPa;②首先將0.221 mol的注入氣轉(zhuǎn)移到PVT釜中;③增加實(shí)驗(yàn)壓力,保持油藏溫度,直到所有氣體都溶解;④當(dāng)最后一個(gè)氣泡消失時(shí),PVT釜內(nèi)混合物處于新的泡點(diǎn)壓力25.88 MPa,記錄相關(guān)數(shù)據(jù);⑤重復(fù)上述①~④步驟。

2.2 理論控制方程

PVT相態(tài)計(jì)算基于立方型狀態(tài)方程,從物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)出發(fā),研究分子運(yùn)動(dòng)和分子間相互作用[7-8],理想氣體狀態(tài)方程如下:

pV=nRT

(1)

式中:p為氣體絕對(duì)壓力,MPa;V為氣體所占體積,m3;n為氣體的物質(zhì)的量,kmol;R為普適氣體常數(shù),取值為0.008 314 MPa·m3/(kmol·K);T為絕對(duì)溫度,K。

Van der Waals使用純組分的相行為作為起點(diǎn),根據(jù)氣體分子運(yùn)動(dòng)論,考慮物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu),針對(duì)理想氣體模型的2個(gè)基本假設(shè)(分子無(wú)體積和分子間無(wú)相互作用),引入2個(gè)修正項(xiàng)(考慮分子本身固有的體積和考慮分子間的相互作用)[9-10],Van der Waals(VDW)方程為:

(2)

式中:a為常數(shù),MPa·m3/(kmol·K);b為常數(shù),m3/kmol;a、b均與臨界參數(shù)有關(guān)。

Soave和Peng Robinson進(jìn)一步將方程發(fā)展為Soave Redlich Kwong(SRK)和Peng Robinson(PR)方程[11]:

(3)

(4)

式中:a(T)為溫度依賴(lài)系數(shù),表示a對(duì)溫度的依賴(lài)關(guān)系。

上述立方型狀態(tài)方程可展開(kāi)為摩爾體積或密度的三次方程式,形式簡(jiǎn)單,精確度較高。

2.3 組分色譜實(shí)驗(yàn)

色譜實(shí)驗(yàn)采用HP6890型氣相色譜儀,檢測(cè)器載氣均為N2,柱前壓力為0.12 MPa,進(jìn)樣口溫度為50 ℃,檢測(cè)器溫度為230 ℃,吸附柱能完全分離氧、氮和甲烷;分配柱能分離CO2及乙烷至戊烷之間各組分,整個(gè)分離過(guò)程在40 min之內(nèi)完成[12-13]。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 相態(tài)特征

通過(guò)注氣膨脹和色譜實(shí)驗(yàn),得到該區(qū)塊的相圖(圖1)。由圖1可知:原始儲(chǔ)層條件下地層壓力為34.50 MPa,地層溫度為114 ℃,原油為單一液相;隨著油氣藏的開(kāi)發(fā),壓力下降,降至飽和壓力22.64 MPa時(shí),開(kāi)始脫氣;氣體突破后,油氣相態(tài)、組分及運(yùn)移規(guī)律也隨之發(fā)生變化,出現(xiàn)氣、油兩相。

圖1 W區(qū)塊多組分烴類(lèi)體系相圖Fig.1 The facies map of multi-component hydrocarbon system in the Block

從相圖的位置、兩相區(qū)寬窄和面積、包絡(luò)線(xiàn)上臨界點(diǎn)位置與原始油氣藏條件的相對(duì)關(guān)系[14-15],判斷W區(qū)塊為典型的黑油油藏,其包絡(luò)線(xiàn)向右下方偏移,烴類(lèi)混合物中重?zé)N含量高。

圖2為該區(qū)塊Y函數(shù)和相對(duì)體積隨壓力的變化。由圖2可知:隨著壓力的下降,Y函數(shù)值越來(lái)越小;相對(duì)體積隨著壓力的下降,一開(kāi)始緩慢增加,到達(dá)一定壓力時(shí),會(huì)迅速增大。

圖2 W區(qū)塊Y函數(shù)和相對(duì)體積變化曲線(xiàn)Fig.2 The Y function and relative volume change curves of the Block

Y函數(shù)是兩相區(qū)內(nèi)壓力與總體積相對(duì)變化之比的量度[16]。當(dāng)氣相體積大于液相體積時(shí),兩相區(qū)的體積隨壓力下降的變化大于單相區(qū),隨著壓力下降原油釋放大量氣體,Y函數(shù)值變?。环粗?,Y函數(shù)值變大。因此,泡點(diǎn)壓力以下,進(jìn)入兩相區(qū),大量氣體開(kāi)始分離出來(lái),隨著壓力的下降,氣體釋放越來(lái)越多,Y值越來(lái)越小。

相對(duì)體積是實(shí)驗(yàn)壓力下樣品體積與飽和壓力下樣品體積之比。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,當(dāng)壓力點(diǎn)在飽和壓力以上時(shí),隨著壓力下降,烴分子間距離加大,引力下降,但氣態(tài)輕烴并沒(méi)從重?zé)N中分離,此階段相對(duì)體積變化平緩;一旦壓力降至飽和壓力以下,便會(huì)有大量氣態(tài)輕烴從重?zé)N中分離出來(lái),此時(shí)實(shí)驗(yàn)壓力下樣品體積迅速膨脹,相對(duì)體積變化幅度加大。

W區(qū)塊注入不同量的CO2,原油性質(zhì)發(fā)生一系列變化。表1為注入不同量的CO2對(duì)泡點(diǎn)壓力和膨脹因子的影響。由表1可知:隨著注入氣量增加,泡點(diǎn)壓力不斷上升,當(dāng)CO2的注入量達(dá)到0.814 mol時(shí),泡點(diǎn)壓力由原來(lái)的22.18 MPa增至43.48 MPa,升高了0.96倍,膨脹因子由1.000增加到3.094,體積膨脹了2.09倍,說(shuō)明CO2體積膨脹效果明顯。氣體在油中溶解度越大,原油體積越大,體積膨脹和泡點(diǎn)壓力的增加是注氣提高采收率的關(guān)鍵因素[16]。

表1 注入不同量CO2后泡點(diǎn)壓力及膨脹因子變化Table 1 Changes of bubble point pressure and expansion factor after injection of different amounts of CO2

隨CO2注入量增加,原油體積系數(shù)和氣油比會(huì)發(fā)生變化(圖3)。由圖3可知:氣體溶解在原油中體積膨脹,溶解氣量增多,體積系數(shù)變大,溶解氣油比變大,2條曲線(xiàn)整體向上方移,且2個(gè)參數(shù)的變化是相匹配的,最高氣油比為1 250 m3/m3,曲線(xiàn)的分布和形態(tài)越來(lái)越像揮發(fā)油的特征。

圖3 W區(qū)塊體積系數(shù)和氣油比變化曲線(xiàn)Fig.3 The change curve of volume coefficient and gas-oil ratio of the Block

圖4為注入不同量CO2時(shí)相對(duì)體積變化。由圖4可知:泡點(diǎn)壓力以上的曲線(xiàn)變化均比較平穩(wěn),說(shuō)明高壓下油氣性質(zhì)差異變小,氣體完全溶解在油中,有利于發(fā)揮CO2的驅(qū)油作用;泡點(diǎn)壓力以下,相對(duì)體積變化較大,當(dāng)CO2注入量為0.814 mol時(shí),相對(duì)體積的值在20.39 MPa時(shí)增加到1.745 7;原油體積膨脹率增加是因?yàn)榕蔹c(diǎn)壓力以下,隨著壓力的降低,大量的氣體從油中分離出來(lái),實(shí)驗(yàn)壓力下總體積逐漸增大。從注氣后相對(duì)體積變化可知,在油田實(shí)際開(kāi)發(fā)中,保持較高的壓力有利于發(fā)揮注CO2的優(yōu)勢(shì)。

圖4 W區(qū)塊注入不同量CO2相對(duì)體積的變化曲線(xiàn)Fig.4 The change curve of relative volume of the Block after injecting different amounts of CO2

3.2 組分分析

通過(guò)氣相色譜分析實(shí)驗(yàn)研究W區(qū)塊原油組分(表2)。由表2可知:該油藏原油中C1的含量為0.416 mol,CO2含量為0.006 mol,輕質(zhì)組分(主要為C1)含量少,油藏的飽和壓力便較低,為典型的黑油油藏特征之一[17-26]。

表2 W區(qū)塊溶解氣和原油中組分含量及固有屬性Table 2 The component contents and natural properties of dissolved gas and crude oil in Block W

注入氣體除了保持儲(chǔ)層壓力,也影響儲(chǔ)層的油氣相平衡,圖5為不同注入量的CO2對(duì)溶解氣組分的影響。由圖5可知:隨著CO2注入量增加,溶解氣中的CO2含量由注氣前的0.008 7 mol升至0.870 0 mol;注入氣與原油多次接觸中,會(huì)抽提原油中輕烴組分,使原油中輕質(zhì)組分比例發(fā)生變化,C1為主要被抽提組分,含量下降最明顯,由注氣前0.611 2 mol降至0.086 5 mol;C2—C4組分,較注氣前也下降了1個(gè)數(shù)量級(jí)。不斷地注入氣,直至臨界點(diǎn)氣液達(dá)到平衡,油氣不存在相界面,便與原油達(dá)成混相。

圖5 W區(qū)塊不同注氣量對(duì)溶解氣組分變化的影響Fig.5 The effect of different gas injection rates on the change of dissolved gas components

圖6為不同注入量CO2對(duì)原油組分變化的影響。由圖6可知:CO2多次與原油接觸,發(fā)生抽提和萃取作用,產(chǎn)出物組分變化明顯,CO2含量由背景值0.6%逐漸升至81.0%,輕烴被抽提含量下降,C1含量下降幅度較大,平衡氣不斷地被富化,直至與CO2溶解于原油的能力相當(dāng)。隨著注入CO2量的增加,C11+組分含量逐漸下降,重質(zhì)組分相對(duì)減少。

圖6 W區(qū)塊不同注氣量對(duì)原油組分變化的影響Fig.6 The effect of different gas injection rates on the change of crude oil composition

4 結(jié) 論

(1) 通過(guò)注氣膨脹實(shí)驗(yàn),分析了W區(qū)塊注入CO2后,原油體積系數(shù)、氣油比和相對(duì)體積的變化,認(rèn)為在實(shí)際油田開(kāi)發(fā)中,保持較高油藏壓力有利于發(fā)揮CO2的優(yōu)勢(shì)。

(2) 天然氣在原油中的溶解和分離為相態(tài)變化的主要表現(xiàn),相包絡(luò)線(xiàn)靠近優(yōu)勢(shì)組分的飽和蒸氣壓,純組分的蒸汽壓和臨界點(diǎn)是計(jì)算混合物性質(zhì)的關(guān)鍵。

(3) 原油與CO2之間發(fā)生多次的組分萃取和抽提,直至實(shí)現(xiàn)注入CO2動(dòng)態(tài)混相。

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