CO2輔助重力驅油開發效果影響因素分析

雷 夢，屈亞光，萬翠蓉，楊 博，何登輝，馬國慶，鞏 旭

(1.長江大學，湖北 武漢 430100；2.油氣鉆采工程湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430100；3.中國石油西南油氣田分公司，重慶 400021；4.中國石油長慶油田分公司，甘肅 慶陽 745000；5.中國石油塔里木油田分公司，新疆 庫爾勒 841000)

0 引 言

1 氣體輔助重力驅油機理

氣體輔助重力驅油(GAGD)是模仿稠油熱采工藝的蒸汽輔助泄油(SAGD)而形成的工藝[14-16]。氣體輔助重力驅油是將重力作為主要驅動力，同時以注氣形成的氣頂實現氣體驅動。其主要的驅油機理是重力分異作用和氣頂的膨脹作用。在現場實際應用中是在產油層位打水平井作為生產井，在頂部打直井作為注氣井(圖1)。氣體入井后由于油氣密度差而造成油氣兩相在空間上的分布差異，氣在上、油在下。氣體聚集形成氣頂，在氣頂膨脹作用下使得油氣界面整體下移推動原油進入油層底部的水平井，從而達到驅替構造高部位剩余油的目的。

圖1 氣體輔助重力驅油示意圖Fig.1 The schematic diagram of gas-assisted gravity flooding

注入氣進入油層在形成氣頂的情況下，由于油氣界面整體向下移動，氣體的波及范圍會逐漸擴大，理論上氣體的波及范圍可以達到100%[17-18]。綜合來看，氣體輔助重力驅油具有以下優點：①利用了重力分異作用的自然規律，由于油氣密度差異，很容易在頂部形成氣頂，實現重力驅動和氣驅的雙重驅動模式；②在重力分異作用下，構造高部位的剩余油會重新富集在油氣前緣帶，在氣頂膨脹作用的推動下，進入水平生產井中被采出；③注入氣會溶解到原油中，減小原油的黏度以及密度，減小氣油流度比，改善流動條件；④構造底部的水平井增加了與儲層的接觸面積和泄油面積，減小了氣體超覆和氣體錐進發生，有利于提高采收率。

2 三維機理模型的建立

為明確氣體輔助重力驅油的影響因素，進行敏感性分析，以A油藏為對象，建立如下的機理模型：x、y、z方向網格步長分別為10、10、15 m，模擬的網格總數為35×35×6=7350個?？v向上共分為3層，平均地層滲透率為65 mD，平均孔隙度為17.5%，原始地層平均壓力為31.6 MPa，地層傾角為15 °，油藏頂深為2 300 m，可采儲量為10.2×104t，構建了一注一采模型(圖2)，在油藏頂部部署1口CO2注氣井，設定日注氣量為15 000 m3/d，底部部署采油水平井，水平段長度為200 m。綜合考慮油田開發實際狀況，模型模擬時間均設置為10 a。

圖2 一注一采模型示意圖Fig.2 The schematic diagram of one-injection and one-recovery model

3 CO2輔助重力驅油技術開發效果影響因素分析

CO2輔助重力驅油的影響因素主要有3個方面：①地質因素，包括地層的滲透率、孔隙度、傾角、非均質性等；②流體因素，包括地層原油的黏度、密度、最小混相壓力，注入氣體的密度、黏度等；③生產參數，包括采油速度、注入速度以及地層的連通程度和采出程度等。在考慮油田實際情況的基礎上，通過建立機理模型研究主要地質因素對CO2輔助重力驅油開發效果的影響。

3.1 地層沉積韻律的影響

地層的沉積韻律影響著儲層縱向上滲透率和孔隙度，建立CO2輔助重力驅油的正韻律地層模式(地層傾角為15 °，縱向上分為3層，滲透率為50、65、80 mD)和反韻律地層模式(地層傾角為15 °，縱向上分為3層，滲透率為80、65、50 mD)進行模擬，模擬時間為10 a，得到相關的生產模擬數據(表1)。由表1可知，相較于反韻律地層，正韻律地層最終氣油比更小，采出程度和換油率更高，表明氣竄的風險也更小。因此，正韻律地層可能更適合CO2輔助重力驅油開發。此外，由于正韻律沉積的地層，其低滲層位于開發層系的頂部，較低的滲透率和孔隙度抑制了氣竄的發生，有利于氣頂的形成和油氣界面均勻向下推進；同時在重力分異作用下，低滲層能夠有效氣驅，提高氣體的波及系數，提高油藏采收率。

表1 正反韻律沉積生產數據Table 1 The production data of positive and negative rhythm sedimentation

3.2 地層傾角的影響

地層傾角是油藏基礎的地質參數之一，也是CO2輔助重力驅油的重要影響因素。由于原油和CO2自身黏度和密度差異，注入的CO2可能會在油層頂部發生流動，出現竄流現象。而當地層產生一定傾角后，沿著地層傾角方向的重力分力會作為原油向下流動的動力，同時會改變CO2的流動方向，促使CO2向上聚集成氣頂。當傾角越大時，產生的分力越大，重力分異作用越明顯，產生的氣頂才能更加穩定地將頂部的油均勻地向構造低部位驅替。

針對上述分析，為研究地層傾角對CO2輔助重力驅油開發效果的影響，在保證其他參數不變的條件下，分別建立了地層傾角為0、5、10、15、20、25、30、45 °的機理模型進行模擬(圖3)，模擬時間為10 a，得到采出程度和換油率隨傾角的變化圖(圖4)。由圖3、4可知：傾角為5 °時，注入氣體形成平面驅替，構造高部位驅替較少，生產井見氣提前，導致換油率較??；隨著傾角的逐漸增大，氣頂形成越明顯，構造高部位受氣驅的影響更加明顯，生產井見氣時間延后，采出程度和換油率均有提高。

圖3 同一時刻部分地層傾角模型的含氣飽和度分布Fig.3 The distribution of gas saturation at some formation dip angles at the same time

圖4 采出程度和換油率隨地層傾角變化關系Fig.4 The change of recovery degree and oil exchange rate with the formation dip angle

3.3 滲透率的影響

從CO2輔助重力驅油的機理來看，要實現穩定的CO2輔助重力驅油，需要有一定的垂向滲透率才能更好地發揮重力分異作用，同時其水平滲透率不宜過大。水平滲透率過大，CO2平面擴散的速度加快，油氣界面不能穩定地向下推進，導致生產井開采后見氣時間提前，見氣后氣油比快速上升，不利于提高油藏采收率。

為研究地層滲透率對CO2輔助重力驅油的影響，建立如下機理模型：考慮到縱向上的非均質性，縱向上分為3層，各層的水平滲透率比值為1.0∶1.3∶1.6，且垂直滲透率與水平滲透率比值為0.1，地層傾角為15 °。設置第1層滲透率分別為10.0、25.0、37.5、75.0、150.0、300.0 mD。模擬時間為10 a，得到其采出程度和換油率隨地層滲透率變化關系圖(圖5)。由圖5可知：隨著地層滲透率逐漸增大，采出程度和換油率不斷降低；滲透率小于37.5 mD時，滲透率的改變對氣體擴散有明顯影響，小幅度的滲透率改變會使采出程度和換油率變化較大。

許振平剛想接話，就聽聽筒里傳來一個女人的聲音，吳天成的嗓門就提高了不少。是老林，政協的老林，和我說事呢。接著，聲音微弱下來，老林，那事我們明天再說吧，這不，才回來，老婆等我洗澡呢。

圖5 采出程度和換油率隨滲透率變化關系Fig.5 The change of recovery degree and oil exchange rate with permeability

3.4 孔隙度的影響

為研究孔隙度對CO2輔助重力驅油開發效果的影響，分別建立了孔隙度為10.0%、12.5%、15.0%、17.5%、20.0%、22.5%的機理模型，模擬時間為10 a，得到其采出程度和換油率隨地層孔隙度的變化關系圖(圖6)。由圖6可知：隨著孔隙度的增大，生產井見氣時間提前，換油率和采出程度逐漸減小。

圖6 采出程度和換油率隨孔隙度變化關系Fig.6 The change of recovery degree and oil exchange rate with porosity

3.5 垂直滲透率與水平滲透率比值的影響

地層垂直滲透率與水平滲透率比值(KV/KH)反映的是垂向滲透能力的相對強弱，也是反映儲層層內非均質性強弱的重要標志[19]。一般認為，在常規的注氣開發油藏中，儲層層內的非均質性越強，開發效果越差，主要是強非均質性會導致注氣沿高滲部位突破，導致波及系數較低，開發效果不理想[20]。但在CO2輔助重力驅油過程，垂直滲透率與水平滲透率比值越小(非均質越強)，越有利于提高采收率。這是因為較低的垂直滲透率能對氣體向下部的高滲層位移動起封堵作用，有利于提高上部低滲透層的平面驅替效率[21]。

為研究地層垂直滲透率與水平滲透率比值(KV/KH)對CO2輔助重力驅油開發效果的影響，建立了KV/KH分別為1.00、0.60、0.20、0.10、0.05、0.01的機理模型，模擬時間為10 a，得到采出程度和換油率隨KV/KH變化的關系圖(圖7)。由圖7可知：垂直滲透率與水平滲透率比值越大，采出程度和換油率越低。主要是垂直滲透率與水平滲透率比值越大，地層非均質性越弱，生產井見氣時間越早，導致開發效果越差。

圖7 采出程度和換油率隨KV/KH變化關系Fig.7 The change of recovery degree and oil exchange rate with KV/KH

實際模擬過程中發現，KV/KH=1.00時，注入的CO2會在縱向上快速向下移動，進入底部的高滲層并驅替該層位的原油，并不能形成穩定的油氣界面向下移動。該現象會造成氣體沿著高滲層驅替，進而造成生產井提前見氣，形成氣竄突破，不利于上部低滲層的驅替，波及效率大大降低；氣竄突破提前使得大量氣體無效注入，造成重大經濟損失。而隨著KV/KH比值的逐漸減小，CO2在縱向上快速向下移動的現象會逐漸減弱，在KV/KH=0.20時，該現象基本消失，可以形成穩定的油氣界面向下推進，同時重力分異作用能夠得到很好的利用，有利于提高采出程度。

3.6 滲透率級差的影響

與地層垂直滲透率與水平滲透率比值(KV/KH)相類似，地層的滲透率級差反映的是儲層層間的非均質性。為研究地層滲透率級差對CO2輔助重力驅油開發效果的影響，結合前文對地層韻律的研究，建立正韻律沉積的地層模式，滲透率級差分別為10、7、5、3、1的機理模型，模擬時間為10 a。得到采出程度和換油率隨滲透率級差變化的關系圖(圖8)。由圖8可知，隨著滲透率級差的增大，生產井見氣時間略微提前，采出程度和換油率變化不大。表明正韻律沉積模式下，層間的非均質性強弱對CO2輔助重力驅油的開發效果影響不大。

圖8 采出程度隨滲透率級差變化關系Fig.8 The change of recovery degree with the permeability max-min ratio

4 CO2輔助重力驅油開發效果多因素影響正交實驗分析

4.1 正交實驗設計

在上述研究的基礎上，為明確各單因素對CO2輔助重力驅油的影響程度，采用正交實驗設計方法[22-24]對各個單因素進行敏感性分析。

4.2 正交模型的建立

正交實驗法的數據分析方法主要有極差分析法和方差分析法2種。實驗采用極差分析法對采出程度的影響因素進行分析，利用正交設計表對地層傾角、地層滲透率、地層孔隙度、垂直滲透率與水平滲透率比值、滲透率級差5個因素進行敏感性分析，每個因素含有5個水平，分別用1、2、3、4、5表示；共設計25個正交實驗組，正交實驗設計方案見表2。

表2 正交實驗設計方案Table 2 The orthogonal experimental design scheme

4.3 正交模型計算結果及分析

根據正交設計方案建立相應的油藏數值模擬模型，通過數值模擬計算可以得到各個方案的生產指標(表3)，進一步采用極差分析法，對結果進行分析，結果見表4(表中k值為各因素對應水平實驗結果的和，m值為對應k值的平均值)。由表4可知，不同因素對采出程度影響由大到小依次為垂直滲透率與水平滲透率的比值、地層傾角值、地層滲透率、地層孔隙度、地層滲透率級差。

表3 正交實驗設計表及實驗結果Table 3 The orthogonal experimental design list and experimental results

表4 正交實驗結果分析Table 4 Analysis of orthogonal experiment results

5 礦場試驗效果分析

A油藏為扇三角洲相沉積厚層砂礫巖儲層，儲層內部結構復雜，構造為東南傾單斜，傾角約為15 °，含油面積為21.03 km2，有效厚度為21 m，該油藏自下而上發育S7、S6和S5砂層組，主力砂層為S7砂層組。原油平均密度為0.85 g/cm3，黏度為2.9 mPa·s，有效孔隙度為15.0%，空氣滲透率為62.5 mD，強非均質性。2010年至2016年采用彈性能量開發，采油速度為1.35%；2017年至2020年注水開發，受地層敏感性影響，注水井存在注入困難的問題，導致試驗區地層壓力保持程度低，油井產量遞減大，嚴重影響開發效果。截至2021年末，油藏采出程度僅為9.8%，含水率高達81%，平均單井日產油量為0.2 t/d。針對上述問題，結合油藏開發實際需要，后期進行注氣開發。以油藏部分區域進行先導性注氣驅油開發試驗(氣體輔助重力驅油)。該區域內A井組采用反七點井網，頂部直井注氣，底部水平井開采。以該井組1 a的注氣開發效果與其注水開發階段的開發效果進行對比(表5)可以發現：相比注水開發，CO2輔助重力驅油開發可以有效提高產量，雖然初期日產油量較接近，但1 a內的平均日產油量相差較大，階段累計產油量增加1 350.5 t，增產效果明顯。因此，在條件允許的情況下該油藏應采用CO2輔助重力驅油的開發方式，可以獲得較好的開發效果。

表5 A井組注氣注水開發生產數據Table 5 Development and production data of gas injection and water injection in Well Group A

6 結論與認識

(1) 利用油藏數值模擬方法，通過建立機理模型，確定了各單因素對氣體輔助重力驅油開發效果的影響規律：地層傾角與開發效果呈正相關；地層滲透率、孔隙度、垂向滲透率與水平滲透率比值和開發效果呈負相關。

(2) 基于5個單因素分析的基礎上，進行正交實驗設計，明確各個單因素對CO2輔助重力驅油的影響程度。研究結果表明：不同地質因素對采出程度影響由大到小依次為垂直滲透率與水平滲透率的比值、地層傾角值、地層滲透率、地層孔隙度、地層滲透率級差。

(3) 礦場實驗表明，CO2輔助重力驅油開發能夠使A油藏的階段累計產油量提高3倍以上，增產效果顯著。