多層非均質儲層CO2吞吐及埋存效率實驗

顧 驍，王智林

（中國石化江蘇油田分公司勘探開發研究院,江蘇揚州 225009）

CO2吞吐是一種提高低滲透油田采收率的有效方法,其機理主要有降低原油黏度、使原油體積膨脹、萃取、溶解氣驅以及酸化解堵等［1-2］。CO2吞吐不依賴于鄰井的流體驅動,涉及油藏范圍小,是提高單井開發效果的有效措施,具有投入少,周期短,見效快,適用性強的特點［3-5］。隨著氣源的不斷發現和配套技術的發展,采用CO2吞吐改善多層非均質油藏的方法得到了不斷推廣,并具有良好的應用前景［6-7］。

前人針對CO2吞吐做了大量物理實驗及數值模擬研究,周拓等［8］通過水平井分段壓裂的CO2吞吐模擬實驗研究認為注入壓力是影響CO2吞吐效果的重要因素；王一平等［9］使用人造三維巖心模擬了超深層稠油直井CO2吞吐,發現CO2吞吐作用半徑隨吞吐周期的增加而增大；羅永成等［10］推導基于CO2擴散影響的致密油藏水平井產能預測的數值模型,研究發現采油指數與擴散系數呈正相關；許國晨等［11］通過現場CO2吞吐試驗發現降黏劑篩選及優選合理的注入量是提高水平井CO2吞吐效果的關鍵,唐人選等［12］基于實際礦場CO2吞吐施工參數研究,認為換油率與注入量及燜井時間存在一個最優值。但近年來水平井吞吐研究多以優化吞吐參數為主,關于多層非均質儲層中強非均質性對吞吐的影響［13-14］,以及對吞吐中埋存效果［15-16］的研究較少。本文主要對吞吐過程中非均質性的作用和因毛管力導致的滯留埋存進行研究,通過單管和三管并聯長巖心CO2吞吐實驗,研究滲透率和非均質性對吞吐效率、氣油比和埋存率的影響,以對同類油藏的開發提供借鑒。

1 長巖心注CO2吞吐室內實驗

為研究非均質油藏CO2吞吐的特征,建立非均質多管并聯長巖心物理模型［17-18］,通過長巖心實驗對CO2吞吐效果進行研究,明確非均質性對吞吐效率、氣油比和埋存率的影響。

1.1 實驗裝置及材料

1.1.1 巖心

本次實驗選用JS 油田Z43 井取樣的實際巖心,根據實驗所需,建立三組長巖心。

（1）低滲組長巖心:篩選滲透率在30×10-3μm2左右的巖心組成相對低滲的組合長巖心。計算得到長巖心的平均滲透率為33.17×10-3μm2,平均孔隙度為22.92%,巖心總孔隙體積為60.73 cm3,見表1。

表1 低滲組組合長巖心排序（滲透率30×10-3 μm2左右）

（2）中滲組長巖心：篩選滲透率在90×10-3μm2左右的巖心組成相對中滲的組合長巖心。計算得到長巖心的平均滲透率為89.53×10-3μm2,孔隙度為25.03%,巖心總孔隙體積為67.37cm3,見表2。

表2 中滲組組合長巖心排序（滲透率90×10-3 μm2左右）

（3）高滲組長巖心：篩選滲透率在195×10-3μm2左右的巖心組成相對高滲的組合長巖心。計算長巖心的算術平均滲透率為195.87×10-3μm2,孔隙度為39.04%,巖心總孔隙體積為103.43 cm3,見表3。

表3 高滲組組合長巖心排序（滲透率195×10-3 μm2左右）

1.1.2 流體

本次實驗使用的油是采用JS 油田Z43 井取樣的地面脫氣油和溶解氣,再按照原始氣油比以及實際油藏溫度壓力,在配樣器中重新復配的模擬油。地層溫度62.5 ℃,地層壓力14.8 MPa,氣油比24 m3/m3,原油黏度（地層溫度62.5 ℃下）57.23 mPa·s,地層水總礦化度37 936.86 mg/L,水型為NaHCO3,注入氣采用由揚州華寶公司提供的工業純度99.9%的CO2氣體,其CO2含量達到99%。

1.1.3 實驗裝置

實驗采用加拿大Hycal 長巖心驅替裝置（見圖1）,主要由注入泵系統、長巖心夾持器、回壓調節器、壓力表、控溫系統、氣液分離裝置、氣量計等組成,最高實驗壓力70 MPa,最高實驗溫度200 ℃。

圖1 長巖心CO2吞吐實驗裝置

1.2 實驗流程

（1）計算長巖心長度、總孔隙體積等數據,按計算的巖心排序方式在巖心夾持器中安裝好長巖心,按設計連接管線及相關設備,用石油醚、酒精等清洗巖心,抽空后備用。

（2）在地層壓力和溫度下,用地層水飽和巖心,之后用脫氣油驅替巖心,直到出口端不出水為止,建立束縛水飽和度并測定烴類孔隙體積。

（3）用配置好的模擬油驅替巖心,每隔一定時間在出口端記錄油量和氣量,計算生產氣油比,驅替至出口氣油比穩定。

（4）每間隔2 MPa詳細記錄產出的油量和氣量、巖心始末端壓力等數據,當采出端壓力降至目前地層壓力后停止衰竭驅替。

（5）以一定速度從長巖心采出端反向向巖心內注入CO2,注入量為實驗設計的高滲管孔隙體積的0.05 PV,停止注氣后燜井24 h。

（6）燜井后再次以每小時2 MPa的速度衰竭,詳細記錄產出的油量和氣量、巖心始末端壓力等數據,當采出端壓力降至廢棄壓力（8.8 MPa）后,實驗結束。

（7）三管并聯長巖心CO2吞吐實驗過程與單管實驗大致相同,區別在于使用三組不同滲透率的巖心同時進行吞吐實驗,采用合吞分吐的方法,注入量為三個單管實驗的總注入量,分別計量采出端產出油量和氣量,對比采收率及換油率。

2 結果與分析

2.1 單管及三管并聯吞吐實驗結果

本次實驗完成三組單管長巖心以及一組三管長巖心實驗,采出程度變化如圖2所示。

圖2 單管與三管長巖心吞吐采出程度

由圖2 可見,前期衰竭階段,采出程度逐漸增加。燜井一天后,開井生產,氣體迅速突破,氣油比迅速下降,三管巖心的采出程度都有所增加,表明燜井過程中,CO2能較好地溶于地層原油,降低了原油黏度,對提高采出程度有一定的作用；開井后氣體迅速突破,氣油比最終趨于0時,采出程度也不再增加,表明吞吐可持續時間較短,隨著地層壓力降低,地層彈性能量也消耗殆盡,無法繼續提高采出程度。

吞吐效率從高到低依次為中滲管、高滲管和低滲管,三管組結果與單管組結果接近,且高低關系也一致,說明多層非均質油藏CO2吞吐并非滲透率越大越好,存在一個最優滲透率。過低的滲透率不利于CO2運移,而隨著滲透率增加,可以使溶解在原油中的CO2量有所上升,提高采出程度；但過高的滲透率一方面會使吞入的氣運移速度更快,產生氣體超覆現象,減少與底層油的接觸,降低波及面積,另一方面會使氣體運移距離過長,返排時氣體突破較早,開井后大多數CO2仍直接被排出,不能帶出更多的油。

在實驗中同時測定氣油比變化,如圖3所示。

圖3 單管及三管長巖心吞吐氣油比

由圖3可見,衰竭階段,氣油比保持在原始氣油比24 m3/m3左右,單管組燜井后再開井時,瞬時氣油比迅速攀升,峰值可達7 700 m3/m3以上,氣油比由高到低依次為低滲管、中滲管和高滲管,說明單管吞吐時,低滲管由于滲透率過低,注入氣運移距離較短,主要聚集在注入端,造成氣相段塞較短,減少了與原油的接觸,只有少量CO2溶解于油中,大量注入氣在開井后被直接排出,無法帶出更多的油,導致瞬時氣油比較高,而中滲透管和高滲管中溶解了較多的CO2,帶出的油量更多,降低了氣油比。

三管組情況與單管組不同,開井后瞬時氣油比最高約1 400 m3/m3,遠低于單管組,且氣油比由高到低依次為高滲管、中滲管和低滲管。這主要是因為三管組吞吐中加強了非均質性,滲透率差異使得多數CO2進入到中滲和高滲管中,進入低滲管中的CO2相比單管組更少,溶解于油中的CO2相比單管組也更少,幾乎未起到提高采出程度的效果。而進入中滲和高滲管中的CO2相比單管組更多,大量的CO2溶解于油中,更能起到提高采出程度的作用,開井后從出口端被排出的氣減少,采出油量更多,瞬時氣油比普遍低于單管組。

2.2 多層非均質性對驅油效率影響

將單管組和三管組最終采出程度進行對比,如圖4所示。

圖4 單管組與三管組驅油效率對比

由圖4可見,自然衰竭采油階段,三管組與單管組采出程度差距較小,均在1.5%左右,說明衰竭階段采出程度隨滲透率升高而增大,開采主要依靠自身彈性能量,各組實驗采出程度均處于較低水平,因此單管組和三管組驅替效率相差不多。CO2吞吐階段,三管組的中滲管和高滲管吞吐效率分別為6.58%和5.51%,較單管組吞吐效率提高了1.57%和2.14%,三管組的低滲管吞吐效率為1.52%,比單管組的吞吐效率下降了1.13%。說明由于并聯導致的儲層非均質性增強,使得氣體運移變快,在相同時間內滲透率較高的中滲管和高滲管能吸收更多的CO2,產生更長的氣相段塞,并聯后吞吐產出更多的油,儲層非均質性有利于提高采出程度。

單管組總體吞吐效率為12.1%,三管組總體吞吐效率為13.61%,同比上升1.5%,說明低滲孔道的影響起到了類似調剖的作用,讓更多的CO2進入中滲管和高滲管中并溶解,使得另外兩管的吞吐效率比單管組吞吐效率更高,低滲組的存在一定程度上對提高中滲透組和高滲組的采出程度作出了貢獻。

2.3 多層非均質性對埋存效率影響

由于本次實驗主要使用巖心模型,故不考慮構造埋存,認為CO2封存主要是在地層水和剩余油中的溶解埋存［19-20］,埋存率如圖5所示。

圖5 單管組與三管組埋存率對比

由圖5可見,吞吐總體埋存率普遍偏低,單管實驗中,中滲管埋存率最高,高滲管其次,低滲管最低,三管實驗高低關系與單管實驗相符,但低滲管和高滲管埋存率下降,而中滲管埋存率上升,三管組總體埋存率高于單管組總體埋存率。說明滲透率較低時,氣體主要聚集在近井地帶,波及范圍小,較少的氣溶解在油和地層水中,埋存量較少,導致了埋存率偏低,三管實驗中加強了非均質性,導致氣體更多地進入到滲透率較高的中滲管和高滲管中,低滲管中吞入的CO2量比單管實驗中更少,埋存率隨之降低；隨著滲透率增加,更多的CO2溶解于油和水,埋存率逐漸提高,但滲透率過高會導致氣體較早突破,即使三管并聯中有更多的氣進入高滲管,但開井后氣體仍被直接排出,而不是溶解于油和水,導致埋存率降低。因此,多層非均質油藏CO2埋存存在一個最優滲透率,層間非均質性可以使油和水中溶解的CO2更多,埋存效率更高。

3 結論

（1）多層非均質油藏CO2吞吐的吞吐效率存在一個最優滲透率,過低的滲透率會降低注入氣波及面積,而過高的滲透率一方面會產生氣體超覆現象,另一方面容易形成更長的氣相段塞,使返排時過早突破。

（2）強層間非均質性有利于提高采出程度,多層非均質油藏CO2吞吐的吞吐效率比單層CO2吞吐的總吞吐效率高1.5%,由于低滲孔道的存在讓更多的CO2進入到中高滲孔道中,提高了高滲孔道的吞吐效率和總體吞吐效率。

（3）CO2吞吐的總體埋存率偏低,埋存效果同樣存在一個最優滲透率。并聯后低滲管和高滲管埋存率下降,而中滲管埋存率上升,總體埋存率高于單管組。多層非均質油藏的非均質性越強,埋存效率越高。