对CO2驱油过程中油气混相特征的再认识.pdf

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2 0 0 9年 6月 第 2 8卷第 3期 大庆石油地质与开发 Pe t r o l e u m Ge o l o g y a n d Oi l fie l d De v e l o p me n t i n Da q i n g J u n e,2 0 0 9 Vo 1 . 2 8 No . 3 DOI 1 0 . 3 9 6 9 / J . I S S N. 1 0 0 0 - 3 7 5 4 . 2 0 0 9 . 0 3 . 0 2 3 对 C O 2驱油过程 中油气 混相特征 的再 认识 计 秉玉 王凤 兰 何应付 , 1 .中国石化勘探开发研究院 ,北京1 0 0 0 8 3 ;2 .大庆油 田有 限责 任公司勘探开发研究院 , 黑 龙江 大 庆1 6 3 7 1 2 3 .西南石油大学 ,四川 成都6 1 0 5 0 0 摘要利用理论分析与组分模型数值模拟计算发现,由于油 田开发以后油藏不 同部位地层压力变化很大,C O 与原油在注人井附近为混相状态,在生产井附近为非混相状态 ,在井间一定范围内为半混相状态,过去那种简 单的混相驱或者非混相驱的概念存在很大局限性。为此 ,定义了混相体积系数、半混相体积系数和非混相体积 系数描述 c 0 , 驱混相情况 ,给出了相应的计算方法,对大庆油田芳 4 8区块和树 1 0 1区块进行了实例计算。由于 大庆油田原油重质含量较高,导致全混相体积系数较低 ,而非混相体积系数较高 ,是否大规模开展 C O 驱还要 通过现场试验及技术经济指标综合评价才能得出结论。 关键词C O , 驱;全混相体积系数 ;半混相体积系数;数值模拟 中图分类号T E 3 5 7 文献标识码A 文章编号1 0 0 0 3 7 5 4 2 0 0 9 0 3 - 1 0 3 - 0 7 RE. UNDERSTANDI NG oF oI L AND GAS M I S CI BLE PHAS E CHARACTERI STI CS DURI NG CO2 FLooDI NG J I B i n g y u 。WANG F e n g . 1 a n 。HE Yi n g f u 1 . E x p l o r a t i o n a n d D e v e l o p m e n t R e s e a r c h I n s t i t u t e ,S i n o p e c ,B e ij i n g 1 0 0 0 8 3 ,C h i n a ;2 . E x p l o r a t i o n a n d D e v e l o p m e n t R e s e a r c h I nst i t u t e ,P e t r o C h i n a D a q i n g O i lfie l d ,D a q i n g 1 6 3 7 1 2 ,C h i n a ;3 . S o u t h w e s t P e t r o l e u m U n i v e r s i t y ,C h e n g d u 6 1 0 5 0 0 ,C h i n a Abs t r a c t Ba s e d o n t he o r e t i c a l a n a l y s i s a n d n ume r i c a l s i mu l a t i o n c a l c ul a t i o n o f c o mp o s i t i o n mo d e l ,f o r ma t i o n p r e s - s u r e i n d i f f e r e nt p a r t s o f r e s e r v o i r h a s mu c h v a r i a t i o n s i n c e o i l fie l d pu t i n t o de v e l o p me n t , CO2 a n d o i l a r e mi s c i b l e n e a r i n j e c t o r , i m mi s c i b l e n e a r p r o d u c e r a n d h a l f - mi s c i b l e i n a c e rt a i n i n t e r w e l l r a n g e r e s p e c t i v e l y .T h e e a r l i e r s i m. p i e c o n c e p t s o f mi s c i b l e a n d i mmi s c i b l e fl o o d i n g a r e s i g n i f c a n t l y l i mi t e d .Mi s c i b l e v o l u me f a c t o r ,h a l f mi s c i b l e v o 1 . u me f a c t o r a n d i mmi s c i b l e v o l u me f a c t o r a r e d e fi n e d t o d e s c r i b e C O, fl o o d i n g a n d p r o v i d e c o r r e s p o n d e n t c a l c u l a t i o n me t h o d。wi t h c a l c ul a t i o n c a s e s o f F a n g 4 8 a n d S h u 1 01 b l o c k s i n Da q i n g Oi l fie l d. Hi g h he a v y ma t e ria l c o n t e n t i n 0 i l o f Da q i n g Oi l fi e l d c a u s e s l o w wh o l e mi s c i b l e v o l u me f a c t o r a n d h i g h i mmi s c i b l e v o l u me f a c t o r .Wh e t h e r D e r f o r m l a r g e s c a l e o f CO2 flo o d i n g o r no t d e p e nd s o n fie l d t e s t o r t e c h n i c a l a n d e c o n o mi c i n d e x e s . Ke y wo r d s CO2 flo o d i n g; wh o l e - mi s c i b l e v o l u me f a c t o r ;h a l f - mi s c i bl e v o l u me f a c t o rn u me fle a 1 s i mu l a t i o n 收稿 日期 2 0 0 9 4 4 4 1 基金项目国家科技支撑计划课题 “ 二氧化碳气驱提高采收率试验研究” 2 0 0 6 B A B 0 3 B 0 6 赞助 。 作者简介计秉玉 ,男 ,1 9 6 3年生,教授级高工 ,博士,主要从事油藏工程与提高采收率方面的科研与管理工作 。 Ema i l j i b y p e p r i s . c o n 1 0 4 大庆石油地质与开发 2 0 0 9经 全 世 界 注 气 驱 油 项 目 中,C O ,混 相 驱 占 5 3 . 9 %,而在 1 2 4个注 C O 驱油项 目中,混相驱共 有 1 0 8个 。可见 C O 在驱 油过程 中能否与原油 混相是人们十分关心的问题 ,甚至有人视其为 C O , 驱成败与否的关键 J 。因此 ,在确定 C O , 驱油项 目时对是否混相都要有一个认识。 一 般认为 C O 驱实 现混相的机 理是在一定 的 压力下 ,C O 对原油中轻质组分萃取 ,从 而消除油 气两相之问界面,界面张力逐渐趋近于0 ,残余油 饱和度朝 0的方向下降 ,油相相对渗透率曲线接近 于直线 。根据传统 的混相概念 ,C 0 驱分为混 相驱和非混相驱两种状态。其判断依据多采用室内 实验结果 ,比如细管实验_ 2 、升泡法实验 和蒸 汽密度法实验 。其中细管实验是最通用的方法 , 它求 出的压力和采收率 常常取注入 C O , 1 . 2 P V 的采出程度 关系曲线,一般存在一个拐 点,高 于拐点压力情况下采收率随压力升高变化不大 ,而 低 于拐点压力,随着压力 升高 C O 驱采收率急剧 增加 ,拐点处的压力被认为最小混相压力 MM P 一般与9 0 %O O I P 相对应 ,也有人称其为工程混 相压力。将求出的最小混相压力与油藏原始地层压 力进行对 比,判断为混相驱或非混相驱 , 并认为两种情况下驱替效果存在质的差别。 但是 , 以上概念存在的一个重大 问题是忽略了 油 田注气开发之后地层压力场将会发生重大变化及 其对混相状态的影响 引。实际注气过程 中, 注采井 问的压力是变化的 图 1 , 例如 , 大庆外围油 田在注 入端压力可以达到4 0 MP a以上 , 远远高于实验室细 长管测得的} 昆相压力 , 而在采 出端压力仅为 2~3 MP a , 又远远低于混相压力 。这 意味着在 注入井 附 近是混相驱替 , 在生产井附近是非混相驱替 。所以, 过去那种混相驱和非混相驱 的概念值得重新认 识, 原始地层压力与实测的最小混相压力简单的对 比来 判别实际油藏是否实现混相驱的做法值得商榷。 1油气界面张力剖面 C O , 驱过程 中的混相现象是原油轻质组分蒸发 到 c 0 中 c O 萃取和 C O 2 溶解到原油中的传 质作用下产生的,混相状态应该用界面张力定量描 述。界面张力最直接的影响因素就是两相之间组分 含量的差异性 ,而影响组分差异性的重要因素就是 地层压力 。因此 ,随着地层压力 由注入井到采 油井的急剧变化 ,界面张力或混相状态也将随之发 生重大变化。 图l注采井间压力剖面及与MM联 系示意图 Pi g. 1 S ke tc h m ap o f re 1 ati O ns hi p b et we e n p r e s s u r e p r o f i l e a n d l 0 b e t w e e n i n j e c t i o n well an d p ro du cti on w ell 域 根 据大庆 外 围油 田的基础物 性参数 和流体 P V T参数 ,取五点法井 网的 1 / 4建立理想地质模 型 ,运用组分模型来研究注入采出井之间界面张力 的分布规律 。地 质模型 的网格划分为 2 0 x2 01 , 网格步长为 5 m,平面渗透率为 1 1 0 ~ m ,孔 隙度为 1 5 % ,有效厚度为 5 m,油水和油气相对渗 透率 曲线采用芳 4 8区块的数据。利用 P V T j 软件对 宋芳屯油田芳 4 8区块原油注气膨胀等实验数据拟 合得到了模型中各组分特征参数。 图 2是注入 0 . 4 1 7累计注入孔隙体积倍数时注 入采出井之间界面张力剖面图 图中x / L为无因 次距离 ; 为距注入井距离 ;L为注采井距 。一 般情况下 ,界面张力剖面可以划分为 I、Ⅱ和Ⅲ三 个带 ,即注入井附近的零界面张力带 0 ,界 面张力低值带和界面张力高值带三个 区域。界面张 力低值带又可进一步细分为前缘和后缘两个部分 , 并且 前 缘 后 缘。形成 上述现象 的原 因是,在注 入井附近 ,由于地层压力高于室测混相压力 ,油气 处于混相状态 ,界面 张力等于 0 图 2 ,沿着油 井方 向,随着地层压力的降低 ,界面张力升高 ,但 仍低于原始界面张力,形成低界面张力带。但在该 带前缘 ,虽然地层压力低于后缘 ,但 C O 的蒸 发 萃取作用更加充分 ,界 面张力低于后缘 图 2 。 在靠近油井端 ,由于地层压力进一步降低 ,油气分 离作用进一步加强,油气组分差异进一步加大,界 面张力较高。进一步的模拟计算表明,由于受地层 压力的影响 ,低界面张力带前缘低值点随着 向油井 运动而逐渐升高 图3 。 与界面张力相对 应 ,饱 和度剖面也可以划分 为如图4所示的 3个区域 不考虑束缚水 。其 中,纯气带对应于零界面张力带,高含气带对应于 低界面张力带,低含气饱和度带对应于高界面张力 第 2 8卷第 B期 计秉玉等对 c 0 驱油过程中油气混相特征的再认识 1 0 5 l 。 。 8 。 6 。. 2 。 Ⅱ / 卜 ■、 ~ 一 . / , 0 . 2 0 . 4 0. 6 0. 8 1 . 0 x/ L 图2界面张力分布曲线 Fi g. 2 Di st ri b uti o n of i nt er fa ci al te ns io n X/L 图3低界面张力带前缘低值点分布 Fi g. 3 Fr on tal l o w val u e DOi n t dis t ri bu ti on o f l o w i nt e rf ac e t e nsi o n z o ne 带。由图 2 、图4可见 ,含气前缘 比低界 面张力带 前缘运动速度快。在气体突破前,低界面张力带范 围逐渐增大。气体突破后,气体运动速度加快,地 层压力降低的影响更为突出 ,低界面张力带范 围又 有变小的趋势。 x/L 图4含气饱和度分布 Fi g. 4 G as s at ur ati o n di s t ri buti on 在 c 0 驱替过程 中,由于传质作用和压力变 化 ,原油黏度分布也随之发生改变 ,黏度变化剖面 见图 5 。 显然,纯气带对应着低黏度 ,但低界面张力 带后缘,由于原油轻质组分被 c 0 萃取,重组分 1 4 1 2 1 0 ● 萑 8 s 4 2 0 X/L 图5原油黏度分布 Fi g .5 Oi 1 vi s cos it y di st ri b uti o “ 含量较高 ,所以黏度变大 ,并可能远高于原始条件 下原油黏度 ;而在低界面张力带前缘 ,界面张力较 低 ,原油轻质组分较高 ,原油黏度变低 ,其可能远 低于原始条件下原油黏度。 2混相体积系数概念及影响因素 2 . 1混相体积系数的几个概念 前述分析表 明,在实 际油藏注气开发过程 中, 由于地层压力剖面的重大变化 ,常常在注入井附近 一 定范围内油气是混相 的,而在油井附近一定范围 内又是不混相的,所 以以往所说 的那种混相驱或者 非混相驱的极端概念在实验室是可能的 ,但是在注 入井和油井流压相差很大 的低渗透油藏中是不可能 的。与界面张力剖面相对应 ,可以定义全混相体积 系数、半混相体积系数和非混相体积系数来定量表 征 C O 驱油过程 中的混相状态或混相程度 。 以注入气波及体积为参照系,可以定义如下相 对混相状态参数 T , 全混相体积系数c y g I , 半混相体积系数c 。 ‘ g T , 非混相体积系数 c g 其 中, 是气体 波及体积 , 为界面张力为 0的体积, 为低界面张力区的体积, 为高界 面张力区的体积,且有 C c 。 C 1 。 如果以孔 隙体积为参照系,则可以相应地定义绝对混相状态 参数 ,并有 M CM CPCP。 tNCN 其 中, 为波及系数 。 1 O 6 大庆石油地质与开发 2 0 0 9经 以上各参数可以用组分模型数值模拟计算结果 进行统计。相对混相状态参数与相应的绝对混相状 态参数之间比例为注气波及系数 ,后面主要讨论相 对混相状态参数 。 2 . 2混相体积系数变化特征分析 2 . 2 . 1全 混相体 积 系数 全混相体积系数取决于全混相体积和注入气体 波及体积之 间的相对 变化关系。在 注人气体 突破 前,由于混相体积增长速度小于波及体积的增长速 度,全混相体积系数是下降趋势,但气体突破后, 波及系数增长速度大幅度降低,全混相体积系数又 出现大幅度上升趋势 图 5 。但绝对全混相体积 系数随着 C O ,累计注入孔 隙体积倍数 的增大逐渐 增大 ,只是在早期上升幅度较小。 \ 氟 醛 妊 罂 廷 寸 卅 \ 囊 蕞 聪 蛙 罂 蜒 寸 卅 靛 累计注入孔隙体积倍数 a 全混相体积系数 累计注入孔隙体积倍数 b 绝对全混相体积系数 图6混相体积系数随着气体注入量增大变化 Fi g. 6 Va ri ati on o f mi sci ble ph as e v ol u me c o e f f i c i e n t w i t h i n j e c t i o n g a s v o l u m e i n c r e a s i n g 2 . 2 . 2半 混相体 积 系数 注入气体突破前 ,低界面张力带前缘移动速度 大于后缘移动速度 ,半混相体积增加速度较快 ,半 混相体积系数呈上升趋势。油井注入气体突破后 , 后缘移动速度大于前缘移动速度, 半混相体积系数 又出现下降趋势 图 7 。 2 . 2 . 3全混相体积系数影响 因素分析 在注入井与采出井压力一定的情况下,不 同类 \ 囊 蕞 蛙 靶 醛 \ 妊 倏 匿 蛙 爨 赠 * 靛 瓣 累计注入孔隙体积倍数 a 半混相体积系数 累计注入孔隙体积倍数 b 绝对半混相体积系数 图7半混相体积系数随着气体注入量增大变化 Fi g. 7 V a ri a ti o n of h al f mi s ci bl e v ol um e f ac to r wi t h i n j e c t e d g a s v o l um e i n c r e a s e 型井网压力分布不同,决定了混相程度的差别。五 点法井网混相程度 无论全混相或者半混相最 高 ,七点法井网次之 ,反九点井网最低 图 8 。 累计注入孔隙体积倍数 图8 不同井网类型全混相体积系数变化 F i g . 8 I h o l e mi s c i b l e v o l um e f a c t o r v ar i a t i o n of di f fe re n t wel l pa tt e rn t yp es 其他条件不变情况下,随着井距增大,油气传质作 用有所加 强,混相程度 略有增加趋势 ,幅度不大 图9 ;随着注入压力和生产流压的升高,混相程 度呈增加趋势,并且注人压力的影响程度要高于流 第2 8卷第 3期 计秉玉等对 C O 驱油过程中油气混相特征的再认识 1 0 7 动压力 的影响 图 l 0 、图 l 1 。因此 ,只要其他 条件允许 ,应实行较高压力注人策略。 1 。 8 倏 簇 2 0 0. 3 0 . 6 0. 9 1 . 2 1 . 5 1 . 8 累计注入孔隙体积倍数 图9不同井距类型全混相体积 系数变化 F i g . 9 W ho l e m i s c i b l e p h a s e v o l um e f a c t o r v ari a ti o n o f di f fe re nt w el1 s p aci ng 累计注入孔隙体积倍数 图1 O不同流动压力下全混相体积 系数变化 Fi g .1 0 W hol e mi sci ble vol u me f act o r v a ri ati o n wi t h fl o w pre ss u re 累计注入孔隙体积倍数 图l l不 同注入压力下全混相体积系数变化 F i g . 1 l W h o l e mi s c i b l e v o l u m e f a c t o r v ar i a t i o n wi t h i n j e c t i o n p r e s s u r e 3实例分析 大庆油田为探索 C O 驱油方法开采特低渗透 储层 的可行性 ,在芳 4 8区块 、树 1 0 1区块 分别开 展了 C O ,驱油现场试验 。试验设计 过程 中,首先 在沉积微相分析基础上建立 了地质模型 ,开展 了室 内实验和相态拟合计算确定各种参数,然后通过组 分模型数值模拟优化油藏工程方案,并在优化过程 中特别考虑了全混相体积系数、半混相体积系数对 油藏开发效果的影响。 图 l 2和图 1 3 分别是在周期注人条件下油藏开 发 1 5年时刻芳 4 8区块 F I 7 2小层的混相区和含 图l 2芳4 8 区块F 1 7 - 2 层混相区分布 Fi g .1 2 Dis t ri bu ti On of mis ci bl e zo ne i n La ye r Fl 7 2 of Blo c k Fa ng 48 N I l 3 芳4 8 区块F1 7 - 2 层含油饱和度分布 Fig .1 3 Di st ri but i on o f oi l s a tu rati on i n La ye r F 1 7 2 o f Bl o c k F an g 4 8 1 0 8 大庆石油地质与开发 2 0 0 9正 油饱和度分布 图,从 中可 以看出在注入 C O ,波及 区域 内,混相区主要分布在注气井附近,其范围内 的含油饱和度接近于 0 ,驱油效率很 高;半混相区 主要分布于油气井之间,其延伸方向受到地层物性 的影响 ,分布范围内含油饱和度较低 ,平均值低于 2 0 %,驱油效 率较高 ;非混相 区的含油饱 和度较 高,主要分布在油井附近和气相饱和度较低的区 域,驱油效率较低 。 表 1 和表 2分别是芳 4 8区块 和树 1 0 1区块各 方案混相状态分析结果。从中可以看出两个 区块 的 全混相体积系数均低于 1 0 %,半混相体积系数均 在 2 5 %左右。根 据实验室 的最小混相压 力实验 , 认为树 1 0 1区块能够达到混相 ,而芳 4 8区块为非 混相驱替。但是实际油藏数值模拟计算结果可以看 出树 1 0 1 井区的混相体积系数仅比芳4 8区块高出 0 . 8 2 % 推荐方案分别为 9号和 3号 ,仅能说明 树 1 0 1区块混相程度略高于芳 4 8区块 ,两者之间 不存在驱替本质上的差别 。 混相体积系数和半混相体积系数的大小影响着 C O 驱油效率 的高低 ,其与区块的井 网形式、油气 井工作制度 、注气 时机 和注气方式息息相关 表 1 ,因此 与波及 系数 一样 ,混相体积系数与半混 相体积系数也是 C O 驱油开发方案优选 的主要评 价指标之一。 表1 芳 4 8区块注 C O 驱油各方案混相状态分析 T a b l e 1 M i s c i b l e s t a t e a n a l y s i s o f d i ff e r e n t p l a n s b y CO2 f l o o d i n g i n Bl o c k F a n g 4 8 表 2 树 1 0 1区块注 C 0 驱布井各方案混相状态分析 T a b l e 2 M i s c i b l e s tat e a n a l y s i s o f d i ffe r e n t p a t t e r n p l a n s b y CO2 fl o o d i n g i n Bl o c k S h u 1 0 1 征,从注入井到采油井剖面上依次为全} 昆 相、半混 4结 论 相和非混相三种状态,过去那种严格的 混相驱或者 1 c 。 驱替过程中,由于地层压力分布特 非混相驱很难存在,可用全混相体积系数、半混相 第 2 8卷第 3 期 计秉玉等 对 C O 驱油过程中油气混相特征的再认识 1 0 9 体积系数定量描述混相状态 ,并由组分模型数值模 拟计算得到。 2 三个混相参数是开发方案 优化的重要评 价指标 ,并且 受到原油性 质、储层 物性 、注入压 力、生产流压 和井 网类型等方 面控制。在大庆油 田,由于原油重组分相对较高,全混相体积系数低 于 1 0 %,半混相体积系数在 2 5 %左右,非混相体 积系数较高,达 6 5 %以上。因此,是否大规模开 展 C O ,驱还要通过现场试 验 ,对技术经济指标综 合评价才能得出结论。 3 所取得的认识 虽是针对 C O 驱研究得到 的,但对诸如注 N 、烃类气体以及烟道气等气驱 方法具有较大的借鉴作用。 参考文献 [ 1 ]L e e n a K o o t t u n g a1 .2 0 0 8 Wo r l d w i d e E O R S u r v e y [ J ].O i l a n d G a s J o u rnal, 2 0 0 8 ,1 o 6 1 5 4 7 - 5 9 . 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