林 楊, 劉 楊, 胡 雪, 趙鳳蘭, 侯吉瑞

(中國石油大學(北京)提高采收率研究中心,北京102249)

CO2在非均質多孔介質中的氣竄與運移

林 楊, 劉 楊, 胡 雪, 趙鳳蘭, 侯吉瑞

(中國石油大學(北京)提高采收率研究中心,北京102249)

通過室內物理模擬,建立了相應的實驗裝置,對于CO2在無填充相、有填充相多孔介質中的竄逸規(guī)律,進行深入研究。具體研究了溫度、壓力、滲透率、高滲層與低滲層級差等影響因素對于CO2竄逸程度的影響。結果表明,注入壓力與氣體在多孔介質中的突破時間呈冪指數(shù)關系,且有經(jīng)驗關系式可以預測氣體的氣竄時間,高滲層與低滲層的滲透率級差在一定的臨界壓力范圍內對氣體的氣竄時間和氣體的流速影響很大,有經(jīng)驗回歸公式可以預測一定級差下氣竄之前氣體的波及體積。

CO2; 非均質; 級差; 多孔介質; 氣竄

在提高原油采收率方法中,注氣驅替技術已成為一項十分重要的技術,注CO2氣體提高原油采收率具有成本低廉,成效顯著的特點,并且注CO2氣體能夠減少空氣污染,降低溫室效應,有利于環(huán)境保護[1-2]。CO2驅已成為一種成熟的提高采收率方法[3-7]。并且CO2驅將是提高我國低滲透油藏采收率最有前景的方法[8]。

但是在注CO2開發(fā)油田的過程中,由于多油層之間非均質性的影響,層間和平面上的油氣界面常常不是均勻推進的,而是會沿著高滲透層形成優(yōu)勢的竄流通道,即發(fā)生氣竄現(xiàn)象。此時注入的CO2會形成無效循環(huán),氣體波及體積大大降低,開采效果變差。

目前國內外對于CO2在多孔介質中的氣竄現(xiàn)象研究的非常少,現(xiàn)有的研究主要都集中在對于CO2在多孔介質中的擴散系數(shù)的測定方法上面[9]。雖然有少量的文獻對于CO2在多孔介質中的對流傳熱傳質進行了研究,但是其研究方法主要是借助分型理論以及有限元法進行的定性研究,缺少定量的描述。

本文通過室內物理模擬實驗,研究了CO2在多孔介質中不同溫度、壓力、滲透率條件下的竄逸規(guī)律。綜合考慮了油藏滲透率,高低滲層級差,注入壓力等因素對于氣體竄逸程度的影響,并用經(jīng)驗關系式來表征儲層的竄逸程度,定性地分析各個因素對氣體在油藏中竄逸的響程度,從而對油田注氣開發(fā)做出一定的指導。

1 實驗裝置與實驗步驟

1.1 實驗裝置

本實驗所用到的儀器和物品如圖1所示。

Fig.1 Experimental setup flowchart圖1 實驗裝置流程圖

1.2 實驗步驟

未飽和地層水干巖心的實驗步驟:

(1)在巖心夾持器中裝入非均質人造巖心,按照圖1所示的流程圖連接好實驗裝置,并且檢查裝置的密閉性。

(2)將巖心抽真空,當關閉真空泵后4 h內真空表讀數(shù)不再改變時,認為裝置密封性完好。

(3)將入口壓力調節(jié)至實驗壓力,待30 min內壓力傳感器顯示的壓力值穩(wěn)定時開始實驗。

(4)分別記錄高滲層與低滲層發(fā)生氣竄的時間,待低滲層出現(xiàn)氣竄時停止實驗。

飽和地層水巖心的實驗步驟:

(1)按照實驗裝置圖1所示連接好實驗裝置,檢查裝置的密閉性。

(2)模型抽真空,當關閉真空泵后4 h內真空表讀數(shù)不再改變時為止。

(3)開泵以0.5 mL/min的速度向巖心中注入模擬鹽水來飽和巖心。

(4)開泵水測滲透率,入口壓力穩(wěn)定后,記錄讀數(shù),自然釋放夾持器內壓力至零。

(5)調節(jié)入口壓力至實驗壓力,待30 min內壓力傳感器顯示的壓力值穩(wěn)定時開始實驗。

(6)待低滲層出現(xiàn)氣竄時停止實驗。

2 結果與討論

2.1 入口壓力與氣竄時間的關系分析

本實驗采用非均質巖心的物性參數(shù)見表1。

表1 巖心的物性參數(shù)Table 1 The physical property parameter of material

圖2為巖心未飽和水時,入口壓力與發(fā)生氣竄的時間關系曲線。巖心1級差為10倍(K高滲/K低滲=10),巖心2級差為20倍。由圖2可以看出,雖然巖心1與巖心2的低滲層均為0.5 mD,但巖心2的低滲層發(fā)生氣竄的時間要比巖心1的低滲層長很多。因為對于高滲層和低滲層滲透率相差很大的巖心來說,氣體通過的時候更傾向于先通過高滲層,而低滲層相對來說不容易氣竄,級差越大的巖心,這種現(xiàn)象就越明顯。由圖2還可以看出,不同的級差,不同的滲透率下,氣竄時間隨著入口壓力的增加,呈單調下降趨勢,且符合冪函數(shù)關系。

Fig.2 The curve of gas channeling time and inlet pressure of water-unsaturated core圖2 未飽和水巖心入口壓力與氣竄時間關系曲線

根據(jù)圖2中未飽和水巖心入口壓力與低滲透層氣竄時間回歸得到的數(shù)據(jù),在5 MPa以內,有如下的經(jīng)驗公式來預測氣體在多孔介質中的低滲透層氣竄時間,其擬合相關系數(shù)在0.99以上。

式中:t—低滲透層發(fā)生氣竄的時間,s;

t0—單位時間,s;

L—巖心的長度,m;

L0—單位長度巖心,m;

K1—高滲透層的滲透率,mD;

K2—低滲透層的滲透率,mD;

p—入口壓力,MPa;

p0—10倍大氣壓,MPa。

2.2 入口壓力、級差與氣體流速關系分析

在均質巖心中,發(fā)生氣竄之后,竄逸出的氣體的流速是隨著入口壓力的升高而上升的。在非均質巖心中,總是存在一個臨界的壓力,如圖3所示。當入口壓力達到此壓力值時,氣體的流速反而會下降,這是因為當壓力達到一定值時,非均質巖心的高滲層與低滲層級差的影響變小,氣體開始變得容易從低滲層突破,而隨著壓力的繼續(xù)升高,壓力對氣體流速的影響又起主導地位,氣體的流速開始變得很大。

Fig.3 The curve of gas flowrate and inlet pressure of water-unsaturated core圖3 未飽和水巖心入口壓力與氣體流速關系曲線

為了更好地反映高滲透層與低滲透層的滲透率差異(級差)給氣體竄逸帶來的影響,特定義U= t低滲/t高滲,并且作出U與入口壓力的關系曲線,如圖4所示。

Fig.4 The curve of inlet pressure of water-saturated core and ratio of gas channeling time in lowpermeability layer and hypertonic layer圖4 飽和水巖心入口壓力與低滲層高滲層氣竄時間比值關系曲線

由圖4可以看出,由于兩塊巖心級差的不同,兩條曲線不盡相同。在低壓段20倍級差對曲線形狀的影響更大,這說明當巖心非均質性增強時,級差將作為一個不能忽略的因素必須加以考慮。級差增大則氣體更加易于從高滲突破,因此巖心2低滲層發(fā)生氣竄的時間比巖心1低滲層的氣竄時間長,對于高滲層該規(guī)律則剛好相反。隨著入口壓力的增高,壓力的影響超過了級差的作用,低滲層與高滲層的見氣時間不斷接近,二者比值減小,當壓力升高到一定程度時,該比值趨于常數(shù)1。

由圖4還可以看出,兩塊巖心的氣竄時間曲線都出現(xiàn)了拐點,并且?guī)r心的非均質性越強,拐點出現(xiàn)的越早。如圖4中巖心1曲線所示,在5 MPa之前,低滲與高滲氣竄時間比較接近,緩慢上升,說明此時巖心的非均質性對氣體突破時間未產(chǎn)生太大影響,到了6 MPa,低滲見氣時間與高滲見氣時間的比值顯著增大,而超過此壓力時,該比值又降低,這說明氣體的突破時間,是級差與入口壓力相互作用的綜合結果,且存在著一個臨界的壓力,高于這個壓力,則氣體突破的速度會急速上升,而級差越大,該臨界壓力就越小。

2.3 入口壓力與氣體波及體積關系分析

圖5所示的是飽和水巖心發(fā)生氣竄之前,高滲透層和低滲透層的氣體波及體積。由圖5可以看出,高滲透層的氣體波及體積始終小于低滲透層,在高低滲層均未發(fā)生氣竄的中低壓階段,存在一個壓力 p1使得氣體的波及體積最小,如圖5所示是在3 MPa,在此壓力下,高滲與低滲層氣體波及體積銳減,超出該壓力,波及體積又上升,且有壓力 p2,使得氣體的波及體積達到最大,開采效果最好。

Fig.5 The curve of gas swept volume and inlet pressure of water-saturated core圖5 飽和水巖心入口壓力與氣體波及體積關系曲線

根據(jù)統(tǒng)計回歸得到了在高低滲層滲透率相差20倍條件下,發(fā)生氣竄前氣體的波及總體積與入口壓力等因素的經(jīng)驗關系式,其擬合相關系數(shù)達到0.97以上。

式中:A—巖心截面積,cm2;

φ—孔隙度;

h—巖心長度,cm;

p0—10倍大氣壓,MPa;

Q—波及體積,cm3。

綜上,注入壓力與氣體在巖心中的突破時間呈冪指數(shù)關系,對于未飽和水巖心來說,有經(jīng)驗關系式來預測氣體在巖心中的突破時間,并且存在臨界的壓力,當入口壓力達到此壓力值時,在非均質巖心中,氣體的流速會隨著壓力的升高而下降。級差越大的巖心,該臨界壓力就越小,即大級差的巖心,會更早的出現(xiàn)氣竄。在CO2驅替過程中,存在理想的壓力使得氣體波及體積最大,在20倍級差下,氣體波及體積在4 MPa下最大。

[1]陳鐵龍.三次采油概論[M].北京:石油工業(yè)出版社,2000:40-73.

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(Ed.:SGL,Z)

Gas Channeling and Migration of CO2in the Non-Homogeneous Porous Media

LIN Yang,LIU Yang,HU Xue,ZHAO Feng-lan,HOU Ji-rui
(Enhanced Oil Recovery Research Center in China University of Petroleum,Beijing102249,P.R.China)

6November2009;revised8March2010;accepted14April2010

Based on some indoor physical simulation and the corresponding experimental equipments,to the channeling laws of CO2in the absence of filling phase and filling phase porous medium was researched.It specifically researched the impact that the factors have on CO2channeling level,such as temperature,pressure,permeability,high permeability and low permeability hierarchy.The results show that it reveals exponential relationship between the injection pressure and the breakthrough time of gas in porous media,and there is an empirical correlation can predict the gas channeling time,the differential permeability of hypertonic layer and low permeability layer has a great influence to the time of gas channeling and the flow rate of gas in the context of a certain critical pressure.The empirical regression equation can predict the swept volume of gas prior to the gas channeling under a certain differential.

CO2;Heterogeneity;Differential;Porous media;Gas channeling

.Tel.:+86-10-89732018;fax:+86-10-89734612;e-mail:linyang82219@sina.com

TE341

A

10.3696/j.issn.1006-396X.2010.02.012

1006-396X(2010)02-0043-04

2009-11-06

林楊(1982-),男,黑龍江綏化市,在讀碩士。

國家973項目(2006CB705800);國家自然科學基金項目(50804052)。