張立娟，岳湘安，楊志國，喬美樺，柳宗權(quán)

（1.中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京 102249；2.哈里伯頓（中國）能源服務(wù)有限公司，天津 300457；3.中國石化中原油田分公司石油工程技術(shù)研究院，河南 濮陽 457001）

0 引言

我國有一些典型的非均質(zhì)高溫油藏，水驅(qū)采收率相對較低，亟需進(jìn)一步提高采收率。但是，在高溫條件下，由于化學(xué)劑的熱穩(wěn)定性問題，化學(xué)驅(qū)提高采收率方法往往難以應(yīng)用。此外，由于油藏原油與注入氣體的混相壓力較高，達(dá)不到混相條件，而且油藏的非均質(zhì)性強(qiáng)，易于發(fā)生氣竄等問題，直接采用混相氣驅(qū)的方法不可行。為此，有必要開展非混相WAG提高采收率方法的研究。世界范圍內(nèi)成功的混相或非混相WAG礦場試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，該方法可以進(jìn)一步提高采收率5～10百分點(diǎn)[1]。目前幾乎所有的商業(yè)注氣項(xiàng)目都使用WAG方法[2]。國內(nèi)外學(xué)者針對WAG方法對油藏的適應(yīng)性和提高采收率的效果進(jìn)行了大量數(shù)值模擬研究[3-9]，然而，對于非均質(zhì)高溫油藏水驅(qū)后，開展WAG注入的實(shí)驗(yàn)研究相對較少。筆者利用3層縱向非均質(zhì)巖心模型，開展了一類非均質(zhì)高溫油藏水驅(qū)后HC，N2和CO2非混相WAG的模擬實(shí)驗(yàn)，分析了氣體類型和巖心縱向非均質(zhì)性對開采特征和驅(qū)油效果的影響。此次研究為該類油藏水驅(qū)后進(jìn)一步提高采收率提供了依據(jù)，有助于深化對非混相WAG驅(qū)油機(jī)理的認(rèn)識。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

巖心夾持器、壓力采集系統(tǒng)、2PB00C型平流泵、RS-6000型流變儀、AR1530/C電子天平、高壓天然氣瓶、高壓氮?dú)馄?、高壓二氧化碳?xì)馄?、回壓閥、恒溫箱、高壓中間容器、油水分離與計(jì)量儀、氣體計(jì)量儀、手搖泵等。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)用水為油田模擬地層水，礦化度為3 260 mg/L，水中離子組成見表1。原油為冀東油田原油，114℃時(shí)的黏度為2.05 mPa·s。HC各組分的摩爾分?jǐn)?shù)為甲烷91.4%、乙烷5.3%、丙烷為2.22%、正丁烷0.51%、異丁烷0.36%、正戊烷0.08%、異戊烷0.08%、已烷0.05%。實(shí)驗(yàn)溫度114℃，模擬地層壓力10 MPa。

表1 地層水的離子組成

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

為研究注入氣體類型和油藏縱向非均質(zhì)性對非混相WAG提高采收率效果的影響，設(shè)計(jì)了9組實(shí)驗(yàn)。3種非均質(zhì)巖心分別注入 3 種氣體（N2，CO2，HC），滲透率級差k分別為5，15，30，滲透率在縱向上呈正韻律分布，巖心模型相關(guān)參數(shù)見表2。所用巖心模型由石英砂加入環(huán)氧樹脂高壓膠結(jié)而成，具有弱親油的表面潤濕性。實(shí)驗(yàn)過程為：巖心飽和水（自吸和驅(qū)替飽和）；水測滲透率；飽和油（以0.2 mL/min速度進(jìn)行油驅(qū)水至束縛水飽和度）；飽和油后的巖心在油藏溫度下老化24 h，水驅(qū)油（1 mL/min）至含水率98%以上，連續(xù)開展2個(gè)WAG周期，水氣比1∶1（0.15 PV氣體和0.15 PV水，其中注氣速度為0.3 mL/min，注水速度為1 mL/min），后續(xù)注水（1 mL/min）至含水率98%以上。

表2 縱向非均質(zhì)巖心物性參數(shù)

2 影響因素分析

2.1 氣體類型

在滲透率級差為5的巖心模型中，HC非混相水氣交替（HC-WAG）、N2非混相水氣交替（N2-WAG）和CO2非混相水氣交替（CO2-WAG）在2個(gè)水氣交替周期的開采過程中，N2-WAG和HC-WAG在產(chǎn)氣、增油和降含水率動態(tài)規(guī)律及水驅(qū)基礎(chǔ)上提高采收率幅度相近。但是，N2-WAG和HC-WAG與CO2-WAG差異性較大，呈現(xiàn)出3個(gè)明顯不同的開采特征（見圖1）。對于N2-WAG和HC-WAG：產(chǎn)氣早；存在一個(gè)快速增油的階段，發(fā)生在第1周期注氣后與第2周期注水前，即水氣階段；增油期間含水率下降快且波動大。對于CO2-WAG：產(chǎn)氣晚，增油過程沒有顯著的快速增油階段，含水率下降幅度相對小。HC-WAG，N2-WAG和CO2-WAG分別在水驅(qū)基礎(chǔ)上提高采收率19.31，18.84，13.72百分點(diǎn)。

通過對比3種氣體高溫高壓下（114℃，10 MPa）的密度、黏度、氣-水界面張力等性質(zhì)[10-18]（見表 3），可以分析它們在開采特征和驅(qū)油效果上的差異性。正韻律油層水驅(qū)后，大量剩余油富集在油層上部。對于N2-WAG或HC-WAG方法，在注N2或CH4（HC的主要成分）階段，由于非潤濕相N2或CH4的密度小，因此，易于在重力作用下進(jìn)入到上部孔隙較小且滲透率較低的層位，驅(qū)替水未波及到的剩余油，從而提高采收率。隨著N2或CH4的注入，一部分氣體進(jìn)入到下部孔隙較大且滲透率較高的層位。由于N2或CH4在水和油中的溶解性小[19]，且黏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于油的黏度，因此，在N2或CH4的注入階段，N2或CH4易于沿著原水流通道中發(fā)生氣竄，造成采出端較早產(chǎn)氣，較少產(chǎn)油。當(dāng)?shù)?周期的注水開始后，油-氣-水三相同時(shí)在氣竄通道中流動，流動阻力明顯增加。由表3可知，N2或CH4與水的界面張力大，多相流在截面不斷變化的孔隙中毛細(xì)管阻力大。因此，其降低高滲層中驅(qū)替相流度的能力強(qiáng)。隨著高滲層內(nèi)流動阻力的增加，水和后續(xù)氣進(jìn)入到中、低滲透率層，從而提高了波及效率。

表3 氣體高溫高壓物性

非混相CO2-WAG與N2-WAG或HC-WAG相比，具有不同的開采特征，最終驅(qū)油效果也相對較差。有以下 3 個(gè)方面的不同：1）CO2在油[19]、水中的溶解度高于N2或CH4。在2個(gè)周期的CO2-水注入過程中，初期不產(chǎn)氣或產(chǎn)氣量較小。隨著注氣量的增加和氣竄通道的形成，在最后一個(gè)周期的注水階段大量產(chǎn)氣。2）CO2的密度大于N2或CH4。CO2進(jìn)入油層上部低滲層的氣體量和作用效果不如N2或CH4。3）CO2與水的界面張力較低，在多相流動中，形成的流動阻力較小，提高波及效率及使后續(xù)水和氣進(jìn)入中低滲透層的調(diào)剖能力較弱。綜合以上原因，CO2-WAG最終在水驅(qū)基礎(chǔ)上的提高采收率的幅度遠(yuǎn)小于N2或CH4的WAG注入（見圖1，滲透率級差為 5）。

圖1 巖心模型中驅(qū)油動態(tài)

2.2 巖心非均質(zhì)性

圖2給出了滲透率級差為30的縱向3層非均質(zhì)巖心模型中水驅(qū)含水率98%后HC-WAG，N2-WAG，CO2-WAG的驅(qū)油動態(tài)?？梢钥闯?，N2或HC的產(chǎn)氣量峰值明顯高于滲透率級差為5的產(chǎn)氣量峰值，氣體在高滲層水流通道中的竄流程度加強(qiáng)，更多的氣體由于氣竄而采出，進(jìn)入低滲層及在高滲層控制流度的氣體量減少。對于CO2-WAG，其在滲透率級差為30巖心模型中的開采期大大縮短，整個(gè)開采期由4.7 PV縮短為3.5 PV。據(jù)此可以推斷，CO2在高滲層原水竄通道形成的阻力也不足以使更多的水和后續(xù)氣進(jìn)入未波及區(qū)域，氣竄通道很快形成。與滲透率級差為5的相比，滲透率級差為 30 時(shí)，HC-WAG，N2-WAG，CO2-WAG 在水驅(qū)后提高采收率均有不同程度的降低，分別為9.01，8.07，8.11 百分點(diǎn)。

圖2 巖心模型中驅(qū)油動態(tài)

分析圖3中水驅(qū)基礎(chǔ)上3種氣體非混相水氣交替提高采收率的幅度隨級差的變化可知，N2-WAG和CO2-WAG的驅(qū)油效果對巖心縱向非均質(zhì)的變化較敏感，當(dāng)滲透率級差增至15時(shí)，采收率下降幅度較大。相反，HC-WAG提高采收率的幅度隨巖心縱向非均質(zhì)程度增加下降的相對較小，在滲透率級差為15時(shí)，仍可以提高采收率15百分點(diǎn)以上。綜合以上研究結(jié)果，非混相HC-WAG可作為非均質(zhì)高溫油藏水驅(qū)后一種有前景的提高采收率方法。

圖3 WAG提高的采收率隨滲透率級差的變化

3 結(jié)論

1）氣體類型對WAG開采特征有顯著的影響。HC或N2非混相WAG與CO2非混相WAG相比，有3個(gè)明顯不同的開采特征，即見氣早、存在一個(gè)快速增油期、增油期間含水率下降快且波動大。

2）在高溫高壓下，HC和N2密度小，在油水中的溶解度低，氣-水表面張力高。這些特點(diǎn)有利于其在非混相WAG注入過程中提高波及效率和采收率。

3）隨著縱向非均質(zhì)性的增強(qiáng)，非混相HC-WAG，N2-WAG，CO2-WAG的驅(qū)油效果均不同程度地下降。非混相HC-WAG對巖心非均質(zhì)性的變化最不敏感，當(dāng)滲透率級差為15時(shí)，仍可以在水驅(qū)基礎(chǔ)上提高采收率15百分點(diǎn)以上。

4）對于以正韻律為主要沉積特點(diǎn)且非均質(zhì)性在一定范圍內(nèi)的高溫油藏，HC非混相WAG可作為一種水驅(qū)后有前景的提高采收率方法。

[1]Laochamroonvorapongse R，Kabir C S，Lake L W.Performance assessment of miscible and immiscible water-alternating gas floods with simple tools[J].Journal of Petroleum Science and Engineering，2014，122（10）：18-30.

[2]Kulkarni M M，Rao D N.Experimental investigation of miscible and immiscible water-alternating-gas （WAG） process performance [J].Journal of Petroleum Science and Engineering，2005，48（7）：1-20.

[3]Barnawi M T.A simulation study to verify Stone′s simultaneous water and gas injection performance in a 5-spot pattern [D].Texas：Texas A ＆ M University，2008.

[4]Zahoor M K，Derahman M N，Yunan M H.WAG process design-an updated review [J].Brazilian Journal of Petroleum and Gas，2011，5（2）：109-121.

[5]郭平，霍麗君，姜彬，等.芳48 CO2驅(qū)油先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)水氣交替參數(shù)優(yōu)化[J].中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，36（6）：89-93.

[6]胡偉，楊勝來，張潔，等.基于正交試驗(yàn)方法的注烴氣影響因素優(yōu)化分析[J].斷塊油氣田，2014，21（6）：750-754.

[7]尚寶兵，廖新維，盧寧，等.CO2驅(qū)水氣交替注采參數(shù)優(yōu)化：以安塞油田王窯區(qū)塊長 6 油藏為例[J].油氣地質(zhì)與采收率，2014，21（3）：70-72，77.

[8]楊紅，余華貴，黃春霞，等.低滲油藏水驅(qū)后CO2驅(qū)潛力評價(jià)及注入?yún)?shù)優(yōu)化[J].斷塊油氣田，2015，22（2）：240-244.

[9]李南，田冀，譚先紅，等.低滲透油藏 CO2驅(qū)微觀波及特征[J].斷塊油氣田，2015，22（2）：237-239.

[10]Span R，Lemmon E W，Jacobsen R T，et al.A reference equation of state for the thermodynamic properties of nitrogen for temperatures from 63.151 to 1000 K and pressures to 2200 MPa[J].Journal of Physical and Chemical Reference Data，2000，29（6）：1361-1433.

[11]Span R，Wagner W.A new equation of state for carbon dioxide covering the fluid region[J].Journal of Physical and Chemical Reference Data，1996，25（6）：1509-1595.

[12]Friend D G，Ely J F，Ingham H.Thermophysical properties of methane[J].Journal of Physical and Chemical Reference Data，1989，18（2）：583-638.

[13]Stephan K，Krauss R，Laesecke A.Viscosity and thermal conductivity of nitrogen for a wide range of fluid states[J].Journal of Physical and Chemical Reference Data，1987，16（4）：993-1023.

[14]Fenghour A，Wakeham W A，Vesovic V.The viscosity of carbon dioxide[J].Journal of Physical and Chemical Reference Data，1998，27（1）：31-44.

[15]Yan W，Zhao G Y，Chen G J，et al.Interfacial Tension of （Methane+Nitrogen）+water and （Carbon Dioxide+Nitrogen）+water system [J].Journal of Chemical＆ Engineering Data，2001，46（6）：1544-1548.

[16]Schmidt K A G，F(xiàn)olas G K，Kvamme B.Calculation of the interfacial tension of the methane-water system with the linear gradient theory[J].Fluid Phase Equilibria，2007，261（1）：230-237.

[17]Nielsen L C，Bourg I C，Sposito G.Predicting CO2-water interfacial tension under pressure and temperature conditions of geologic CO2storage [J].Geochimica et Cosmochimica Acta.2012，81（3）：28-38.

[18]Gao J，Zheng D Q，Guo T M.Solubilities of methane，nitrogen，carbon dioxide，and a natural ga s mixture in aqueous sodium bicarbonate solutions under high pressure and elevated temperature[J].Journal of Chemical＆ Engineering Data， 1997，42（1）：69-73.

[19]Zhang J，Pan Z，Liu K，et al.Molecular simulation of CO2solubility and its effect on octane swelling[J].Energy Fuels，2013，27（5）：2741-2747.