李海峰，鞠 野，楊勁舟，李建曄，凌 卿，張文喜

（中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)事業(yè)部，天津 300459）

由于低滲透儲層物性差，敏感性較強從而導(dǎo)致注水開發(fā)難度大，采出程度低，低滲油藏的高效開發(fā)正在受到越來越廣泛的關(guān)注[1-5]。氮氣驅(qū)可以克服低滲透油藏“注不進、采不出”的問題，有效補充地層壓力而受到各大油田關(guān)注[6-8]。但是對于低滲油藏氮氣驅(qū)的研究往往只是對于氮氣注入性的研究[9，10]，對氮氣的驅(qū)油效率研究較少。低滲油藏條件的形成往往伴隨著非常復(fù)雜的情況[11]，由于地層非均質(zhì)性以及裂縫發(fā)育的影響使得氣體在地層中流動時非常不穩(wěn)定，氮氣黏度低、密度小的特性會導(dǎo)致氮氣沿著高滲管或裂縫快速前進從而過早形成氣竄通道從而影響原油的采出[12-14]，通過模擬實驗研究氮氣在低滲地層中的流動特征，分析非均質(zhì)性及裂縫等因素對于氮氣驅(qū)油特征的影響，從而加深低滲油藏復(fù)雜條件下氮氣驅(qū)過程中的油氣運移規(guī)律。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

低滲巖心滲透率在0.1×10-3μm2～50×10-3μm2，參數(shù)（見表1）；裂縫巖心模型（見圖1），基質(zhì)滲透率范圍0.1×10-3μm2～50×10-3μm2；實驗?zāi)M水礦化度15 000 mg/L，實驗室復(fù)配模擬油70 ℃狀態(tài)下其黏度為3 mPa·s；注入氣體為氮氣，純度99.99%。

表1 天然巖心參數(shù)

1.2 實驗裝置

氮氣驅(qū)實驗裝置主要由氮氣注入系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、壓力采集系統(tǒng)、巖心模擬裝置、油氣采集系統(tǒng)組成，實驗儀器包括柱塞泵、氣體流量計、壓力傳感器、油氣采集等設(shè)備，實驗裝置流程（見圖2）。

圖2 非均質(zhì)雙管并聯(lián)巖心/裂縫實驗流程圖

氮氣注入系統(tǒng)主要由氮氣儲氣瓶、氣體流量計組成，目的是在實驗過程中確保氮氣以恒定速度在系統(tǒng)內(nèi)流動，確保氮氣的注入；巖心裝置用來模擬研究非均質(zhì)以及裂縫存在條件對氮氣流動的影響；油氣采集系統(tǒng)通過觀察產(chǎn)油產(chǎn)氣時機以及產(chǎn)氣量與產(chǎn)油量來研究氮氣驅(qū)特征。

1.3 實驗流程

（1）巖心清洗烘干稱重、飽和原油并在原油中做浸泡三天處理；（2）實驗時巖心稱濕重，按照一定的滲透率級差將巖心裝入夾持器中；（3）連接好整個氮氣驅(qū)系統(tǒng)，使系統(tǒng)處于氮氣環(huán)境中、烘箱溫度穩(wěn)定在70 ℃后開始進行氮氣驅(qū)實驗，氮氣注入速度為0.1 mL/min（標況下）；（4）氮氣注入過程中記錄壓力變化趨勢，高、低滲管巖心中的產(chǎn)油產(chǎn)氣時刻、產(chǎn)油產(chǎn)氣速度、產(chǎn)油產(chǎn)氣狀態(tài)、各自采收率變化；（5）將并聯(lián)巖心模型更換為帶裂縫巖心，其他巖心處理條件不變，觀察裂縫存在條件下氮氣驅(qū)過程中的產(chǎn)油產(chǎn)氣特征；（6）實驗結(jié)束后整潔實驗臺，檢查設(shè)備使用情況。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 非均質(zhì)性影響模擬實驗

實驗過程中，模擬地層的非均質(zhì)程度由巖心的滲透率級差來表示（見表2），在雙管并聯(lián)巖心實驗中通過固定低滲巖心滲透率以及改變高滲巖心滲透率來反映地層的非均質(zhì)程度，實驗設(shè)定了滲透率級差為2.0、5.8、7.7、12.3 來反映地層的非均質(zhì)性系數(shù)。巖心滲透率范圍在0.1×10-3μm2～50×10-3μm2，在不同的滲透率級差條件下通過注入相同速度的氣體來觀察高、低滲巖心的產(chǎn)油產(chǎn)氣特征。

表2 滲透率級差參數(shù)設(shè)定

不同滲透率級差條件下雙管并聯(lián)巖心實驗中高、低滲巖心產(chǎn)油產(chǎn)氣速度曲線（見圖3），由于氣驅(qū)啟動壓力梯度的存在，原油不會馬上被采出，當注入壓力超過啟動壓力后原油開始在多孔介質(zhì)中流動，隨著氮氣的注入，采油速度快速上升，當巖心出口端開始產(chǎn)氣時采油速度達到最大，后續(xù)產(chǎn)氣速度逐漸增大并趨于穩(wěn)定氮氣氣竄現(xiàn)象產(chǎn)生，產(chǎn)油速度逐漸降低并減小至0 mL/min。

圖3 不同滲透率級差下高、低滲巖心的產(chǎn)油產(chǎn)氣速度

高、低滲管巖心的產(chǎn)油產(chǎn)氣特征在不同的級差條件下存在較大的差異。隨著滲透率級差的增加，低滲巖心的產(chǎn)油速度發(fā)生了明顯的降低。當滲透率級差增加到12.3，高滲巖心流動優(yōu)勢明顯，低滲巖心幾乎觀察不到原油的產(chǎn)出，氣竄時的產(chǎn)氣速度比增大到了9:1。另外，當滲透率級差較高時，高滲管巖心氣體流動能力增強導(dǎo)致巖心見油時刻提前，低滲管巖心氣體分流量的減小使得低滲管巖心的產(chǎn)油時刻出現(xiàn)了嚴重的滯后從而導(dǎo)致原油產(chǎn)出越來越困難。高、低滲管產(chǎn)油產(chǎn)氣差異隨著非均質(zhì)程度的增加愈發(fā)明顯。

原油采收率的關(guān)系圖（見圖4），對比單管巖心采收率發(fā)現(xiàn)，非均質(zhì)條件下的并聯(lián)巖心氣驅(qū)平均采收率較均質(zhì)巖心情況下的采收率明顯降低，隨著滲透率級差的增大，并聯(lián)巖心管的氣驅(qū)平均采收率降低幅度減小并逐漸穩(wěn)定在23%左右。采收率的下降主要是源于低滲管巖心驅(qū)油效率的下降，在注入氮氣后，氣體主要在高滲巖心中流動并很快形成氣體流動通道從而導(dǎo)致氣竄，造成低滲巖心中氣體流量小、流動慢的狀況，導(dǎo)致采收率下降。

圖4 非均質(zhì)程度對原油采收率的影響

上述實驗條件下的產(chǎn)油產(chǎn)氣差異主要體現(xiàn)在低滲管巖心上，考慮到設(shè)定的低滲巖心滲透率處于壓力梯度敏感區(qū)域?qū)Φ獨獾牧鲃幽芰τ绊戄^大，下面實驗設(shè)定了在一定滲透率級差條件下通過改變低滲巖心的滲透率來觀察非均質(zhì)條件下氮氣驅(qū)原油采收率的變化，設(shè)定實驗參數(shù)（見表3）。

表3 固定滲透率級差下低、高滲管巖心滲透率參數(shù)

促使流體流動的最小壓力稱為啟動壓力，實驗過程中通過氣泡法來測量氮氣注入過程中的啟動壓力。隨著氣體的注入，當巖心產(chǎn)油端鼓出第一滴氣泡時的注入壓差即為氣驅(qū)油的啟動壓力。根據(jù)啟動壓力計算出不同巖心滲透率條件下氣驅(qū)油的啟動壓力梯度變化（見圖5），當巖心滲透率低于2×10-3μm2時，隨著滲透率的減小，巖心孔喉半徑變小，邊界層厚度所占比例升高使得流體流動更加困難，啟動壓力梯度迅速升高。在巖心滲透率高于2×10-3μm2后，邊界層作用減小使得啟動壓力梯度隨滲透率增加變化趨緩，啟動壓力慢慢趨于穩(wěn)定。

圖5 不同滲透率條件下的啟動壓力梯度變化曲線

非均質(zhì)條件下不同低滲巖心滲透率對于產(chǎn)油產(chǎn)氣效果的影響曲線（見圖6），在滲透率級差不變的條件下，隨著雙管并聯(lián)巖心實驗中低滲管巖心滲透率的增高，雖然高、低滲巖心間的氣體流量差距依然存在，但是這種差距在慢慢減小，當?shù)蜐B巖心滲透率為1.659×10-3μm2時，高、低滲巖心間的氣體流量比高達7:3，而當?shù)蜐B巖心滲透率變?yōu)?.245×10-3μm2時，高、低滲巖心間氣體流量比值降到了6.5:3.5，隨著低滲巖心滲透率的增加，比值慢慢減小，當?shù)蜐B巖心滲透率增加到6.258×10-3μm2時，高、低滲管巖心間的氣體流量比降到了5.8:4.2。由于低滲巖心滲透率的增加，當滲透率離開啟動壓力梯度敏感區(qū)間后，氣體在巖心中的流動能力快速提升，氣體在高、低滲巖心間的流動差距慢慢減小。

圖6 雙管巖心實驗中變化低滲管巖心滲透率下產(chǎn)油產(chǎn)氣曲線

驅(qū)油采收率曲線圖（見圖7），氣驅(qū)后高滲管巖心的采收率始終保持在35%左右，隨著低滲管巖心滲透率的增加，雖然低滲管巖心采收率較低，但是一直呈現(xiàn)出增長的趨勢，當?shù)蜐B管巖心滲透率從1.659×10-3μm2增加到6.258×10-3μm2時，低滲管巖心原油采收率從16.18%提高到了23.42%，計算得出的并聯(lián)實驗綜合采收率也從24.72%提高到了30.45%。非均質(zhì)條件雖然影響著氣驅(qū)油的采收效率，但隨著低滲管巖心氮氣驅(qū)啟動壓力梯度的提高，氮氣在低滲管巖心中的流動性能提高，原油采收率得到一定提高。

圖7 雙管巖心實驗中低滲巖心滲透率變化下的原油采收率

2.2 裂縫影響模擬實驗

存在裂縫時采油采氣量的變化曲線（見圖8），裂縫條件下氮氣驅(qū)采油采氣數(shù)據(jù)（見表4），從圖8、表4中可以看出當存在裂縫時，氮氣會很快進入巖心中，產(chǎn)油量隨著氮氣的注入快速增加，當出口端見氣后產(chǎn)油量增幅放緩并逐漸趨于穩(wěn)定，由于氣體主流通道的形成，巖心出口端見氣快且產(chǎn)氣速度與氮氣注入速度基本持平且整個氮氣注入過程中采氣量上升平穩(wěn)；裂縫對于原油采收率影響的曲線（見圖9），由于裂縫的存在，各巖心滲透率下的驅(qū)油效率差別不是很大，各滲透率巖心在裂縫條件下的原油采收率都在10%左右，當氣體主流通道形成后，氮氣在將裂縫中的原油驅(qū)出后很難將其余部位的油驅(qū)出，產(chǎn)油量上升緩慢，通過表4中出口端見氣時原油采出程度與總采收率的比較可以發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)出油量中35%左右的原油被氮氣在裂縫之外的基質(zhì)中攜帶出來，此時原油的采收率受裂縫影響較大而與巖心基質(zhì)滲透率關(guān)系不大。

表4 裂縫條件下氮氣驅(qū)采油采氣數(shù)據(jù)

圖8 裂縫存在條件下采油采氣量隨氮氣注入變化曲線

圖9 裂縫對于原油采收率影響曲線

3 結(jié)論

（1）非均質(zhì)性對于氮氣驅(qū)油效果存在著明顯的影響，在雙管并聯(lián)巖心實驗中，當滲透率級差從2.0 增大到12.3 時，大部分氮氣沿著高滲管巖心流動，高、低滲管巖心產(chǎn)氣比從3:2 增加到9:1，雙管巖心實驗綜合采收率從29.98%減小到22.92%。

（2）低滲管巖心處于啟動壓力梯度敏感區(qū)間內(nèi)時，較高的啟動壓力梯度阻礙氮氣在低滲巖心內(nèi)的流動，當?shù)蜐B管巖心滲透率超過2×10-3μm2時，高、低滲管巖心產(chǎn)氣比減小，當?shù)蜐B管巖心滲透率由1.659×10-3μm2增加到6.258×10-3μm2時，雙管巖心實驗綜合采收率從24.72%提高到了30.45%。

（3）當裂縫存在條件下，注氣時氣竄現(xiàn)象嚴重，形成氣體主流通道，基質(zhì)滲透率變化對于氮氣驅(qū)最終采收率并沒有很大影響，產(chǎn)出油中大部分為氮氣在裂縫中流動所攜帶出來，基質(zhì)中所驅(qū)替出來的原油約占總產(chǎn)油量的35%。