西南石油大学学报（自然科学版）  2014, Vol. 36 Issue (6): 88-94
引用本文
孙雷, 庞辉, 孙扬, 等 .浅层稠油油藏CO2吞吐控水增油机理研究[J]. 西南石油大学学报（自然科学版）, 2014, 36(6): 88-94.
Sun Lei, Pang Hui, Sun Yang, et al . Mechanism Study on Water Control and Enhanced Oil Recovery by CO2 Huff-puff for Shallow Heavy Oil Reservoir[J]. Journal of Southwest Petroleum University (Science & Technology Edition), 2014, 36(6): 88-94.
浅层稠油油藏CO2吞吐控水增油机理研究    [PDF全文]
孙雷, 庞辉, 孙扬, 侯大力, 潘毅    
"油气藏地质及开发工程"国家重点实验室·西南石油大学, 四川 成都 610500
收稿日期: 2014-03-26 ; 网络出版时间: 2014-11-18
基金项目: 国家科技重大专项(2011ZX05016-005)。
作者简介: 孙雷,1954年生,男,汉族,辽宁辽阳人,教授,主要从事油气藏流体相态、油气田开发工程、注气提高采收率技术及碳酸盐岩油藏开发机理物理模拟技术等研究工作。E-mail:sunleiswpi@163.com;
庞辉,1987年生,男,汉族,陕西西安人,硕士研究生,主要从事油气田开发渗流机理和注气开发分析方面的研究。E-mail:huoyuanjia2222@qq.com;
孙扬,1984年生,女,汉族,四川南充人,博士研究生,主要从事注气提高油气藏烃类流体采收率以及CO2地下封存方面的研究。Email:sakyana@126.com;
侯大力,1983年生,男,汉族,辽宁丹东人,博士研究生,主要从事油气藏相态、油气藏数值模拟及注气提高采收率技术研究。E-mail:houdali@08163.com;
潘毅,1981生,男,汉族,四川仁寿人,博士,主要从事油气藏相态、气藏工程、注气提高采收率技术及碳酸盐岩油藏开发技术方向研究。E-mail:panyiswpu@126.com。
摘要: 针对低稠油油藏和稠油油藏注水开发中后期含水上升快、原油采收率的低等问题,开展了CO2吞吐控水增油的室内物理模拟实验和单井CO2吞吐控水增油的数值模拟。为了研究CO2吞吐控水增油的机理及可行性,在室内分别开展了CO2与地层原油/地层水配伍性实验和CO2吞吐控水增油长岩芯实验。CO2与地层原油/地层水配伍性实验结果表明: CO2对原油有增容膨胀和降黏作用;一定温度下,随着压力的降低,饱和CO2的地层水的体积膨胀,CO2在地层水中的溶解度降低,CO2吞吐过程中,地层水遇到狭小孔隙受阻,产生贾敏效应,控制水的产出。长岩芯实验也表明,CO2吞吐有明显的控水增油的作用。单井CO2吞吐控水增油的数值模拟结果同样证实了CO2吞吐具有良好的控水增油显著。
关键词: 浅层稠油油藏     CO2吞吐     控水增油     提高采收率     数值模拟    
Mechanism Study on Water Control and Enhanced Oil Recovery by CO2 Huff-puff for Shallow Heavy Oil Reservoir
Sun Lei, Pang Hui, Sun Yang, Hou Dali, Pan Yi    
State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation, Southwest Petroleum University, Chengdu, Sichuan 610500, China
Abstract: To solve the problems of rapidly increase water cut and low oil recovery in the later water-flooding of low heavy oil and heavy oil reservoirs, we conducted laboratory physical simulation experiments and single well numerical simulation of CO2 huff and puff in water control and oil enhancement. To find out the mechanism and feasibility,CO2 and reservoir oil/water compatibility experiment and long core experiment of CO2 huff and puff are carried out respectively. The former has shown that CO2 has capacity expansion and viscosity reduction effects on the heavy oil. At a certain temperature,as the pressure decreases, the volume of reservoir water saturated with CO2 expands and the solubility of CO2 in reservoir water declines which indicates that in CO2 huff and puff, water is trapped by the small core thus causing Jamine Effect, and preventing the water from being produced. The long core experiment has also shown that CO2 huff and puff has a significant effect on controlling the water and enhancing the oil recovery. This has also been demonstrated by single well numerical simulation of CO2 huff and puff.
Key words: shallow heavy oil reservoir     CO2 huff and puff     water control and oil increase     EOR     numerical simulation    
引言

中国油藏大部分是陆相湖盆沉积，油层非均质性严重，层间和层内渗透率差异较大，而且许多油田已进入注水开发中后期，如大庆油田，大港油田，胜利油田，长庆油田等，含水率较高，原油采收率较低[1-4]。因此，有必要开展控水增油技术[5]。

控水调剖技术近些年发展迅速，主要包括完井技术[5-11]，注入聚合物和表面活性剂[12-15] 以及N2泡沫[16-20] 技术等，这些技术对稀油油藏控水增油效果较好，但对于低稠油油藏和稠油油藏控水增油效果未见相关报道。因此，在调研国内外文献的基础上，探索低稠油油藏和稠油油藏在控水的基础上能够增油的技术。调研发现，CO2 吞吐不但有降黏和补充能量的作用，还有控水和改善储层作用[21-23]，但是否对水驱后的低稠油油藏和稠油油藏控水增油产生显著的效果还有待于探索。

基于上述认识，进行了CO2 与地层原油/地层水的配伍性实验及长岩芯实验，水驱后单井CO2 吞吐对稠油油藏控水增油的效果分析和矿场CO2 吞吐实践表明：CO2 吞吐对稠油油藏控水增油的效果显著。

1 实验研究思路

CO2 吞吐控水增油机理研究主要从以下几个方面考虑：（1）CO2 与地层原油配伍性实验，主要是为了研究CO2 与地层原油增容膨胀作用，从而增加地层的弹性能量，进而达到增油的目的；（2）CO2 与地层水配伍性实验，主要测试CO2 在地层水中溶解度以及体系膨胀等参数，目的是研究CO2 吞吐控水机理；（3）在上述的基础上研究多孔介质中CO2 吞吐控水增油的效果；（4）结合矿场实践，验证CO2吞吐控水增油的效果。

鉴于以上考虑，本文实验研究的技术路线图如图 1 所示。首先，在实验室把X 油田G104 井的地面分离器气和分离器油复配成地层流体样品，复配时严格按照中国石油天然气行业标准SY/T5542—2009 进行。接着，将复配好的地层流体样品进行单次闪蒸实验，将闪蒸的油和气进行组分组成分析，并根据气油比推算出流体样品的井流物组分（表 1）。地层水取自现场的水样，经实验室的离子分析仪分析出地层水的离子组成（表 2）。然后，研究注入不同比例CO2 与地层原油/地层水的配伍性实验。最后，通过CO2 吞吐控水长岩芯实验来研究CO2 控水增油的效果。

图1 技术路线图 Fig. 1 Technology roadmap
表1 G104-5P115 井流体组分 Table 1 The composition of Well G104-5P115
表2 地层水的性质 Table 2 The properties of formation water
2 CO2 吞吐控水可行性室内评价 2.1 CO2 与地层原油配伍性实验

地层温度（65 ℃）下，CO2 与地层原油配伍性实验结果如图 2～图 5 示。可以看出，随着CO2 含量的增加，地层原油的饱和压力、膨胀系数、气油比和体积系数均增加，说明CO2 溶解后，地层原油体系膨胀，地层原油的饱和压力增大。

图2 CO2 对原油饱和压力的影响 Fig. 2 Effect of CO2 on oil saturation pressure
图3 CO2 对原油膨胀系数的影响 Fig. 3 Effect of CO2 on oil swelling factor
图4 CO2 对原油气油比的影响 Fig. 4 Effect of CO2 on oil GOR
图5 CO2 对原油体积系数的影响 Fig. 5 Effect of CO2 on volume factor of oil

当注入CO2 的物质的量分数达到30%，地层原油的饱和压力为24.52 MPa，膨胀系数为1.08，说明CO2 对原油增容膨胀作用明显，表明CO2 与原油配伍性较好。

2.2 CO2 与地层水配伍性实验

图 6 和图 7 给出了地层温度（65 ℃）下，饱和了CO2 的地层水在不同压力下体积系数及气油比的关系曲线，由图可以看出，在一定温度下，随着压力的下降，饱和CO2 的地层水的体积系数上升，饱和CO2 的地层水的气水比下降（CO2 在地层水中溶解度下降）。这就表明降压过程中，一部分溶解CO2的地层水中的CO2 被释放出来，地层水的体积随着压力降低而膨胀，使得地层水流到狭小的孔隙时，产生贾敏效应，让地层水不易流出，起到了良好的控水作用。

图6 饱和CO2 的地层水的体积系数随压力的变化 Fig. 6 Volume factor of reservoir water saturated with CO2vs. pressure
图7 饱和CO2 的地层水的气水比随压力的变化 Fig. 7 GWR of reservoir water saturated with CO2 vs. pressure
2.3 CO2 吞吐控水长岩芯实验 2.3.1 岩芯实验装置

CO2 吞吐控水增油物理模拟实验装置主要设备包括：长岩芯夹持器、地层流体复配器、恒温空气浴、高压驱替泵、回压控制器、气量计等核心设备和一些附属设备（图 8）。

图8 长岩芯驱替实验装置图 Fig. 8 The device chart of the long-core displacement test
2.3.2 岩芯准备

首先将从现场所取的岩芯经打磨、清洗、烘干后对岩芯的基本物性参数进行测试，根据渗透率和孔隙度情况，筛选出总长约为69.00 cm 的短岩芯组合起来，用于长岩芯实验。然后，将这些岩芯按调和平均的排列方式进行串联岩芯组合排序，排序结果见表 3。串联岩芯的调和平均渗透率377.00 mD，平均孔隙度29.77%，岩芯总孔隙体积98.06 cm3，束缚水饱和度39.04%。

表3 岩芯驱替实验岩芯排序结果表 Table 3 Core parameters used in the long-core displacement test
2.3.3 长岩芯驱替实验设计

本次长岩芯实验主要目的是研究CO2 吞吐控水增油的效果，为此，长岩芯实验设计了3 个方案：方案1 模拟油藏未注水或注气前，自然衰竭开采的过程，即模拟地层从原始地层压力（25.0 MPa）衰竭到泡点压力（17.1 MPa）的过程；方案2 模拟油藏衰竭开采后，注水开发的过程，即由模拟原始地层压力衰竭至泡点压力和注水保持泡点压力驱替的过程；方案3 模拟油藏衰竭开采，注水开发的中后期，含水率较高时，采用CO2 吞吐的手段进行控水增油（采用衰竭至泡点压力+ 注水保持泡点压力驱替+CO2 吞吐+ 水驱）。

2.3.4 实验结果分析

按照驱替实验设计进行实验，得到方案1、方案2 和方案3 的驱油效率分别为3.31%，56.75% 和63.35%。方案2 的采收率远远高于方案1 的采收率，表明注水可以有效地提高稠油油藏的采收率。

图 9 为长岩芯驱替实验采出程度曲线。可以看出，在水驱注入水未突破前，原油的采收程度增幅较大，但当含水率较高的时候，原油的采收率增幅不明显。

图9 长岩芯驱替实验采出程度曲线 Fig. 9 Contrast curves of recovery percent in long-core test

图 10 为长岩芯驱替实验含水率曲线，对照图 9可以看出，CO2 吞吐后，原油采收率有明显的提升，含水率明显下降且上升较慢，当地层水注入体积为1.0 HCPV（烃类孔隙体积）时，含水率为90% 左右；而衰竭后一直水驱的方案2，在地层水注入体积为1.0 HCPV 时，含水率为99% 左右，说明CO2 吞吐有明显的控水增油的效果。

图10 长岩芯驱替实验含水率曲线 Fig. 10 Contrast curves of water cut in long-core test
3 实例分析

验区块进行CO2 吞吐控水增油单井数值模拟。以G104-5P115 单井CO2 吞吐控水增油数值模拟模拟为例，来评价CO2 吞吐控水增油的效果。G104-5P115 单井CO2 吞吐控水增油数值模拟结果如图 11，图 12 所示。

图11 CO2 吞吐数值模拟3D 结果图 Fig. 11 3D graphics of CO2 huff and puff numerical simulation
图12 G104-5P115井CO2吞吐生产动态曲线 Fig. 12 The device chart of the long-core displacement test

数值模拟结果显示（图 11），随着CO2 的注入，部分气体溶解到原油中，原油黏度降低，随着开采的进行这些原油被采出，CO2 吞吐结束后井区的一小部分区域形成一个“空腔”。

从生产曲线和预测曲线（图 12）可见，CO2 吞吐数值模拟数据与实际生产数据基本吻合。G104-5P115 井CO2 在吞吐前95 d，累计产液4 867.64 t、累计产油103.12 t、累计产水4 765.20 t、平均含水率97.90%，平均产油1.09 t/d，产水50.16 t/d。从2011-01-19 开始注CO2，CO2 累计注入275 t，分3 d 注入，之后焖井22 d，2011-02-20 开井生产（实际焖井29 d），前几天产油量急剧增长达到最大19.97 t/d，产水量下降幅度也非常大（最低为17.1%），且高日产油量（大于10 t）生产持续32 d；从2011-04-01 开始进入高含水（含水率> 90%）阶段，日产油量下降到几乎为零，整个阶段持续56 d，累计产液1 455.83 t、累计产油577.76 t、累计产水877.90 t、平均含水率60.30%；CO2 的换油率为1.879（质量比）。

4 结论

（1）CO2 与地层原油配伍性实验表明，CO2 对原油有增容膨胀作用，当注入CO2 的物质的量分数达到30%，地层原油的饱和压力为24.52 MPa，原油的体积膨胀1.08 倍，表明CO2 与原油配伍性较好。

（2）CO2 与地层水配伍性实验表明，在一定温度下，随着压力的下降，饱和CO2 的地层水的体积系数上升，饱和CO2 的地层水的气水比下降，一部分溶解在地层水中的CO2 逸出，加上地层水的体积随压力降低而膨胀，导致地层水流到狭小的孔隙时，产生了所谓的贾敏效应，令地层水不易流出，起到了控水作用。

（3）从长岩芯实验看出，衰竭的采收率仅为3.31%；衰竭后一直持续注水驱的采收率为56.75%，衰竭后一直持续注水驱至含水率较高时，进行CO2吞吐的采收率为63.35%，这表明注水可以有效地提高稠油油藏的采收率，CO2 吞吐有明显的控水增油的效果。

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