塔河油田缝洞型碳酸盐岩油藏注气驱油提高采收率机理研究

胡蓉蓉，姚 军，孙致学，王晨晨

(中国石油大学(华东) 石油工程学院，山东 青岛 266580)

塔河油田缝洞型碳酸盐岩油藏注气驱油提高采收率机理研究

胡蓉蓉，姚 军，孙致学，王晨晨

(中国石油大学(华东) 石油工程学院，山东 青岛 266580)

为了研究塔河油田缝洞型碳酸盐岩油藏注气替油提高采收率机理，开展了原油物性实验、相态分析和注气驱油数值模拟研究。结果表明：塔河油田注氮气驱油为非混相过程，注二氧化碳驱油为混相过程；注氮气驱油的作用机理为降低原油黏度、体积膨胀补充地层能量、驱替微小孔径中的原油及重力分异形成人工气顶置换顶部剩余油；注二氧化碳驱油的作用机理为降低原油黏度、体积膨胀补充地层能量及降低油气界面张力；非混相注气驱油比混相开发效果好。

缝洞型油藏；注气替油；提高采收率机理；非混相；混相；数值模拟

塔河油田奥陶系碳酸盐岩油藏属于岩溶缝洞型块状油藏，非均质性极强，基质孔隙度低，基本不具备储油能力，大型洞穴是主要的储集空间，裂缝是主要的渗流通道，流动模式复杂，以溶洞中的管流模式和裂缝-孔洞中的渗流为主[1-2]。塔河油田前期主要是通过衰竭开发后注水来缓解能量不足和含水率上升的矛盾，但是随着注水轮次的增加，注水驱油效果越来越差。仅靠注水改善开发效果有限，亟需探索有效提高采收率的开发方式。国内外调研发现，从20世纪80年代早期开始，注气已经成为美国碳酸盐岩油藏主要的提高采收率方法[3-5]。缝洞型油藏注气驱油提高采收率机理的相关报道较少[6]，Kantza A等[7]采用2-D玻璃微模型进行缝洞型储层非混相重力辅助驱油研究，初步探讨了其非混相重力辅助驱油机理；Kossack C[8]采用等效单重介质模型进行了缝洞型油藏注气驱油模拟研究，对影响驱油效果的因素进行了敏感性分析；Shedid S等[9]应用扫描电镜对碳酸盐岩岩样进行了微观储层表征，并通过二氧化碳混相驱实验优化了段塞尺寸。为了研究注气驱油在塔河油田的适用性，考虑到西部地区气源等原因，本文讨论了二氧化碳和氮气作为注气驱油备用气体的适应性及提高采收率的机理。以塔河油田油样注气相态模拟为基础，评价注入不同气体时的混相压力，研究注气后地层流体的高压物性变化及开发效果，优选注入气体，同时建立单井缝洞单元模型进行高含水期注气驱油模拟，以探讨注气驱油提高采收率机理。

1 油藏概况

塔河油田X区块位于塔河油田的北部，总体为由北东—南西倾没的鼻状构造特征，是一个缝洞型碳酸盐岩块状底水油藏，含油层位于奥陶系。储集层发育有缝、洞、孔等多种储集空间，形成了十分复杂的孔隙结构。X区块奥陶系顶面埋藏深度5 300 m，含油面积5.6 km2，地质储量867.1×104m3，原始地层压力59.7 MPa。X区块于1999年投产，2005年开始实施注水驱油，随着注水轮次的增加，吨油耗水逐年增加，单井增油逐年下降。

通过对比注水前和注水后不同深度储层的储量丰度场发现：纵向上剩余油主要分布于油藏中高部位，平面上剩余油主要分布于井间及未布井部位。经计算，处于油藏0～60 m部位的剩余油(图1)占剩余储量的28.16%，如果这部分储量能得到有效开发，将具有重大意义。

图1 不同深度储层的储量丰度

2 注气驱油机理研究

为研究注气驱油机理，首先对区块原油的PVT进行参数拟合。应用状态方程型相态分析软件对实验室所做的组分测定、恒质膨胀实验、微分脱气实验等数据进行计算拟合。选用PR状态方程拟合实验数据，将井流物重组成7个拟组分(表1)，为后续油藏数值模拟研究提供可代表储层流体特性的参数。

表1 井流物拟组分重组数据

2.1 最小混相压力评价

最小混相压力是研究注气驱油效率的重要参数之一，当地层压力高于最小混相压力时，注入气体和原油之间经过多次接触达到混相，驱替前缘的界面张力趋近于零，束缚油滴的毛管力消失，驱油效率接近100%。混相驱与非混相驱可以用拟三角相图来表示，混相条件与拟三角相图中注入流体、原油、临界切线的相对位置有关[10-12]。应用相态分析软件对二氧化碳和氮气这2种气体与地层原油之间进行了多级接触混相驱拟三角相图模拟计算，结果如图2和图3所示。

在多次接触过程中，随着压力的增加，气液两相的包络线逐渐靠近。如图2所示，当压力为41 MPa时，气液两相包络线开始相交，说明此时二氧化碳与地层原油可达到混相驱替。如图3所示，当压力高达60 MPa时，氮气的气液两相包络线距离仍然较远，表现出明显的非混相状态。X区块的油藏初始压力为59.7 MPa，可见二氧化碳在地层温压条件下可达到混相状态，而氮气达不到混相状态。

图2 地层温度为124 ℃、压力为41 MPa条件下二氧化碳与地层原油的拟三角相图

图3 地层温度为124 ℃，压力为60 MPa条件下氮气与地层原油的拟三角相图

2.2 注入气体的膨胀与降黏作用

为了研究不同注入气体对原油样品相态影响规律，揭示注气提高采收率作用机理，进行了注入氮气和二氧化碳与地层原油的混合膨胀实验，研究了注入不同气体时原油的相行为。将适量配制好的地层流体样品转入PVT仪中，由少到多逐级向地层流体中注入气体，充分混合稳定之后，测定不同注气量时原油体系的高压物性特征。图4—图7表示随着气体溶解量的逐渐增加，原油的体积系数略有增加，注入氮气时原油体积系数增加幅度为1.2%，注入二氧化碳时原油体积系数增加幅度为1.5%。可见，注入氮气和二氧化碳均能通过体积膨胀补充地层能量，但是效果不明显。在未达到混相压力时，二氧化碳的膨胀能力比氮气强。由图7可以看出，随着溶解量的不断增加，地层油的黏度有所下降，注入氮气时原油黏度下降幅度为18.6%，注入二氧化碳时原油黏度下降幅度为25.0%。可见注入氮气和二氧化碳均能在一定程度上降低地层油的黏度，改善原油在地层中的流动性。

图4 不同氮气溶解度下原油体积系数随压力变化曲线

图5 不同二氧化碳溶解度下原油体积系数随压力变化曲线

图6 注入不同气体时原油体积系数随饱和压力变化对比曲线

图7 注入不同气体时原油黏度随饱和压力变化对比曲线

2.3 混相与非混相注气替油机理分析

洞穴是缝洞型油藏的主要储集空间，常以2种形式存在：一是与裂缝系统沟通的洞穴；二是不与裂缝系统沟通的孤立洞穴[8，13]。这里仅讨论不与裂缝系统沟通的孤立洞穴。因传统的双重孔隙介质模拟方法不能再现缝洞型油藏中流体的流动机理，Kossack等[13-14]认为可建立单重孔隙介质模型，并通过历史拟合对模型的孔隙度、渗透率、相渗曲线及毛管力曲线进行修正，形成等效模型。故本文建立典型单井缝洞单元地质模型，开展高含水期注气驱油的数值模拟研究，模拟注入气体驱替剩余油时含水、含油、含气饱和度的变化规律。模型X方向划分为25个网格，Y方向为21个网格，纵向划分60层，总网格数为25×21×60=31 500，网格步长为25 m×25 m×2.3 m。

模拟单井在含水高达90%时，向地层中分别注氮气和二氧化碳，焖井一段时间后再开井生产。如此生产5轮次后，从单井剖面(见图8)可见，注氮气为非混相过程，注二氧化碳为混相过程，下面分别阐述其机理。

图8 含油饱和度剖面图

2.3.1 注气驱油非混相机理分析

(1)小的毛细管力使气体进入孔径更小的微裂缝。对于同一种原油来说，注入气与原油之间的界面张力往往小于水与原油之间的界面张力。柏松章等[15]通过测试得到一定条件下，氮气与雁翎油田原油之间的界面张力为8.9 mN/m，水与原油之间的界面张力为30.5 mN/m。所以，相比水驱，注气时气体可进入孔径更小的微裂缝甚至驱替出其中的原油从而提高采收率。

(2)重力作用使气体驱驱出“阁楼油”。注入气与原油的密度差异使气体上行。对于塔河油田这样的缝洞型油藏，洞穴型储层中毛细管力可忽略不计，孔隙介质中的流动主要受重力控制。故当气体注入时，由于气体与原油间的较大密度差，在重力作用下气体向上运移，并沿残丘构造形态向高部位运移，形成次生气顶，可置换出“阁楼油”，从而提高采收率。

2.3.2 注气替油混相机理分析 二氧化碳注入地层后，油藏原油与二氧化碳之间存在组分传质作用，注气初期使原油中的轻质烃不断地被二氧化碳抽提出，从而降低了二氧化碳与原油之间的界面张力，降低原油的流动阻力以提高采收率[16-19]。随着注入时间延长，二氧化碳气体溶解量越来越多，使原油黏度降低，使水碳酸化黏度增加，从而改善了油水流度以提高采收率。

2.3.3 混相与非混相注气驱油开发效果对比 从机理看，混相与非混相驱均能改善开采效果，哪种开采方式更加适合高含水期的实际情况，笔者对比了注水驱油、注氮气驱油及注二氧化碳驱油这3种开发效果(图9)，其中注气驱油措施是从含水率达到90%时开始实施，计算5 a。结果表明，注氮气非混相驱油的开发效果要比混相驱油效果好。高含水期时剩余油主要富集在油藏的中高部位，非混相驱的重力分异作用更加有利于开采出此处的剩余油。计算得出相比注水驱油，注氮驱油5 a后可提高采出程度3.75%，证明了单井注气驱油具有一定的可行性，能够起到改善开发效果的作用。

图9 不同开发方式下原油采出程度对比曲线

2.4 矿场应用

为了进一步验证缝洞型油藏单井注气驱油的可行性，塔河油田选取了高部位剩余油富集、注水效果变差的TK404井进行了现场注液氮试验，累积注入液氮700 m3，截止2012年10月28日，首轮注气结束后累计增油2 658 t，采出程度增加0.51%，有效恢复了单井产能，注气驱油初见成效。证实了注气驱油是置换中高含水期油藏中高部位剩余油的一种有效方式，具有一定的可行性和推广前景。

3 结 论

(1)塔河油田缝洞型碳酸盐岩油藏在注水驱油开发后期，剩余油在纵向上主要富集于油藏中高部位，平面上剩余油主要分布于井间及未布井部位，通过注气驱油能有效动用油藏中高部位的原油。

(2)注气驱油时，非混相的重力分异作用比混相驱更能有效挖掘出油藏中高部位剩余油，注气5 a后，相比注水驱油可提高3.75%的采出程度。

(3)塔河油田缝洞型碳酸盐岩油藏注氮驱油提高采收率的作用机理是：氮气溶解于原油降低原油黏度以改善流动性，通过体积膨胀补充地层能量，较小的油气界面张力可驱替出微小孔径中的原油，通过重力分异置换油藏顶部剩余油。

(4)塔河油田注氮驱油现场试验初显成效，第一轮注气驱油结束后，提高采出程度0.51%，说明注气驱油是置换中高含水期油藏中高部位剩余油的一种有效方式，具有一定的可行性和推广前景。

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责任编辑：贺元旦

2014-12-10

国家重点基础研究发展计划(973计划)“缝洞型碳酸盐岩油藏流动机理及数值模拟研究”(编号：2011CB202404)

胡蓉蓉(1987-)，女，博士，主要从事碳酸盐岩油藏提高采收率开发机理与应用方面的研究。 E-mail: hurongrong87@126.com。

1673-064X(2015)02-0049-05

TE357.7

A