浅层油藏稠油热水/CO2驱油效率实验模拟研究

黄海赞 木合塔尔 王宗旭 宏 卢小波 杨 柳 路 遥

浅层油藏稠油热水/CO2驱油效率实验模拟研究

黄海赞1木合塔尔2王宗旭1宏2卢小波1杨 柳2路 遥1

1.中国科学院理化技术研究所 2.中国石油新疆油田分公司勘探开发研究院

新疆油田九6区齐古组浅层稠油油藏已进入蒸汽开采中后期,油藏开采经历了蒸汽吞吐、加密调整、蒸汽驱过程,采出程度为37%。现阶段单一蒸汽驱效果明显下降,地层亏空严重,蒸汽热利用效率低,吸汽不均,波及程度差异大,油水流度比大,采收率低。热水复合CO2驱油充分利用热水热效应和发挥CO2溶解降黏等作用,是提高原油采收率的有效方法。因此,针对九6区稠油开展不同混合方式热水/CO2驱油模拟实验,分别研究了纯热水驱、热水与CO2混注、热水与CO2段塞的驱油效率。结果表明,纯热水驱累积驱油效率为49.19%,热水/CO2混注累积驱油效率最大为71.25%,段塞驱累积驱油效率高达85.96%。同时,分析了驱出原油及岩心残余油组分变化。

CO2混合注入 段塞注入 驱油效率

目前,国内稠油开采以注蒸汽为主,采出程度已达20%以上。蒸汽吞吐反复加热近井地带岩石骨架,热效率极大降低,造成采收率明显下降[1]。CO2辅助蒸汽吞吐是提高驱油效率的有效方法[2-3],具有增压、溶解降黏作用,有效地改善吞吐开发效果,可使蒸汽吞吐采收率提高5%～10%[1]。但是,经多轮次吞吐后,开发效益变差,地层亏空问题突出。新疆油田九6区齐古组浅层稠油油藏开采经历了蒸汽吞吐、加密调整、蒸汽驱过程,采出程度为37%。现阶段单一蒸汽驱的效果明显下降,地层亏空严重,蒸汽热利用效率低,波及程度差异大,油水流度比大,采收率低。CO2辅助蒸汽驱连续注入有助于地层能量的及时补充与恢复,改善波及体积,提高驱油效率[4-5]。CO2驱油主要为混相驱和非混相驱,新疆浅层稠油油藏埋藏深度约200 m,原始地层压力2.38 MPa,原始地层温度20℃,因此该油藏注入CO2为非混相作用。CO2注入方法主要有连续注入、吞吐、水气交替注入、CO2泡沫驱等[6-10]。针对尚未注入CO2的九6区块油藏,在油藏条件下进行驱油模拟实验研究。由于油藏浅、温度低,注入蒸汽在油藏压力下实为热水。因此,以热水复合CO2的方式进行驱油效率测试,分别研究不同体积比下热水/CO2混注驱油和段塞驱油的驱油效率,并分析CO2与稠油作用后其组分的变化,为该油藏现场即将进行的CO2开采提供实验测试依据。

1 实验部分

1.1 实验材料与仪器

材料:新疆九6区浅层油藏稠油原油样品,黏度1 150 mPa·s(60℃),密度0.925 6 g/cm3(60℃);CO2气体(纯度＞99.0%(φ)),150℃热水。

仪器:高温高压驱替装置、平流泵、岩心填砂管、活塞容器、压力表、CO2检测器。

1.2 实验方法

根据油藏条件,石英砂填充岩心管孔隙度为30%,岩心原油饱和度70%,设定回压2 MPa。虽然该油藏注入高温蒸汽,但根据水的饱和蒸汽压(200℃,1.55 MPa;150℃,0.476 MPa;100℃,0.101 MPa),在油藏压力下将很快液化为水相状态,现场调查确认蒸汽注入后油藏温度一般为80～100℃。因此,驱替实验温度设定为90℃,进行热水驱,热水复合CO2混注、段塞方式注入驱油实验。每注入0.1 PV接收一次流出油水混合物,直至驱出油中含水率大于98%时,停止实验,分离油水混合物,计算驱油效率,取油样进行组分分析。热水/CO2混注时总注入速度0.3 m L/min,热水与常温CO2气体不同注入速度比(液气体积比,下同)依次为1∶1(热水、CO2均为0.15 m L/min)、1∶2(热 水 0.1 m L/min,CO20.2 m L/min)、1∶3、1∶4;段塞驱时热水、CO2注入速度均为0.3 m L/min,按不同段塞大小比1∶1(0.5 PV热水+0.5 PV CO2)依次到1∶4(0.5 PV热水+2.0 PV CO2)进行。

驱替实验流程示意图见图1。

2 结果与讨论

2.1 热水驱与热水/CO2混合驱油对比

为了证实CO2对该油藏稠油的作用效果,首先与纯热水驱进行对比实验(见图2)。由图2可知,纯热水驱时累积驱油效率为49.19%,而热水/CO2混驱累积驱油效率达55.61%,增加了6.42%,说明注入CO2对该稠油具有提高驱油效率的作用。这表明CO2具有溶解原油、膨胀降黏等作用,CO2溶于水使水碳酸化,降低油水流度比,提高波及效率,同时可有效提高热利用效率。

2.2 混合注入驱油效率

不同体积注入比的热水/CO2混合注入驱油实验结果见图3。

由图3可知,热水/CO2体积注入比从1∶1变化至1∶3时,累积驱油效率依次为:66.40%、68.17%、71.32%,比单纯热水驱分别提高了17.21%、18.98%、22.13%。注入比为1∶3时,累积驱油效率达到最大值。注入比为1∶4时,累积驱油效率明显下降,仅为39.87%,此时CO2含量过大,气体易从岩心孔隙中渗透流出,未与原油充分发生作用就已经突破,导致驱油效率较低。

2.3 段塞注入驱油效率

从单纯热水驱油实验结果(见图4)可知:在0.5 PV时驱出原油量达到最大值,为利用热水最大驱油效率;同时又有足够热量传递至岩心,促使原油加热降黏,易于流动。因此,热水段塞大小确定为0.5 PV。不同体积比的热水/CO2段塞驱油实验结果见图5。

由图5可以看出:不同段塞驱累积驱油效率均高于热水驱,热水/CO2体积比从1∶1变化至1∶4时,CO2段塞体积不断增大,累积驱油效率依次为:66.64%、68.93%、85.94%、78.40%,比热水驱分别提高了17.45%、19.74%、36.75%、29.21%;在1∶3时,累积驱油效率达最大值,之后再增大气水比,累积驱油效率不再增加反而减小。这是因为CO2含量过大,CO2容易穿过水的段塞,与原油作用的CO2量减少,波及效率降低,最终导致驱油效率下降。

通过比较两种驱油方式发现,相同比例时,段塞累积驱油效率均高于混驱,热水/CO2体积比为1∶3时,混驱和段塞驱均达到最佳驱油效果,累积驱油效率分别为71.32%和85.94%。混驱驱油效果相对较弱,一方面是由于CO2与热水同时注入岩心,两者混合使得CO2气体周围被热水包围,不能完全接触岩心内原油,浓度相对较低,若要充分与原油发生作用,需先从水层中脱离出来;另一方面,由于水的注入,自然地在油层表面形成屏蔽层,阻碍和延缓CO2气体进入油层,与原油作用能力下降。段塞驱油则是交替注入热水和CO2气体,CO2可以更充分地与原油发生作用,接触更多的残余油在溶解膨胀作用下流出岩心孔隙,在后续热水段塞驱替作用下驱出更多的原油,从而进一步提高驱油效率。

2.4 数值模拟相关研究

因九6区块尚未进行CO2驱油数模研究及现场实施,已开展的相关研究显示,王欢等[11]基于分流法数模研究,以新疆油田10个典型区块为研究对象,进行水驱后转CO2非混相驱评价,证实CO2明显提高了采收率,最终提高原油采收率的平均值为7.58%。对于接近九6区油藏条件的九7区,蒲丽萍等[12]进行了数模研究,九7区齐古组稠油浅层油藏孔隙度平均30.5%,平均含油饱和度71%,原油平均密度0.944 9 g/cm3,50℃平均黏度6 465 mPa·s。对6种注入气体吞吐方式进行了代表性的5口井资料对比数模分析:只注常温CO2、只注蒸汽、先注CO2后注蒸汽、先注蒸汽后注CO2、先注蒸汽后注CO2再注蒸汽、蒸汽和CO2同时注入,结果显示,与其他蒸汽加CO2组合相比,先注蒸汽再注CO2方式的效果最好(比纯蒸汽增油172 t,比蒸汽和CO2同时注入增油112 t)。

本实验是蒸汽(热水)与CO2交替段塞驱替方式,蒸汽的热效应与CO2在驱替过程多次接触原油,充分发挥其溶解、膨胀、降黏作用,从而更有利于驱油效率的提高。将为下一步该油藏实施CO2复合蒸汽开采的数模及现场实施提供有效的实验摸拟数据。

2.5 驱出原油及岩心残余油组分分析

在驱替过程中,CO2和热水同时与原油发生降黏、膨胀、乳化作用等,尤其是CO2与原油的萃取分离作用会对原油性质变化产生影响[13]。因此,对驱替流出原油和岩心内残余油进行组分分析,结果见表1。

表1 驱出原油及岩心残余油4组分质量分数Table 1 Mass fraction of saturates,aromatics,resins and asphaltene in the produced oil and the residual oil collected from the core w/%

从表1可知,与实验前原油样品相比,热水/CO2混注与段塞驱出油中轻质组分(饱和烃和芳烃)质量分数增大,重质组分(胶质和沥青质)含量相对减小。岩心残余油中沥青质质量分数明显增加,且高于驱出原油及原始油样,胶质含量减少。由于CO2萃取原油中轻质组分作用,使得驱替过程中轻质组分容易流出,混驱时增加了2.98%～6.77%,段塞驱增加了5.36%～5.84%。轻质组分被驱出后,导致岩心残余油重质组分含量相对上升。

3 结论

根据九6区油藏条件,浅层低温、油藏压力高于水的饱和蒸汽压,注入高温蒸汽后,液化为热水状态,通过热水/CO2不同混合方式驱替模拟实验证实,热水复合CO2驱油明显提高了驱油效率,结合相关数模分析,为下一步现场实施提供了物模实验参考依据。

(1)注入CO2能够有效地提高浅层稠油驱油效率,热水/CO2段塞驱优于混驱。实验表明,注入水气体积比1∶3为最佳比例。与单纯热水驱油相比,最佳混驱时累积驱油效率达71.32%,增加幅度为17.21%;最佳段塞驱累积驱油效率为85.94%,增加幅度达36.75%。

(2)蒸汽(热水)与CO2段塞驱替方式使蒸汽的热效应与CO2在驱替过程中多次与原油接触,充分发挥了其溶解、膨胀、降黏作用,更有利于驱油效率的提高。相关的蒸汽/CO2数模研究结果也已证实,蒸汽后再注CO2效果高于蒸汽与CO2同时注入效果。

(3)实验驱出原油与岩心残余油组分变化分析表明,CO2对稠油具有明显的萃取分离作用,轻重组分明显分离,岩心内沥青质沉积导致含量增加。

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Experimental simulation study on displacement efficiency of heavy oil in shallow reservoir by hot water and carbon dioxide

Huang Haizan1,Mu Hetaer2,Wang Zongxu1,Dong Hong2,Lu Xiaobo1,Yang Liu2,Lu Yao1
1.Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS,Beijing,China;2.Research Institute of Petroleum Exploration and Development,Xinjiang Oilfield Company,CNPC,Keramay,Xinjiang,China

The shallow heavy oil reservoirs of Qigu group in the Nine-six District of Xinjiang Oilfield have entered the late stage of steam mining.The exploitation of this heavy oil reservoir has experienced steam stimulation,encryption adjustment and steam flooding.The oil recovery factor was 37%.At present,the effect of single steam flooding has obviously decreased,along with serious formation deficit,low steam heat utilization efficiency,uneven gas inhaling,variant sweeping ability,large oil-water mobility ratio,and low oil recovery.Hot water combined CO2flooding is an effective way to enhance oil recovery by making full use of hot water heating effect and huge CO2dissolve in crude oil leading to viscosity reduction.In this paper,series of simulated flooding experiment of Nine-six district heavy oil by hot water and CO2in different injection ways including hot water flooding,hot water and CO2simultaneous injection,hot water and CO2slug injection were researched.The results show that the cumulative displacement efficiency(ED)of hot water flooding is 49.19%,the maximum cumulative ED of hot water and CO2simultaneous injection is 71.25%,and the maximum cumulative ED by hot water and CO2slug injection is 85.96%.The change of fourcomponent of the produced oil and the residual oil in the core was analyzed.

carbon dioxide,simultaneous injection,slug injection,displacement efficiency

国家重大专项“稠油/超稠油开发关键技术”(2016ZX05012)。

黄海赞(1987-),男,中国科学院理化技术研究所硕士研究生,应用化学专业 ,主要研究方向为提高稠油采收率技术。E-mail:haizanhuang@yeah.net

路遥(1960-),男,博士,副研究员,主要从事油藏化学理论与应用技术研究。E-mail:luyaolh@126.com

TE357.7

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2017.06.011

2017-04-01;编辑:冯学军