气水交替驱提高采收率室内实验研究

2020-01-01秦正山刘先山张文昌周建良

石油化工高等学校学报 2019年6期

秦正山，罗沛，刘先山，张文昌，周建良

（1.重庆科技学院石油与天然气工程学院，重庆401331；2.中原油田石油工程技术研究院，河南濮阳457000）

国内外研究表明，气水交替驱（WAG）可明显提高注水波及效率，起到良好的流度控制作用，减缓气窜的影响，提高油田的采收率[1]。国内研究人员主要对WAG 驱提高采收率技术进行了室内实验、矿场实验和数值模拟等方面的研究[2-6]。虽然研究目的各有不同，但主要侧重于具体油田的开发方式优选、WAG 驱提高采收率可行性研究、WAG 驱注入参数优化、WAG 驱注入能力变化规律等方面的研究，为国内油田的开发提出指导性建议，但研究目的及成果主要集中于现场工程应用。目前，学者们对WAG 驱提高采收率机理已进行了一些实验和理论研究[7-11]。

气驱实验若直接选用短岩心，见气时间较短，气体扩散范围小，指进现象严重。而采用长岩心能够满足气驱过程中气的有效作用距离。实验数据相较于短岩心更能反映实际油藏状况。受到取心技术的影响，目前长岩心实验普遍是将天然短岩心拼接来替代长岩心。相邻的短岩心之间的拼接端面用滤纸贴合来减弱末端效应[9-10]，但在拼接处仍然存在微小的渗流场，会影响流体的流线，导致岩心拼接位置附近存在“死油区”，注入流体难以波及。模拟不同平均渗透率的长岩心一般是根据调和平均法将每块短岩心按顺序排列来实现的，该法对长岩心平均渗透率的调整具有很强的灵活性，但在拼接端面存在严重的应力敏感现象[9-10]，导致岩心压力场分布较为复杂。若采用填砂管，容易出现填充砂砾在高压作用下垮塌，砂砾位置动态移动，导致实验无法进行。

综上所述，岩心的选用对于长岩心驱替实验结果的客观性、准确性有直接的联系。鉴于以上考虑到的问题，本文自制了一种简易的模拟岩心，分析WAG 驱提高采收率作用机理，对国内油藏开发提出指导性建议。

1 模拟岩心

首先，加工内壁光滑，中间管螺纹连接，岩心有效长度为1 m 的钢质长岩心筒（见图1）。加工不同规格、内径相同、中间靠管螺纹连接、加密封垫片及密封胶的岩心筒。

图1 钢质岩心筒Fig.1 Steel long core barrel

按照一定的砂型配比含量、胶结剂含量，填充该岩心筒，安装在整套驱替设备中。采用3 种粒径范围的精制陶砂粒制造符合物性要求的模拟岩心。为模拟低渗油藏条件，需明确填塞陶砂粒及胶结剂的用量比例，加工了内壁光滑、内径相同、有效长度为10 cm 的钢质短节岩心筒，并设计了不同用量配比组合方案，测定孔、渗参数，优选符合低渗透要求的配比方案，以此为据填充钢制长岩心筒。

2 实验流体及设备

实验用水：蒸馏水和钠盐配制而成，矿化度为6 754 mg/L。

实验用油：脱气原油与煤油配置的模拟油，在室内25 ℃条件下，测定模拟油黏度为3.23 mPa·s。

实验用气：氮气。

本文采用的岩心驱替设备为岩样流动实验评价装置，该驱替装置可以模拟油藏实际压力和温度条件，借助先进传感器技术、自动控制技术等进行室内物理模拟实验（见图2）。

图2 驱替实验流程Fig.2 Schematic diagram of displacement experimentalprocess

3 实验步骤

设置原始状态下气驱、原始状态下水驱、水驱后WAG 驱、原始状态下WAG 驱、带倾角原始状态下WAG 驱（45°）作为基本对照组，评价几种驱油方式下的驱油效果。驱替实验流程见图2。

具体实验步骤为：

（1）建立岩样初始油水饱和状态。

①首先将制备好的岩心模型两端固定好，用支撑架将自制岩心模型保持稳定。对岩心模型抽真空，随后注入已配置好的地层水饱和岩心，并将饱和模拟地层水后的岩样模型称重，扣除岩心筒重。抽真空和饱和地层水，计算孔隙体积。

②用脱气原油驱替岩心中的残水，直至不出水为止。建立束缚水饱和度，记录岩心模型被驱出的水体积，计算束缚水饱和度。

（2）对照组实验。

①原始状态下水驱。通过回压阀将出口端压力设置为15 MPa，以0.3 mL/min 的速度将模拟地层水注入岩心模型，待出口端稳定且不再出油，结束实验。

②原始状态下气驱。将岩心复原，出口端压力设置为15 MPa，以0.3 mL/min 的速度将氮气注入岩心模型，待出口端稳定且不再出油，结束实验。

③水驱后连续气驱。将岩心复原，出口端压力设置为15 MPa，以0.3 mL/min 的速度将模拟地层水注入岩心模型，待出口端含水率达到80%，以0.3 mL/min 的速度向岩心模型注氮气，待出口含水率保持不变，结束实验。

④原始状态下WAG 驱。将岩心复原，出口端压力设置为15 MPa，以0.3 mL/min 的速度注入氮气5 min 后转同速水驱油5 min，进行以上交替步骤4 轮，结束实验。

⑤带倾角原始状态下WAG 驱（45°）。考虑到岩心模型直径较小，若采用原始状态下WAG 驱，油、气重力差异对三相流体在岩心中的赋存位置影响不明显。通过调节岩心模型支撑架高度，将倾斜角度调整为45°。重复对照组实验步骤④。一般来说，驱替实验岩心直径较小，水平放置进行驱替，难以体现重力对驱油效果影响。将模拟长岩心倾斜放置，加大重力作用对驱油效果的影响，帮助验证重力作用对采收率增益效果。

⑥检验岩心筒连接位置密封性。

以上步骤中，岩心复原过程严格按照SY/T5336[12]标准执行。

4 实验结果分析

设计不同用量配比组合方案，测定孔、渗参数，优选符合低渗透要求的配比方案（见表1），并以此为据，填充长岩心筒。选方案2 为配比用量依据。测试模拟岩心基础物性见表2。不同驱替方式最终驱油效率见表3

表1 配比方案Table 1 Matching scheme

表2 模拟岩心基础物性参数Table 2 Physical parameters of simulated core foundation

表3 不同驱替方式最终驱油效率Table 3 Final displacement efficiency of different displacement modes %

图3 为不同驱替方式各阶段采出程度变化。由图3 可以看出，当注入量为0～0.2 HCPV 时，5 种驱替方式采出程度接近；继续增大注入量，带倾角原始状态下WAG 驱（45°）、原始状态下WAG 驱开发效果明显优于其余几种驱替方式。原始状态下气驱最终驱油效率高于原始状态下水驱，低于其他驱替方式，其驱油效率主要受气窜的影响。气体易沿高渗层突进，微小孔隙的波及效果受到了抑制。

图3 不同驱替方式各阶段采出程度变化Fig.3 Change of extraction degree in various stages of displacement

达西公式及理想气体的状态方程为：

联立上式得到：

计算对照组各项的平均流度比可知（见表4），WAG 驱平均水油、气油流度比均比水驱后连续气驱低，可证明WAG 驱流度控制作用明显，水气交替注入后水驱可封堵高渗带，气驱驱扫微小孔隙，帮助形成有利流度比，提高原油的采收率。

表4 带倾角原始状态下WAG 驱（45°）、原始状态下WAG驱、水驱后连续气驱平均流度比对比Table 4 45°simple wag,simple wag,mean flow ratio com⁃parison of continuous gas flooding after water flooding

图4 为不同驱替方式各阶段含水率变化。由图4 可知，注入量为0～0.4 HCPV 时，带倾角原始状态下WAG 驱（45°）与原始状态下WAG 驱的含水率为0；继续增大注入量，含水率均迅速上升。带倾角原始状态下WAG 驱（45°）注入水突破时间相较于原始状态下WAG 驱提前，主要原因是带有角度条件下，重力分异作用得到进一步加强，即气液两相交替驱扫不同位置的含油孔道。

在真实的油藏条件下，WAG 驱可使水相驱扫油层的中下部，而气相驱扫油层上部的作用更加明显，有效地提高了驱油效率（见图5）。

水驱后连续气驱的水相突破时间与WAG 驱相比较短。WAG 驱替过程是水在孔隙中的缚存状态不断打破，不断重建的一个动态过程，注入水交替封堵大孔隙，削弱了注入气对流体的突破作用，使驱替前缘均匀稳定，延长见水时间。

图4 不同驱替方式各阶段含水率变化Fig.4 The change of water content in different stages of displacement

图5 WAG 驱替过程中油、气、水分布状况Fig.5 The distribution of oil,gas and water during the WAG displacement process

水驱后注气加强了气液分子之间的交换、扩散、渗吸及突破作用，其相互作用可影响孔道中原油和束缚水的缚存状态，若孔道连通，气体分子可起到“打通通道”的作用（见图6）。

图6 WAG 驱替过程中气、液分子间的相互作用Fig.6 Inter⁃molecular interaction between gas and liquid during WAG displacement process

对于真实的油藏条件，WAG 驱可作为常规水驱的一种替代方式，其驱替效果优于水驱后连续注气、原始状态下气驱、原始状态下水驱。对于非均质性严重的储层，交替注水产生的动态封堵效果进一步提高了WAG 驱油效果，可改善储层吸水剖面，延长油井见水时间，进一步提高原油采收率。对于国内具有注气条件，非均质性严重，吸水剖面不均衡的油藏，可交替注水并结合化学驱，开展先导实验，以便扩大应用范围。