减氧空气重力稳定驱驱替机理及与采收率的关系

陈小龙，李宜强，廖广志，张成明，徐善志，齐桓，汤翔

（1.油气资源与探测国家重点实验室（中国石油大学（北京）），北京 102249；2.中国石油大学（北京）石油工程学院，北京102249；3.中国石油勘探与生产分公司，北京 100120；4.吉林油田公司油气工程研究院，吉林松原 138000）

0 引言

与其他气驱技术相比，空气驱具有与原油发生低温氧化作用（LTO）的独特优势[1]，但空气驱波及效率低，原油与空气接触范围小，低温氧化作用效果较差；此外轻质油油藏空气驱存在爆炸风险，该问题一定程度上影响了空气驱的推广应用。为防止爆炸，确保空气驱技术安全可控，轻质油油藏通常采用减氧空气驱油，但氧气浓度的降低进一步削弱了LTO的作用，严重影响开发效果[2]。

顶部注气辅助重力驱（GAGD）技术利用注入气体与储集层内流体间因密度差异产生的重力分异作用，驱动油气界面稳定下移，可抑制黏性指进、扩大波及体积，提高微观驱油效率，大幅提高采收率。顶部注气重力驱与轻质油油藏减氧空气驱相结合：①可以扩大油气接触面积，有效加快低温氧化反应；②低温氧化反应的降黏作用可降低稳定重力驱驱替阻力；③两者协同作用，具有大幅提高采收率的潜力[3]。

具有稳定的油气前缘是GAGD获得成功的关键，重力、黏滞力和毛细管力是控制GAGD过程的主要作用力。目前主要采用无量纲数（邦德数、毛细管数与重力数）表征GAGD过程中重力、黏滞力与毛细管力的作用。Kulkami[4]的物理模拟实验表明，邦德数、重力数与毛细管数越大，采收率越高，重力驱动是原油主要的驱替机制。该实验结果分析了重力、黏滞力与毛细管力在驱替过程中对采收率的综合影响，但没有深入探讨驱替过程中这3种力的相互作用。Bautista等[5]利用数值模拟研究GAGD驱替过程中多种无量纲数与采收率的关系，所得结论与前述实验结果存在差异。

无量纲数与GAGD具有内在联系，利用无量纲数可进行GAGD采收率的预测。Kulkami等[6]将毛细管数、邦德数和重力数相结合，定义无量纲数重力泄油数，并给出了非混相驱采收率与重力泄油数的关系；Wu等[7]考虑接触角和油气黏度比，对重力泄油数进行修正并重新给出预测公式；Rostami等[8]充分考虑油藏参数、油藏非均质性等对采收率的影响，利用油藏数值模拟和非线性拟合等手段给出了相关预测；陈小龙等[9]借助机器学习方法，充分考虑多种参数对开发的影响，给出了GAGD非混相驱开发油藏采收率预测模型。

可以看到，GAGD相关研究成果较多，但减氧空气重力驱微观机理方面的研究鲜见文献报道。本文通过二维可视化减氧空气重力驱（OAGD）实验与长岩心驱替实验研究油气前缘形态与重力、毛细管力和黏滞力的内在关系，分析减氧空气重力驱气体突破前后重力数和毛细管数与采收率的关系，揭示减氧空气重力驱过程中重力、毛细管力与黏滞力的作用机理。同时考虑低温氧化反应程度对采收率的影响，提出新的无量纲组合数并建立其与采收率的关系，用于减氧空气重力驱采收率预测。

1 实验方法

1.1 二维可视化实验

实验模型（见图1）内部填砂尺寸为230 mm×106 mm×1.4 mm，内部由直径为800 μm的玻璃珠填充形成固结的多孔介质结构；模型上下端各设置一水平凹槽，内部填充筛网模拟水平井；实验采用苏丹红染色的白油，常温下黏度为12.3 mPa·s；实验用气体为减氧空气（氧含量15%）。

图1 可视化模型实物图

模型孔隙度为69%，渗透率为10 810 μm2。由于模型承压能力有限，故实验在常温常压下进行，不考虑低温氧化作用的影响。重点研究重力、黏滞力与毛细管力三者之间的相对大小对注气重力驱油气前缘的影响。分别通过调节注气速度与模型倾角改变实验过程中的黏滞力与重力大小，实现实验过程中的驱动力变化，共设计32套实验方案（见表1）。实验步骤为：①模型抽真空饱和原油，采用物质平衡法计算模型孔隙度；②静置12 h平衡模型内流体分布；③按方案开展实验，采用高精度摄像机记录模型内部油气前缘的变化情况，记录实验中产油量随时间的变化；气体突破后结束实验；④为确保实验模型的一致性，各方案采用同一模型，前一实验完成后，用有机溶剂清洗模型并烘干用于下一实验。

表1 可视化实验方案

1.2 长岩心驱替实验

实验用油取自吉林油田某区块，基础参数见表2；实验用模拟水离子组成见表3；实验用气体为纯氮气、氧气与氮气的混合气体（氧含量分别为22%、15%、10%、5%）。

表2 实验用油基础参数

表3 实验用水矿物离子组成参数

足够长的天然长岩心获取困难，因此实验用长岩心由两段长30 cm的岩心拼接而成。为避免因两段岩心接触表面毛细管力的差异对实验结果造成影响，故在两段岩心接触面间加垫滤纸，实验装置见图2。

图2 长岩心实验装置图

根据实验目的共设计9套实验方案（见表4），实验①—实验⑤用于研究注气速度对OAGD采收率的影响及驱替过程中无量纲数的变化对采收率的影响；实验⑤—实验⑨用于研究注入气体中氧浓度与OAGD采收率的关系。

表4 长岩心驱替实验方案设计

实验步骤：①将组合岩心抽真空并饱和水，计算孔隙度并测定渗透率；②饱和油后将岩心夹持器固定，保持与水平方向成60°，放入90 ℃恒温箱中；③按设计注气速度注入气体，升压至15 MPa（实验回压），记录升压时间；④开始实验，记录产出油气数据；待注入气体达1倍孔隙体积后结束实验；⑤改变实验参数，重复步骤①—④。

2 实验结果分析

2.1 可视化实验

在气体侵入过程中，油气前缘的形态受重力、毛细管力和黏滞力的相互作用控制，直接表征这3个力之间的相互作用难度较大，因此本文采用无量纲数来表征任意2种力的相对关系，保持无量纲数不变，改变第3种力进行单因素分析，分别研究重力、毛细管力和黏滞力对OAGD的影响。图3是重力恒定的情况下（实验模型倾角均为90°）毛细管数与采收率的关系曲线（邦德数恒定为4.52×10-4），图中a、b与c点分别对应图4中不同毛细管数条件下的驱替情况。

邦德数为重力与毛细管力的比值，重力恒定情况下邦德数不变，毛细管力同样恒定。由图3可以看出毛细管数（黏滞力与毛细管力的比值）越大（即黏滞力越大），采收率越小。说明邦德数保持恒定（重力与毛细管力的相互作用达到动态平衡）时，黏滞力是控制油气前缘变化的主要驱动力。当改变注气速度，毛细管数小于1.68×10-3时，驱替过程处于重力、毛细管力和黏滞力平衡区，油气前缘在驱替过程中基本能够保持稳定，此时随毛细管数的变化，采收率波动幅度很小（波动幅度约1%），基本保持稳定。该区域毛细管数较小，黏滞力较低，黏滞力与重力、毛细管力相互平衡，抑制指进现象的发生，驱替近似为活塞驱，气体能够进入大部分微小孔隙并保持油气前缘的稳定（见图4a），气体波及区域无绕流油簇存在，宏观波及体积与微观驱油效率均较高。需要说明的是三力平衡不代表前缘每个位置均瞬时受力平衡，而是随着驱替过程进行的动态平衡。实验中发现即使是稳定驱，前缘也会存在明显的局部指进，指进达到一定程度，指进前后端高度差形成的静液柱压力驱动后端克服毛细管力开始运移，最终后端未指进部分会“追”上指进前端位置，再次形成稳定前缘[10]。

图3 毛细管数与采收率的关系曲线（邦德数恒定）

图4 不同毛细管数、不同时刻OAGD油气前缘照片

提高注气速度，当毛细管数为1.68×10-3～2.69×10-2时，驱替过程处于毛细管力主导区，采收率随毛细管数的增加大幅下降。该阶段毛细管数增加，黏滞力增大，打破了三力之间的平衡状态，油气前缘失稳，表现出明显的局部指进、圈闭与绕流现象（见图4b）。与稳定区相比，该区黏滞力增加，后端未指进部分难以“追”上前端指进部分。后端未指进部分毛细管力控制了后续油气的流动状态，毛细管力越大越容易形成圈闭与绕流现象。

进一步提高注气速度，当毛细管数大于2.69×10-2时，采收率几乎不随毛细管数的变化而变化，此时油气前缘呈明显的黏性指进状态（见图4c），油气前缘完全由黏滞力主导，注入气体基本形成优势通道，采收率几乎不受毛细管数变化的影响。

图5为黏滞力不变情况下（每一段曲线对应的注气速度相同）重力数与采收率的关系曲线。由于模型倾角为0°时重力数为0，故图中不包含倾角为0°的实验结果。在毛细管数保持恒定时（黏滞力与毛细管力的相互作用达到动态平衡），模型倾角越大，重力驱动作用越大，驱替效果越好。原因在于密度引起的重力差抑制了油气前缘的局部指进，圈闭与绕流现象减少，重力驱动作用越大，这种抑制作用越好，越有利于油气前缘稳定，气驱的波及范围越大[11]（见图6）。相同倾角条件下，毛细管数越大，油气前缘稳定性越差；相同毛细管数条件下，倾角越大，油气前缘稳定性越好。实际油田开发中，重力基本恒定，毛细管力受储集层微观物性控制，基本不可控，降低注气速度是获得低毛细管数，提高开发效果的唯一途径。

图5 重力数与采收率的关系曲线（毛细管数恒定）

图6 不同倾角、不同毛细管数情况下OAGD油气前缘照片

2.2 长岩心驱替实验结果

2.2.1 减氧空气重力驱影响因素

2.2.1.1 氧气浓度

氧气浓度对减氧空气重力驱的安全和高效开发意义重大：①氧气浓度是影响低温氧化反应程度的重要因素，相同温度压力条件下，氧气浓度越高，氧分压越大，低温氧化反应越剧烈；②注入氧气浓度越高，氧气消耗残余量越大，采出端氧气浓度超过爆炸临界氧含量概率越大。由图7可知，当氧气浓度较低（5%）时，LTO反应强度低，耗氧量仅为0.8%，气体产物中几乎没有一氧化碳或二氧化碳，与不考虑低温氧化作用的纯氮气驱相比，采收率提高幅度低于2%。随着氧气浓度的增加，LTO反应强度增大，系统耗氧能力增强，气体产物中开始出现一氧化碳和二氧化碳。氧气浓度越高，采收率增幅越大，气体产出物中一氧化碳和二氧化碳含量也随之增高。蒋有伟等[12]通过物理模拟与数值模拟证实空气驱提高采收率由氮气驱、升温降黏与二氧化碳驱3个驱油机理共同完成，其中氮气驱占据主导地位，其次为升温降黏，二氧化碳贡献最小。受限于实验的恒温环境，氧化反应的放热无法积累，在这种情况下，升温降黏效应对采收率几乎无影响。OAGD采收率随着氧气浓度的增加而增加，主要是因氧化产生的二氧化碳量随注入氧浓度的升高而增加，对提高采收率具有一定的贡献；同时氧化反应消耗部分轻质组分，原油密度增加，重力分异作用增强，一定程度上可抑制气体指进，岩心中更易形成稳定的气驱前缘，有利于提高采收率。低温氧化作用越强，提高采收率效果就越明显。

图7 采出气组分及低温氧化提高采收率幅度直方图

2.2.1.2 注气速度

注气速度是影响气油界面稳定性的主控因素，气油界面稳定与否对O AG D开发效果影响巨大。Mudhafar[13]研究发现注气速度对采收率的影响存在临界值，小于临界值时，驱替过程为稳定驱，OAGD的采收率较高；大于临界值时，驱替过程为非稳定驱，OAGD的采收率较低。图8为5种注气速度下，注气量与采收率的关系，可以看到，注气速度临界值为0.05～0.10 mL/min。注气速度大于临界值时，注气速度越高，黏滞力越大，当黏滞力远大于毛细管力时，指进现象严重，油气界面不稳定，油气接触面积小，接触时间短。这一方面导致气体突破时间大大缩短，波及效果差；另一方面抑制了低温氧化反应，采收率较低。注气速度小于临界值时，毛细管力、黏滞力和重力可以保持动态平衡，油气前缘能够以较为稳定的状态持续推进，近似于活塞驱，波及效率高，油气接触面积大、接触时间长，低温氧化反应强，采收率越高。达到稳定驱的最大速度可定义为高效稳定驱上限速度[4]。但实际上注入速度并不是越低越好，当注入速度太低（如图8中的0.01 mL/min），尽管油气有充足的接触反应时间，有利于低温氧化反应的进行，但是低流速将导致黏滞力不足以克服大部分小孔喉的毛细管力，毛细管滞留现象严重，最终采收率并不高，这个速度可定义为高效稳定驱下限速度。Rostami等[14]在研究其他气体的重力驱实验中也发现了该现象。

图8 不同注入速度条件下采收率与注入气体体积的关系

由此可知，对于OAGD而言，注入速度的选择需要关注2个方面：①确保注气速度低于高效稳定驱的上限，驱替前缘稳定推进，增大油气接触面积，延长低温氧化时间；②确保注气速度要高于高效稳定驱的下限，黏滞力足以克服大部分小孔喉内的毛细管力，达到注入气置换小孔隙中原油的目的。

2.2.2 无量纲数对OAGD的影响

长岩心驱替实验中邦德数无明显数量级变化，故选用重力数与毛细管数来描述减氧空气的重力驱过程。实验过程中动态无量纲数难以计算，且各组实验过程中压力变化不明显，对油气性质影响较小，因此选择实验的初始无量纲数据近似替代全程进行分析。

2.2.2.1 重力数对OAGD的影响

长岩心驱替结果表明，稳定驱上限速度为0.05～0.10 mL/min，取区间下限0.05 mL/min作为区分稳定驱与非稳定驱的界限，确保不会对分析结果造成影响。

重力数的物理意义为重力与黏滞力的比值，长岩心实验中，岩心夹持器与水平方向成60°保持不变，可基本认为重力为定值，故重力数主要受黏滞力影响，也就是受注气速度的影响，注气速度越大，重力数越小。根据注气速度计算长岩心实验①—实验⑤的重力数，作不同注入气体孔隙体积倍数下重力数与采收率的关系曲线（见图9），图中黑色虚线为气体突破分界线，上方为突破区，下方为非突破区。可以看出，稳定驱区域，气体突破前，相同注入孔隙体积倍数条件下，注气速度降低，重力数增加，采收率增大，但增幅较小，说明气体突破前，与黏滞力相比，重力驱替原油占据主导地位。降低注气速度可降低黏滞力，提高OAGD的开发效果。但黏滞力并非越低越好，黏滞力太小，部分油气前缘将出现毛细管滞留，Bautista等[5]的数值模拟结果也证实了该结论。在气体突破后，相同注入孔隙体积倍数条件下，重力数越大（注气速度越低），阶段采收率越低，气体突破形成优势气流通道后，重力与黏滞力的驱油地位发生了转换，黏滞力驱油占主导地位，剩余油主要通过油膜流动方式产出[14]，气体流速越大，黏滞力携带能力越强，越有利于油膜流动，该阶段提高注气速度可提升OAGD开发效果。

图9 重力数与减氧空气重力驱采收率的关系

非稳定驱阶段气体突破前，动态特征与稳定驱类似；气体突破后，动态特征则相反。分析原因主要为注气速度越大，黏性指进现象越严重，气体波及体积越小，采收率越低。虽然突破后气体速度越大，携带油膜流动的能力越强，但油膜流动驱油潜力有限[15]，远小于气体波及对采收率的贡献。

2.2.2.2 毛细管数对OAGD的影响

毛细管数的物理意义是黏滞力与毛细管力的比值，岩心相同，实验流体相同，毛细管力可视为基本稳定，故毛细管数主要受黏滞力影响，也就是受注气速度的影响，注气速度越大，毛细管数越大。按图9的方法作不同注入孔隙体积倍数下毛细管数与采收率的关系曲线（见图10），图中黑色虚线为气体突破分界线，上方为突破区，下方为非突破区。可以看出，稳定驱区域，气体突破前，相同注入孔隙体积倍数条件下，随着毛细管数的增加，采收率小幅下降，说明气体突破前，与黏滞力相比，毛细管力在提高采收率方面占主导地位，此时宏观驱油作用对采收率的贡献要大于微观驱油作用[5]，毛细管数越大，黏滞力越大，毛细管力越小，油气前缘容易失稳形成局部指进，降低了宏观驱替效率，同时由于驱替过程为稳定驱，油气前缘具有一定的自我稳定能力，故采收率下降幅度较小；气体突破后，相同注入孔隙体积倍数条件下，毛细管数越大，注气速度越大，采收率越高，说明气体突破形成优势气流通道后，黏滞力驱油占主导地位，微观驱油作用对采收率的贡献大于宏观驱油作用[5]，高黏滞力更有利于抵抗毛细管的捕集作用，动用小孔隙内的残余油。

图10 毛细管数与减氧空气重力驱采收率的关系

非稳定驱气体突破前，油气界面不稳定，降低注气速度，扩大波及体积效果不明显；提高注气速度，虽然可以提高波及区域的微观驱油效率，同时也降低了气体宏观波及效率，因此，毛细管数的增加对采收率影响较小；气体突破后毛细管数越大，宏观波及效率越低，采收率越小。

综上所述，稳定注气重力驱开发在气体突破前降低注气速度，可以扩大气体波及体积，气体突破后提高注气速度，更有利于提高微观驱油效率。

2.3 无量纲数与OAGD采收率的关系

重力数、邦德数和毛细管数均对OAGD采收率有一定影响，因此这些无量纲参数间的组合与OAGD采收率必然存在相关性。Kulkami等[16]通过可视化实验结果分析认为气体重力驱采收率与重力数、毛细管数和邦德数的对数成线性关系。将长岩心驱替实验数据作对数散点图（见图11），可以看到采收率与重力数、毛细管数和邦德数之间的相关性非常差，其中以与毛细管数的相关性最差，这与Rezaveisi等[17]的认识一致。注气重力驱过程复杂，采收率受多种因素共同影响，单因素变量难以与采收率建立相关关系。

Kulkami等[6]考虑油气密度差对采收率的影响，将毛细管数、邦德数和重力数相结合定义为重力泄油数；Rostami等[14]考虑油气黏度比对驱油过程的影响，定义出无量纲数组合数（简称Ros组合数），以此提高注气重力驱采收率的预测精度。利用上述两种参数对长岩心驱替实验结果进行分析（见图12、图13），可以看出，尽管重力泄油数、Ros组合数考虑了油气密度、黏度等因素的影响，但与采收率的相关性也不理想，难以用于预测采收率。

图11 邦德数、毛细管数与重力数与采收率的拟合关系图

图12 重力泄油数与采收率的拟合关系

图13 Ros组合数与采收率的拟合关系

分析认为，重力泄油数、Ros组合数均未考虑氧气与原油之间发生的化学反应，隐性假定驱替过程中原油性质保持不变。长岩心驱替实验结果证实空气驱过程中，低温氧化反应对采收率有明显的影响，预测OAGD采收率必须要考虑该因素，因此提出考虑低温氧化反应的无量纲组合数（低温氧化数）并分析其与采收率的关系。低温氧化作用主要对原油的黏度影响较大，因此选择反应前后原油黏度的变化来表征低温氧化作用的影响，并选用气体刚刚突破后一段时间内采出的原油测定反应后原油黏度。低温氧化数定义为：

采用Levenberg-Marquardt方法[18]回归分析样本数据，确定A1，A2，A3值分别为1.00，0.06和0.02，说明预测OAGD采收率时，邦德数所占权重最大，毛细管数次之，表征低温氧化作用的反应前后原油黏度比所占权重最小，这说明OAGD的主要驱替机理仍然是重力驱，低温氧化仅起到辅助作用。将计算所得低温氧化数与采收率作散点图（见图14），可以看到二者相关性良好，引入黏度比将复相关系数提高到0.966 8。低温氧化数同时考虑了邦德数、毛细管数、低温氧化反应的综合影响，与采收率具有良好的相关性，可用于预测OAGD采收率。需要说明的是该结果仅为实验结果，在现场应用中需要结合具体条件进行修正。

图14 低温氧化数与采收率的拟合关系

3 结论

减氧空气重力驱油气前缘形态与变化规律主要受重力、毛细管力与黏滞力的综合影响。邦德数一定（4.52×10-4）时，油气前缘形态受毛细管数大小控制：毛细管数小于1.68×10-3时，油气前缘稳定；毛细管数大于2.69×10-2时，油气前缘呈黏性指进；毛细管数为1.68×10-3～2.69×10-2时，油气前缘呈毛细管指进。

减氧空气重力驱稳定驱气体突破前，重力数越高、毛细管数越低，采收率越高，采收率主要受重力影响，可通过降低注气速度来提高采收率；气体突破后，重力数越低、毛细管数越高，采收率越高，采收率主要受黏滞力影响，可通过提高注气速度提高采收率。

低温氧化数综合考虑了邦德数、毛细管数、低温氧化反应的综合影响，与采收率具有良好的相关性，可用于预测OAGD采收率。

符号注释：

A1，A2，A3——校正系数，代表对应无量纲数的重要程度，通过数据拟合以及敏感性分析确定，无因次；ER——采收率，%；NB——邦德数，无因次；NC——毛细管数，无因次；NGD——重力泄油数，无因次；NCO——Ros组合数，无因次；NG——重力数，无因次；NLTO——低温氧化数，无因次；R2——复相关系数，无因次；μR——原油低温氧化反应前后黏度比，无因次。