致密油藏气驱最小混相压力预测

王玉霞尚庆华

(1.西北大学 地质学系,西安 710069;2.陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院,西安 710065)

1 研究背景

已有研究表明,致密油藏微观孔喉结构中流体的临界性质及相态变化规律等均不同于常规油藏[1-3]。在孔喉中,流体临界性质及相态与范德华力和毛细管力及孔喉结构等因素相关[4-5]。致密储层中微观孔喉半径越小,其驱替相与被驱替相之间的毛细管压力比越大,对相平衡的影响也越大。当孔喉半径小到一定程度时,流体分子与孔壁之间的相互作用增强到不可忽略,进而改变流体的临界压力、临界温度和表面张力等物理性质[6-7]。对于气体驱油来说,其还将直接影响混合体系的最小混相压力,进而影响驱油效率和原油采收率[8]。最小混相压力是气驱项目必须确定的一个关键技术参数。目前的确定方法主要有数值模拟法、细管实验法及界面张力法等[9-17],然而这些方法都忽视了微观孔隙结构产生的影响,即不论储层孔隙度和渗透率在何种范围,均采用同一标准下的细管模型进行测定,或者不考虑介质直接通过界面张力仪测定临界面张力时的流体混相压力。基于此,该研究以延长油田吴起油沟致密油藏为研究对象,对其微观孔喉结构特征及流体在其中的相态行为开展了系统研究,探索合适的气驱最小混相压力预测方法,以期为同类油藏的研究和应用提供理论基础。

2 致密孔中流体的相态行为

研究表明,流体在致密油藏中的临界性质及相态主要受孔喉禁限效应的影响,影响程度主要取决于孔喉半径和Lennard-Jones尺寸参数。根据Kuz等人的研究结果和范德瓦尔斯理论[18],可以得到临界温度偏移、临界压力偏移分别与σLJ/rp关联的二次方计算模型,即:

式中:rp为孔喉半径,nm;ΔT*c为相对临界温度偏移,无因次;Tcb为bulk临界温度;Tcp为孔隙临界温度;σLJ为Lennard-Jones尺寸参数,nm;ΔP*c为相对临界压力偏移,无因次;Pcb为bulk临界压力;Pcp为孔隙临界压力。

吴起油沟油藏长4+5油层组微观孔喉结构研究结果表明,纳米孔占比27.2%,微米孔占比51.7%,如图1所示,属于典型的致密油藏。

图1 研究区孔喉半径分布图Fig.1 Pore throat radius distribution

该区在前期进行了充分的室内研究,并开展了CO2驱油矿场先导性试验,具备相态理论计算的参数基础,其原油和注入气的组成、性质及状态方程参数详见参考文献[19]。利用上述临界参数偏移计算模型对研究区流体参数进行计算,得到其临界参数偏移的变化如图2和图3所示。

图2 流体临界参数偏移随σLJ/rp变化曲线Fig.2 Fluid critical parameter migration curve withσLJ/rp

图3 孔喉半径对流体各组分临界参数的影响Fig.3 Theinfluence of hole radius on the critical parameters of oil and gas fluids

由图2可以看出,流体临界参数偏移变化曲线主要表现出以下特点:1)CO2临界参数偏移与轻组分Cl+N2一致;2)相同孔喉半径中,重质组分较轻质组分的临界参数偏移幅度更大;3)临界参数偏移随孔喉半径的减小而增大;4)微米级以上的孔喉中不再存在流体临界参数偏移,孔喉结构不再对相态产生影响。

由图3可以看出,流体临界参数的变化主要呈现以下特点:各组分的临界温度和临界压力均随孔喉半径的减小而降低,且重质组分临界温度和轻质组分临界压力受影响较大,轻质组分临界温度和重质组分临界压力受影响相对较小。

为了更加直观地表现孔喉半径对流体临界性质的影响,根据临界参数计算模型分别计算了研究区不同孔喉半径下流体的相图,如图4所示。

图4 不同孔喉半径下研究区原油的相图偏移Fig.4 Phase diagramof crude oil with different hole radius

从图4可以明显看出,当孔喉半径从5 nm变到30 nm时,流体相图发生了幅度非常大的右偏移;当孔喉半径大于30 nm时,偏移幅度逐渐变小;当孔喉半径大于50 nm后,流体相图已基本接近常规储层的相图。说明流体相态受孔喉半径影响的上限基本为50 nm,且孔喉半径越小,流体相态受影响的程度越大。

3 考虑孔喉对流体相态影响的最小混相压力预测

大量研究表明,细管实验得到的最小混相压力普遍低于界面张力法测得的最小混相压力,如图5所示。同时结合上述研究结论,流体的临界性质及相态受致密储层纳米级孔喉的重要影响。因此气驱油的微观机理不再同于常规油藏,产生混相的条件和环境也大有不同,预测致密储层气驱最小混相压力必须考虑孔喉对流体相态的影响。

图5 不同实验方法最小混相压力测试结果Fig.5 Minimum miscible pressure test results using different experi mental methods

3.1 联立状态方程法

PR状态方程在计算混合物临界点方面具有较高的精度,联立上述临界参数偏移计算模型便可用于致密储层流体相态的计算,具体形式如下[20]:

由式(1)～式(3)临界温度偏移和临界压力偏移计算模型和PR状态方程联立即构成致密油藏考虑孔喉影响的最小混相压力计算模型。计算时,首先通过临界参数偏移计算模型计算得到流体在特定孔喉中的临界参数,然后利用PR 状态方程和混相函数[21]迭代计算得到混合流体的最小混相压力,具体计算方法和步骤参考文献[20],这里不再赘述。

3.2 联立J-P经验公式法

联立状态方程法考虑因素全面,理论完善,是完全符合致密储层最小混相压力计算需要的模型。其缺点是计算处理过程相对复杂,不像经验法计算简便。为了某些工作的简便需要,这里给出一种半经验公式法,即由临界参数偏移计算模型联立经验公式的计算方法。目前预测最小混相压力的经验公式多达十几种[22-23],但只有Johnson和Pollin创立的J-P关联式将最小混相压力与流体的临界性质关联在一起,且其计算误差也相对较低,具体形式如下:

由临界参数计算模型式(1)～式(3)联立J-P关联式即构成致密储层考虑孔喉影响的最小混相压力半经验计算模型。计算时,首先通过临界参数偏移计算模型计算得到流体在特定孔喉中的临界参数,然后代入到J-P关联式,即可计算得到特定储层中混合流体的最小混相压力。

3.3 实例计算与分析

细管实验测得研究区延长组长4+5油层组CO2与原油最小混相压力为17.8 MPa。为了明确致密储层微观孔喉结构对最小混相压力的影响程度,应用上述2种方法分别对该区原油与CO2在储层中的最小混相压力进行计算,并与细管实验结果进行对比。

根据上述计算模型和方法,由联立状态方程法和联立经验公式法计算出研究区流体在纳米孔喉中的最小混相压力分别为13.7 MPa和14.4 MPa,在常规孔喉(微米级以上)中的最小混相压力分别为18.1 MPa和15.7 MPa。研究区纳米孔所占比例为27.2%,如果按照比例进行加权平均计算,则由2种方法确定的CO2驱最小混相压力分别为16.9 MPa和15.3 MPa。实际上,对于该研究区来说,当压力超过13.7 MPa时,部分CO2已经开始实现混相驱油。

由计算结果可以看出,在不考虑孔喉结构影响时,PR状态方程法计算的最小混相压力非常接近细管实验法的测定值,说明该方法是可靠的。进一步,说明将临界参数偏移计算模型和PR 状态方程法结合计算致密储层中流体的最小混相压力也是可行的,其计算结果具有信服力。另外可以发现,无论计算纳米孔喉中的最小混相压力还是加权平均计算,联立经验公式法相比联立状态方程法的误差还是比较小的,对于项目前期CO2选区要求精度不高时,可以采用该方法。

4 结论

1)纳米级孔喉会对流体的临界性质及相态产生重要影响。孔喉半径越小,影响程度越大,且流体临界温度和临界压力均随孔喉半径的减小而降低,相图区域随孔喉半径的减小而向左缩小。

2)孔喉半径对重质组分的临界温度影响较大,对临界压力的影响较小,而其对轻质组分的影响则相反。

3)最小混相压力除了受驱替相和被驱替相性质参数的影响外,还受微观孔喉尺寸的影响。致密孔喉尤其是纳米级孔喉可以明显降低气驱的最小混相压力。

4)由流体临界参数偏移计算模型联立PR状态方程可以预测致密储层气驱最小混相压力,计算结果具有信服力。