低渗砂岩油藏CO2驱相态及组分变化规律

2022-02-02刘建仪

特种油气藏 2022年6期

刘建仪，杨雪，刘勇

(1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川成都 610500；2.西南石油大学，四川成都 610500；3.中国石油辽河油田分公司，辽宁盘锦 124010)

0 引言

中原油田东濮凹陷中央隆起带北部砂岩储层属于典型的低渗油藏，该区储层物性差、渗透率低，注水开发效果差。经过十几年气驱实践，发现CO2驱比氮气、甲烷等现场应用效果好，主要是因为CO2临界温度和临界压力较低，易于膨胀、降黏和萃取石油[1-4]。自实施CO2驱以来，该油田取得了一定的技术成果和现场应用效果，但也存在注气后产量未见增长、气窜现象严重等问题。为了合理、科学有效地指导低渗砂岩油气藏开发，对W区块进行了注气膨胀和组分色谱实验，研究和分析了该区块注CO2后的相态和组分特征，为渗流规律研究、产能计算、油气处理、输运工艺流程设计等提供依据，是计算油气储量、提高采收率、编制开发方案，进行科学高效地开发油气藏的必然要求。

1 储层特征

中原油田沙三段砂岩油藏位于东濮凹陷中央隆起带北部、卫东断层下降盘，油藏埋深为3 200～3 700 m，地层压力为34.50 MPa，地层温度为114 ℃，渗透率为2.25 mD，孔隙度为12.70%，饱和压力为22.64 MPa，原始气油比为159.64 m3/m3，地层原油黏度为0.284 mPa·s，地层原油密度为0.702 5 g/cm3，地面原油密度为0.872 9 g/cm3，原油体积系数为1.533 7 m3/m3，溶解系数为7.198(m3/MPa)，原油中C1含量为41.562%，中间烃(C2—C6)含量为24.173%，C7+含量为31.077%，凝固点为33 ℃，脱气原油相对分子质量为276.4，地层水矿化度为27.70×104mg/L，水型为CaCl2型，属于低孔低渗油藏。

2 实验方法

通过注气膨胀、色谱实验对该区块进行相态特征和组分变化规律分析，以立方型状态方程为理论控制方程。其中，膨胀实验是重要的相态模型评价实验[5]，注气过程采用PVT容器进行多次接触实验来进行模拟，从而获得相态和组分相关数据；色谱实验主要是对油气组分进行分析。

2.1 注气膨胀实验

该实验主要模拟有限体积的原油与注入气反复接触的过程，并测定原油体积变化及组成等数据[6]。主要步骤：①实验温度为油藏温度114 ℃，实验压力为泡点压力22.18 MPa；②首先将0.221 mol的注入气转移到PVT釜中；③增加实验压力，保持油藏温度，直到所有气体都溶解；④当最后一个气泡消失时，PVT釜内混合物处于新的泡点压力25.88 MPa，记录相关数据；⑤重复上述①～④步骤。

2.2 理论控制方程

PVT相态计算基于立方型状态方程，从物质的微观结构出发，研究分子运动和分子间相互作用[7-8]，理想气体状态方程如下：

pV=nRT

(1)

式中：p为气体绝对压力，MPa；V为气体所占体积，m3；n为气体的物质的量，kmol；R为普适气体常数，取值为0.008 314 MPa·m3/(kmol·K)；T为绝对温度，K。

Van der Waals使用纯组分的相行为作为起点，根据气体分子运动论，考虑物质微观结构，针对理想气体模型的2个基本假设(分子无体积和分子间无相互作用)，引入2个修正项(考虑分子本身固有的体积和考虑分子间的相互作用)[9-10]，Van der Waals(VDW)方程为：

(2)

式中：a为常数，MPa·m3/(kmol·K)；b为常数，m3/kmol；a、b均与临界参数有关。

Soave和Peng Robinson进一步将方程发展为Soave Redlich Kwong(SRK)和Peng Robinson(PR)方程[11]：

(3)

(4)

式中：a(T)为温度依赖系数，表示a对温度的依赖关系。

上述立方型状态方程可展开为摩尔体积或密度的三次方程式，形式简单，精确度较高。

2.3 组分色谱实验

色谱实验采用HP6890型气相色谱仪，检测器载气均为N2，柱前压力为0.12 MPa，进样口温度为50 ℃，检测器温度为230 ℃，吸附柱能完全分离氧、氮和甲烷；分配柱能分离CO2及乙烷至戊烷之间各组分，整个分离过程在40 min之内完成[12-13]。

3 结果分析与讨论

3.1 相态特征

通过注气膨胀和色谱实验，得到该区块的相图(图1)。由图1可知：原始储层条件下地层压力为34.50 MPa,地层温度为114 ℃，原油为单一液相；随着油气藏的开发，压力下降，降至饱和压力22.64 MPa时，开始脱气；气体突破后，油气相态、组分及运移规律也随之发生变化，出现气、油两相。

图1 W区块多组分烃类体系相图Fig.1 The facies map of multi-component hydrocarbon system in the Block

从相图的位置、两相区宽窄和面积、包络线上临界点位置与原始油气藏条件的相对关系[14-15]，判断W区块为典型的黑油油藏，其包络线向右下方偏移，烃类混合物中重烃含量高。

图2为该区块Y函数和相对体积随压力的变化。由图2可知：随着压力的下降，Y函数值越来越小；相对体积随着压力的下降，一开始缓慢增加，到达一定压力时，会迅速增大。

图2 W区块Y函数和相对体积变化曲线Fig.2 The Y function and relative volume change curves of the Block

Y函数是两相区内压力与总体积相对变化之比的量度[16]。当气相体积大于液相体积时，两相区的体积随压力下降的变化大于单相区，随着压力下降原油释放大量气体，Y函数值变小；反之，Y函数值变大。因此，泡点压力以下，进入两相区，大量气体开始分离出来，随着压力的下降，气体释放越来越多，Y值越来越小。

相对体积是实验压力下样品体积与饱和压力下样品体积之比。实验过程中，当压力点在饱和压力以上时，随着压力下降，烃分子间距离加大，引力下降，但气态轻烃并没从重烃中分离，此阶段相对体积变化平缓；一旦压力降至饱和压力以下，便会有大量气态轻烃从重烃中分离出来，此时实验压力下样品体积迅速膨胀，相对体积变化幅度加大。

W区块注入不同量的CO2，原油性质发生一系列变化。表1为注入不同量的CO2对泡点压力和膨胀因子的影响。由表1可知：随着注入气量增加，泡点压力不断上升，当CO2的注入量达到0.814 mol时，泡点压力由原来的22.18 MPa增至43.48 MPa，升高了0.96倍，膨胀因子由1.000增加到3.094，体积膨胀了2.09倍，说明CO2体积膨胀效果明显。气体在油中溶解度越大，原油体积越大，体积膨胀和泡点压力的增加是注气提高采收率的关键因素[16]。

表1 注入不同量CO2后泡点压力及膨胀因子变化Table 1 Changes of bubble point pressure and expansion factor after injection of different amounts of CO2

随CO2注入量增加，原油体积系数和气油比会发生变化(图3)。由图3可知：气体溶解在原油中体积膨胀，溶解气量增多，体积系数变大，溶解气油比变大，2条曲线整体向上方移，且2个参数的变化是相匹配的，最高气油比为1 250 m3/m3，曲线的分布和形态越来越像挥发油的特征。

图3 W区块体积系数和气油比变化曲线Fig.3 The change curve of volume coefficient and gas-oil ratio of the Block

图4为注入不同量CO2时相对体积变化。由图4可知：泡点压力以上的曲线变化均比较平稳，说明高压下油气性质差异变小，气体完全溶解在油中，有利于发挥CO2的驱油作用；泡点压力以下，相对体积变化较大，当CO2注入量为0.814 mol时，相对体积的值在20.39 MPa时增加到1.745 7；原油体积膨胀率增加是因为泡点压力以下，随着压力的降低，大量的气体从油中分离出来，实验压力下总体积逐渐增大。从注气后相对体积变化可知，在油田实际开发中，保持较高的压力有利于发挥注CO2的优势。

图4 W区块注入不同量CO2相对体积的变化曲线Fig.4 The change curve of relative volume of the Block after injecting different amounts of CO2

3.2 组分分析

通过气相色谱分析实验研究W区块原油组分(表2)。由表2可知：该油藏原油中C1的含量为0.416 mol，CO2含量为0.006 mol，轻质组分(主要为C1)含量少，油藏的饱和压力便较低，为典型的黑油油藏特征之一[17-26]。

表2 W区块溶解气和原油中组分含量及固有属性Table 2 The component contents and natural properties of dissolved gas and crude oil in Block W

注入气体除了保持储层压力，也影响储层的油气相平衡，图5为不同注入量的CO2对溶解气组分的影响。由图5可知：随着CO2注入量增加，溶解气中的CO2含量由注气前的0.008 7 mol升至0.870 0 mol；注入气与原油多次接触中，会抽提原油中轻烃组分，使原油中轻质组分比例发生变化，C1为主要被抽提组分，含量下降最明显，由注气前0.611 2 mol降至0.086 5 mol；C2—C4组分，较注气前也下降了1个数量级。不断地注入气，直至临界点气液达到平衡，油气不存在相界面，便与原油达成混相。

图5 W区块不同注气量对溶解气组分变化的影响Fig.5 The effect of different gas injection rates on the change of dissolved gas components

图6为不同注入量CO2对原油组分变化的影响。由图6可知：CO2多次与原油接触，发生抽提和萃取作用，产出物组分变化明显，CO2含量由背景值0.6%逐渐升至81.0%，轻烃被抽提含量下降，C1含量下降幅度较大，平衡气不断地被富化，直至与CO2溶解于原油的能力相当。随着注入CO2量的增加，C11+组分含量逐渐下降，重质组分相对减少。