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致密油藏水平井缝间周期异步注氮气驱油效率试验

2025-02-13谭凌方熊伟沈瑞杨懿张建中邵国勇艾婷婷

摘要:非常规油藏储量规模大,但其致密储层在水平井分段压裂后,难以依靠井网注采补充能量,导致单井递减快、采收率低。为实现非常规油藏效益开发,探索有效的能量补充方式,开展水平井缝间周期异步注气,即从偶数缝注气,把油驱向奇数缝的

能量补充研究。选取长岩心模拟两条缝,开展注氮气驱油物理模拟试验,并与缝间周期异步注水进行对比。结果表明:缝间周期异步注气能在短时间内实现压力大幅度提升,有效补充能量;15个周期的缝间异步注气总驱油效率为51.97%,与相同周期的缝间异步注水相比,驱油效率提高18.17%;单周期注气量逐渐增大,累积产油增多,但换油率逐渐减小,实际工作中应合理确定注气周期和注入量。

关键词:致密油藏; 缝间异步注气; 提高采收率; 有效补充能量

中图分类号:TE 34""" 文献标志码:A

引用格式:谭凌方,熊伟,沈瑞,等.致密油藏水平井缝间周期异步注氮气驱油效率试验[J].中国石油大学学报(自然科学版),2025,49(1):128-135.

TAN Lingfang, XIONG Wei, SHEN Rui, et al. Experiment on oil displacement efficiency of horizontal well in tight reservoirs with periodic asynchronous nitrogen injection[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2025,49(1):128-135.

Experiment on oil displacement efficiency of horizontal well in tight

reservoirs with periodic asynchronous nitrogen injection

TAN Lingfang1,2,3, XIONG Wei2,3, SHEN Rui2,3, YANG Yi1,2,3, ZHANG Jianzhong1,2,3, SHAO Guoyong1,2,3, AI Tingting4

(1.College of Engineering Science, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;

2.Institute of Porous Flow and Fluid Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Langfang 065007, China;

3.Research Institute of Petroleum Exploration amp; Development, PetroChina, Beijing 100083, China;

4.Northwest Branch Company, China Petroleum amp; Chemical Corporation, Urumqi 830011, China)

Abstract: Unconventional tight oil reservoirs have large reserves, but it is difficult to rely on conventional well pattern of injection and production to replenish energy after horizontal well fracturing, resulting in rapid production decline and low recovery efficiency, and it is necessary to explore effective ways of energy supplement. In this study, a periodic asynchronous gas injection between horizontal wells, i.e. gas injection from even fractures to drive oil to odd fractures, was proposed and investigated. In the experiments, rock cores with two long fractures were used to carry out the simulation experiments of nitrogen injection for oil displacement, and comparing with water injection. The results show that periodic asynchronous gas injection can greatly increase the pressure in a short time and effectively replenish reservoir energy. The total oil displacement efficiency of 15 periods of gas injection between fractures can reach to 51.97%. Compared with the same period of asynchronous water injection between fractures, the oil displacement efficiency is increased by 18.17%. With a gradually increase of the amount of single cycle gas injection, the cumulative oil production can be increased, but the oil and nitrogen ratio gradually decreases. Therefore, the gas injection cycle and injection volume should be reasonably determined in field operation.

Keywords: tight reservoir; inter-fracture asynchronous gas flooding (IFAGF); enhanced oil recovery; effectively replenish energy

收稿日期:2023-11-16

基金项目:中国石油天然气股份有限公司\"十四五\"前瞻性基础性重大科技项目(2021DJ1103)

第一作者及通信作者:谭凌方(1997-),女,博士研究生,研究方向为非常规油藏注气开发提高采收率。E-mail:tlf17865469397@163.com。

文章编号:1673-5005(2025)01-0128-08""" doi:10.3969/j.issn.1673-5005.2025.01.013

目前针对致密油藏的开发,国内外主要采用水平井开采方式[1]。水平井分段压裂衰竭式开采的采收率低,单井产量下降快,相比于常规低渗透油藏,致密储层渗透率低3~4个数量级,导致直井注水在井底憋压,注不进水,不能有效补充能量[2-3]。注气提高采收率技术受到国内外的关注,在注入气体中,N2具有良好的膨胀性、降低油黏度、提高地层能量等特点[4-8];致密油藏注N2吞吐可扩大波及体积,提高驱油效率,改善开发效果[9-11],N2使用安全,资源充足,获得成本低,与其相关技术较为成熟,油田实际开发积累了大量的宝贵经验[12-13]。同时,国内外学者通过数值模拟、试验方法进行井间连续驱、单井吞吐注气研究,在北达科达州、蒙大拿州、帕肖尔油田、长庆油田、吉林油田等现场进行井间连续驱、单井吞吐注气试验,发现现场效果与试验结果迥异,主要是出现气窜现象[14-17]。气窜现象无法形成基质间的有效驱替,地层能量难以补充。近年来,有学者提出分段压裂水平井缝间注采技术,通过数值模拟方法、室内试验、现场试验证明了同井缝间注采的可行性和潜在优势[18-22]。程时清等[23]利用数值模拟分析不同开采方式效果,发现缝间注采产量最高、开发效果好;Gao等[24]通过物理模拟试验验证了缝间注采的可行性,注水的可行性存在一个渗透率临界值;长庆油田首次开展水平井缝间异步注采试验,补能效果较好[25-26]。目前对于水平井分段压裂缝间注采研究多是数值模拟,致密油藏缝间注气驱油的物理模拟试验研究尚未见报道。笔者开展水平井缝间周期异步注N2驱油物理模拟试验,并与缝间异步注水试验进行对比,对缝间注气的补能效果、动用程度和驱油效率进行分析。

1" 试" 验

1.1" 物理模型

水平井分段多簇压裂时沿水平井井筒方向产生垂直于井筒的裂缝,假定一簇射孔形成一条裂缝,如图1所示。水平井缝间周期异步注采是从偶数缝注入N2,从奇数缝采油,在一口水平井中实现多个周期的注时不采、采时不注的注采一体化的开发技术。可用一定长度的全直径岩心模拟缝间驱油,岩心两个端面相当于两条缝,采用全直径岩心可以更大程度地模拟油藏的真实驱替特征和渗流特点。本文中只针对开发机制开展研究,只考虑渗透物理过程的相似,不考虑其他相似性。

1.2" 试验设备及试验样品

缝间周期异步注N2物理模拟试验装置如图2所示。

试验样品取自长庆油田长7油藏典型露头致密岩心,长7致密储层埋深约2000 m,压力系数0.75,油藏压力约为15 MPa,根据长7油藏流体的高压物理性质,选取密度为0.772 g/cm3、室温黏度为2.15 mPa·s的煤油作为模拟油,试验气体为纯度99.99%的N2,试验压力为15 MPa,试验温度为20 ℃。岩心物性参数如表1所示,其中注入水的为对比组。

1.3" 试验步骤

(1)将岩心放入温度为105 ℃的烘箱中烘干24 h,称其干重,对岩心抽真空24 h,之后将岩心进行加压饱和油,取出加压饱和油的岩心并称其湿重。

(2)根据饱和前后岩心的质量差计算孔隙体积,再由已知的岩心体积得出孔隙度。

(3)将饱和煤油的岩心放入岩心夹持器,加围压20 MPa(高于驱替压力5 MPa),然后打开注入段阀门(此时出口端阀门处于关闭状态),排空注入端的空气后在15 MPa的恒定压力下注入N2,记录注入量及岩心两端压力,当岩心系统压力达到平衡后关闭入口阀门,进行焖井2 h。

(4)通过调节回压阀控制回压为4 MPa,打开出口阀门进行油、气生产,并收集至采集瓶中,当压力下降到设定压力4 MPa时,第1个缝间异步周期注采完成,停止当前周期的生产,记录产油量、产气量、岩心两端压力和时间等相关参数。

(5)重复步骤(3)~(4),进行下一个周期的缝间异步注采试验,直至当前岩心所有周期试验均完成。

2" 试验结果分析

通过室内物理模拟试验,得到15个周期缝间异步注N2的试验结果,见表2。

2.1" 产气规律与生产气油比

2.1.1" 产气规律

缝间异步开采产气规律如图3所示。从产气曲线来看,早期和后期产气量随时间变化的规律有所差异。第1周期开采后,产气量达到2800 mL,开采初期产气速率高,达到240 mL/min,但迅速下降,随

后趋于平稳变化。在第10周期生产过程中,气体突破快,前期产气量增长较快,产气速率达到2700 mL/min,后期产气速度减缓,产气量达到了约10000 mL。试验现象说明缝间周期异步注气生产主要依靠溶解N2后原油膨胀产生的弹性能,初期压力较高时,气体随原油一起产出,压力逐渐降低后,N2与原油分离,气体黏度小,产气量增加;开采后期,含油饱和度降低,油藏内亏空区域较大,气体注入量也大幅度增加,且N2流度大于原油流度,因此气体出现突破,前期由于生产压差大,产气速率高,后期压差逐渐减小,产气量缓慢增加。

2.1.2" 生产气油比

缝间异步注气生产气油比变化如图4所示,随着注采周期增加,生产气油比增大,驱油效率逐渐减小,表明N2利用率逐渐降低。前10个周期的增长幅度较为平缓,生产气油比小于5×103,注采10个周期后,生产气油比迅速增大,最后上升到大于5×104,差值达到1个数量级。这是由于生产早期储层的含油饱和度高,能注入的气体量少,致使开采时的产气量较少、产油量较多,从而生产气油比小。随着注采周期增加,原油逐渐被驱出油藏,储层中的含油饱和度逐渐减小,能让气体注入的空间不断扩大,使其注入量增加,从而产气量也增加,而后期开采时的产油量越来越少,所以生产气油比增长速度会越来越快,N2利用率也逐渐降低。

2.2" 压" 力

缝间周期异步注采过程的压力随时间变化如图5所示。其中注气压力为定压注气时采油测到的压力;采出压力为生产时注气端测到的压力。

由图5可知,在注气前期,岩心压力随着时间增加而迅速增大,45 min几乎达到油层压力,补充地层能量效果显著,后期压力缓慢增加直至系统压力平衡。这是由于在注气早期储层中压力低,注入端与储层内部存在较大压力差,为气体的快速注入提供了强大的驱动力,使气体能迅速进入储层中,从而导致压力快速上升。随着定压气体不断注入,注入端与储层内部的压差逐渐减小,气体的注入速度减慢,压力上升速度也随之变缓。在采出过程中,前期压力下降较快,后期缓慢下降直至设定的生产压力。这是由于进行开采生产后,岩心出口端附近的原油和过饱和气体首先被驱出,出现压力快速下降现象,当生产一定时间后,压力下降变缓,此时气体不再是过饱和状态,原油依靠N2的膨胀作用被驱出,到了后期油气产量很少,油层压力几乎达到稳定状态,因此压力下降非常缓慢。

对比缝间异步注气和注水压力补能效果(图6)发现,注水和注气均能在较短时间内提升压力,约15 min时缝间注水和注气的地层平均压力同时达到12.5 MPa,15 min后注水提升压力速率比注气升压速率慢,且达到地层平衡压力所需时间为80 min,注气为45 min。试验结果表明,缝间异步注水和注气均能有效补充地层能量,注气补能效果更好。

2.3" 注采时间

岩心经过不同周期的缝间异步注气开采试验后,不同周期的注采时间有所差异(图7)。

由图7可知,注入过程中随着注采周期的增加,注入时间先快速减少,第10个周期以后注入时间保持平缓变化。这是由于早期岩心孔隙大部分被原油填充,含油饱和度高,注入气体到达末端的渗流阻力大,致使压力传导较慢,整个系统压力达到平衡的时间较长,随着注采周期的增加,岩心中含油饱和度减小,气体流通的孔隙空间增加,提升地层压力的气体量增多,渗流阻力减小,加快了压力传导的速度,达到相同地层压力的时间快速减少。后期含油饱和度基本保持稳定,岩心中流通的孔隙空间变化小,所以后期注气时间变化缓慢。采出过程中,前10个周期采出时间缓慢下降,10~15周期采出时间快速下降,表明当含油饱和度到一定程度时,气体形成连续相,且气体的黏度小,流动速度快,会导致储层压力下降速度加快,采出时间快速减少。

对比缝间异步水驱注采时间和气驱注采时间(图8)发现,前3个周期,气驱注采时间大于水驱,气驱平均时间为460 min,水驱平均时间为50 min,后12个周期期气驱注采时间逐渐降低,气驱平均时间约为350 min,而水驱注采时间增加幅度大,平均时间约为5500 min。试验现象表明,缝间异步周期水驱注采后期注采难度越来越大,渗流阻力增加,岩样宏观渗流能力下降,而气驱渗流阻力减小,渗流能力增加。这是由于气、水黏度的差异,造成油气流度大于油水流度,且后期油水两相的含水饱和度增加,渗流阻力增大,油气两相的含气饱和度增加,渗流阻力减小。

2.4" 注气量

注入量随周期次数的变化以及对驱油效率和换油率的影响,如图9所示。换油率是产油量与注气量之比。

由图9(a)可知,随着注采周期增加,单周期注气量逐渐增加,当进行10个周期注采后,注气量基本保持在0.35Vp(Vp为孔隙体积)左右;含油饱和度则随注采周期增加逐渐降低,降至49%后变化不大。由图9(b)可知,随着N2累积注入量增加,缝间周期异步注气驱油效率增加明显,当累积注气量达到2.61Vp后,驱油效率增加幅度降低;换油率则随着注气量的增加先快速下降后趋于平缓,当注气量达到1.92Vp后,换油率变化较小,且此时换油率为0.24,表明随着注入周期增加,N2的利用效果逐渐变差。这是由于注气量越大,N2与原油间的相互作用效果越明显,提高采收率效果越好,但周期次数过多、注入量过高时,会出现气体过饱和现象,不能深入储层基质充分发挥作用,对提高采收率效果有一定影响。因此进行缝间周期注气驱油时需要考虑合适的周期次数和注入量。

2.5" 驱油效率

将缝间异步注气驱油效率与注水驱油效率进行对比,结果如图10所示。由图10可知,经过15个周期的缝间异步注采后,注气和注水的总驱油效率分别为51.97%和33.80%,缝间周期异步注N2总驱油效率比注水提高了18.17%。注气采收率提高主要在前10个周期;注水采收率提高主要在前8个周期,注气的有效开采周期比注水多两个周期。高达51.97%的N2驱油效率表明缝间周期异步注气具有良好的提高采收率效果,能够有效改善致密油藏能量补充困难的局面。在致密油藏中,相比缝间周期异步注水开发方式,注气驱油效果更好。这是由于N2相对分子质量小、黏度低,具有很强的渗透性和易注入性;N2可压缩性强,压力降低,大量N2会迅速地体积膨胀,产生弹性膨胀能驱油;N2具有体积系数高、压缩系数高的优点,在降压开采过程中可提供更多的能量供给,缝间异步注采的焖井过程能让N2充分扩散,扩大波及范围,驱扫更多孔隙的原油。

2.6" 缝间注采现场试验效果

2020年8月,在长庆油田元284井区一口老井开展水平井缝间周期异步注水试验,为两注三采模式。注水裂缝和采油裂缝的压差Δp为27.2 MPa,裂缝注水接触面积为4000 m2,缝间距为80 m,渗透率为0.58×10-3 μm2,水相黏度为0.97 mPa·s,最大注水量约为67.5 m3/d。截至2021年2月,第一轮注水周期结束,最高注水量达到67 m3/d,平均注水量28.8 m3/d,累积注入4205 m3,如图11所示。截至2022年4月,该试验井累积增油540 t,产液量仍有2.26 m3/d,产油1.06 t/d,有效期超过13个月,且有效期仍在持续,如图12所示。本轮次投入产出比为1∶4,取得了较好的效果。现场试验表明,水平井缝间周期异步注采可有效提升单井产量,经济效益良好[26]。

3" 结" 论

(1)缝间异步周期气驱注采见气时间早,产气速度先快后慢,多周期注采后,生产气油比迅速增大,与储层含油饱和度有关。

(2)缝间周期异步注气能够在较短时间内进入致密油藏中提升压力,且压力呈周期性地大幅度波动,补能效果显著。

(3)经过10个注采周期后,单周期的注气量约保持在0.35Vp,N2周期注入量越大,累积产油量越大,换油率却逐渐降低,因此在实际工作中注气量和周期次数应合理考虑。

(4)缝间周期异步注气的驱油效率达到51.97%,比注水提高了18.17%,N2具有相对分子质量小、黏度低、易注入、可压缩性强等的特点,N2扩散作用能扩大注入气的波及范围,提高驱油效率,缝间注气开发优势明显。

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(编辑" 李志芬)