新疆油田CO2驱提高原油采收率与地质埋存潜力评价

王 欢， 廖新维， 赵晓亮， 刘姣姣， 李小锋

(1.中国石油大学(北京) 石油工程教育部重点实验室， 北京 昌平 102249； 2.中国石油长庆油田分公司 苏里格气田研究中心， 陕西 西安 710018)

0 引言

二氧化碳驱已经成为全球石油工业普遍采用的提高原油采收率的方法[1].同时，将二氧化碳注入到已开发的油气藏中可以减少其在大气中的浓度，从而减缓温室气体效应[2]，是解决全球气候变暖的有效途径之一.二氧化碳驱提高原油采收率和地质埋存技术在国内外已有广泛研究，在许多油田进行了矿场实施[3-7].

目前对于二氧化碳驱提高原油采收率和埋存潜力的评价，一般都是应用室内实验和数值模拟的方法[8-12].这些方法主要基于油田后期详细的开发方案设计，评价所需数据较多，过程繁琐，而且如果要在较短时间内进行大规模的CO2驱提高原油采收率和地质埋存潜力评价，这些方法会表现出许多不足.

本论文基于分流理论，提出一套CO2驱提高原油采收率与埋存潜力评价方法，并对新疆油田进行了二氧化碳驱提高原油采收率和地质埋存潜力的评价，这可为新疆油田后期提高原油采收率开发决策提供一定的参考依据.

1 CO2驱提高原油采收率与地质埋存潜力评价模型理论基础

要建立CO2驱提高原油采收率与埋存潜力评价软件，首先需要建立相应的评价模型，下面是模型的基本假设和理论基础[13].

模型的假设条件为：①流体流动过程中，油与水都不挥发到气相中去，注入气与原油一次接触混相；②驱替是等温过程；③用Koval系数描述粘性指进；④当注入方式为水汽交替时，水和CO2以一定的WAG比例同时注入；⑤油藏没有大的裂缝，注入CO2没有泄露；⑥没有自由气存在(非混相驱没有这一项).

根据质量守恒定律，可以得到组分浓度与分流量的关系方程为：

(1)

Ci=Ci1S1+Ci2S2+Ci3S3,i=1,2,3

(2)

Fi=Ci1f1+Ci2f2+Ci3f3，i=1,2,3

(3)

Cij—j相中组分i的浓度.根据油与水都不挥发到气相中去的假设条件，则上式中C33=1，C13=C23=0.j=1—水相；j=2—油相；j=3—气相；Sj—j相饱和度；fj—j相分流.

以上模型是非混相的模型，当为混相时，方程(2)中Ci3S3这一项为0，方程(3)中Ci3f3这一项也为0，并且i=1,2.

在模型中，油及注入气的突破和采收率是通过修正后的分流理论来计算，修正后的分流理论考虑了粘性指进、面积波及系数、纵向非均质性及重力分异等因素的影响，用特征线方法对模型进行求解.

模型中用Koval系数描述粘性指进、纵向非均质性等因素对分流的影响；由于注入气的密度小于油和水，注入气有向油层顶部移动以及在油层较低部位发生超覆或绕流的倾向，因此模型中用增大Koval系数的方法来修正重力的影响.模型通过流管模拟，利用分流理论将二维平面驱替计算转化为一维的驱替计算，从而获得高效、相对准确的渗流计算模型.应用该模型可以预测油、气前缘突破时间和原油采收率及地质埋存系数等参数.

CO2地质埋存量的计算模型如下：

Me=N*Rsco2

(4)

式中：Me—油藏中CO2有效埋存量，t；N—油藏中原油的地质储量，t；Rsco2—CO2地质埋存系数，t/t，即CO2埋入地下的量与原油地质储量的比值.

2 CO2驱提高原油采收率与地质埋存潜力评价步骤

2.1 评价所需参数

在应用CO2驱提高原油采收率与埋存潜力评价软件，进行CO2驱提高原油采收率和地质埋存量评价时，评价所需参数有：(1)油藏地质储量；(2)相对渗透率数据，包括油水、油气相对渗透率数据，这些数据是通过岩心油水、气水驱替实验获得的；(3)通过高压物性(PVT)实验得到流度数据，如原油粘度，水粘度，原油体积系数，CO2相对密度，油的密度(地面)，溶解汽油比；(4)储层及流体数据，如温度，地层压力，非均质性系数，渗透率，储层厚度，孔隙度，层数，原始含油饱和度，原始含水饱和度，原始含气饱和度，垂直与水平渗透率比值，水的矿化度.这些数据通过测井、试井以及岩心实验获得；(5)最小混相压力，通过下文提出的最小混相压力模型计算得到；(6)井网数据，如井距、排距；(7)注入数据，如注入阶段数，注水速率，注CO2速率，注入比，注入量(HCPV).

2.2 关键参数最小混相压力(MMP)的确定

在进行CO2驱提高原油采收率和地质埋存潜力评价之前，首先要确定目标油藏的最小混相压力(MMP)，以判断是否能够实现混相[14-16]，因此，最小混相压力是用该方法评价的关键参数.

目前最小混相压力的确定方法归纳起来主要有：经验公式计算法、实验法(细管实验、升泡仪)和状态方程法.对于一个油田的几十个甚至上百个油藏进行评价，不可能对每个油藏都做最小混相压力实验，所以本文采用细管实验与经验公式相结合的方法，既保证了求取的最小混相压力的准确性，又保证了其便捷性.

以细管实验结果结合美国能源部的NPC方法[17]，可以通过油藏温度及原油中的C5+分子量来预测MMP，下式是适合于新疆油田的最小混相压力计算模型.

MMP=-329.558+(7.727*MW*1.005T)-(4.377*MW)

(5)

2.3 典型区块评价步骤

下面以目标油田AA开发单元评价为例，详细说明CO2驱提高原油采收率和地质埋存潜力评价步骤.

(1)评价基础参数确定

AA开发单元的储层数据、流体数据等如表1所示.

(2)最小混相压力的计算

将AA开发单元油藏温度62 ℃，油的密度(地面)838 kg/m3代入上文提出的最小混相压力计算模型，计算得到了其最小混相压力为18.74 MPa，对比表1中给出的AA开发单元的原始地层压力25.5 MPa，可知该开发单元可以实现CO2混相驱开发.

(3)相渗数据的测定

通过AA区块的岩心驱替实验，得到油水相渗曲线，油气相渗曲线通过Corey模型计算得到，分别如图1和图2所示.

图1 油水相渗曲线

图2 油气相渗曲线

(4)预测方案设计及评价结果

AA开发单元采用反五点井网，井距和排距都为350 m.设定两个注入方案.方案一：注水开发，注水速率为60 m3/d，注入量为1.2HCPV；方案二：先以60 m3/d的速率注0.6HCPV的水，再转注CO2，注气速率为2×104m3/d(地面)，注入量为0.6HCPV.方案一和方案二的评价结果分别如图3和图4所示. 由图3可知，方案一以连续注水1.2HCPV的方式进行开发，原油最终采收率为32.24%.由图4可知，方案二以先注入0.6HCPV的水，再转注0.6HCPV的CO2的方式进行开发，原油最终采收率为41.6%.由此可知,水驱后转CO2气驱比连续水驱具有更好的开发效果，可以提高采收率9.36%.由图5可知，在CO2驱过程中可以埋存的CO2量为1 098.3×104t，埋存系数为0.347.

图3 方案一原油采收率

图4 方案二原油采收率

图5 方案二CO2累计注入量与地质埋存量对比图

3 新疆油田CO2驱潜力评价及结果分析

新疆油田所在的准噶尔盆地位于我国新疆维吾尔族自治区北部，盆地面积为13.487×104km2.是在前寒武纪结晶基底和晚元古代——古生代台相沉积的基础上形成的一个以晚古生代和中、新生代陆相沉积为主的大型叠合盆地，由于构造运动的多次叠加，形成挤压环境下的复合叠加盆地.构造上主要表现为受断裂遮挡的单斜、被断裂简单切割或保存完整的背斜以及复杂断块等特点.油藏埋深变化大，一般浅者300 m左右，深者可达4 500 m左右.储层孔隙结构复杂，孔隙度和渗透率较低，在平面、剖面上具有较严重的非均质性.

新疆油田是中国西部重要的油气田，有很好的地质圈闭，以及完备的注采设施，并且很多油藏已经进入水驱开发的后期，水驱效果变差，CO2驱作为一项颇具应用前景的提高原油采收率方法，其有可能是新疆油田未来提高原油采收率的重要方法之一.因此，对新疆油田进行CO2驱提高原油采收率和地质埋存潜力评价具有重要的实际意义.

应用前文提出的评价方法及步骤， 针对新疆油田挑选了20个具有代表性的典型油藏区块(混相区块和非混相区块各10个)，如图6所示，进行了水驱(0.6HCPV)后转CO2气驱(0.6HCPV)提高原油采收率和地质埋存量的潜力评价，评价结果如表2所示.

图6 典型油藏区块分布图

表2 新疆油田典型区块CO2提高原油采收率和地质埋存量平价结果表

续表1

通过以上评价结果可知，(1)10个典型混相区块水驱后转CO2驱提高原油采收率的平均值为14.19%，CO2埋存系数的平均值为0.35 t/t;10个典型非混相驱块水驱后转CO2驱提高原油采收率的平均值为7.58%，CO2埋存系数的平均值为0.25 t/t.(2)CO2混相驱比非混相驱原油采收率能提高6.61个百分点.(3)CO2混相驱比非混相驱的埋存系数要大.分析其主要原因为：混相驱时CO2与原油达成混相，驱替出更多的原油，让出更多的空间，作为CO2的储集空间.

进一步应用本文提出的最小混相压力计算模型，对新疆油田的275个开发单元进行了初步筛选，确定出其中139个开发单元适合混相驱，地质储量87 495.24×104t；136个开发单元适合非混相驱，地质储量75 649.78×104t.

用前文评价出的典型混相和非混相区块水驱后转CO2气驱平均提高原油采收率幅度和埋存系数进行计算，新疆油田139个CO2混相驱开发单元水驱后可额外采出原油12 415.57×104t，CO2埋存量30 623.33×104t；136个非混相开发单元水驱后可额外采出原油5 734.25×104t，CO2埋存量18 912.45×104t.总计新疆油田275个开发单元水驱后CO2驱可额外采出原油18 149.82×104t，CO2埋存量49 535.78×104t.

4 结束语

(1)本文提出了一套以分流理论为基础的CO2驱提高原油采收率与埋存潜力评价方法，该方法较常规数值模拟方法简便，所需数据比较容易获得，这些数据一般在油田数据库中都能找到.文中所用的评价方法也可用于其它油田类似的潜力评价.

(2)通过新疆油田典型区块的评价可知，水驱之后转CO2混相驱提高原油采收率的平均值为14.19%，CO2埋存系数的平均值为0.35 t/t；水驱后转CO2非混相驱提高原油采收率的平均值为7.58%，CO2埋存系数的平均值为0.25 t/t.

对新疆油田的275个开发单元进行评价得出，适合CO2混相驱的开发单元139个，适合CO2非混相驱的开发单元136个.275个开发单元水驱后转CO2驱可额外采出原油18 149.82×104t，CO2埋存量49 535.78×104t，CO2驱提高原油采收率和地质埋存在新疆油田具有很好的应用前景.

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