CO2气体在油藏中的超覆作用机理实验研究

杜 勇，隋清国，滕学伟，伊善利

(中国石化胜利油田分公司桩西采油厂，山东东营 257237)

CO2气体在油藏中的超覆作用机理实验研究

杜 勇，隋清国，滕学伟，伊善利

(中国石化胜利油田分公司桩西采油厂，山东东营 257237)

通过微观可视化实验和理论推导，研究了CO2气体在油藏中的超覆作用规律。从实验结果及理论推导分析来看，CO2气体在封闭的地层环境中依靠密度差而产生超覆作用的能力较弱，单一的气泡不可能自发运移；连续气泡需要聚合形成一定长度的气柱，气柱浮力大于贾敏效应的阻力后，才能产生超覆作用。

CO2驱油；超覆作用；驱油实验

近几年，随着油藏开发的不断深入，产液含水呈上升趋势，特别是对于底水油藏，底水锥进后，产液含水呈突变式上升，如何抑制底水上升速度来提高油藏最终采收率成为底水油藏开发的热点。研究表明，CO2气体具有较好的压水锥和驱替原油的作用[1]，但对CO2在边底水油藏中作用机理研究较少。传统理论认为油藏注入气体以后，气体可以通过超覆作用上升到油藏顶部，从而驱替油藏顶部的原油[2]。提出该理论的出发点主要是由于气体的密度小于原油和地层水的密度，因此在浮力的作用下气体会上升到油层的顶部。但是在实际地层中，是否存在因为密度差而产生的超覆现象并未从理论上进行验证，因此本文分别采用微观可视化实验和理论推导，研究CO2气体在油藏中的超覆作用规律，为底水油藏的开发提供指导。

1 微观可视化实验研究

微观驱替装置[3]主要包括微观仿真玻璃刻蚀模型(外观尺寸为60 mm×60 mm、孔道直径为50～800 μm)、数字显微摄像系统、压力采集系统、微量注入系统等。实验过程中按图1箭头所标示方向进行驱替。

1.1 实验过程

将微观可视化模型分别饱和地层水和原油，将模型直立放置(入口端在下部，出口端在上部)，在入口端注入一定量的CO2气体，关闭入口和出口，模拟地层关井状态(图2)。

1.2 CO2气体在水相和油相中变化规律

微观可视化模型静置在模拟地层温度下的环境中，观察静置不同时间下气体在油藏孔隙中的变化形态，来描述其变化规律。本文中列出了在不同相态中的初始和最终状态可视化微观图(水相中如图3、图4所示，油相中如图5、图6所示)。

图1 微观驱油流程示意

图2 微观可视模型

在水相可视化微观图中，存在于水相中的两个气泡经过105 h后，气泡位置及形态基本无变化。同理，为了验证在油相中的气泡状况，也做了微观可视化实验，气泡经过145 h后，捕捉到的一个气泡位置及形态无变化，另一个气泡只是发生了位置偏移，其形态基本无变化。从实验结果分析来看，如果没有驱动力，当注入的气体以分散的气泡形式存在于封闭的多孔介质中时，气体无法自发运移，也就不存在由于自发运移而产生的超覆驱油作用。

图3 水相中气体初始状态

图4 水相中105小时后的气体状态

图5 油相中气体初始状态

图6 油相中145小时后的气体状态

2 CO2气体运移理论验证

在实验的基础上，进一步通过理论推导对实验结论进行验证。

2.1 单一气泡上浮理论验证

根据油层物理的基础理论[4]，渗透率与毛管半径和孔隙度的关系为：

k=φr2/8

(1)

因此毛细管半径可以表示为：

r=(8k/φ)0.5

(2)

式中：r——毛细管半径，m；k——渗透率, μm2；φ——孔隙度，小数。

根据地层的渗透率可以折算出多孔介质中毛细管的半径，如果一个气泡在竖直向上的孔道中(周围环境为水)，其所受到的浮力为：

F浮=4ρwgπr3/3

(3)

在气泡上的压力为：

P浮=4ρwgr/3

(4)

压力梯度为：

ΔP浮=2ρwg/3

(5)

气泡在通过孔喉时，会受到贾敏效应的作用。首先假定其前部曲率半径为0.5r，后部半径为2r，则其受到的阻力为：

P=3σ/r

(6)

阻力梯度为：

ΔP=1.2σ/r2

(7)

通过比较不同渗透率地层中阻力与浮力的差异，就可以判断出气泡在多孔介质中运移的可能性：

ΔP/ΔP浮=0.225σφ/(ρwgk)

(8)

式中：ρw——水相密度，kg/m3；σ——表面张力，N/m；g——重力加速度，取9.8 m/s2。

根据以上理论，假定多孔介质温度为60 ℃，ρw=983.2 kg/m3，σ=66.81×10-3N/m，φ=0.3，g=9.8 m/s2，计算了不同渗透率下的ΔP/ΔP浮的值，并绘制成如图7所示曲线。从计算结果来看，当k=0.1 μm2，则ΔP/ΔP浮=4.7×106，故ΔP远远大于△P浮，因此气泡不能在浮力作用下通过孔喉。

图7 不同渗透率地层中阻力与浮力的比值

从以上计算结果分析来看，不同渗透率储层中，阻力远远大于浮力，依靠浮力而实现小气泡在多孔介质中的自发运移是不可能的。

2.2 连续气泡上浮理论验证

对于多孔介质中存在的大段连续气泡，由于连续的气体可以产生较大的浮力，同时不存在多余的气液界面，因此当孔隙中连续气体的体积足够大时，存在气体的上浮作用。

假设在一个足够长的多孔介质中存在一个连续的气泡，如图8所示。

图8 地层多孔介质中的连续气体示意图

气体的体积为：

V=πr2L

(9)

产生的浮力为：

Fd=(ρw-ρc)gπr2L

(10)

式中：L——气柱段塞长度，m；ρw——油藏条件下液相密度，kg/m3；ρc——油藏条件下临界CO2密度，kg/m3。

当连续的气体通过多孔介质需要克服的贾敏效应的阻力为：

Pr=3σcosθ/r

(11)

假设油藏条件下的温度为60 ℃，ρw=983.2 kg/m3，ρc=706.3 kg/m3，σ=66.81×10-3N/m，θ=30°，φ=0.3，计算了不同渗透率下的连续段塞气柱长度，并绘制成如图9所示曲线。

图9 不同渗透率储层发生超覆现象所需要的气柱长度

当k=2 μm2时，如果浮力大于贾敏效应的阻力，那么段塞的长度至少达到8.7 m，才有可能出现气体超覆现象。而在真实的地层环境中，由于地层的非均质性和孔隙孔喉，注入的气体自发形成较大连续气柱的可能性较小。只有持续注入气体，为前期注入的气体提供后续的推动力，才有可能出现气体的超覆驱油作用。

3 结论

(1)实验结果表明，在封闭的多孔介质中，CO2气体无法自发实现运移，即不存在由于自发运移而产生的超覆驱油作用。

(2)理论推导表明，小气泡在通过孔喉时的阻力远远大于浮力，依靠浮力不能实现小气泡在多孔介质中的自发运移。

(3)理论推导表明，气体需要形成一定长度的气柱且浮力大于贾敏效应的阻力，才有可能运移并出现超覆现象。

(4)研究结果表明，注入地层中的CO2体积较少时，超覆驱油作用较弱。只有为注入的气体提供持续的推动力即连续注气，使气泡发生聚合形成足够大的连续气泡后，才能实现超覆驱油。

[1] Briggs P,Redford D A, Harris P. Core-sized physical simulator experiments to study the effect of naphtha and CO2addition to steam in the recovery of bitumen from oil sands[M].Pet. Soc. of CIM,1982.82-84.

[2] 李士伦，周守信，杜建芬，等．国内外注气提高石油采收率技术回顾与展望[J].油气地质与采收率，2002，9(2)：1-5.

[3] 苏娜,黄健全.微观水驱油实验及剩余油形成机理研究[J].断块油气田，2007，(6)：50-51.

[4] 杨胜来,魏俊之.油层物理学[M].北京：石油工业出版社,2004：130-140.

编辑：李金华

1673-8217(2015)01-0140-03

2014-07-30

杜勇，高级工程师，1970年生，1992年毕业于西北大学石油与天然气地质学专业，从事采油工艺方面的研究工作。

TE357

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