CO2辅助蒸汽吞吐开发效果实验研究

宋远飞，伍晓妮

(中国石油长城钻探工程有限公司工程技术研究院，辽宁盘锦 124010)

CO2辅助蒸汽吞吐开发效果实验研究

宋远飞，伍晓妮

(中国石油长城钻探工程有限公司工程技术研究院，辽宁盘锦 124010)

摘要：以蒸汽多轮次吞吐稠油油藏为研究对象，采用物理模拟与数值模拟方法，研究了CO2-蒸汽混注方式对稠油油藏热采开发效果的改善。实验表明，CO2在原油中具有较强的溶解能力，通过与蒸汽混注可以使原油物性特征发生较大变化，进一步改善稠油流动特征，蒸汽-CO2驱方式的驱油效率较纯蒸汽驱提高了约12%，并且含水上升速度也更小。采用数值模拟手段开展了稠油油藏CO2辅助蒸汽吞吐方式的单因素敏感性分析，结果表明，各参数中油层厚度与原油黏度对开发效果的影响较大，并分析了各注采参数的影响。最优的实施方案为注汽速度200 t/d，气汽比1∶1，蒸汽干度0.7，焖井时间5 d，排液速度140 t/d。

关键词：CO2辅助蒸汽吞吐；室内实验；数值模拟

稠油在世界油气资源中占有较大比例，目前蒸汽吞吐仍是稠油油藏开发的常用技术，并且多数稠油油藏均已进入多轮次吞吐开发后期阶段[1-3]，后续注入的蒸汽无效循环严重，蒸汽热效率较低，注入的蒸汽热能难以有效利用，严重影响了稠油油藏的开发效果[4-6]。为了节约成本、进一步提高稠油油藏的原油采收率，需要在利用注蒸汽残余热的基础上，提出一种新的有效替代方式。CO2辅助蒸汽吞吐技术是目前应用较广的一种稠油油藏提高采收率技术[7-8]，该技术充分发挥了CO2溶解降黏、膨胀增能、扩大热作用体积的机理，提高了注入蒸汽的热效率，从而改善了稠油油藏的吞吐开发效果[9-12]。目前该技术已在辽河油田、冀东油田以及新疆油田的部分吞吐井广泛实施，措施后油井综合含水降低，日产油水平上升，增产效果明显。关于二氧化碳对蒸汽吞吐效果的主要影响因素，本文进行了系统的室内实验及数值模拟研究。

1室内实验

1.1实验仪器与设备

实验过程中所采用的仪器包括ISCO恒压恒速泵、恒温箱、内径2.5 cm长度30 cm的填砂管、旋转黏度计、压力变送器与温度传感器。实验流程见图1。实验所用油样来自辽河油田某稠油油藏的两口蒸汽吞吐井脱气原油，该原油物性参数如表1所示。实验过程中所用模拟水采用蒸馏水配置。

实验步骤包括：①选用120目(粒径0.12～0.14 mm)的玻璃珠进行填砂管填砂，并按照流程连接管线；②采用注高压氮气静置的方法进行模型气密性测试；③饱和水后测量填砂管孔渗数据；④设置合适的饱和速率，在油藏温度下饱和原油，并进行模型老化模拟原始饱和度场；⑤实验过程中，蒸汽的注入速度为2 mL/min，CO2气体的注入速度为100 mL/min(标况)，以出口端含水率98%为实验的结束条件。

图1　单管实验流程

物性参数Oil-ⅠOil-Ⅱ原油密度/(g·cm-3)0.98420.9761油藏温度/℃5050油藏条件下原油黏度/(mPa·s)3826948饱和烃/%49.7453.61芳香烃/%27.1324.42胶质/%21.2820.01沥青质/%1.851.96

1.2实验结果

孔渗测量结果显示，该填砂管模型的孔隙度为32.54%，水测渗透率为2817×10-3μm2，束缚水饱和度为14.2%。采用该一维填砂管模型，分别开展了表1中两种稠油油样的蒸汽驱与蒸汽-CO2复合驱实验，研究CO2-蒸汽混注方式对稠油油藏注蒸汽过程驱替效果的影响，结果见图2所示。可以看到，相比较纯蒸汽驱方式，蒸汽-CO2驱方式的驱油效率提高了约12%，并且气汽混注方式的含水上升速度更小。这主要是由于CO2在原油中的溶解能力较强，使得原油物性特征发生较大变化，可进一步降低原油黏度，改善开发效果。此外与蒸汽驱方式相比，蒸汽-CO2驱方式的驱替压差变化也较为平缓，不会出现较大幅度的压力波动。另外对比两种不同黏度稠油油样的测试结果发现，在同一驱替方式下，较低黏度稠油的驱油效率更高，含水率上升速度更小。

图2　填砂管驱替实验结果

2数值模拟

采用国内某油田稠油油藏的平均化地质参数，建立该油藏CO2辅助蒸汽吞吐模型。该油藏中部埋深950 m，油层厚度15 m，孔隙度30.2%，地层平均水平渗透率2700×10-3μm2，垂向渗透率300×10-3μm2，原始地层压力9.8 MPa，地层温度50 ℃，原始含油饱和度65%，地层原油黏度3712 mPa·s，地层原油压缩系数为6.12×10-4MPa-1。CO2辅助蒸汽吞吐阶段，第1周期蒸汽注入速度为200 m3/d，CO2注入速度为2 400 m3/d，注汽10 d，焖井5 d，开井生产0.5 a，开井后单井日产液150 m3/d，其中前五个吞吐周期注汽量按每周期递增10%设计，共吞吐生产10个周期。

2.1单因素敏感分析

采用上述模型，分别研究油藏渗透率、油层厚度、原油黏度以及水平井沿程非均质程度对稠油油藏CO2辅助蒸汽吞吐开发效果的影响。

2.1.1油藏渗透率的影响

渗透率主要影响油藏内流体渗流阻力的大小，渗透率越大，渗流阻力越小，开发效果越好。分别模拟了不同油藏渗透率条件下稠油油藏CO2辅助吞吐开发效果，结果如图3所示，随着渗透率的增大，油藏吞吐累产油量与累积油汽比均逐渐增大，渗透率5 000×10-3μm2下的累产油较渗透率1 000×10-3μm2提高了约11%，累积油汽比提高了0.03。

图3　油藏渗透率的影响

2.1.2油层厚度的影响

油层厚度对吞吐开发效果有一定影响，一般来说厚度越小，顶底盖层的热损失越大，从而导致吞吐效果变差；厚度越厚，则会导致蒸汽超覆现象加重，同样会影响开发效果。在上述模型的基础上研究了油层厚度对稠油油藏CO2辅助蒸汽吞吐开发效果的影响，结果如图4所示，可以看到随着油层厚度的增大，吞吐产油量与累积油汽比均逐渐增大，当油层厚度大于约15 m时，累产油与累积油汽比随厚度而上升的趋势逐渐变缓。

图4　油层厚度的影响

2.1.3原油黏度的影响

考虑到油藏内流体物性分布特征的非均质性，需要对原油黏度的敏感性特征进行研究。模拟结果如图5所示，可以看到，随着原油黏度的增大，吞吐累产油量与累积油汽比均逐渐降低，黏度10 000 mPa·s下的累产油量较黏度500 mPa·s下的累积产油量降低了约6 705 t，累积油汽比也降低了约0.146。结合以上实验结果也可以看出，这主要是高黏度稠油中的轻质组分含量较少，从而使得CO2在其中的溶解能力较差，开发效果变差。

图5　原油黏度的影响

2.1.4水平井沿程非均质程度的影响

水平井沿程的非均质渗透率分布对吞吐开发效果影响较大，模拟了水平井沿程非均质渗透率分布对稠油油藏CO2辅助蒸汽吞吐开发效果的影响，结果如图6，随着非均质程度的增大，CO2辅助蒸汽吞吐开发采收率逐渐降低。随着非均质程度的增大，注入流体沿高渗井段窜通，导致水平井沿程的动用不均，从而使得注入流体的热利用率降低，采收率降低。

2.2注采参数的正交数值试验

正交设计是一种常用的数值试验方法，是利用正交表科学地安排多因素多水平试验方案，通过分析和处理试验结果，寻找各因素最佳组合方案的一种数学方法[8]。以上述所建的稠油油藏CO2辅助蒸汽吞吐模型为基础，采用五因素四水平的正交表L16(45)共16个方案，研究了稠油油藏CO2辅助蒸汽吞吐过程中的注汽速度、气汽比、蒸汽干度、焖井时间以及排液速度等五个参数对CO2辅助蒸汽吞吐开发效果的影响，并进行稠油油藏CO2辅助蒸汽吞吐开发的参数优化。该正交方案中各因素水平的取值如表2所示。

图6　水平井沿程非均质程度的影响

表2　各正交方案因素水平取值

分别将累产油和累积油汽比作为试验方案的评价指标，运用级差分析方法得到各敏感因素对CO2辅助蒸汽吞吐开发效果的影响排序。结果如表3、表4所示，可以看出，各因素对累产油与累积油汽比的影响排序均为：气汽比 >蒸汽干度 >注汽速度 >焖井时间 >排液速度。最优的实施方案为注汽速度200 t/d，气汽比1∶1，蒸汽干度0.7，焖井时间5 d，排液速度140 t/d。

表3　各注采参数对累产油的影响

级差分析是一种直观分析方法，为了消除试验误差对模拟结果的影响，需要进行方差分析。分别对累产油与累积油汽比两个评价指标进行方差分析，方差分析结果发现，气汽比、蒸汽干度以及注汽速度对累产油的影响显著，气汽比和蒸汽干度对累积油汽比的影响显著。

表4　各注采参数对累积油汽比的影响

3结论

(1)采用一维填砂模型，开展了不同类型稠油油藏的一维蒸汽驱与蒸汽-CO2驱实验，结果发现，CO2在原油中具有较强的溶解能力，可进一步降低原油黏度，改善开发效果，蒸汽-CO2驱方式的驱油效率较纯蒸汽驱方式提高了约12%，并且含水上升速度也更低。

(2)以国内某稠油油藏为例，采用数值模拟手段开展了稠油油藏CO2辅助蒸汽吞吐方式的油藏流体物性的单因素敏感性分析，结果发现，各物性参数中油层厚度与原油黏度对CO2辅助蒸汽吞吐方式的开发效果影响较大。

(3)进行了注采参数的正交数值试验，采用级差分析方法得到各注采参数的影响排序为：气汽比 >蒸汽干度 >注汽速度 >焖井时间 >排液速度，最优的实施方案为注汽速度200 t/d，气汽比1∶1，蒸汽干度0.7，焖井时间5 d，排液速度140 t/d。

(4)为了抵消级差分析中试验误差的影响，开展了方差分析，结果发现气汽比、蒸汽干度以及注汽速度对累产油的影响显著，气汽比和蒸汽干度对累积油汽比的影响显著。

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编辑：李金华

文章编号：1673-8217(2016)01-0129-04

收稿日期：2016-09-01

作者简介：宋远飞，工程师，1986年生，2008年毕业于西安石油大学，现从事油田开发中后期提高采收率技术研究工作。

中图分类号：TE357

文献标识码：A