边底水气藏注二氧化碳泡沫控水技术研究

牛保伦

(1.中国石化中原油田分公司，河南 濮阳 457001；2.濮阳市提高石油采收率重点实验室，河南 濮阳 457001)

0 引 言

天然气作为一种清洁能源，具有良好的经济性和环保性。中国天然气藏大多具有边底水，且水体入侵是影响气藏寿命的关键因素[1-2]。气田堵水[3-6]常用措施包括化学堵水和机械堵水两大类，措施范围多为井筒积液、近井井筒堵水，但存在有效期短，无法从根本上阻挡水体入侵。天然气藏原始组分中多含CO2，超临界条件下CO2密度远高于N2、空气等常规气体，有利于在气水界面形成隔离层[7]。若将天然气伴生的CO2捕集并回注地层，并配合泡沫产生控水效果，可有效稳定气田产量同时减轻环保压力，实现绿色开发。

普光气田是中国高含硫气藏成功开发的典范，已成为川气东送的重要气源。以普光酸性气田为例，探讨注气控水可行性。普光气田是封闭的边底水活跃气藏，且储集层属裂缝-孔隙型碳酸盐岩，埋深约为4 000～6 000 m，井底温度大于130 ℃。目前边部部分井受水体入侵产能逐渐降低，制约了普光气田高产稳产[8-10]。普光净化厂尾气中含有9%的CO2[11]，年捕集量近百万吨，为CO2泡沫提供了气源条件。

1 实验部分

1.1 微观控水评价实验

实验条件：应用由注采系统、可视高压釜、拍摄系统等组成的耐温耐压微观可视化实验装置。储层微观结构采用激光雕刻制作，激光雕刻点粒径约为10～100 μm，普光储层粒间孔隙平均为15 μm，可较好模拟普光储层尺度。普光气藏存在压裂裂缝与自生裂缝，通过控制雕刻深度实现孔喉差异，其中3个区域由左至右雕刻深度比为5∶3∶1，用来模拟层间差异性；层内随机分布粗细孔喉尺寸比为2∶1，用来模拟层内裂缝造成的非均质性。实验条件为130 ℃、15 MPa，水染色为黑色，白色的天然气选用井口产出气体。实验过程依次为饱和天然气、水侵、CO2或CO2泡沫控水。为模拟底水由下向上逐级入侵，实验玻璃模型采用垂直放置。

CO2(CO2泡沫)控水实验步骤：①将微观模型抽空饱和天然气，模型整体增压至15.0 MPa；②设定底部恒压水体为15.2 MPa，并稳定侵入，待顶部生产井产水率为100%时开始步骤③；③以0.02 mL/min的速度注入CO2，拍摄CO2控水效果；④待注入CO2达到底部底水区停止实验；⑤重复进行步骤①—④，将其中CO2更换为CO2泡沫体系，泡沫体系按照CO2与泡沫剂体积比为1∶1经泡沫发生器注入模型，观察CO2泡沫与CO2控水效果差异。

1.2 宏观控水评价实验

实验方法：为准确模拟在普光气藏条件下的CO2泡沫控水实验，在常规动态驱油实验装置基础上开展5项技术改进：①模拟水体以恒压为46.0 MPa注入；②在人造岩心的2/3处设置为注气控水井；③在水体侵入端与CO2泡沫注入井之间设置评价监测点，用于监测水侵区流体组成，并计量CO2泡沫控水后排出水的体积；④尾端生产井通过控制回压为45.5 MPa进行生产，以模拟气藏正常开发状态；⑤由于普光气藏裂缝最大的渗透率为5 059×10-3μm2，且水体入侵主要形式为裂缝型水侵，因此，以难度最大的裂缝为控水目标，压制了渗透率为5 000×10-3μm2人造岩心，规格为Φ30 mm×1 000 mm，采用2块岩心夹持器串联模拟普光大井距。

实验步骤：①烘箱升温至130 ℃，饱和天然气至压力为46.0 MPa；②水体稳压侵入，记录评价监测点产出流体，当稳定产水情况下开始注入CO2泡沫；③记录水体侵入量、评价监测点产出流体、生产井产气量等。

2 结果与讨论

2.1 CO2泡沫与CO2控水微观机理差异

图1为水体侵入过程。由图1可知，层间受渗透率差异影响，从底部沿着渗透率高、连通性好的部位到达上部生产井口[12-15]，左中区相对右区水侵速度快；层内水体沿高渗裂缝快速侵入，3个区内高渗裂缝内充满水，呈深黑色，阻挡了残余气体的持续产出。

水侵后注入CO2，图2为注CO2控水过程。由图2可知，超临界CO2优先进入渗透率相对较高的左中区，但沿图2中红色曲线快速指进，呈现出气水混合的形态(即气水混合后，不像图4红色曲线明显的推进，导致图2中看不太清楚气体位置)，无法形成均衡的控水前缘。其原因除储层非均质性之外，主要是由于实验条件下CO2黏度为0.052 mPa·s，远低于水黏度，无法形成稳定的隔离层阻挡水体入侵。图3为注CO2控水局部放大图。由图3可知，纯CO2气泡可与水形成贾敏效应，但普光储层裂缝尺度大，贾敏效应无法减缓CO2运移速度，导致快速气窜。

图1 水体侵入过程

图4为超临界CO2泡沫控水过程。由图4可知，顶部注入的CO2泡沫呈团状流入[16]，初期由于泡沫生成量少，在高渗层也存在一定的指进现象；但随着泡沫的不断注入，逐渐形成稳定的控水前缘，产生了控水效果。图5为泡沫控水局部放大图。由图5可知，超临界CO2形成的泡沫相对于纯CO2气团更加致密，同时由于液膜间相互吸附，堆积性更高[17-21]，从而实现控水稳气效果。

图2 注CO2控水过程

图3 注CO2控水局部放大图

图4 超临界CO2泡沫控水过程

图5 超临界CO2泡沫控水局部放大图

2.2 CO2与CO2泡沫控水宏观效果差异

CO2控水采用持续注入0.5倍孔隙体积 CO2，CO2泡沫采用CO2与泡沫剂交替注入，体积比为1∶1，总量为0.5倍孔隙体积，控水率为监测点排出水量与水体总侵入量之比，实验结果见表1。由表1可知，CO2泡沫控水效果优于CO2，且相同注入量情况下，CO2泡沫控水率约是CO2的2倍。

表1 CO2与CO2泡沫控水效果对比

2.3 CO2泡沫控水参数优化

优化了泡沫剂的使用浓度、CO2泡沫注入量，实验结果见表2、3。由表2可知，泡沫浓度越大控水率越大，控水效果越好，综合考虑控水效果和经济效益，优选泡沫浓度为0.8%。由表3可知，CO2泡沫注入量过低，控水率较小，控水效果差，随着CO2泡沫注入量的增大，控水效果明显增强，但当注入量高于0.5倍孔隙体积后控水效果增幅降低。因此，选取CO2泡沫注入量为0.5倍孔隙体积。

表2 不同CO2泡沫浓度控水效果

表3 不同CO2泡沫注入量控水效果

3 结 论

(1) 微观和宏观室内模拟实验表明：CO2与CO2泡沫均可起到控水效果，其中CO2控水主要是贾敏效应作用，而CO2泡沫相对于纯CO2气团更加致密，同时液膜间相互吸附，堆积性更高；相同注入量下，CO2泡沫控水率约是CO2的2倍。

(2) 对于非均质性较弱的储层可选用经济性更好的CO2控水，而存在裂缝、非均质性强的储层应选用CO2泡沫控水。

(3) 经优化后，CO2泡沫浓度为0.8%、经济注入量为0.5倍孔隙体积时，控水率可达到60%以上。该结果对后续油藏工程方案调整具有指导意义。

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