块状低渗油层空气驱实验研究

武 毅

(中国石油辽河油田分公司，辽宁 盘锦 124010)

0 引 言

“十二五”以来，辽河油田低渗油藏在年度新增探明储量中的占比逐年增高，目前已达90%。研究表明，近1/3的低渗储量实施注水开发后注水井吸水能力差、注水压力高，难以建立有效驱动系统，导致开发效果差[1]。如何有效补充低渗油藏地层能量，减缓产量递减已成为亟待解决的重要问题[2-3]。近年来非烃类气驱逐渐成为改善低渗油藏开发效果的有效技术手段[4-7]，特别是空气驱具有气源充足、成本低、驱油效率高等诸多优势[8-10]。空气驱除具有活塞驱油效果外，在油藏温度下原油发生低温氧化产生烟道气驱油，且伴有氧化反应前缘热效应，助推驱油效率大幅提升[11-17]，在矿场实践中取得了较好的应用效果[18-21]。

齐131块开发层系为沙三段莲花油层，储层岩性为砂砾岩，平均孔隙度为13%，平均渗透率为10.2 mD，储层厚度为50～250 m，为块状底水油藏，油藏埋深为3 025～3 400 m。2005年上报探明含油面积为1.0 km2，石油地质储量为214.75×104t，2006年投入开发，目前共有油井13口，开井10口，区块日产油为21 t/d，综合含水为21.8%，采出程度为8.94%；注水井5口，累计注水为3.44×104m3，累计注采比仅为0.11。由于储层物性差，且为强水敏储层，注水压力高达25 MPa，导致5口注水井全部关井。测压结果表明，地层压力下降快，已从原始35 MPa降至20 MPa左右。分析认为，该块前期开发基本依靠天然能量驱动，急需转换开发方式，补充地层能量，改善开发效果。另一方面，该块地层倾角为16～21 °，地层温度约为100 ℃，有利于形成低温氧化重力稳定驱[22]，适于实施注气开发。因此，选取了地质条件适于空气驱的齐131块开展室内实验和矿场试验，研究论证辽河油田低渗油藏实施注空气驱提高采收率的可行性。

1 实验设计

1.1 静态低温氧化实验

实验时将配制人工油砂和蒸馏水装入反应釜，在预定温度(70～170 ℃)和油藏压力20 MPa条件下，使齐131块轻质脱气原油与充入的高压空气发生低温氧化反应。其中，人工油砂为80～120目，密度为2.5 g/cm3，堆积孔隙度为0.4；脱气原油密度为0.857 5 g/cm3，平均分子质量为176.69。每组实验都持续足够长的时间，以保证O2的充分消耗。反应结束后在150 ℃下测试气体中O2和CO2百分含量，计算和评价低温氧化的耗氧速率。

1.2 注气岩心驱替实验

实验用油为齐131块脱水脱气原油，地层水根据齐131块地层水矿化度及成分比例关系，采用实验室配置的模拟地层水，矿化度为6 914 mg/L。实验设备主要由大型高压恒温驱替设备、填砂管模型、压力感应及电脑记录系统等组成。

实验步骤：①将岩心驱替流程连接、安装、调试；②进行岩心模型制备，在填砂管内充填按照地层砂岩粒度组成的石英砂，并检查注气驱替装置的密闭性；③分别测得填砂模型的孔隙度、渗透率、含油饱和度及束缚水等基础参数；④将模型按照一定倾角放置，进行空气驱实验，记录填砂管两端压力、产水量、产油量；⑤针对记录数据，进行重力稳定驱替提高采收率效果及机理分析。

2 实验结果及分析

2.1 静态低温氧化实验

计算的氧化反应速率和反应后反应釜内气体组分测试结果见表1。

由表1可知，油藏条件下原油静态低温氧化反应后氧含量为2.3%，表明齐131块原油具有较好的低温氧化特性和耗氧能力，在油藏条件下，有利于原油的氧化与O2的消耗，O2可在一定时间和地层范围内消耗至爆炸的安全浓度之下，低于安全界限氧含量10%[3]。

表1 齐131块油样氧化反应实验结果

2.2 注气岩心驱替实验

在齐131区块油藏条件地层温度、压力下，进行空气驱替实验，记录气体突破时间、产出液体积与出油体积，计算采收率。共进行9组实验，包括7组脱气油实验和2组活油实验，各组实验的数据结果见表2。由表2可知，活油实验采收率高于脱气油实验采收率。

表2 岩心驱替实验参数及结果

2.2.1 0 °倾角实验

利用齐131块油样，在油藏温度为120 ℃、压力为20 MPa无倾角条件下，以0.10 mL/min的注入速度进行水平长填砂管的空气驱替。图1为不同实验温度注空气采收率与注入孔隙体积倍数关系。由图1可知：初始阶段采收率提升较快，在注入0.29倍孔隙体积后，气体突破，此时采收率为27.7%，在气窜之后，采收率提升较为缓慢，120 ℃注空气驱油最终采收率为41.2%；与98 ℃注空气驱油相比，120 ℃注空气驱油气体突破更晚，稳定高效生产的时间更久；120 ℃注空气驱油比98 ℃注空气驱油最终采收率提高了7.1个百分点，这是因为随着温度的升高，原油黏度降低，降低了驱替介质与原油的流度比，同时提高了原油与空气的低温氧化反应速率，提高了空气驱油的效果。在油藏温度为120 ℃条件下以0.05 mL/min的注入速度驱替时，在注入0.32倍孔隙体积后，气体突破，此时采收率为28.7%，比注入速度为0.10 mL/min时采收率提升1.0%；最终采收率为43.0%，注入速度为0.05 mL/min时比注入速度为0.10 mL/min时最终采收率提高了1.8个百分点。

图1 不同实验温度、不同注入速度下注空气采收率与注入孔隙体积倍数关系

2.2.2 45 °倾角实验

为了分析地层倾角对空气驱替效果的影响，进行了98 ℃、45 °倾角长填砂管模型注空气实验。注入速度为0.10 mL/min条件下，得到注入时间与采收率的关系曲线并与水平注入效果进行比较分析(图2)。

由图2可知：水平注入与45 °倾角注入空气驱替长填砂管模型分别观察到在注入孔隙体积倍数为0.21、0.25时出现了气窜现象；存在倾角时，气窜时间推迟了0.04倍孔隙体积的注入时间，延长了高速采油阶段的时间，45 °倾角注入空气驱替和水平注入最终采收率分别为37.2%、34.1%，45 °倾角注入比水平注入空气驱替采收率提高了3.1个百分点。这是由于存在倾角的注入情况下，由于油气密度差异，引起了储层中流体流动规律和空间分布形式的改变，气体的密度比原油密度低得多，由于存在重力分异作用，从上部注入，气体易存在于油藏上部形成气顶，气顶在不断膨胀的过程中推动油气界面下移，形成类似于活塞式的驱油方式，从而得到更高的采收率。

其他实验条件相同的情况下，进行注入速度为0.10、0.05 mL/min的空气驱实验。由图2可知，注入速度为0.10、0.05 mL/min时气窜时间分别为0.25、0.37倍孔隙体积时，气窜后采收率提高较缓慢，因此，气窜前气窜时间的延长有利于最终采收率的提高，注入速度为0.10、0.05 mL/min最终采收率分别为37.2%和44.4%，注入速度为0.05 mL/min比注入速度为0.10 mL/min采收率提高了7.2个百分点。在一定的范围内，采用较低的注空气速度，有利于空气在驱替过程中的重力分异，由于空气是从上方注入，利于气体向上运移，形成活塞式驱油，延长了形成气窜的时间，更有利于最终采收率的提高[23]。

图2 不同倾角、不同注入速度下注空气采收率与注入孔隙体积倍数关系

2.2.3 80 °倾角实验

采用齐131块配气活油油样与脱气死油油样在地层倾角接近垂直条件进行实验(图3)。由图3可知：在相同的实验条件下，活油油样的重力稳定驱替气窜时间更晚，达到0.42倍孔隙体积时，驱替效率更高，由40.5%升至45.9%，采收率提高了5.4个百分点。换为活油后，油黏度降低，有效减缓了黏性指进现象，延长了活塞式驱油时间，可有效提高最终采收率；采用活油油样，注入速度由0.05 mL/min降至0.03 mL/min时，气窜时间升至0.48倍孔隙体积时，采收率由45.9%升至48.7%，降低速度后有效地推迟了气窜时间，最终采收率提高了2.8个百分点。在合理的范围内，采用较低的注空气速率，有利于形成活塞式驱油，实现空气的重力稳定驱油，延长了形成气窜的时间，更有利于最终采收率的提高。

图3 不同油样近垂直驱替注空气注入孔隙体积倍数与采收率关系

3 矿场注气试验

为充分发挥先导试验的作用，对试验井组进行优化设计：①注气井的优选。优选位于构造腰部的12-015井作为注入井，一线井5口，二线观察井6口。②井型组合优化。选择试注的井组内，既有直井，又有水平井，且一线井和二线井均有水平井和直井。③注气部位优化。选择储层物性条件、连通相对较好的Ⅰ类储层注气。前人低渗岩心驱油实验结果表明，其吸气能力远大于吸水能力[24]。矿场试验表明，注空气吸气指数是注水吸水指数的8倍，连续注气1 a多，注气压力基本稳定在17 MPa左右(表3、图4a)，解决了该低渗油藏水注不进的难题，建立了有效驱替系统。阶段试注表明，注采井空间配置不同，油井响应特征不同，增油效果有差异：①构造位置高于注入井的油井见效最快，增油效果最好(图4b)。齐131-H1井位于构造高部位，油层顶界高于注气井。该井自注气后套压持续升高，最高涨至3.5 MPa，注气2个月后产量突增，日产油达到6.0 t/d，最高时达14.5 t/d，产量上下浮动。②与注入井构造位置近等高的油井也见到较好效果，增油效果较好(图4c)。③由于储层连通较好，连通系数约为90%，同时存在微裂缝，注入气也向构造低部位突进、甚至发生一定的气窜，因此，低部位的油井甚至二线井也见到一定的效果(图4d)。

表3 气131低渗油藏不同注入介质参数对比

图4 齐131块氮气驱油井见效特点

区块产出气检测氧含量为0.1%～4.8%，低于安全界限氧含量10%[3]。为确保安全生产，矿场先导试验期间严密监控生产井产出气体含氧量，当含氧量超过5%时生产井关井。

4 结 论

(1) 齐131块原油具有较好的低温氧化特性，室内实验表明，油藏条件下原油静态低温氧化反应后氧含量为2.3%，矿场试验产出气检测氧含量为0.1%～4.8%，均低于爆炸的安全浓度10%，可满足安全生产需求。

(2) 具有一定倾角注气有利于发挥重力分异作用，在注入速率相同的条件下，45 °倾角注气比水平注气可提高采收率3.1个百分点；采用较低注入速率有利于实现重力稳定驱替，减少气窜，注气倾角相同的情况下，注入速度为0.05 mL/min比注入速度为0.10 mL/min采收率可提高7.2个百分点。

(3) 矿场试验表明，注空气吸气指数是注水吸水指数8倍，连续注气1 a多，注气压力基本稳定在17 MPa左右，可建立有效驱替系统，补充地层能量，改善开发效果。

(4) 室内实验和矿场试验表明，齐131块低渗油藏实施注空气驱提高采收率技术切实可行，对于辽河油田低渗油藏注气开发的推广应用具有一定指导意义。