砂岩油藏CO2驱提高采收率油藏筛选与潜力评价

何应付，赵淑霞，计秉玉，廖海婴，周元龙

（中国石化石油勘探开发研究院，北京 100083）

随着人们对温室效应的关注及对难采储量（致密油、页岩油等）进一步提高采收率的需求，注CO2驱备受重视［1-9］。自2000年以来，中国共开展CO2驱先导（井组）试验51 项，覆盖地质储量超过6 500×104t，但还未进入规模化应用阶段。

CO2驱油藏筛选与潜力评价方法是进行中长期发展规划和规模化矿场应用的基础，很多学者对此进行了大量的研究，主要形成了3 类方法。第1 类是二元对比法，如美国的混相驱筛选标准［10-13］、中国的筛选标准［14］；该方法主要将CO2驱分为混相驱和非混相驱，并给出相关参数的取值范围；该方法简单易行，但没有考虑油藏各参数的综合影响。第2类方法为代理模型法，即数值模拟与实验设计方法相结合，建立采收率、换油率等计算模型，如WOOD等建立的基于无量纲参数的筛选模型［15］；该方法建立过程较复杂，适用性受模型建立时取值范围的影响，推广性差。第3 类为模糊评判方法，如DANIEL等提出的利用参数权重向量乘参数适宜度矩阵来对油藏进行综合评价的方法［16］，该方法考虑油藏各参数的综合影响，但依赖于油藏二元筛选参数。

目前，中国油藏筛选大多采用第1 类和第3 类方法，主要借用外国提出的二元筛选参数，并将驱替类型分为混相驱和非混相驱。但是中国油藏以陆相沉积、陆相生油为主，CO2驱混相压力较高，且油藏非均质性强，使得以混相-非混相驱理论为指导的筛选标准难以适应。为此，在对CO2驱混相特征分析的基础上，利用模糊综合评价和层次分析方法，建立了一套新的CO2驱油藏筛选和评价标准，并将其应用于中国石化CO2驱油藏潜力评价。

1 CO2驱混相特征分析

CO2与原油间主要的物理化学作用可以概括为3 个方面：①溶解/凝析作用。CO2从气相转移到油相中，降低了油相密度与黏度，增加弹性能量，降低油气界面张力。②蒸发/萃取作用。油相中的轻烃组分转移到CO2相中，使油相密度与黏度增大，对高含蜡油藏或高含沥青质油藏，甚至会出现固相沉积。③CO2在油相中的扩散作用。可以分为分子扩散和水力弥散［17］，扩散作用使CO2组分的波及系数远大于CO2相的波及系数。

这3种物理化学作用受油藏所处的动力学条件影响，尤其是注入端高压反漏斗、采出端低压漏斗和整个压力剖面均对注采井间相变化特征和物理化学特征影响重大［18］，在大量组分模拟计算基础上，分析CO2驱相与相界面的变化规律，并进一步研究了CO2驱混相程度的变化特征。

1.1 相与相界面变化规律

使用组分模型可以计算CO2的驱替过程。为不失一般性，采用东北某油田的流体物性和储层参数，左侧为注入井，右侧为采出井，注入0.4 PV 时，模拟获得注入井与采出井连井剖面上的油藏压力（p）及饱和度分布（图1）。

图1 油藏压力及油、气相饱和度分布Fig.1 Distribution of pressure，oil and gas saturation

注入初期，在注入井附近储层压力一般高于CO2与原油间一次接触的混相压力。此时CO2与原油达到一次接触混相状态，相界面消失。在此过程中，压力场对混相起主导作用，出现暂时混相，该现象具有普遍性。

注入中期，随着CO2的持续注入，储层流体向低压采出井推进，CO2及部分轻烃组分逐渐分离出来，形成单独相，即富CO2气相，油气相界面产生。在油气两相区内，存在CO2相前缘和油相后缘。由于蒸发混相效应，无因次时间（tD）为0.1～0.2时，前缘界面张力升高速度较慢，后缘界面张力升高速度较快（图2）。当界面张力低于临界界面张力时，低界面张力区内的相渗曲线、毛管力曲线同样会发生变化，其驱替过程不同于典型的非混相驱，属于近混相驱范畴。同时，前缘运动速度大于后缘运动速度，因此两相区范围不断增大。在该阶段，CO2对原油的萃取作用逐渐成为关键因素。

图2 两相区范围及两相区中油气界面张力分布Fig.2 Range of two-phase region and interfacial tension distribution in two-phase region

注入后期，随着CO2相前缘进一步向采出端推进，储层压力下降较大，压力作用又成为主导。油相中溶解的CO2重新蒸发到气相中建立新的平衡，油相中CO2浓度进一步降低，密度增大；气相密度随着压力降低持续减小，tD为0.5 时，油气界面张力增大（图2），并在整个两相区内均大于近混相临界表面张力，驱替过程转变为普通的非混相驱替。

在整个CO2驱过程中，呈现暂时混相、相分离、前缘界面张力降低、采出井界面张力升高的规律。在驱替过程中某一时刻，储层不同位置同时存在混相、近混相、非混相等多种状态。储层内某一点，可能依次经历混相、近混相、非混相。

1.2 混相程度变化特征

采用数值模拟方法，建立概念模型，计算多个油样在不同油藏压力下混相程度和混相体积系数。根据目前中国CO2驱油典型区块的物性参数，取五点法井网的1/4建立如下概念模型：网格划分为25×25×1，网格步长为5 m，平面渗透率为2 mD，孔隙度为15%，有效厚度为5 m，油水和油气相对渗透率曲线采用东北某油田的数据，油样的地层原油黏度为0.7 mPa·s，密度为0.75 g/cm3，原油组分及相关PVT热力学参数见表1所示。

表1 原油组分及PVT热力学参数Table1 Oil components and PVT thermodynamics parameters

从模拟计算结果可以看出，混相程度与油藏压力呈“S”形曲线（图3），当油藏压力较低时（非混相驱替），混相程度增加速度降低；当油藏压力增加到一定程度时（近混相驱替），混相程度增加较快；当油藏压力超过最小混相压力（MMP）时（混相驱替），混相程度增加速度再次降低。与之相对应，当油藏压力较低时，绝对混相体积系数［18］接近0；当油藏压力增加到18 MPa 后，绝对混相体积系数增加较快（图4）。

由油藏压力与波及系数关系曲线（图5）可以看出，存在16 和18 MPa 这2 个拐点，当油藏压力较低（12～16 MPa）和较高（18～24 MPa）时，波及系数随油藏压力增加，下降速度均较快；而在近混相驱阶段（油藏压力为16～18 MPa），波及系数随油藏压力增加变化较小。

图3 油藏压力与混相程度关系曲线Fig.3 Relationship curve between reservoir pressure and miscibility degree

图4 油藏压力与绝对混相体积系数关系曲线Fig.4 Relationship curve between reservoir pressure and fully miscible volume factor

图5 油藏压力与波及系数关系曲线Fig.5 Relationship between reservoir pressure and sweep coefficient

油藏压力与混相程度曲线（图3）和波及系数曲线（图5）均存在2 个拐点，第1 拐点位于非混相向近混相的转变处；第2 个拐点位于近混相向混相的转变处。该油样MMP 值为18 MPa，发现从非混相驱转变为近混相驱，其拐点处p/MMP 值约为0.8。因此，在进行油藏筛选时，通过增加油藏压力与MMP比值，将CO2驱分为非混相驱、近混相驱和混相驱：当p/MMP＜0.8 时，为非混相驱；当0.8≤p/MMP＜1.0时，为近混相驱；当p/MMP≥1.0时，为混相驱。

2 CO2驱油藏筛选标准

统计现行注CO2项目［19］，发现CO2驱油藏的适应范围较为广泛。满足渗透率为1～50 mD、深度小于2 000 m、原油API度为30.0～45.0、原油黏度小于2 mPa•s、油藏温度为30～90 ℃、剩余油饱和度大于30%、储量规模多大于100×104t 的油藏也被认为是注CO2驱的最佳标准。据此，并结合前人提出的油藏筛选标准（表2）［10-13］，提出考虑混相、近混相和非混相3 种类型的注CO2驱油藏筛选新标准（表3），表3 包括原油黏度、原油密度、含油饱和度、油藏深度、油藏温度、渗透率、变异系数、油藏压力和储量规模9 个标准及其区间。同时，在筛选开发单元时，还应满足以下一般性标准：①注气驱目的层油藏密封性好，盖层吸附气体能力要差，断层和岩墙遮挡性较好。②层内非均质性强，层间渗透率差异小，无高渗透。③油藏连通性较好，注采井网较完善，有一定的油层厚度，但不能过大，提高波及体积。④原油重质组分少，尤其是胶质和沥青质含量少，C2—C12含量高。⑤地层水中Ca2+，Mg2+，Al3+等离子浓度偏高，不宜进行气驱。⑥井况较好，不存在如套损等故障问题。

表2 美国注CO2混相驱油藏筛选标准Table2 Reservoir screening criteria of CO2miscible flooding in the US

表3 注CO2驱油藏潜力筛选标准Table3 Reservoir screening criteria of CO2flooding

3 CO2驱油藏筛选方法

在对CO2驱油藏评价过程中，不能仅凭一个或几个标准进行评价。因为即使具有较大潜力的油藏，也不是所有参数均能达到筛选标准，所以需要采用一种综合评价的方法。模糊综合评价法是基于模糊数学和层次分析理论的一种综合评价方法，已有诸多学者采用该方法对CO2驱油藏筛选进行过研究［20-23］。分析注气成功实例的数据库，结合中国石化的具体情况，利用模糊综合评价和层次分析法确定上述9个标准的权重，其值分别为0.255，0.132，0.068，0.034，0.062，0.132，0.052，0.242 和0.024，据此建立了达标、基本达标、基本不达标和不达标4个CO2驱油藏评价等级（表4）。

除权重和评价等级外，模糊综合评价方法的关键为隶属度函数的计算。大量的研究和实例计算表明，单因素评价向量必须遵守：大隶属度原则、区别性原则、一致性原则和极限原则。为了使确定的隶属度函数满足上述四个基本原则，本文将传统的岭形函数加以引申；同时将非等距的区间线性变化成等距区间，将隶属度分布密度函数用对称形式的岭形分布表示；另外，根据极限准则，确定分布密度函数的左右零点；从而获得模糊综合评价矩阵[22]。模糊综合评价矩阵和权重的乘积反映同一油藏各评价参数之间对注CO2适宜性的加权表现，结合最大隶属度原则，即可确定候选油藏注CO2的适宜性。油藏筛选过程中涉及到最小混相压力，该参数确定方法很多，目前应用最广泛的是长细管实验方法。但对大量的油田进行筛选，全部进行长细管实验显然是不现实的。为此，笔者建议根据各油藏资料齐全程度，选择合适的经验公式计算最小混相压力。

表4 CO2驱油藏评价等级及9个标准权重Table4 Evaluation order and nine standard weights of reservoir parameter for CO2flooding

4 应用实例

本次CO2驱潜力评价以2017 年底中国石化已开发单元为基础，评价对象为中国石化上游油气生产企业的胜利、西北、中原、河南、江苏、江汉、西南、华北、华东、东北、上海等11 个油田分公司，共涉及2 580个已开发单元。以现有的开发数据资料（动态和静态数据）为条件，采用上述筛选标准和模糊评判方法进行低渗透油藏CO2驱潜力筛选评价。

评价结果显示，中国石化共有597 个单元、22.62×108t 的石油地质探明储量适宜CO2驱，其中混相驱、近混相驱和非混相驱的单元个数和石油地质探明储量分别为162 个、4.89×108t，191 个、6.59×108t，244 个、11.14×108t。从预测结果看，中国石化适宜CO2混相驱、近混相驱的油藏较少，以非混相驱替为主。

从CO2驱油实践结果看，CO2混相驱效果最好，近混相驱次之，非混相驱效果明显差。从中国已实施CO2驱开发先导试验结果看，混相驱、近混相驱和非混相驱提高采收率幅度分别为＞12%，8%～12%和6%～8%，混相驱、近混相驱和非混相驱提高采收率幅度分别按12%，10%和7%计算，预计增加可采储量分别为5 868×104，6 589×104和7 798×104t。

5 结论

分析注CO2驱混相特征，认为在整个CO2驱过程中，注采井间依次经历混相、近混相和非混相，并依据p/MMP值大小，将CO2驱分为混相驱、近混相驱和非混相驱。在中外CO2驱矿场实例数据分析的基础上，利用模糊综合评价法筛选原油黏度、原油密度、含油饱和度、渗透率、变异系数、油藏深度、油藏温度、油藏压力和储量规模9个指标，采用层次分析法分别确定其权重，最终建立了一套新的CO2驱油藏筛选标准，中国石化CO2驱油藏筛选结果表明，剔出化学驱油藏和稠油油藏后，适合CO2驱的石油地质探明储量达22.62×108t，其中混相驱、近混相驱和非混相驱分别为4.89×108，6.59×108和11.14×108t，预计增加可采储量2.03×108t。