砂岩储层CO2驱油效果研究

李 博，陈雪峰，王正旭，翟文宝，李明印，刘德智，康 健

（中国石油集团工程技术研究院有限公司，北京102206）

1 研究背景

二氧化碳驱油已经成为现行的高效的常规方法，作为世界三大（热采、化学剂驱、二氧化碳驱）提高油藏采收率的方法之一，注二氧化碳改善油藏的驱油效果在国内外已经得到了成功的应用。与其他采油方式相比，二氧化碳驱油具有适用范围大、成本低、无污染、采油率提高显著等优点。作为一种新型采油技术，二氧化碳驱油可以使石油采收率高10%~30%，目前国内外都在大力发展二氧化碳驱油技术[1-3]。

超临界二氧化碳技术是20世纪60年代开始兴起，初始是利用二氧化碳具有可以萃取轻质原油而对重质组分影响小的性质，大量应用于萃取有机物。正是由于超临界状态这种特殊性质，经过多年的发展，开始逐渐应用到石油领域[4]。

二氧化碳在温度大于31.1℃、压力大于7.38MPa，二氧化碳会呈现出不同于普通状态的相，也就是常说的超临界状态。

在超临界状态下，二氧化碳会呈现一种特殊状态的形式，既保留了类似液体的性质，同时还具有气体性能；而密度是气体几百倍，接近于水的密度，粘度接近于气体，扩散系数介于气体和液体之间，是气体的1%，但比液体大几百倍。

二氧化碳是一种有效的驱油剂，尤其对轻质油藏、低渗油藏，效果明显。超临界二氧化碳具有气液两相性，将超临界二氧化碳注入到储层，可以改变原油性质，降低原油粘度、消除界面张力、引起原油膨胀等[5-9]。

2 研究区域地质建模

为验证二氧化碳驱油效果，建立绥中油田高精度三维地质模型，并在模型粗化的基础上进行油藏数值模拟研究。

2.1 建立基础数据库

本次建模工作准备了大量细致的基础工作，在已有的资料中详细地整理了三维建模所需目的层段的数据，本次建模主要以丛式井A系列为主，目的储层深度为1300~1400m，本次地质建模主要针对目的层段的几何特性（包括小层顶底垂深及空间分布）、岩性属性和分布、渗透率、含油饱和度等，围绕砂岩储层属性高精度的确定性分析和基于高精度井间预测技术进行储层地质建模。为确保了模型的精确度，已经处理了大量数据。基础数据主要包括：

（1）井位坐标数据（wellhead）：主要包括井名（well）、X坐标（Xcoordinate）、Y坐标（Y coordinate）、测深（md）及补心海拔（kb）；数据加载类型为well heads（*.*）。本次建模区域内有16口井，位4×4分布。

（2）井轨迹（井斜）数据：主要包括测量深度（Md）、井斜倾角（INCL）及井斜方位角（AZIM）；数据加载类型为well path/deviation（ASCII）（*.*）。

（3）测井数据主要包括深度值及曲线值：本次对比所应用的测井数据主要有自然伽马（GR）、声波时差（AC）以及电阻率（RT）曲线。数据加载类型为well logs（ASCII）（*.*）。

（4）井分层数据（welltop）：通过目的储层岩性沉积对研究区域小层顶底的划分。主要包括井名（well）、层名（surface）、测深（Md）及层类型（wellpoint）；数据加载类型为Petrel well tops（ASCII）（*.*）。

2.2 构造模型和属性模型

构造模型就是储层的三维骨架，直接影响确定性地质模型及后期数值模拟的准确性。是三维地质建模基础，主要是利用井数据和分层数据来完成。构造模型采取将构造图数字化，通过3D网格的编辑，最终达到控制储层，精确储量的目的。见图1。

图1 井眼轨迹

本次研究选取的16口井为4×4正方形，这样选取有利于井间控制和对井间未知区域的确定性分析，更为后续注CO2开发方案和二氧化碳驱油数值模拟提供便利。

储层属性模型是在构造模型的基础上，将渗透率、孔隙度、饱和度等储层物性参数由数字化转变为可视化，直观地反映出地下储层物性的三维空间展布特征。储层属性参数主要包括渗透率、孔隙度、饱和度等。

2.3 模型粗化

为提高计算机性能，3D建模模型精确度，建立更加精细的网格步长，对原有的模型在进行粗化网格设置，由原来的网格精度20m×20m粗化为50m×50m。在粗化过程中，确定流体流动方向，保证网格平行于流动方向，确定网格边界，为储量计算更加精确结果，保持网站正交性，减少死网格。

在纵向网格模型粗化时，考虑储层分布特点及隔夹层分布特征，将原来的网格密度由0.3m粗化为0.6m，纵向网格粗化为9层，满足数值模拟的精度和计算要求。

2.4 储量计算

为了优化开采方案，为后续数值模拟做准备，对目的储层进行储量计算模拟。根据模拟结果，目的层段标准体积为129×106m3，有效体积114×106m3，空隙体积36×106m3，油藏体积36×106m3，孔隙度为0.315。

3 油藏数值模拟

本次数值模拟主要是对二氧化碳驱油过程中相态参数研究，目前已对所需油藏参数进行了综合整理。在建立油藏三维地质模型的基础上，对所建模型进行物性调参，通过对开采方案参数进行设置，设计出最有效的开采方案。最后对油藏累积油产量曲线做出了预测。

二氧化碳驱油属于注气开发，油藏开采过程及其复杂，在温度和压力的双重作用下，选择组分模型可以更好反映油藏开发过程中流体真实特征，并通过参数敏感性分析，从而为油藏开采设定可行方案。

3.1 方案一数值模拟

由于所建模型网格过多，计算时间过长，对所选模型提取了子模型进行数值模拟。在原有的目的层段提取的子模型三维井位图，模型选取了其中五口井为参考井。

3.1.1 开采方案设置

本次研究，对目的储层进行敏感性参数分析，设计出四套开采方案，并对储层累积油储量、单井累积油产量进行计算。

方案一：五口井全部为生产井，统计累积油产量、单井产量、压降速度等参数，并计算采收率。

方案二：设计A15井为注CO2井，其余四口为生产井，模拟开发方案，统计累积油产量、单井产量、压降速度等参数，并计算采收率，与第一套开采方案采收率进行对比。

方案三：设计A15井为注水井，其余四口为生产井，模拟开发方案，统计累积油产量二氧化碳驱进行对比。

3.1.2 方案一相关参数设置

通过相似油藏、查阅有关文献对有关参数进行设置。油藏参数：岩石压缩系数2×10-5kPa-1、参考压力13000kPa、地层表面温度25℃、温度系数3℃/100m、地层压力系数1000kPa/100m；生产井设置：井底流压3000kPa、产液量100m3/d、时间步长1月、时间步数60、井筒半径0.1m。

3.1.3 方案一区块数值模拟结果

（1）原油储量。通过模型模拟进行计算，区块油藏总体积1.52308×107m3、孔隙体积为4.83242×106m3、有效孔隙4.32161×107m3、原油储量4.29817×107m3。

（2）区块累积油产量。经过5年的油藏模拟开采，到2000年达到5.1×105m3，随着弹性能的耗尽，累积油产量逐渐趋于稳定，不再增加，如图2区块累积油产量。经过计算区块累计油产量达到11.8%。

图2 区块累积油产量

3.2 方案二驱油数模模拟

二氧化碳驱油是一种可行的、高效的、对储层伤害最小的一种开采方式，经过十几年的技术发展，驱油效果明显，尤其在低渗和中渗油藏中，可以大幅度提高原油采收率。为此进行二氧化碳驱油数值模拟。

3.2.1 方案二数值模拟参数设置

基础参数与方案一不变，方案二参数设置：生产井参数设置：井底流压3000kPa、产液量100m3/d、时间步长1月、时间步数158、井筒半径0.1m、开采年限25年；注入井参数设置：临界深度1400m、注入流体CO2百分数100%、注入井井筒半径0.1m、井头温度25℃、井底温度60℃、注入压力16000kPa。

3.2.2 方案二数值模拟结果

如图3为区块25年的累积油产量模拟，到2020年达到9.5×105m3。通过计算，注气驱区块采收率达到22.10%，区块增加产量86.2%。

图3 二氧化碳驱油模型区块累积油产量

3.3 方案三数值模拟

为验证二氧化碳驱油效果合理性，对目的储层进行注水驱油进行对比。注水驱油是最早的驱油手段之一，因为技术简单方便且价格低廉得到广泛应用。但是因为水驱的波及系数低，造成的采收率达不到理想驱油效果。

本次研究经过对水驱模型进行模拟，得到图4注水驱油模型的累积油产量和图5水驱模型的单井产量。图4可以看出，水驱模块对储层进行了25年产量模拟，在注水驱1995~2005年十年之内，储层产油速率较快，但是在2005~2010年，产油速率下降非常快，到2010年之后，产量几乎不再增大，达到8.5×105m3。与二氧化碳驱油相比，产量下降了1×105m3。进一步对图5单井累计油产量进行分析，以A14井为例经过15年开采达到2.25×105m3，远远小于二氧化碳驱油模型中A14井2.75×105m3的产量。

图4 水驱模型区块累积油产量图

图5 水驱模型单井累积油产量

4 结论

本次研究主要以绥中油田为研究对象，对目的储层进行三维地质建模及数值模拟，得出以下结论：

（1）二氧化碳是一种良好的驱油剂，当二氧化碳在温度大于31.1℃、压力大于7.38MPa，二氧化碳会呈现超临界状态。超临界二氧化碳具有气液两相性，即具有液体的密度，又有气体的扩散系数。将超临界二氧化碳注入到储层，可以改变原油性质，降低原油粘度、消除界面张力、引起原油膨胀从而提高原油采收率。

（2）本次研究对绥中36-1油田A区块17口井进行了三种开采方案设计：第1套方案：五口井全部为生产井，模拟开发方案，统计累积油产量；第2套方案：设计A15井为注CO2井，其余四口为生产井，模拟开发方案，统计累积油产量；第3套方案：设计A15井为注水井，其余四口为生产井，模拟开发方案，统计累积油产量；通过对数值模拟结果分析，得出结论，与水驱相比，二氧化碳驱油可以改变储层渗流机理，且超临界二氧化碳具有气体的性质，扩散系数远大于水，波及效果越高，从而可以更大地提高原油采收率。