塔里木油田注天然气油气混相带研究

罗 强 陈利新 王俊芳 马燕妮 杨 博 赵 彬

(中国石油塔里木油田分公司，新疆 库尔勒 841000)

0 前 言

目前，我国大多数油田已进入水驱油藏开发后期，油藏具有低渗、高黏、高温等特性，注聚合物驱已不再适应这类油田的三次采油。注气开发具有驱油效率高且气源寻找相对简单等特点，塔里木油田、克拉玛依油田、吐哈油田、大庆油田、辽河油田等均考虑注气驱并进行了相关的实验评价工作。

我国油藏注气气体主要包括CO2、干气、伴生气等[1-4]。国内外学者开展了一系列注气混相评价工作。Mcguire等人进行了注气驱替岩心实验，并对残余油饱和度进行了评价[5]。刘玉章等人研究了低渗油藏中孔隙特征对注气驱油混相的影响[6]。汤勇等人对注CO2混相驱在油藏筛选、室内实验评价、数值模拟、经济风险评价等方面进行了可行性评价[7]。Mansour等人利用80%甲烷和20%乙烷气体驱替低渗油藏原油，通过地层非均质性、注采井距、注气周期等3个参数对驱油效率进行评价，结果发现，地层均质性对气驱采收率有很大影响，低渗均质油藏采收率大于低渗非均质油藏采收率[8]。目前，国内外对注气混相驱的研究仅在室内实验评价阶段，未形成系统认识，同时也未与现场实际情况作对比分析[9-13]。

本次研究以塔里木油田东河1区块作为研究对象，将采油井到注气井间划分为5个注气相带——原油相带、前缘过渡带、混相带、两相带、气相带，并对 5个相带进行定义。通过理论计算和PR状态方程校正，建立注气混相理论计算模型，利用该模型计算前缘过渡带、混相带、两相带中流体的物性变化，将计算结果与东河1区块采油井DH1-2进行对比，发现计算结果与该井流体物性变化趋势一致。

1 注气相带认识

东河1区块注气开发一段时间后，出现了5个流体性质变化阶段，根据各阶段性质变化情况，将采油井到注气井间划分为5个注气相带——原油相带、前缘过渡带、混相带、两相带、气相带，如图1所示。

图1 注气相带划分示意图

(1)原油相带。原始地层条件下，原油相态未受注气影响，地层流体保持初始状态，气油比不变。

(2)前缘过渡带。地层原油溶解部分气体，原油变轻，气油比初步上升。

(3)混相带。气体多次接触、抽提原油，轻质组分不断向前移动，与前缘过渡带形成混相带，气油比缓慢上升。

(4)两相带。原油继续被抽提，原油中重质组分增加，原油在地层条件下开始脱气，形成气、液两相，气油比迅速上升。

(5)气相带。原油被完全驱替，残余油饱和度低于10%，生产以气相为主。

2 注气混相理论计算模型

2.1 PR状态方程校正

对地层原油的密度、黏度等性质进行测定，采用PR状态方程对液相体积进行校正，如式(1)所示：

(1)

(2)

式中：p——地层压力，MPa；

T——地层温度，℃；

V——原油体积，m3；

a、b、c——方程参数；

R——气体常数；

TG——气体临界温度，℃；

pG——气体临界压力，MPa；

λRA——SRK状态方程Peneloux修正系数。

利用PR状态方程对地层流体测试结果进行拟合，拟合数据包括地层温度下的气油比、饱和压力、密度等，得到地层流体参数体系。在该体系下可计算任何温度、压力下的流体高压物性参数，为多次接触理论模型提供支撑。

2.2 多次接触理论计算模型

注入气与地层原油发生第1次连续性接触，气体抽提出轻质组分后，继续进入下一个单元进行接触，抽提出的气体不断变重，直到注入气与“新鲜”地层原油混合界面张力为0。

假设互相接触相为一个单元z，z由向前接触相x与被接触相y组成，接触方程如式(3)所示：

zij=βjxi+(1-βj)yi=βj-1xi+(1-βj-1)yi

(3)

接触方程受相平衡方程约束：

yijφiG=xijφiL

(4)

最终各组分摩尔含量关系为：

(5)

式中：i——流体组分，C1，C2，C3，…，CN；

j——向前接触相与被接触相混合单元，j=1，2，3，…，M；

βj——j单元体积，m3；

zij——j单元混合相中，i组分的摩尔分数，%；

xij——j单元向前接触相中，i组分的摩尔分数，%；

yij——j单元被接触相中，i组分的摩尔分数，%；

φiG——气相中i组分的逸度，MPa；

φiL——液相中i组分的逸度，MPa。

3 对不同注气相带的认识

在注气过程中，原油相带未受影响，气相带残余油饱和度低，以气相生产为主，故下面仅对前缘过渡带、混相带、两相带进行分析。

3.1 前缘过渡带

选择PR状态方程校正，利用相平衡原理，模拟注入气第1次接触原油时，原油物性的变化规律，结果如表1所示。随着注入气不断溶解在原油中，气油比、膨胀系数、泡点压力、地面油密度等参数值不断增大，地下油密度、地下油黏度等参数值不断减小。

表1 注入气第1次接触原油时地层原油物性变化

3.2 混相带

多次向前接触过程中，向前推进的注入气与“新鲜”油以5∶1(摩尔比)多次接触后，不断抽提原油中轻质、中间烃组分，形成富烃过渡相，与原油相接触界面张力为0，发生混相。通过细管实验测定东河1区块不同压力条件下的驱油效率，实验结果如图2所示。驱油效率为90%时所对应的压力为最小混相压力，为33.07 MPa，该压力低于地层压力，注入气与原油发生混相作用。

图2 东河1区块最小混相压力计算结果

利用多次接触理论计算模型，计算产出天然气摩尔组分的变化情况(见表2)。随着注入气多次向前接触，产出气中N2、CO2含量逐渐增加，C1—C6不断减少，这是因为N2、CO2不易溶于原油，随着注入气抽提作用的加强，N2、CO2被逐渐带出。

表2 不同接触次数下天然气组分变化

3.3 两相带

多次向后接触过程中，原油不断随气体被抽提出来，气油比逐渐上升，这一现象发生在两相带。随着原油不断被抽提，原油中轻质组分(C2—C7)、中间烃组分(C8—C29)含量呈缓慢下降的趋势、重质组分(C30+)含量大幅增加(见图3)，原油密度、黏度增加(见图4)，气油体积比逐渐上升(见图5)。

图3 多次向后接触原油组分变化

图4 多次向后接触原油密度、黏度变化

图5 多次向后接触气油体积比变化

4 实例应用分析

4.1 生产动态

东河1区块于1990年11月正式投产，经历衰竭、注水、注水+注气、注气开发等阶段。DH1-2井于2003年3月19日投产。2014年9月12日DH1-6-10J井开始进行注气开采。2015年8月13日DH1-2井注气受效，该井为东河1区块第一口注气受效油井，生产情况良好(见图6)。其中，油压由0.10 MPa上升至23.37 MPa，日产油量由 41 t上升至120 t，日产气量由270 m3上升至6.05×104m3。

图6 DH1-2井生产曲线

4.2 实例分析与认识

DH1-2井注气受效前天然气、原油性质几乎不发生变化，为原油相带。注气受效后，其天然气、原油等流体性质均发生变化，如图7—图10所示。

由图7可知，天然气中N2、CO2含量逐渐增加，C1—C6含量逐渐减少。这是由于注气受效后，产出的天然气受溶解、多次向前接触等因素影响，轻质组分减少，而不易溶于原油中的N2、CO2含量逐渐增加。如图8—图10所示，原油中轻质组分(C2—C7)、中间烃组分(C8—C29)含量均呈下降趋势，重质组分(C30+)含量逐渐增加，原油密度、黏度先下降后上升，气油体积比逐渐上升。这是由于随着油井注气逐渐受效，溶解作用使原油密度、黏度减小，进入两相带后，注入气不断抽提原油中轻质、中间烃组分，原油逐渐变重。目前，DH1-2井产出的流体位于两相带，后期将逐渐进入气相带。

图7 DH1-2井天然气各组分摩尔分数变化曲线

图8 DH1-2井原油各组分摩尔分数变化曲线

图9 DH1-2井原油密度、黏度变化曲线

图10 DH1-2井原油气油体积比变化曲线

5 结 语

将采油井到注气井间划分为原油相带、前缘过渡带、混相带、两相带、气相带等5个相带。通过理论计算和PR状态方程校正，建立混相计算模型，该模型能很好地解释不同注气相带流体的性质变化情况。

前缘过渡带中，注入气开始不断溶解在原油中，气油体积比、膨胀系数、泡点压力、地面油密度等不断增加，饱和油密度、饱和油黏度等不断降低。混相带中，随着注气持续推进，采出井先采出向前接触次数更多的天然气，天然气中N2、CO2含量逐渐增加，C1—C6含量逐渐减少。

两相带中，因多次向后接触，原油轻质组分(C2—C7)、中间烃组分(C8—C29)含量减少，重质组分(C30+)含量增加，原油密度、黏度增加，气油体积比上升，这是由于注入气的抽提作用使原油逐渐变重。

理论计算结果与DH1-2井实际生产数据相一致。