低渗—特低渗透油层气体段塞组合驱比较研究

陈涛平，毕佳琪，赵 斌，孙 文

（东北石油大学提高油气采收率教育部重点实验室，黑龙江 大庆 163318）

注气开发是低渗、特低渗油层最有效的开发手段，其中二氧化碳和烃类气体是最具优势的提高原油采收率的方法。近年来一些学者对二氧化碳混相驱油机理进行了许多探索，但受气源限制，国内二氧化碳驱未能大面积推广应用；另有一些学者对烃类气驱的最小混相压力、影响驱油效率的因素等进行了研究，国内多个油田也相继进行过注天然气驱油矿场试验，但也因气源及成本等问题未能大面积推广应用；氮气源于空气，其资源丰富，但氮气与原油的混相压力高，多以弹性气驱为主，其驱替效率有限。

人们为了解决油田注气开发中的气窜及气源问题，曾尝试用混合气体驱油或实施气/水交替注入，但混合气体的混相压力仍较高，常难以形成混相驱替，在低渗尤其是特低渗油层气/水交替也难以实施；另有一些学者根据细管模型数值模拟计算结果，提出了注CO2前置段塞+N2顶替提高采收率的方法[1-2]，以达到节约CO2提高采收率的目的。文献[3]对比研究了CO2驱与N2驱的机理，文献[4]对比研究了低渗透油藏不同气驱提高采收率技术，但这些对比研究中尚未涉及气体段塞组合驱的比较分析。因此，为了改善低渗、特低渗透油层气驱效果，在“十三五”国家科技重大专项跟踪专家组的建议下，在分别对低渗、特低渗油藏二氧化碳—氮气驱及富气—氮气驱进行研究的基础上[2,5]，拟对二氧化碳—氮气与富气—氮气两种气体段塞组合驱进行比较研究，从而为低渗、特低渗油层气驱方法优选提供依据。

1 均质条状模型数模

为了研究影响气驱油效果的因素，同时便于与后续物模实验进行对比，根据Y 油田油层及其流体物性参数，利用CMG油藏数值模拟软件建立了与Y油田油层长厚比一致（约30）、渗透率为3×10-3μm2的理想均质条状模型，油层温度90℃，压力梯度0.1MPa/m。

1.1 长厚比对采收率的影响

为了全面反映尺度效应对驱油效果的影响，在厚1cm×宽4cm×不同长度的模型上布置4×16×100 个网格，计算了不同长厚比模型中持续注CO2或富气的最终采收率，并绘于同一图中，结果如图1所示。

从图1可以看出，CO2驱与富气驱的采收率曲线变化趋势存在差异。CO2驱的采收率随着长厚比的增加先增大、后保持稳定，而富气驱的采收率则随着长厚比的增加先增大，后减小，最后保持稳定，且富气驱的采收率始终小于CO2驱的采收率。由此可以推断，实际油层长厚比过小（井距小、厚度大）时，不利于气驱提高采收率。

图1 采收率与模型长厚比的关系曲线对比

1.2 段塞尺寸对采收率的影响

将长30cm×宽4cm×厚1cm均质模型中注入不同尺寸的前置CO2或富气段塞+后续N2时，CO2-N2驱和富气-N2驱的采收率绘制在同一图中，如图2所示。

图2 采收率与前置段塞尺寸关系曲线对比

由图2 可知，富气-N2驱与CO2-N2驱的采收率均随前置段塞尺寸的增加而不断增大并趋于稳定，两种气体段塞组合驱采收率的变化趋势相同。在注入前置段塞尺寸小于0.4PV 时，富气-N2驱的采收率小于CO2-N2驱的采收率；在注入前置段塞尺寸大于0.4PV后，富气-N2驱的采收率大于CO2-N2驱的采收率。获得最大采收率时，富气-N2驱的合理前置段塞为0.6PV，CO2-N2驱的合理前置段塞为0.3PV，即富气的合理前置段塞是CO2合理前置段塞的2倍，此时富气-N2驱的采收率较CO2-N2驱的采收率高12.22%。

2 物理模型实验

为了确定二氧化碳—氮气驱和富气—氮气驱中合理前段塞尺寸及其驱油效果，现选用低渗透和特低渗透天然岩芯进行驱油实验研究。

为了便于比较研究，分别将2类岩芯中二氧化碳—氮气驱与富气—氮气驱实验曲线绘于同一图中，如图3、图4所示。

图4 特低渗透岩芯物模采收率对比

由图3 和图4 可以看出，在相同尺寸前置段塞下，CO2-N2驱的采收率始终高于富气-N2驱的采收率；采收率相同时，所需富气段塞尺寸始终大于所需CO2段塞尺寸。在低渗、特低渗透岩芯中，采用0.3PV 前置CO2段塞+后续N2的驱替方式，可以达到全CO2驱的最终采收率；而采用富气段塞-N2驱方式时，欲达到全注富气时的采收率数值，则富气段塞需要0.6PV。富气-N2驱最终采收率比CO2-N2驱最终采收率高约4%，但所需富气的段塞尺寸是CO2段塞尺寸的2倍。

分析认为，由于本实验中富气与原油的最小混相压力（27.4MPa）高于二氧化碳与原油的最小混相压力（25.9MPa），在同一注入压力30.2MPa 下，CO2的溶解能力强，比富气更易形成混相带；且在注入PV 数相同时，CO2在驱替压力下呈液态、密度较大，其总质量远大于在驱替压力下呈气态的富气，所以二氧化碳—氮气驱采收率较高。

3 五点法井网数模

为了确定实际油田井网条件下CO2-N2驱CO2的段塞尺寸及驱油效果，用CMG油藏数值模拟软件建立了井距300m 五点法井网单元模型，油层温度90℃，压力梯度0.1MPa/m，注、采井井底压力分别为40MPa 和10MPa，其余岩石及油气物性同前。模型长212m×宽212m×厚10m，网格划分i×j×k=106×106×5，网格步长2.0m，极限生产气油比取1500m3/m3。

3.1 低渗油层五点法井网

在低渗透油层模型渗透率30×10-3μm2，孔隙度15.5%条件下，分别计算了注不同尺寸前置段塞+N2驱时的采收率，根据计算结果所做采收率与前置段塞尺寸的关系曲线如图5所示。

由图5 可知，在低渗油层五点法井网单元模型中，同一前置段塞尺寸下，CO2-N2驱的采收率始终高于富气-N2驱的采收率；两种气体段塞组合驱的合理前置段塞分别为0.4PV 和0.6PV；在合理前置段塞条件下，二者的采收率分别为58.19%和51.46%，相差6.73%。

图5 低渗油层五点法井网单元采收率对比

为了进一步比较CO2-N2驱与富气-N2驱的气驱效益，计算了注不同尺寸前置段塞时气驱的投入产出比，结果如图6所示。

图6 低渗油层五点法井网单元投入产出比对比

由图6可知，注相同尺寸前置段塞时，CO2-N2驱的投入产出比始终高于富气-N2驱的投入产出比。结合图5，前置段塞尺寸相同时，CO2-N2驱的采收率高于富气-N2驱的采收率，且CO2的价格低于富气价格，所以CO2-N2驱的投入产出比始终高于富气-N2驱的投入产出比。

综上，低渗油层五点法井网中，CO2-N2驱的合理前置段塞为0.4PV，其投入产出比为4.48；富气-N2驱合理前置段塞为0.6PV，其投入产出比为1.69；此时CO2-N2驱的采收率比富气-N2驱的高6.73%，投入产出比是富气-N2驱的2.65倍。

3.2 特低渗油层五点法井网

在特低渗油层模型渗透率3×10-3μm2、孔隙度10%条件下，分别计算了注不同尺寸前置段塞+N2驱时的采收率，根据计算结果所做采收率与前置段塞尺寸的关系曲线如图7所示。

图7 特低渗油层五点法井网单元采收率对比

由图7可知，在五点法井网单元模型中，CO2-N2驱的采收率始终高于富气-N2驱的采收率；CO2-N2驱的合理段塞为0.4PV，此时采收率为62.98%；富气-N2驱的合理段塞为0.6PV，此时采收率为50.88%。注合理段塞时，两种气驱的采收相差12.10%。

为了进一步比较CO2-N2驱与富气-N2驱的气驱效益，计算了注不同尺寸前置段塞时气驱的投入产出比，结果如图8所示。

由图8可知，注相同尺寸的前置段塞时，CO2-N2驱的投入产出比始终高于富气-N2驱的投入产出比。结合图7，前置段塞尺寸相同时，CO2-N2驱的采收率高于富气-N2驱的采收率，且CO2的价格低于富气价格，所以CO2-N2驱的投入产出比始终高于富气-N2驱的投入产出比。

图8 特低渗油层五点井网单元投入产出比对比

综上所述，特低渗油层五点法井网模型中，CO2-N2驱的合理前置段塞为0.4PV，富气-N2驱合理前置段塞为0.6PV，此时CO2-N2驱的采收率比富气-N2驱的采收率高12.10%，CO2-N2驱的投入产出比是富气-N2驱投入产出比的2.55倍。

4 综合比较

为了便于对低渗、特低渗油层中，CO2-N2驱与富气-N2驱的驱油效果和气驱效益进行综合比较，将两种气体段塞组合驱的合理前置段塞、采收率及投入产出比等主要指标汇总于表1中。

由表1 可以看出，在实验模型完全混相驱条件下，富气—氮气驱的采收率具有一定的优势，但投入产出比处于劣势；在五点法井网部分混相驱条件下，二氧化碳—氮气驱的采收率和投入产出比均比富气—氮气驱具有优势。

表1 二氧化碳—氮气驱与富气—氮气驱主要指标对比

前述采收率等指标均是指油井生产至极限气油比大于1500m3/m3时，停止注气生产的值。在此之后油田可进入衰竭期生产，即仅靠油层中剩余气体的膨胀能驱替至单井日产气量小于某一值（取100m3/d）时，停产废弃油井。五点法井网单元不同气驱的衰竭期技术指标汇总于表2。

表2 二氧化碳—氮气驱与富气—氮气驱衰竭期技术指标对比

由表2可以看出，在衰竭生产阶段，低渗、特低渗油层五点法井网单元CO2-N2驱原油采收率和注入气回采率均比富气-N2驱的高。这是因为五点法井网单元CO2-N2驱中CO2合理前置段塞为0.4PV，比富气-N2驱中富气合理前置段塞0.6PV 少三分之一，相同净产注入气量下的注入气回采率会高于富气-N2驱；加之注入井附近CO2为纯液态、富气大多为气态，同样注采压力场分布下，液态CO2的膨胀率较高；因此衰竭期CO2-N2驱的采收率和注入气回采率均比富气-N2驱的高。

总体而言，衰竭生产期的阶段采收率较低，但却大幅度提高了注入气回采率，说明此阶段的主要贡献是净产注入气，这些气体经处理后可回注入油层提高采收率或做它用。

5 结论

（1）低渗、特低渗均质和非均质条状模型中，CO2-N2驱的合理段塞小于富气-N2驱的合理段塞，此时CO2-N2驱的采收率比富气-N2驱采收率低，但CO2-N2驱的投入产出比较富气-N2驱的投入产出比高。

（2）低渗、特低渗透岩芯完全混相物模驱油实验表明，虽然富气-N2驱最终采收率比CO2-N2驱最终采收率高约4%，但因所需富气的合理前置段塞尺寸是CO2的合理前置段塞尺寸的2倍，加之注入条件下单位体积富气价格是CO2价格的1.82倍，所以CO2-N2驱的最终投入产出比是富气-N2驱的2.0～2.69倍。

（3）五点法井网中，低渗、特低渗油层CO2-N2驱的合理前置段塞均为0.4PV，虽然均比富气-N2驱合理前置段塞0.6PV 少三分之一（0.2PV），但CO2-N2驱的采收率却比富气-N2驱的采收率分别高6.73%和12.10%，故CO2-N2驱的投入产出比分别是富气-N2驱投入产出比的2.65和2.55倍。

（4）在实验室岩芯完全混相驱条件下，富气-N2驱的采收率具有一定的优势，但投入产出比处于劣势；在实际油层五点法井网部分混相驱条件下，CO2-N2驱的采收率和投入产出比均比富气-N2驱具有优势。